1/4波长避雷器短路结构关键因子的研究

朱凯，刘永坤，董文彪，周祎，徐学孜，吕岑佳

江苏亨鑫科技有限公司，江苏 宜兴 214222

0 引言

本文所研究的射频通信传输系统用同轴避雷器，通过把雷电等环境因素产生的感应电流导入接地金属防雷。而雷电波的频谱分量大体集中在0～20KHz[1]，与传统电源防雷过电压保护不同，射频系统在实现接地功能的同时，必需保证系统实际应用信号频段的正常传输，1/4波长避雷器可承受感应雷击条件下（电流波型8/20us）60KA感应电流及100V的剩余脉冲电压。

通信行业已知常见的避雷器类型有：气体放电管避雷器、1/4波长避雷器和阿基米德螺旋线避雷器。其中气体放电管避雷器寿命短、耐压上限低，阿基米德螺旋线加工难度大、安装方向有严格限制，因此这两种结构的使用有限。1/4波长避雷器因其金属支撑结构稳定、导流能力较强、免维护等原因，有更大的研究价值。

1/4波长避雷器（简称1/4λ）产品核心为其短路结构，是实现避雷功能以及影响电气性能的重要模块，本文重点对金属柱、异型金属、螺旋电感线、阿基米德螺旋金属片等不同的短路支撑结构进行研究，分析结构与性能的关键影响因素和其作用特点。

1 1/4波长原理

1.1 1/4波长避雷器基本结构

1/4波长避雷器基本结构见图1，其作用等同于带通滤波器[2]，带宽中心与1/4波长对应的中心频率f0直接关联，带宽对应实际使用频段。

在同轴传输线的基础上，在内外导体间增加长度的支撑金属进行短接，见图1（a）阻抗示意。雷击电流通过同轴线内导体，沿短路针导进同轴线外导体，再经由与外导体连接的接地线或金属安装板实现接地防雷作用，见图1（c）电流流向。

1/4波长与频率对应关系公式（1）、（2），因短路线长度l在产品上相对固定，因此一款避雷器仅对特定频率范围内的信号进行导通。

C—光速；fH—最高使用频率；fL—最低使用频率；f0—使用频率中心频点。

1.2 1/4波长短路线原理

根据微波传输线中的短路线原理[3]，在忽略传输线损耗时，输入阻抗为公式（3）：

Zin—输入阻抗；ZC—传输线阻抗；ZL—负载（短路端）阻抗；j—虚数符号；β—每单位长度的相位移常数；l—短路线长度；

图1 1/4λ避雷器

电压和电流存在π/2的相位差，即电压与电流在每个瞬时大小都呈现相反的状态，因此使用频段信号的功率传输为0。

综上，当短路线长度为对应频率f0的1/4波长时（），输入阻抗Zin无限大。对于f0信号呈现开路无法向短路端传输，而是沿同轴线向前正常传输信号，对于非f0信号则呈现短路特性以传输雷击电流，因此可实现避雷器功能。

2 短路结构方案比对

根据1/4波长原理，短路针结构以及与传输线的连接过渡部分，可看作线性传输中的非匹配点，对产品性能起到决定性作用。此结构需要注意性能匹配，以在有效频段内获得更小的反射系数。

基于此，我们对几种可行的结构方案：金属柱、电感结构等方式，改变短路部分的电容/电感特性，从而获得更宽的频段范围和驻波性能。除圆柱结构外，其余短路结构的电气模型都较为复杂，因此利用仿真进行研究。

2.1 金属柱

2.1.1 圆柱

金属圆柱相对简单，可直接参考同轴线内导体金属支撑理论[4]进行计算，图2结构中：同轴线阻抗Z1=Z2，短路结构阻抗Z3，频率覆盖比K见公式（5）。

图2 金属柱短路结构

图3中特性阻抗Z0服从移动通信系统取50Ω，按电压驻波比ρ=1.2的标准，以点线法绘制出图3曲线。当K值越大，短路结构阻抗Z3也越大，相对而言同轴线阻抗Z1=Z2的变化并不明显。

