天线防雷（共3篇）
天线防雷 篇1
1 前言
通常将雷击分为直接雷击和感应雷击:直接雷击是指由于闪电直接击中目标;感应雷击是指在雷电放电过程中, 强磁场对目标物的感应。不管是直击雷还是感应雷, 其电压有极大的峰值和坡度, 在雷击的瞬间其电压非常高, 可达数十甚至百万伏, 持续时间很短, 只有几微秒到几十微秒。雷电引起的电压是一种脉冲电压, 其主要成分为直流+低频。由于雷电的这些特点, 必须将雷电导入大地, 否则一旦串入技术设备, 将对设备造成重大损坏。
我国有数百座中波发射台, 其发射天线的高度达数百米, 中波天线的防雷是首先必须要考虑的问题, 为此, 要求天线调配网络具有良好的防雷效果。早期天线的调配网络采用的是电容接地, 其对雷电的防护作用较弱, 随着对雷电认识的不断提高, 很多发射台对调配网络进行了改造, 采用了电感接地的调配网络, 在保持原有电气指标的前提下, 防雷效果显著提高。下面针对某台天线调配网络改造进行分析。
2 改造前的调配网络
改造前, 该台中波天线的调配网络采用的是电容接地的方式, 其天线调配网络的原理图如图1所示, 图2为天线调配网络的实物安装图。
从图1中可以看出, 匹配网络采用了倒L网络, 在天线端采用了电容接地的方式, 而且电容使用的是现在已经很少使用的磁饼电容, 由于这种电容不是连续可调的, 因此需要使用若干个电容进行串并联组合, 这样做对网络匹配参数不能达到精确调整的目的。另外, 虽然铁塔底座安装有放电球, 调配网络中接有静电泄放线圈, 且发射机还有特别灵敏的天线驻波比保护电路, 但总的防雷效果仍然不是很好, 电容接地的方式对雷电的吸收效果较差, 以直流成分为主的雷电, 很容易从电感进入发射机, 引起发射机驻波比保护或损坏功率模块等, 造成停播。
3 改造方案设计与实施
通过对原有电容接地系统的分析, 为了达到阻抗匹配和有效降低雷电的影响, 我们对原有的天线调配网络进行了重新设计, 将电容接地改为电感接地。
3.1 网络设计
为保证信号或能量有效地从“信号源”传送到“负载”, 避免能量从负载反射到信号源, 使传输功率能量最大, 传输线路阻抗必须完全匹配。需要匹配的电路包括:发射机输出与馈线之间的匹配、馈线与天线网络输入端的匹配、调配网络输出端与天线之间的匹配等。由于发射机发射的频率属于高频, 对于高频来说, 馈线上的寄生电感、分布电容以及导线电阻, 均对匹配网络具有明显不可预知的影响。为了能够达到良好匹配, 网络都需要进行适当调谐。在设计调配网络时, 首先要确定调配网络的结构类型, 并计算出相应电容、电感的元件数值。调配网络的电路设计如图3所示。
在图3中, 馈线阻抗和天线阻抗, 可通过矢量阻抗电桥和网络分析仪实际测量得到。电感和电容的大小需要通过计算得到, 计算的方法有两种:一种是通过公式人工进行计算, 另一种是通过一些软件按照输入输出阻抗要求直接获得。这次我们采用了Smith V2.03软件, 对网络参数进行设计。史密斯圆图是一种计算阻抗、反射系数等参量的简便图解方法, 是最著名和最广泛的用于求解传输线问题的图解技术, 主要用于传输线的阻抗匹配。要设计一套匹配网络, 需要通过不少繁琐的计算程序, 史密斯圆图的特点是可以省去一些计算程序, 不仅能设计出最大功率传输的匹配网络, 还能帮助设计者确定品质因数的影响以及进行稳定性分析。
对于工作频率639k Hz, 经实际测量, 得到天线阻抗为ZL=100-j152Ω, 馈线阻抗为Z0=75Ω。在确定上述两个参数后, 可以通过Smith V2.03软件, 设计出防雷型主调配网络, 软件的计算界面如图4。
在图4中, 左上角为人工输入的网络图, Smith V2.03软件根据网络的输入、输出阻抗和网络的结构, 可自动将网络元件的数值显示在界面中, 我们可以看到, 电感L=24.5μH, 电容C=1.8n F。由此, 匹配网络中主要元器件的大小就确定了。
3.2 电气参数计算
通过测试, 获知发射天线输入阻抗为ZL=100-j152Ω。在载波状态下, 发射天线辐射功率为Pt=400k W。由此, 可以计算出各点的电压电流值。
