棒形天线耦合雷电电磁波及抑制方法

李祥超 周中山 陈则煌 陈璞阳

棒形天线耦合雷电电磁波及抑制方法

李祥超 周中山 陈则煌 陈璞阳

（南京信息工程大学中国气象局气溶胶云降水重点开放实验室，江苏南京210044）

针对棒形天线耦合雷电电磁波信号的问题，利用实验和理论相结合的方法，建立了棒形天线接收雷电电磁波信号的等效电路，分析了雷电电磁波信号的频谱及能量分布规律，提出了利用暂态抑制二极管器件（Transient Voltage Suppressor，TVS）抑制棒形天线耦合雷电电磁波能量的重复方法.实验表明：在馈电端并联TVS管后，从棒形天线S11曲线得出的天线中心频率及带宽略变小；馈电端并联TVS管可有效地抑制棒形天线耦合雷电电磁波电压的幅值，在馈电端并联两种不同型号的TVS管，棒形天线耦合雷电电磁波电压的幅值可分别被抑制到6.8V至7V以内.实验结果和理论分析结论基本吻合.研究结果对棒形天线耦合雷电电磁波能量的抑制方法具有一定的指导意义.

棒形天线；耦合；雷电电磁波；暂态抑制二极管；S11曲线

引 言

雷电电磁脉冲具有频率范围宽、能量大等特点，并且具有很强的干扰及破坏作用，可以对电子设备造成严重的损伤，使电子设备不能正常工作，因此人们越来越重视雷电电磁脉冲对电子信息设备构成的威胁及其防护问题.在大规模集成电路应用中，器件的工作电压越来越低，对静电放电和雷电产生的电磁脉冲愈加敏感［1－2］.瞬态抑制二极管（Transient Voltage Suppressor，TVS）是广泛使用的半导体保护器件.理想的保护器件必须具有响应快速、电压降低，浪涌电流吸收能力强的特性.当TVS管两端经受高能量的冲击时，它能以极高的速度（几十ps数量级）使其阻抗骤然降低，同时吸收能量将电能转换为热能，并将其两端的电压箝位在一个预定的数值上，从而保护电路的元件免受瞬态高能量的冲击而损坏［3－4］.

天线是无线电通信、广播、导航、雷达、测控、微波遥感、射电天文及电子对抗等各种无线电系统必不可少的设备之一［5］.雷电电磁脉冲具有较宽的频率分布，当发生雷击时，闪电通道产生的雷电电磁脉冲同样被天线所接收.由于雷电电磁脉冲的能量较大，天线耦合的雷电电磁脉冲信号导致天线放大电路器件的损坏［6］.目前，Jianqiang WANG通过对机载设备遭受直击雷时，短波天线耦合的雷电电磁波能量对机内设备的破坏进行了研究［7］；D.Darwanto针对天线耦合雷电电磁波现象，根据集肤效应原理，提出了一种新的电缆接地方法［8］；Furukawa S研究了在天线与后续设备间安装电涌保护器的方法，以防止后续设备遭受雷电过电压的损害［9］.但是这些已见文献中都没有研究棒形天线耦合雷电电磁脉冲能量的抑制问题.笔者根据棒形天线耦合雷电电磁波的原理，结合实验数据，探讨了利用TVS管抑制天线耦合雷电电磁脉冲的方法.

1 雷电波的理论分析

1.1雷电电磁波频谱分析

根据国内外大量学者长期的雷电流波形实测统计和分析［10］，典型的对地雷击雷电流波形通常用如图1所示的典型描述.雷电流随时间以近似指数函数规律上升至峰值，然后又以近似指数函数规律下降，被称为双指数函数曲线，并可以用代数式（1）表示.

式中：I0为雷电流峰值；α为波前衰减系数；β为波尾衰减系数；i为雷电流瞬时值.