图3 频率覆盖比与阻抗关系曲线

两组不同覆盖频段数据（表1）：①若覆盖2G、3G、4G网络常用的698-2700MHz频段：=44.1mm，K=3.9，Z1=Z2=39.6Ω，Z3=90.3Ω。②若需包含联通电信5G频段698-3700MHz：=34.1mm，K=5.3，Z1=Z2=41.9Ω，Z3=178.3Ω。

表1 金属柱仿真

VSWR曲线从中心频点f0向两端逐渐升高，与2.1理论状态相符。同时仿真中心频率较理论值向右偏，若覆盖频宽fH-fL数值不变，f0越高则K值越小，同时中心频点的右偏程度也越小，即频率越高则越容易覆盖更宽的频段。

不难发现圆柱结构虽简单有效，但在实际应用中受到两处限制：①短路段及匹配同轴段的物理长度较大，实际安装及材料成本均不理想；②在K值较大时，段路结构阻抗Z3值也非常大，容易造成内导体太细难以加工，并影响雷击电流的传输。下面我们对短路结构进行变形，以求压缩短路结构高度并加大短路针直径。

2.1.2 圆柱折弯

通过弯折金属柱可以一定程度上降低短路结构高度。表2模型覆盖频段698～3700MHz的最优频点由3.3GHz右移至3.9GHz，等效于短路线长度l又减小了，仍未真正实现短路结构尺寸的压缩，因此折弯意义不大。

表2 金属柱直角弯折仿真

2.1.3 多根金属柱

为了降低短路结构高度，考虑使用超过1根的金属柱，对照表3模型覆盖频段698～3700MHz。加1根金属柱后最优频点3.3GHz左移至3.0GHz，再继续增加金属柱数量则未继续出现偏移情况，同时调整金属柱直径和间距也无变化。因此通过增加金属柱数量方案，效果并不理想。

表3 多根金属柱仿真

2.1.4 Z字形金属柱

重新考虑压缩短路结构方案，重新对金属柱进行折叠。在金属柱左右两侧交叉进行抠槽，可以获得Z字形结构（表4）。相对于圆形金属柱，中心频点的下降非常明显，并且将短路针中间掏空后还有进一步的优化。因此短路针堆叠的改进方向，对于压缩短路结构是有效的。

表4 Z字形金属柱仿真

2.2 电感线

由于金属柱结构长度太大、短路针太细的弊病很难消除，参考Z字形金属柱，如果将电感线应用在短路结构中，可以对短路针进行最有效压缩。

单层中空螺旋线是最经典的电感模型，因此根据电感的感抗X（L）特性（公式6）的关键要素，我们可用于评估短路结构的影响因子。

f—频率；L—电感量。

其中电感量计算公式（7），芯柱为空气不做参考，可以得到3个影响参数。

μ—芯柱磁导率（此处为空气）；N—线圈匝数；H—线圈高度；S—线圈截面积。

而在实际应用时，电感线会并联出现寄生电容EPC（图4），不能纯粹当作电感来处理。同时短路腔体内部也因：螺旋线在短路段中的不同高度、实际电感量的变化、阻抗过渡的不同，呈现出复杂的频率特性。

图4 电感等效电路

2.2.1 圆柱形单层螺旋线

对金属圆柱打中心孔并车制螺旋开槽，就得到了经典的圆柱形单层螺旋线结构，下面对图5短路针模型进行仿真。

图5 圆柱形螺旋短路针体模型

（1）阻抗过渡影响。根据3.1.1计算数据，短路部分阻抗应大于标准阻抗Z0，我们参考阻抗变换[3]中多节1/4波长变换器结构，将短路段外导体由一段改为多段，过渡段高度参考1/4波长与对应的螺旋线长度的调节，同时阻抗逐级变大。详细参数可根据实际可行的尺寸，采用有限元法通过软件进行求解。

从表5仿真数据看，每增加一级过渡，VSWR曲线整体向下移动。因此若要优化性能，可采用增加过渡的方法。另外也可以将圆柱形螺旋线改为梯形螺旋线，同样可以达到阻抗过渡目的。

