闪电通道雷电电磁波的辐射耦合机理及试验分析

朱明星，贾良彦，吴仲超，胡 昊，陈 靖，刘冬毅

（国网蚌埠供电公司，安徽蚌埠233000）

闪电通道雷电电磁波的辐射耦合机理及试验分析

朱明星，贾良彦，吴仲超，胡 昊，陈 靖，刘冬毅

（国网蚌埠供电公司，安徽蚌埠233000）

针对雷电电磁波引起电子信息设备损坏造成经济损失的问题，利用理论和实验相结合的方法，建立了天线接收雷电电磁波信号的等效电路模型，对雷电波近场和远场进行辐射耦合。对比分析各线天线和宽带天线耦合雷电波的电压峰峰值及能量，得出雷电流主要分布在低频部分，且随着频率的升高而递减，需特别注意防止低频率雷电波侵入的结论，这对于防雷工程设计具有指导意义。同时提出了宽带天线能更准确拟合雷电电流和雷电电磁脉冲大小以及变化趋势的宽带天线能量法，对今后雷电监测定位和预报系统的改进以及雷电防护的研究具有参考价值。

雷电电磁波；辐射；天线；耦合

0 引言

雷电是带电云层内部、云层与云层间或云层与大地间发生的放电现象，常伴随着强烈的闪光和巨大声响，造成的危害可分为直击雷和雷击电磁脉冲（LEMP）两种[1]。其中雷击电磁脉冲虽不如直击雷破坏力大，但它频率范围宽、能量大、灾害范围广。当发生雷击时，闪电通道产生的雷击电磁脉冲被天线和电子信息设备所接收，耦合的雷击电磁脉冲导致天线放大电路器件和电子设备损坏，使得电子设备、设施不能正常工作，这给我们的日常生活和工作带来了诸多不便，也对生产生活带来了严重的后续影响[2-3]。因此人们越来越重视雷击电磁脉冲对电子信息设备所构成的威胁及其防护问题。而掌握雷电电磁波的辐射耦合机理则是解决问题的关键。

一直以来，人们对于雷电进行了大量的研究。例如把测量的设备装在高塔上，记录自然雷电击中高塔时的雷电流波形[4]；发射引雷火箭，记录地面上预设雷击点通过的雷电流[5]；在不考虑地面电导率的情况下，学者对雷电回击电磁场进行了理论研究及模拟实验[6]；或者在考虑地面电导率的情况下，用一种新型的天线理论对雷击电磁脉冲进行研究[7]；另有学者提出一种电磁场数值计算的有效方法，该方法是在以前提出的有损但均质土壤表面场的估算模型作出合适改动后而提出的，被用来估算辐射场在土壤分层中的影响[8]。同时，学术界也相继提出了雷电放电通道的多种计算模型，主要包括气动模型、电磁场模型、R-L-C传输线模型和工程模型[9-12]。随着不断的研究，人们对各种雷电模型进行了修正和完善。在工程雷电模型中，除雷击通道底部电流外，其他的参数都相对简单，比较方便计算回击电磁场，且大部分工程雷电模型都通过实验的检验，基本上符合工程要求，所以在雷电电磁场的分析中被广泛应用。

笔者运用雷电波频谱理论、天线理论和雷电工程模型，对频率为0.85 GHz、1.76 GHz和2.54 GHz线天线以及65 MHz～1 GHz宽带天线进行同源雷电电磁波远场耦合，另对0.85 GHz、1.76 GHz和2.54 GHz线天线进行同源雷电电磁波近场耦合，对比分析各天线耦合雷电波的结果，探究雷电电磁波的辐射耦合机理。

1 雷电回击过程的天线模型

把大地看作良好导电平面（σ→∞），在不考虑云内电荷影响的情况下，认为回击通道周围都是无穷的空间。把回击通道简化为垂直于地面的直线通道，而回击过程可以看做是回击电流沿该通道向上传播的过程。边界条件通过添加通道在地面下的镜像来满足，这就是雷电回击过程的天线模型[13-15]。

要求雷电回击通道里雷电流所产生的电磁场，需对z′在回击通道及其镜像进行积分。回击通道的任意一段在任意时刻下不是都有电流的。电流从通道底部向上传播存在一个过程，这样P点的观测者在t时刻看到的高度就有一个时间上的延迟，如图1所示。

图1 观测者在t时刻看到的通道中电流的高度Fig.1 The height of the current in the channel seen by the observer at time t

以上讨论的是雷电流从回击通道向上传播的情况。因为镜像偶极子到观测点的距离与实际偶极子的距离不同，观测点看到的镜像电流高度也不相同，则满足实际上的解可以由式中取z的相反数求出。在远区场将趋近于，地面上两者相等，令两者等于h。可推导出P点雷电回击水平磁场Bϕ、垂直电场Ez和水平电场Er：