图1 理想化的雷电流波形

双指数函数曲线峰值的左边部分称为波前，从峰值至电流下降到峰值的一半的E点这部分称为波尾.雷电流波形的波前很陡，通常只有零点几μs到十几μs，并包含丰富的谐波电流.

式（1）经傅里叶变换可得

式中：ω为角频率，令实部M＝α／α2＋ω2－β／β2＋ω2，虚部N＝ω／β2＋ω2－ω／α2＋ω2，令I（ω）为雷电流峰值比率的频率分布为

根据式（4）可计算雷电流峰值比率的频率分布.

雷电流峰值比率积累的频率分布，是在雷电流峰值比率的频率分布的基础上，把各频率的雷电流峰值比率从零到指定频率的积分.

将式（3）对ω积分得：

I0（jω）／I0为雷电流峰值比率积累的频率分布.

在同一负载上（设负载为纯电阻），功率P只与通过它的电压的平方成正比，令W（ω）为雷电流频谱的能量积累分布，则有

将式（2）及U＝I0／R代入式（6）并积分，得

为了讨论方便，把整个雷电波总能量规定为W0，其计算仍用式（7），只是积分域定义为从0到∞，即

故能量比率积累的频率分布为

通过计算可求得雷电波的能量比率积累的频率分布.以8／20μs雷电波为例，由式（9）得雷电波能量比率积累的频率分布如图2所示，即雷电电磁波在低频部分增值快，频率越高，增值越慢，在高频部分也有相当比重的雷电波的能量.

图2 雷电波能量比率积累的频率分布

1.2接收天线等效电路

接收天线一般位于发射天线的远区，发射天线在远区辐射横电磁球面波［11－13］，在小范围内，可视作均为平面波，因而认为接收天线处于均匀平面波场中.接收天线起电压源的作用，可用一等效电压发生器代替.等效发生器由电压源和内阻组成，电压源的电压值等于开路电压U，内阻是当电压源短路，对应于无来波电场时，由外电路看进去的阻抗.这个阻抗称为接收天线的阻抗，并用Zin＝Rin＋j Xin表示.接收天线的等效电路如图3（a）所示，图中ZL是负载阻抗.天线输出端电流为

图3（b）为在天线的馈电端并联TVS管的等效电路，图3（c）为当TVS管未动作时的等效电路，电容C为TVS管的分布电容.图3（d）为当TVS管动作时的等效电路，电阻R为TVS管动作时的等效电阻，R为非线性电阻.

图3 接收天线的等效电路

2 实验结果与分析

2.1实验模型的建立

实验采用冲击电流发生器（Impulse Current Generator，ICG）模拟雷电流.如图4（a）将8／20μs模拟雷电波施加在高为1.2m直径为20mm的金属棒两端，金属棒在此起到模拟雷电通道并发射雷电电磁波的作用.在金属棒的两端施加从5kA到50kA的雷电冲击电流，步长为1kA.在距金属棒7 m的位置，如图4（b）所示，用Tektronix TDS 2022B型示波器采集存储棒形天线耦合到的电压波形，ICG的测量系统同时采集存储模拟雷电流的波形，用于雷电流的幅值及频谱的分析.最后将采集到的棒形天线馈电端的电压波信号与棒形天线馈电端并联TVS管时的信号分别进行处理，计算出棒形天线耦合雷电电磁波电压幅值及能量.试验前先用E5071C型网络分析仪测量棒形天线的S11曲线和测量棒形天线馈电端并联TVS管后的S11曲线.