表5 不同阻抗过渡仿真

（2）位置影响。模型中螺旋线与短路针的相对位置（表6），实际并不影响1/4波长的等效长度，因此对中心频点影响不大，但因为H（螺旋起始点高度）不同对电容电感的影响，因而需利用软件寻求最优解。实际应用时，应将螺旋线与外导体过渡台阶进行配合，以获得更好的过渡匹配效果。

表6 不同高度过渡仿真

（3）电感量影响。由公式（7）可知：匝数、截面积、高度对电感量的影响，但在实际模型中截面积等参数并不直观，因此先转化为：d（内孔径）、N（匝数）、W（槽宽）、V（节距）。

将圆柱螺旋线模型通过软件求解到较优的电感量参数后，可以得到3个驻波的低点，从低频向高频依次编号点1、点2、点3。那么点1至点3之间的频段可用作使用频段，通过调节3个点的频率可以获得想要的性能。

为研究结构参数对三个频点的影响关系，采用单一变量法仿真得到表7数据。

表7 不同电感量过渡仿真

①匝数N、内孔径d、槽宽W：随着数值的变大，覆盖频率向低频移动，低频指标变差的同时高频指标变优。

②节距V：随着数值变大，覆盖频率向高频移动，低频指标变优的同时高频指标变差。

再把4个模型参数带入公式7，得到电感量关系式8：

其中匝数N、节距V与电感量L成正比，内孔径d、槽宽W与电感量L成反比，结合上述仿真结果，可以初步判定：电感量L越大，覆盖频率是向高频移动的。这里需要解释一下匝数N，虽然按该结论，匝数N增大带来电感量L增大及覆盖频率向高频移动，但同时也应考虑匝数加大后变相也增加了1/4波长等效长度，且该作用更强，因此反而出现了使用频段向低频移动情况。

2.2.2 平面形螺旋线

将圆柱形螺线现变形为平面等距螺旋，又称为阿基米德螺旋，基本结构与蚊香相似。查阅平面螺旋线电感量公式[5]，公式较为复杂，我们可以与图6中的关键影响因子比较后简化使用：电感量与匝数N、厚度B、节距V成正比，并与槽宽W成反比。

图6 平面形螺旋短路针体模型

（1）结构搭建。表8为仿真数据，首先直接在同轴线上并入螺旋金属片，驻波曲线在主频段存在多个峰值。

表8 阿基米德螺旋仿真

为了压低此处峰值，可以考虑利用电容通高频阻低频的特性，通过调节电容特性，驻波峰值有明显降低，但在使用频段内驻波指标仍不理想。

最后我们借鉴圆柱螺旋线结构中，短路结构沿同轴线径向向外，阻抗逐步变化升高的过渡结构，在外导体上增加台阶进行阻抗匹配，且考虑到阿基米德螺旋线半径是360°逐步增大，因此外导体1/4波长过渡进而可以演变为斜坡。

2.3 双短路线结构

以上的短路线均为单一的1/4波长结构，受限于短路线自身等效长度限制，中心频点仅能同时存在某个既定数值，因此也大大限制了避雷器有效覆盖宽度。因此考虑将两个短路结构的中心频率f1与f2非常接近的短路结构，串联在一同轴线上，通过两段不同的短路线形成的带通结构，对频段进行一定的拓宽（图7）。

图7 双端路线电气图

该方案可采用两只频段接近的1/4波长避雷器连接在一起测试，即可验证，但对中心频率的限制也是非常明显的，同时也增加了使用成本和产品体积。

3 结语

本文从同轴线避雷器的1/4波长原理展开研究，明确了短路结构对产品有效覆盖频段、电气性能的重要作用以及本身限制。之后基于短路线的作用及可行结构，展开对结构要素与性能指标之间的关联性研究，短路针结构以金属柱方案开始，进一步对其折叠与弯曲，从而推导出电感螺旋线结构的合理性。

文章重点研究的短路结构，由相关电感电容和阻抗过渡知识的推导，结合三维模型仿真验证，最终识别并归纳出避雷器结构对性能影响的关键因子：短路结构等效1/4波长长度、阻抗过渡、螺旋线等尺寸因子、螺旋线的变形和电感等作用因素，为通信线路中避雷器的设计提供参考。