QLI快插式宽带同轴避雷器的设计

2014-07-06真莹

机电元件 2014年2期

真莹

(上海雷迪埃电子有限公司，上海市，200072)

1 引言

电子通信系统常会受到外界瞬时的高过电压的干扰，如雷电产生的高功率电冲击波和感应电流电压。这种瞬时过电压(或过电流)称为浪涌电压(或浪涌电流)，会损坏电子设备，所以需要有避雷器对其进行保护，迅速去除冲击脉冲，将电流﹑电压降到安全范围内。通常用在通信系统中的避雷器有两种主要形式，GDT气体放电管和1/4波长结构。常用连接界面有7/16和N型。而QLI界面是Radiall新推出的专利界面，它具有快插式，界面配合防水的特点。体积比7/16小，所占用的安装空间小，互调比N型好，适用于室内和室外的场合。

下面介绍笔者所研发的两种具有QLI－Male界面的避雷器:GDT气体放电管和1/4波长结构，频率范围分别为DC－3GHz和0．7－3GHz。

2 避雷器基本工作原理

2．1 GDT避雷器工作原理

气体放电管被广泛的应用在信号避雷器上。气体放电管也叫惰性气体放电管，主要是内部充盈了惰性气体，放电方式是气体放电，靠击穿气体来起到一次性泻放电流的目的。在同轴结构中气体放电管垂直放在内外导体之间。它有一个阈值导通电压。在该电压之下通信系统正常工作;当外来电压大于阈值电压时，气体放电管被击穿，管子呈短路状态，导通了与接地良导体的连接，雷击产生的高电流高电压通过气体放电管，被安全的短路到地，使电子设备上的电压降到残余电压之下，从而保护了系统的安全。一旦电压释放后，设备上停留的电压就会小于阈值电压，这时气体放电管重新恢复到初始的开路状态，避雷器又迅速恢复原状，保证系统正常工作。气体放电管的寿命取决于电冲击强度。避雷器的阈值电压取决于气体放电管的阈值电压，可以根据需要更换管子。

气体放电管型避雷器可以馈入系统DC电压，例如塔放的偏置电压。它的带宽较宽，可以从直流开始。通流量容量大，绝缘电阻高，漏电流小。但残压比1/4波长型结构高，反应时间慢 (≤100ns)，而且需要定期检查和更换气体放电管。

图1 GDT避雷器工作原理示意图

2．2 1/4波长避雷器工作原理

1/4波长(1/4λ)同轴避雷器是一个3端口元件。除了输入和输出端口外，第三端口是一个短路口，它由一个对应中心频率的1/4λ长度的同轴短接线构成。1/4λ避雷器实际上就是一个带通滤波器，工作在特定的频带上。射频信号从输入端口进入，通过该避雷器到达输出端口，1/4λ短路线对于工作频段的射频信号是开路的。而雷击信号基本上是接近DC小范围的信号，大部分能量集中在10KHz以下的频段，直接通过1/4λ短路线到地，不在射频信号工作的通带内。

1/4λ避雷器通常安装在电子设备的输入端，当雷击及其感应信号到来时，即刻通过1/4λ端短路掉。起到保护设备的作用。

因为是全机械结构，它可以重复的处理冲击信号，任何时候的冲击信号都被分流到地，只有很小的残压通过设备。1/4λ避雷器具有较好的互调性能和低的残压。结构稳定，不需要定期更换元件。1/4λ同轴避雷器还能大大地抑制不同频率的干扰。但通常覆盖的频带较窄，所以需要展宽频带，覆盖多个通信频段，使得系统能够复用。

图2 1/4波长避雷器工作原理示意图

3 设计原理

3．1 同轴射频避雷器设计的基本方法

由于设计的避雷器为同轴形式，实际上转化为两个部分的设计:一是QLI输入输出同轴端口与内部结构的匹配，二是完成电流电压释放功能的内部同轴结构的设计。

A．输入输出同轴传输段的特性阻抗为50ohm。截面特性阻抗经典设计公式如下:

式中，Z0－理想同轴线的特征阻抗，D－外导体内经，d－内导体外经，ε－介质相对介电常数，这一部分传输端的绝缘子选用PTFE，介电常数约为2．08。

B．虽然从界面开始的输入输出这一部分传输线理论设计为50Ω，但为了使腔体﹑中心针和绝缘子相对固定，引进了倒刺，由此出现了结构的不连续性，造成了阻抗的不连续性。这种容性阻抗用设置在中心针上的感性阻抗匹配掉。

C．根据频段要求对避雷器本身功能块结构进行设计。GDT和1/4λ形式内部采用如下不同的结构，用电磁场软件仿真设计和优化。

D．QLI界面输入输出传输线与腔体内部结构的过渡设计。

无论内部采用GDT或1/4λ形式。都给50Ω传输线带来了极大的不连续性。需要进行补偿和匹配设计。对过渡的不连续台阶处引入的并联电容，采用通常的错位设计补偿。

E．O－ring防水圈结构设计

首先，QLI界面本身设计有放置O－ring圈的槽。加上硅胶O－ring圈后，在Male和Female接头相插连接处起到防水的作用。其次不仅界面而且内部放电管与外壳，1/4λ短路线与外壳处也有防水O－ring圈。即避雷器的三个端口都有防水O－ring圈。

3．2 气体放电管GDT结构避雷器的设计

阈值电压根据放电管的型号，有90V、230V、600V。为了管子与中心导体连接可靠，加有弹性压片。除了QLI输入输出端加有O－ring进行界面配合防水外，装放电管的端口，在外壳端口与内导体连接处，也设计有防水O－ring。放电管本身尺寸较大，所以，这一段同轴腔体直径加大许多，再加上安装固定结构，对同轴腔内电磁波干扰很大。这一部分特征阻抗不是50ohm，引入较大的容抗．需要与感抗谐调，内部做成低通滤波器模式，最终过渡到输入输出的50ohm。由于结构较复杂，建立3D模型，输入由前述的初始参数，由CST微波仿真软件完成。

图3 GDT放电管型3D模型仿真结构示意图

图4 GDT放电管型VSWR仿真曲线

3．3 1/4波长结构避雷器的设计

通常1/4λ结构带宽较窄也就10%左右，而需设计的避雷器0．7～3GHz，频率带宽约4．28倍频程。所以，展宽带宽就成了最重要的任务。中间部分采用多级阻抗变换结构，用以展宽带宽。文献［2］采用了一种1/16λ阻抗变换节的方法。用7/16接口仿真。但仅有仿真结果，未见实物实测曲线。其仿真带宽为0．66～2．67GHz。参考该文献的工作原理，设计我们QLI接口的避雷器。原理图如图5所示。仿真模型如图6所示，1/4短路线长度对应中心频率，它不是一根等阻抗线，尾端阻抗要小一些。为了确保精度，往往要对长度精确调整。因此，1/4短路金属棒的短路端设计为尾端长度可调。设置有短路的调节螺钉来微调长度，以调整中心频率。优化曲线如图7所示。除了内部结构展宽带宽和1/4λ线的阶梯位置﹑对应直径和长度的优化外，与QLI界面连接部分也需要优化，每个部分都对结果影响较大。为机械设计上的可实现性，外腔采用了多体设计，相应连接处均加了防水O－ring圈。