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高频信号浪涌保护器的发展及应用

随着现代通讯技术的不断发展和人类对雷电现象的持续研究，高频信号浪涌保护器也在快速的发展，高频浪涌保护器的种类也多种多样。

目前市场上流行的高频信号浪涌保护器按保护基本原理来区分主要有高通滤波器型（LC型）、并联气体放电管型和四分之一波长短路型三大类。

高频信号浪涌保护器按应用分为两类：

馈电型高频信号浪涌保护器：

天线塔上设有放大器或天线上设置室外单元（ODU），需通过同轴电缆内导体馈送直流电。

不带馈电型高频信号浪涌保护器。

高通滤波型浪涌保护器：

高通滤波型浪涌保护器是最早出现的天馈避雷器，由于雷电流的能量频谱分量的频率主要集中在30KHZ以下，只要防止30KHZ以下的雷电流通过，就能将雷电流的能量削减掉90%以上，所以在浪涌保护器内部腔体的芯、壳之间并联一只或数只小电感线圈，保护器外壳接地。利用并联的电感与保护器本身的腔体电容构成并联谐振回路，保护器工作带宽可以做到数百MH以上（插入耗损≤-0.2dB；驻波比≤1.2），同时使低频的雷电流通过高通滤波对地泄放，通信设备的正常信号由于并联谐振回路的作用而使信号损耗和反射为最小，使保护器起到防雷作用，产品的原理结构见下图1。

为了降低产品在雷电冲击电流下的残压，实际产品中高通滤波的电感量一般不超过0.5H，在雷电流冲击下的残压主要射频接头的内外导体接触电阻和高通滤波的电感量定，所以冲击残压比较低（10KA时残压为200V左右），附图

大多数产品的额定通流容量可达到或超过通流容量可达到或超过10KA（8/20）此类保护器成本低，产品结构简单，响应时间快，通过改变高通滤波的电感量可广泛用于工作频率大于70MH的各种无线通信设备。　　　　　

随着通信技术的发展，现在许多通信设备（卫星通信、部分GSM、CDMA等），都需要对室外单元进行馈电输送，保护器也相应进行了技术改进，通过采用微带技术等手段、增加放电管和TVS管等防雷元件允许使保护器成为一种可通过内馈电源并具有高频带通滤波特性的产品，使内馈电源不被保护器短路的同时又可进行感应雷保护，从而不影响通信设备正常工作。

见图

高通滤波型浪涌保护器的出现对高频信号的防雷做出了重要贡献，其冲击残压低，价格便宜。

但其缺点也是比较明显的：趋肤效应显著。由于高通滤波采用铜丝绕制，频率越高，电流愈趋铜丝表面，由于电流流过铜丝的有效面积减少，使得铜丝的热损耗加大，从而造成保护器传输性能下降或损坏。

改进：高通滤波采用特殊加工的镀银铜线。

并联气体放电管型：

并联气体放电管型浪涌保护器是目前市场上使用最广的宽频带、低价天馈避雷器。

设计很简单，保护器内部做成同轴腔体外壳形式，首先考虑设备的阻抗、设备两端的相应接地方式，采用气体放电管并联于保护器内部芯线与腔体外壳之间，产品外壳接地，当同轴电缆芯皮之间受感应雷感应有过的差模电压时气体放电管动作将雷电流泄放如地，放电管动作电压的选择由保护器实际传输的功率决定。产品的原理结构见图2。

并联放电管型浪涌保护器在正常工作状态时气体放电管可等效为一只小电容，通过减小保护器内部腔体的等效电容（其放电管的分布电容极小（<2pf））可使保护器对高频信号传输的影响降到最小值。目前最好的此类保护器工作频率限值已做到3GH（插入损耗≤0.2dB；驻波比≤1.2），产品的额定通流容量可达10KA（8/20）。这种保护器可以基本满足各种通信设备进行感应雷电防护要求。

并联放电管型浪涌保护器的缺点：

实际产品在雷电流的冲击下的残压主要由射频接头的内外倒替及其他各种接点的接触电阻和并联放电管的冲击残压（放电管的弧压降约几十伏）决定，所以冲击残压比较高，

另外气体放电管在雷电流自身的高压作用下击穿短路时，对设备高频信号也完全阻断。

由于内部并联的放电管破坏了信号传输腔体内的同轴传输特性，随着通信设备工作频率的升高保护器本身带来的插入损耗是无法避免的。

改进：

由于气体放电管的额定通流容量仅有5-10KA（8/20），当放电管经过多次雷电流冲击后，其放电特性将发生变化，所以保护器使用一段时间后需将放电管进行更换，给用户带来不必要的麻烦。

四分之一波长浪涌保护器

四分之一波长短路型浪涌保护器是根据天馈线中的驻波理论和雷电波的频谱设计的。

保护器内部做成同轴腔体形式，将一根相当于信号频率的1/4波长的末端短路的镀金棒并联在同轴传输线上，同轴传输线一端接芯线一端接地。

我们知道，信号发送出去以后，由于阻抗不完全匹配，就会有一部分波反射回来。这一部分反射波与原来发射出去的入射波叠加起来就会形成驻波。驻波在线路各点的振幅是相对固定的。对λ/4末端短路的传输线而言，其末端因为短路所以电流为最大，电压为最小。而对信号端而言，因为相差λ/4，正好是电压为最大而电流为最小，如图所示。

也就是说，对信号端而言，阻抗最大，接近开路，因此损耗很小，理论上看当短路线长度为1/4的奇数倍时短路点上波阻抗为无穷大，相当于一个并联谐振电路，此时短路接地点对设备传输的工作信号功率衰减为零，但是对于雷电波而言，由于其频谱范围很宽，而且绝大部分能量集中在30KHz以下的频段。因此，该镀金短路棒对雷电波并不是λ/4，而近似于短路。因此雷电波不会侵入设备造成损坏。

保护器产品原理结构见图3。

镀金棒的长度应该怎样设计呢？

公式：

常见的镀金棒长度：

频率

棒长

5.8G

12.9MM

2.4G

31.3MM

1.8G

41.6MM

为了确保精度，往往要对长度精心调整，因此在镀金棒的顶端设置一个短路的调节螺钉。避雷器做好后，应该用高频信号源和高频功率计对它进行逐个调整，以保证其插入损耗为最小。

四分之一波长短路型浪涌保护器的雷电泄流通路均由金属棒或金属壳体构成，响应时间快，雷电流通量容量大，保护器可经常承受100KA（8/20），以上的雷电流，只要产品设计合理，经过雷电冲击后产品不会损坏；冲击电流下的残压低，在雷电流冲击下的残压主要由射频接头的内外导体及内部各连接点的接触电阻和四分之一波长短路线和金属壳体的自身电阻及自身电感的电感量定，冲击电流为30KA（8/20）时残压为200V左右。

见图：

缺点：

四分之一波长短路型浪涌保护器不能带馈电。

最后还要注意一点的是整个高频信号浪涌保护器良好的防雷性能还要依赖其外导体良好的接地。

参考文献

1、姜明礼《1/4波长高频同轴避雷器的原理与应用》

2、罗先俊《天馈SPD设计及其应用》