(1) 发射天线输入端载波电流的有效值为:
加100%调幅后电流有效值为:
发射塔输入端载波电压的有效值为:
加100%调幅的电压最大值为:
(2) 电感L的电流
在载波状态下, 通过电感L=24.5μH的电流有效值为:
加100%调幅的有效值为:
(3) 电容C的电流与电压
在载波状态下, 通过电容C的电流的有效值为:
加100%调幅的有效值为:
设计的电容C=1800p F, 其阻抗XC为:
在载波状态下, 电容C两端电压降的有效值为:
加100%调幅的电压最大值为:
3.3 器件选取
通过软件模拟计算知道电容容量为1800p F, 通过电气计算可以得到电容上承受的电压是29281.4V, 同时要求电容应该能够进行微调, 按照上述要求选取电容。通过市场考察, 我们选取了一个1000p F的固定电容和一个1200p F的可调电容并联使用来满足要求, 两个电容的耐压值都为35k V。同时, 考虑到实际使用中更换电容时间较长, 为了缩短由此引起的停播时间, 采用了用一备一的方式, 安装了两组电容, 一旦其中一组电容发生问题, 立即倒换到另外一组。
对电感的设计较为复杂, 主要是要求电感线圈能够承受143.36A的电流, 市场上没有直接购买到的产品, 需要计算设计好线圈的尺寸, 并由专门的厂家加工。加工时, 对线圈的工艺要求比较高, 要求焊接点要接触良好、弧度均匀、各匝之间的距离要相等、固定架有很好的绝缘效果, 同时受热不能变形等。根据电感线圈的电气参数, 我们对线圈的大小和各项尺寸计算如下。空心线圈电感量的计算公式如下:
公式 (1) 中:
L——电感量 (μH)
D——线圈直径 (cm)
N——匝数
dd——匝距
d——管径
我们已知电感量理论值是24.5μH, 留出调整量, 设计电感应不小于30μH。根据电感上通过的电流值, 可确定线圈使用铜管的直径, 结合其他单位实际使用的情况, 选取直径为50mm的紫铜管。对于线圈的直径, 根据制作的难度和施工现场的要求, 选取直径为50cm。线圈匝间距选取为3cm, 通过已经选择的几个参数, 按照公式 (1) 就可以计算出线圈匝数了。通过计算, 匝数N为11.8, 实际制作时按照12匝制作, 线圈的长度为0.96m。根据上述选取的元器件, 实际使用的调配网络如图5所示。
3.4 工程的实施
按照设计方案, 当选取的器件备齐后, 需要做如下几项工作。
(1) 要对1200p F真空电容进行打压试验, 而且交流、直流都要做。在做耐压试验时, 在35k V档至少保持30分钟以上, 一方面是检查电容的好坏, 另一方面将电容内部波纹管的一些毛刺打掉, 防止在实际播出中由于电容未老练有毛刺打火引起停播。
(2) 要对制作好的电感线圈进行仔细检查:匝距是否均匀、焊接口是否平整、是否有缝隙、线圈弧度是否均匀等。
如果电容、电感没有问题, 就可以进行安装了。安装时, 要求一定要设计好各器件的安装位置, 包括器件与墙壁之间的距离、器件之间的距离, 如果设计不好, 很有可能引起对调配室内的屏蔽层打火。各器件之间的连接使用直径为40mm的铜管, 电感线圈的接地端使用1.5mm厚、8cm宽的铜带连接。特别要注意的是, 由于电感上的电流较大, 电感与接地铜带之间的连接一定要接牢, 接触面积一定要尽量大, 否则连接的地方很容易发热。图6是我们改造完成后的调配网络。
各元器件连接完成后, 需要先通过仪器测试网络的参数。测试仪器可以使用网络分析仪和矢量阻抗电桥。使用仪器时, 一定要注意天线感应回来的电压, 可以使用示波器先测量感应电压, 如果在仪器标注的安全电压范围内就可以使用。将发射机合成器的输出部位断开连接, 然后使用上述两种仪器分别测试, 调整电容和电感的大小, 使输出口的阻抗尽量达到75Ω。最后我们将电容调整到1752p F, 电感调整到24.3μH, 由此, 在发射机输出口测试天馈线的阻抗是76+j0, 满足设计要求。
3.5 改造后的实际效果
改造完成后, 设备工作稳定, 为了测试实际播出覆盖效果, 我们对改造前后的场强分别进行测试对照。
两次测试的环境保持一致, 发射机开载波功率300k W, 测量不同方向相对开阔地点的场强作为对照参考。