如果P点在地面上，即z=0，则则地面上水平电场Er=0，垂直电场Ez和水平磁场Bϕ为

2 实验及数据分析

笔者主要研究不同中心频率的天线信号对近场、远场雷电波电磁信号耦合效果的差异性。李祥超等[16]采用高1.2 m、直径为20 mm的金属棒模拟了8/20 μs雷电流信号，研究了棒形天线对电磁波耦合效应，得到了较好的结果。因此，本文用冲击电流发生器（ICG）来模拟实验所需的雷电冲击电流。将模拟的8/20 μs雷电电磁波加在高1.2 m、直径为20 mm的金属棒两端，则金属棒相当于雷电回击通道，它将发射8/20 μs模拟雷电电磁波。实验所设置的雷电冲击电流的冲击范围为5～35 kA，步长为2 kA。在距离金属棒8 m的位置，分别用1号、2号和3号线天线以及65 MHz～1 GHz的宽带天线进行雷电电磁波远场辐射耦合实验。另有距离金属棒1 m处，分别用1号、2号和3号线天线做雷电电磁波近场辐射耦合对比实验。两次天线耦合实验均用Tektronix TDS 2022B型示波器来采集存储天线耦合到的雷电波电压波形。将各线天线和宽带天线的电压波信号进行处理，计算各天线耦合雷电电磁波的电压峰峰值及其能量，并画图进行统计对比分析。试验前，先用E5071C型网络分析仪测量1号、2号和3号线天线的信号波形曲线，得到图2。由图2可得，1号线天线的中心频率为0.85 GHz，带宽为247.5 MHz。2号线天线的中心频率为1.76 GHz，带宽为107.7 MHz。3号线天线的中心频率为2.54 GHz，带宽为1.37 GHz。

冲击电流发生器（ICG）产生的8/20 μs模拟雷电流流过1.2 m长的金属棒并发射雷电电磁波，在距其8 m的位置分别用1号0.85 GHz、2号1.76 GHz和3号2.54 GHz的线天线以及65 MHz～1 GHz的宽带天线进行雷电波远场辐射耦合实验。

各线天线和宽带天线耦合雷电电磁波远场的典型电压波形见图3。图3中，1（黑色）是65 MHz～1 GHz的宽带天线在21kA雷电流冲击下耦合雷电波远场的电压波形，2（红色）、3（蓝色）、4（粉色）分别是中心频率为2.54 GHz、1.76 GHz和0.85 GHz的线天线在21 kA雷电流冲击下耦合雷电波远场的电压波形。由图3可知，线天线频率越高，所耦合到的雷电波电压幅值则越小。而宽带天线由于其频率范围广，所耦合到的雷电波电压幅值最大。

图4为各线天线和宽带天线在雷电电磁波远场耦合到的电压峰峰值分布图，该图的横坐标是模拟的雷电冲击电流，它的冲击范围为5～35 kA。由图4可知，随着模拟冲击电流的逐渐增大，各线天线和宽带天线耦合雷电电磁波远场的电压峰峰值曲线趋势也增大，但却并不是线性增大。在雷电流幅值逐渐增大的情况下，各线天线和宽带天线接收到的电压峰峰值有大有小，并且呈波浪状上下浮动，主要原因是因为冲击电流发生器在各次实验中输出的雷电流陡度发生了变化，从而使得雷电流频谱也发生了变化。

图2 线天线信号波形曲线Fig.2 Line antenna signal waveform curve

图3 天线耦合雷电波远场的电压波形Fig.3 The voltage waveform of the far-field of the antennacoupled lightning wave

图5为各线天线和宽带天线在雷电电磁波远场耦合到的能量分布图。该图的横坐标是模拟的雷电冲击电流，它的冲击范围为5～35 kA，纵坐标是天线耦合雷电电磁波远场的电压的平方对时间的积分，即表示的是天线耦合雷电电磁波远场的能量变化趋势。从图5可知，随着冲击雷电流的逐渐增大，各线天线和宽带天线耦合的雷电电磁波远场能量曲线趋势也增大，且在其增大的过程中能量曲线呈波浪状上下浮动。其原因是由于雷电流陡度发生了变化，引起了雷电流频谱变化。而在不同频率的天线之间，线天线的频率越高，天线耦合雷电电磁波远场能量的能力越弱。相较之线天线，宽带天线更能体现场的能量。

图4 天线耦合雷电波远场电压峰峰值分布图Fig.4 Peak-to-peak distribution of far-field voltage of antenna-coupled lightning wave

图5 天线耦合雷电波远场能量分布图Fig.5 Distribution of far-field energy of antenna-coupled lightning wave

图6 天线耦合雷电波近场电压波形Fig.6 The near-field voltage waveform of the antenna-coupled lightning wave

3 结论

应用65 MHz～1 GHz宽带天线与中心频率分别为0.85 GHz、1.76 GHz和2.54 GHz的线天线对同源雷电电磁波远场进行耦合，另用中心频率分别为0.85 GHz、1.76 GHz和2.54 GHz的线天线对同源雷电电磁波近场进行耦合，对比分析各天线耦合冲击雷电电磁波的电压峰峰值及能量分布，得出以下结论：

2）线天线频率越高，所耦合到的雷电波电压幅值越小，其耦合雷电电磁波能量的能力也越弱。这验证了雷电流主要分布在低频部分，随着频率的增大而递减的科学理论。

3）随着模拟冲击电流的逐渐增大，线天线耦合雷电电磁波的电压峰峰值和能量均整体增大。

4）宽带天线由于其频率范围广，所耦合到的雷电波电压幅值较线天线大。随着模拟冲击电流的逐渐增大，宽带天线耦合雷电电磁波的电压峰峰值和能量均整体增大，但并不是线性增大。相较之线天线，宽带天线更能体现场的能量。

[1]刘有菊，和伟.雷电放电电磁场及防护[M].昆明：云南大学出版社，2010.