图4 棒形天线耦合雷电电磁波实验布置

2.2棒形天线S11参数测量

采用E5071C网络分析仪测量棒形天线及其馈电端分别并联两种型号TVS管情况下的S11参数，型号1的TVS管的启动电压为2.8V，型号2的TVS管的启动电压为6.8V，如表1为棒形天线的S11参数表，测得棒形天线的中心频率为1.746 GHz，带宽为317.7MHz.棒形天线馈电端并联分布电容为2 270pF型号2的TVS管时，测得棒形天线的中心频率为1.73GHz，带宽为208.4MHz.当棒形天线馈电端并联分布电容为14pF，型号1的TVS管时，测得棒形天线的中心频率为1.741 GHz，带宽为195.7MHz.从表1可得，棒形天线馈电端并联TVS管后，当TVS的分布电容为2 270 pF时，棒形天线的中心频率减小了15MHz，宽带减小了109.3MHz，当TVS的分布电容为14pF时，棒形天线的中心频率减小了5.08MHz，宽带减小了122MHz.

表1 棒形天线S11参数表

2.3棒形天线耦合模拟雷电电磁波的特性

实验采用8／20μs模拟雷电流.ICG产生的8／20μs模拟雷电流流经1.2m长金属棒发射雷电电磁波，在距其7m的位置分别采用频率为1.746 GHz的棒形天线、以及棒形天线馈电端分别并联两种型号的TVS管的情况下进行耦合模拟雷电电磁波测试.棒形天线耦合模拟雷电电磁波信号的典型电压波形如图5所示，其中，1为中心频率为1.746 GHz的棒形天线，馈电端无TVS管在20kA雷电流冲击下的耦合模拟雷电电磁波信号波形，2为棒形天线馈电端并联型号2的TVS管时，在20kA雷电流冲击下的耦合模拟雷电电磁波信号波形，3为棒形天线馈电端并联型号1的TVS时，在20kA雷电流冲击下的耦合模拟雷电电磁波信号波形.从图5可知，棒形天线馈电端并联TVS管后，耦合到的电压幅值被TVS管限制到启动电压的2.5倍以内.

图5 耦合模拟雷电电磁波信号典型波形

图6（a）为棒形天线在雷电电磁波背景下耦合到的电压波幅值分布图，模拟雷电流的范围为5kA到50kA，从其趋势可见，随着冲击电流的增大，棒形天线耦合雷电电磁波的电压幅值整体呈增大趋势，但其并不是呈线性关系.有的雷电流幅值大反而接收到的电压幅值小，主要原因是由于ICG各次试验时输出的雷电流有陡度变化，引起雷电流的频谱变化.例如：如图7（a）所示，根据实测雷电流的波形进行频谱分析，雷电流的频谱中心频率在1.746 GHz附近，当雷电流为15kA时的幅值却比20kA时的幅值大.图6（b）中纵坐标表示棒形天线耦合雷电电磁波信号电压的平方对时间的积分，棒形天线耦合雷电电磁波能量的变化趋势.从图6（b）及图8（b）可知，随着冲击电流的增大，棒形天线耦合的雷电电磁波能量与实测雷电流能量的变化趋势相同，即随着冲击电流的增大，棒形天线耦合的雷电电磁波能量与实测雷电流能量整体呈增大趋势，但在其过程中能量大小存在上下波动的情况.其原因是由于雷电流在不同陡度的情况，频谱发生了变化，接收天线的参数没有变化.

图6 棒形天线耦合雷电电磁波

图7 发射端雷电流频谱图

2.4TVS管抑制棒形天线耦合雷电电磁波的特性

棒形天线馈电端并联TVS管后接收模拟雷电电磁波信号输出的电压波形的数据整理后如图8、图9所示，图8（b）、图9（b）的纵坐标表示棒形天线耦合雷电电磁波电压的平方对时间的积分，从图8、图9可见：在棒形天线馈电端并联TVS管后，随着冲击电流的增大，棒形天线耦合的雷电电磁波能量及电压幅值呈锯齿型增大.在相同雷电流冲击下，棒形天线馈电端并联TVS管时耦合雷电电磁波能量比棒形天线耦合雷电电磁波能量低两个数量级.如图8（a）所示，当馈电端并联型号1的TVS管时，棒形天线耦合的雷电电磁波电压幅值限制在TVS的箝位电压的2.5倍以下，即棒形天线耦合的雷电电磁波电压幅值低于7V.如图9（a）所示，当棒形天线馈电端并联型号2的TVS时，棒形天线耦合的雷电电磁波电压幅值限制在TVS的箝位电压值以下，即棒形天线耦合的雷电电磁波电压幅值低于6.8V.棒形天线馈电端不并联TVS管，如图6（a）所示，棒形天线耦合的雷电电磁波电压幅值在5V至25V的范围内，可见棒形天线馈电端并联TVS管，可有效地抑制棒形天线耦合的雷电电磁波电压幅值.