使用的测量仪器为EMR 300型电磁分析仪。要求前后两次测量所使用的金属杆、仪器的位置与高度、人与测量仪保持的距离均一致, 以下为测量结果。
(1) 测试点1:发射天线西侧一角, 距离约1.5km, 测试仪器高度1.90m。
改造前测量:E=13.55 (V/m)
改造后测量:E=13.55 (V/m)
(2) 测试点2:发射天线东测的无障碍路面, 测试仪器高度1.95m。
改造前测量:E=18.37 (V/m)
改造后测量:E=18.78 (V/m)
(3) 测试点3:发射天线北侧, 公园门西侧, 靠铁栅栏旁, 测试仪器高度1.95m。
改造前测量:E=16.94 (V/m)
改造后测量:E=16.16 (V/m)
通过场强对比, 可以看出改造前后的场强基本上没有变化, 说明本次调配室改造没有影响原有的覆盖范围。
4 小结
通过本次调配室网络改造, 对调配室的工作原理和调配网络中各点的电压、电流有了深入的了解, 改造完成后发射机在随后的强雷电天气中没有再出现功率模块损坏的现象, 工作稳定。实践证明, 电感接地方式的网络改造是必要和成功的, 提高了设备的抗干扰能力, 保障了安全播出。
卫星接收天线地址的选定及防雷 篇2
1 选择合适的安装地址
在选择卫星接收天线的安装地址时,应该需要考虑到诸多因素。例如,安装地的地理环境和有可能的电磁干扰问题。卫星接收天线由于接收信号的需要,一般都是在开阔无遮挡的露天地方放置,雨淋日晒,风霜侵蚀,使用一段时间后容易出现设备故障等问题。例如,接收到信号不稳定、电视图像出现卡顿和噪点,电视电话的声音也会时有时无,当故障严重时,会接收不到信号,导致通讯设施瘫痪[1],所以选择合适地址安装对日常设备的维护工作也非常重要。
卫星接收天线在安装位置的选择上要注意的要素很多。一般来说,无论卫星天线的类型、口径的大小,它们都应被置于当地较为开阔且最高的地方,高耸的树林、建筑物和山地等都会阻档卫星信号的正常接收。在干扰方面,如附近的雷达设施、航空通讯站和输电线路等。此外,卫星接收天线的基座尽可能靠近控制机房,因为联接二者的电缆太长同样也会使信号产生衰减现象。如果不是在建筑物上部安置基座,就要注意可能影响到信号质量的周围墙体、树林的遮档。此外,要尽量将卫星接收天线设施的地址选择在非工作人员很难触及到的地方,或者建设围栏等保护设施。
2 卫星接收天线的防雷策略
雷电是自然界中常见的自然现象。在涉及到对通讯设施的防雷电破坏方面的措施,一般采取接闪和分流、屏蔽和接地、消除电位差等几个措施。
2.1 接闪装置和分流措施
接闪装置是为了保护建筑或建筑物附近设施最有效的预防措施。使用安装在建筑物上面或独立安装在建筑物旁的与大地有良好电气连接的金属物,将雷电流引向自身并通过与大地的连接导体将雷电能量泄放人大地,从而使其保护范围内的建筑或设施免受雷击,接闪装置主要为避雷针。
避雷针的安置应符合有关技术规范[。卫星接收天线设置的高度一般为1.3m,如果使用避雷针的高度是3.5～4.0米时,卫星接收天线放在以避雷针为半径约3m的保护范围以内;如果卫星接收天线置于建筑物的楼顶层,通常将避雷针的引线与所在建筑物的防雷设施的线路联接在一起即可;如果卫星接收天线被安置于空荡的山头时,应该另做接地引线,并且应该埋于潮湿的地方;如果处于强雷电影响区,应该再设置一条接地线作为保护,将接收设施的室内设备外壳与之连接起来。需要注意的是,这条保护接地线的接地极必须远离避雷针送在的接地极。
分流是将接闪装置接收的雷电能量泄放入大地的通道,可以将电能以最短的路线和最快的速度导向接地体。采用接闪装置与大地的连接要尽可能多通道分配能量,使每一个通道通过的雷电能量减小化,这样就能在通过雷电流的同时保证防雷装置的安全。具体措施是,分流多是采用单独敷设的引下线或钢筋混凝土框架结构建筑中的主钢筋等上下贯通的金属物,两端分别与接闪装置及接地装置以焊接的方式连接。
2.2 屏蔽雷电和接地引流措施
用于雷电的屏蔽,从类型上可以分为建筑物整体屏蔽、建筑物内部屏蔽和建筑物之间的线路屏蔽。不同的屏蔽措施应按建筑所处位置、特点、发生大电流雷击的可能性来确定。在实际的使用上,采用综合使用多种措施达到屏蔽电磁脉冲的影响。