[2]甄可龙，吕善伟，张岩.强电磁脉冲对雷达接收机的天线耦合分析[J].河北科技大学学报，2011，32（2）：147-151.ZHEN Kelong，LV Shanwei，ZHANG Yan.Analysis of an⁃tenna coupling of intense electromagnetic pulse to radar re⁃ceiver[J].Journal of Hebei University of Science and Tech⁃nology，2011，32（2）:147-151.

[3]VIEIRA M S，JANISZEWSKI J M.Propagation of light⁃ning electromagnetic fields in the presence of buildings[J].Electric Power Systems Research，2015，118（SI）:101-109.

[4]MCEACHRON K B.Lightning to the empire state build⁃ing[J].JournaloftheFranklinInstitute.1939，227：149-217.

[5]郄秀书，杨静，蒋如斌，等.新型人工引雷专用火箭及其首次引雷实验结果[J].大气科学，2010，34（5）：937-946.XI Xiushu，YANG Jing，JIANG Rubin，et al.A New-Model rocket for artificially triggering lightning and its first triggering lightning experiment[J].Chinese Journal of Atmospheric Sciences，2010，34（5）:937-946.

[6]Bermudez，L J，ECOLE P F，et al.Far-field-current rela⁃tionship based on the TL model for lightning return strokes to elevated strike objects[J].IEEE Transactions on Electro⁃magnetic Compatibility，2005，47（1）:146-157.

[7]SHOORY A，MOINI R，SADEGHI S H H.Analysis of lightning electromagnetic fields in the vicinity of a lossy ground，using a new antenna theory model[C].Power Tech Conference Proceedings，2003 IEEE Bologna.

[8]DELFINO F，PROCOPIO R，ROSSI M，et al.Lightning electromagnetic radiation over a stratified conducting ground:Formulation and numerical evaluation of the elec⁃tromagnetic fields[J].Journal of Geophysical Research At⁃mospheres，2011，116（D4）:759-787.

[9]李韦霖，杨琳，李慧，等.雷电通道模型研究与应用[J].现代电子技术，2010，33（5）：174-178.LI Weilin，YANG Lin，LI Hui，et al.Research and appli⁃cation of lightning Channel model[J].Modern Electronics Technique，2010，33（5）:174-178.

[10]李祥超.电涌保护器（SPD）原理与应用[M].北京：气象出版社，2011.

[11]（美）R.E.Collin.天线与无线电波传播[M].大连：大连海运学院出版社，1988.

[12]康行健.天线原理与设计[M].北京：北京理工大学出版社，1993.

[13]魏明.雷电电磁脉冲及其防护[M].北京：国防工业出版社，2012.

[14]Martin A.Uman，D.Kenneth McLain，E.Philip Krider.The electromagnetic radiation from a finite antenna[J].Am J Phys.1975，43：399-406.

[15]陈渭民.雷电学原理[M].第2版.北京：气象出版社，2006.

[16]李祥超，周中山，陈则煌，等.棒形天线耦合雷电电磁波及抑制方法[J].电波科学学报，2015，30（2）：357-364.LI Xiangchao，ZHOU Zhongshan，CHEN Zehuang，et al.On lightning electromagnetic wave coupled by stick anten⁃na and its suppression method[J].Chinese Journal of Ra⁃dio Science，2015，30（2）:357-364.

Coupling Mechanism and Experimental Analysis of Electromagnetic Radiation in Lightning Channel

ZHU Mingxing，JIA Liangyan，WU Zhongchao，HU Hao，CHEN Jing，LIU Dongyi
（State Grid Bengbu Power Supply Company，Bengbu 233000，China）

For the damage of electronic information equipment resulting in economic losses caused by lightning，by using the method of combination of theory and experiment，an equivalent circuit model that antennas receive signals of lightning electromagnetic waves is established to do radiation and cou⁃pling experiments in the lightning near-field and far-field.Comparing the peak to peak voltage and en⁃ergy from each antenna and broadband antenna，a conclusion that we should specially attention to prevent lightning invasion waves of the low frequency for lightning current is mainly distributed in low frequency and it decreases with the frequency increasing is drawn，which has guiding significance for the design of lightning protection engineering.At the same time，a broadband antenna energy method that broadband antenna can fit the size and trend of lightning current and lightning electromagnetic pulse more accurately is also proposed，which has important reference value to the improvement of lightning location and predic⁃tion system and the research on lightning protection in the future.

lightning electromagnetic waves；radiation；antenna；coupling

10.16188/j.isa.1003-8337.2017.06.031

2017-05-19

朱明星（1985—），男，工程师，研究方向为电网调控或电网大数据分析。