图8 棒形天线馈电端并联型号1的TVS管时耦合雷电电磁波

综上所述，棒形天线耦合雷电电磁波电压幅值及能量的大小对天线放大器电路造成一定的危害，通过TVS管对棒形天线进行保护，可以有效地抑制棒形天线耦合雷电电磁波电压峰值及能量.在实际应用中，考虑到棒形天线馈电端并联TVS管后，其中心频率、带宽等参数也会发生相应的变化，故在设计天线时，需将TVS管分布参数考虑在内，将TVS管与天线设计为一整体.

图9 棒形天线馈电端并联型号2的TVS时耦合雷电电磁波

3 结 论

笔者提出了一种抑制棒形天线耦合雷电电磁波电压幅值及能量的方法，通过分析雷电电磁波的频谱及能量分布，棒形天线耦合雷电电磁波的电压幅值及能量，分析了棒形天线馈电端并联TVS管S11曲线，通过实验得出如下结论：

1）棒形天线的馈电端未并联TVS管时，棒形天线耦合的雷电电磁波电压幅值在5V至25V范围内，当其馈电端分别并联两种型号的TVS管后，棒形天线耦合雷电电磁波电压幅值限制在7V及6.8V范围内.

2）棒形天线的馈电端在并联TVS管时，可将棒形天线耦合的雷电电磁波能量抑制在比其馈电端不并联TVS时低两个数量级以上.

3）被测棒形天线馈电端并联分布电容为2 270 pF的TVS管后，棒形天线的中心频率减小了15 MHz，宽带减小了109.3MHz；当并联分布电容为14pF的TVS时，棒形天线的中心频率减小了5.08 MHz，宽带减小了122MHz.故在设计具有防雷功能的棒形天线时，需考虑TVS的分布电容，将带有TVS管的棒形天线作为一个整体天线进行设计.

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作者简介

李祥超（1969－），男，江苏人，高级实验师，硕士研究生导师，主要从事天线设计与雷电过电压保护器的研究开发.

周中山（1990－），男，江苏人，硕士研究生，主要从事天线设计与雷电过电压保护器的研究开发.

陈则煌（1989－），男，江苏人，硕士研究生，主要从事电涌保护器研制与调试.

第十三届全国电波传播学术年会暨吕保维院士百年华诞纪念会征文通知（第一轮）

经中国电子学会电波传播分会研究决定，将于2015年9月16日（周三）至19日（周六）在北京怀柔雁栖湖畔召开“第十三届全国电波传播学术年会暨吕保维院士百年华诞纪念会”（13th Chinese National Symposium on Radio Propagation（CNSRP’2015）＆Centennial Commemoration of Academician B.W.Lü）。此次会议由中国电子学会电波传播分会主办，中国科学院电子学研究所和中国电子科技集团第二十二研究所承办。现将有关事宜通知如下：