接地引流措施,是雷电能量泄放通道最后环节和屏蔽措施的感应电荷释放通道。一般来说,类型不同的雷电流在波形和不同的土壤环境中有很大差别。简单地讲,因为在强烈的冲击电流作用下会使土壤发生局部击穿的情况,因此接受冲击的接地电阻阻值需要小于设备工频接地电阻的常规阻值,这个标准也为评测和判断冲击接地电阻值是否符合接地装置的要求提供了理论基础。
3 结语
卫星接收天线在安装选址时必须避开附近高山、高耸的树木和建筑、金属质的塔楼、雷达设施、信号通讯站、输电线路等的阻档和干扰。直接雷击、感应雷击、电磁脉冲雷是对卫星接收天线造成危害的几种主要的形式。通常采取的防雷措施有接闪和分流、屏蔽和接地、消除电位差等措施来降低其危害程度。
参考文献
天线防雷 篇3
1 诱导天线的分析
1.1 八木天线的设计
诱导装置是微波诱雷系统的最主要的模块。诱导装置由接闪器、八木天线、引下线和接地装置4部分组成。
对八木天线设计主要就是对振子数和振子尺寸进行设计。下面对振子数和振子尺寸的设计方法进行具体介绍。
首先是关于振子元件数的选定方法。振子的数目主要由增益来确定。本文根据设计的增益值首先确定天线的长度, 然后根据引向器和反射器的常用数据来选择振子的数目[2]。
然后是确定振子的尺寸。主要从阻抗特性和方向性两方面来考虑如何选择无源振子的尺寸和引向振子间距。反射器和有源振子的间距通常取值在范围内, 其间距对方向图的前后辐射比和输入阻抗影响较大, 间距较小可有效地抑制后向辐射, 但会造成输入阻抗变得比较小, 以至于难以和馈线阻抗匹配。
1.2 天线设计目标级参数的确定
本文设计天线的中心频率为2.4GHz, 拟达到目标是驻波比系数:VSWR≤2, G≥15d B。采用特性阻抗为50Ω的同轴线馈线, 经过上述参数选择范围的确定, 得出天线具体参数如下。
根据增益和中心频率算出, 采用12元八木天线。其中,
反射器的尺寸:长度为=65mm。
有源振子的尺寸:长度:0.475=59.37mm。
半径:0.03=3.75mm。
接线开口宽度一般取2.5cm。
引向器的尺寸:长度 (等长) :0.4=50mm。
反射器与有源振子的间距的确定:0.2=25mm。
第一根引向器与有源振子的间距确定:0.2=25mm。
引向器间距 (等间距) :0.3=37.5mm。
无源振子的半径:/100=1.25mm。
天线长度= (0.2+0.2+9*0.3) =3.1=38.75cm。
以上是对天线的初步设计。
2 天线仿真结果及分析
根据前面的分析, HFSS仿真得到的八木天线的模型如图1所示。
下面给出HFSS天线仿真后的各项指标图 (见图2) 。
图3是天线的垂直面辐射方向图, 由图可以看出天线的主瓣宽度约为63°, 而由前面的对天线参数的介绍可见此天线的波瓣宽度比较窄, 说明它的方向性很好。
由图3可知最大增益达到14.88d B, 反映了天线在主射方向辐射能力很强, 达到了预期的指标。
由图4可以看出, 理论上的计算结果与实际还是相当符合的, 当工作频率在2.4GHz时, VSWR=1.8, 略小于2, 匹配性能良好, 这个结果基本达到期望的要求。根据前文, 得出天线的输入阻抗=50.38+j5.33Ω, 电抗分量对天线从馈线对信号功率的提取有抑制作用。因此, 要尽可能减小电抗分量。
经过优化后, 天线长度为38.85cm, 反射器长度为65.15mm, 有源振子长度59.56m, 半径为59.39mm, 引向器长度50.12mm, 反射器与有源振子的间距为25.22mm, 第一根引向器与有源振子的间距25.12mm, 引向器间距37.6mm。
4 结语
在微波诱雷理论和天线理论的指导下, 本文给出了详细的微波诱雷原理、天线设计步骤和天线的各项参数, 并对设计的天线进行了HFSS仿真, 仿真结果表明设计的天线元达到了预期的效果。
参考文献
[1]马明, 吕伟涛, 张义军, 等.1997-2006年我国雷电灾情特征[J].应用气象学报, 2008 (4) :393-400.