一、征文范围

本次年会诚征有关电波传播及其应用相关领域最新研究进展的学术论文（中英文均可）。征文方向主要包括（但不限于）以下主题：

1.波理论与数值分析（包括计算电磁学、瞬态电磁场和非线性效应等）；

2.复杂环境与特殊媒质中电波传播（包括丛林、地下、水下传播及应用等）；

3.对流层电波（含光波）传播与无线电气象；

4.电离层电波传播与空间等离子体物理；

5.无线电波（含光）遥感理论和新技术；

6.无线通信（含移动通信、室内通信、MIMO）中的电波传播；

7.SAR、雷达、遥感、电磁探测中的电波传播问题；

8.无线电侦测与定位的电波理论及新技术；

9.天线理论与测量技术；

10.电磁兼容、噪声干扰、无线电频谱管理（含认知频谱共享）与检测；

11.电波环境及其传播的测量新技术；

12.电波传播在其它领域（如射电天文、地震预报、生物效应、核磁共振）中的应用；

13.人工扰动电波环境的理论和监测技术；

14.电波传播与大数据获取、传输、处理有关的理论及技术。

今年恰逢我国电波传播研究的开拓者、奠基人吕保维院士百年诞辰，为纪念吕保维院士为我国电波事业孜孜奋斗一生及作出的卓越贡献，为秉承吕保维院士治学、深究、育人的高尚情操，会议安排纪念吕保维院士的特别议程，并欢迎各种形式的纪念文稿。

二、征文要求

1.来稿必须是未曾在国内外公开发表过的文章，无弄虚作假，无一稿多投，不得涉及国家秘密。

2.论文一般4－6页，以正式论文的形式（包括题目、作者姓名、作者单位、摘要、关键词、正文、参考文献）书写应征论文。中文论文请包括英文题目、作者、作者单位、摘要和关键词；英文论文请附上中文题目、作者、作者单位、摘要和关键词。论文摘要应包括目的、方法、结果、结论四部分。

三、论文提交重要时间

●提交论文截止日期：2015年7月10日

●通知论文接收日期：2015年8月8日

●提交论文修改稿日期：2015年8月20日

四、会议论文评奖与发表

1、年会将对参会论文进行优秀论文评选，并颁发优秀论文证书。

2、优秀论文按专业内容分别推荐到《雷达学报》、《电子与信息学报》和《电波科学学报》正刊发表。

3、其它会议论文以《电波科学学报》增刊形式出版发表。

五、论文提交

会议论文可用两种方式提交：

1、发送邮件至：radars＠mail.ie.ac.cn，请注明邮件主题为“2015电波传播学术年会”，投稿联系人：贾守新，电话：010－58887062

2、采用网络平台投稿，请留意中科院电子所网站http：／／www.ie.cas.cn／的相关通知。

六、会议联系人

1、会务联系人

贾守新

电话：010－58887062

通信地址：北京海淀北四环西路19号

邮编：100190

电子邮件：sxjia＠mail.ie.ac.cn

2、中国电子学会电波传播分会联系人

马铁汉

电话：0373－3713101

通信地址：河南省新乡市荣校路195号

邮编：453003

电子邮件：mtieh＠126.com

第十三届全国电波传播学术年会筹委会

2015年1月10日

On lightning electromagnetic wave coupled by stick antenna and its suppression method

LI Xiangchao ZHOU Zhongshan CHEN Zehuang CHEN Puyang
（Key Laboratory for Aerosol－Cloud－Precipitation of China Meteorological Administration，Nanjing University of Information Science and Technology，Nanjing Jiangsu 210044，China）

Based on analyzing the problem of the lightning electromagnetic signals coupled by stick antenna，the experiment and the theory are combined to find the equivalent circuit used to illustrate the antenna receiving electromagnetic signal.After the analysis of the spectrum of lightning electromagnetic wave signal and the distribution of the energy，a new method using transient voltage suppressor（TVS）to suppress the electromagnetic coupled by the stick antenna is proposed.In the experiment，the center frequency and the bandwidth change slightly observed from the S11curve of the stick antenna when the TVS is in parallel with the feed port.The TVS can restrain the voltage effectively and the peak voltage coupled by stick antenna can be kept to 6.8～7Vwhen two different models of TVS are in parallel with the feed port respectively.The results are coincidence with the theory，and are of certain guiding significance on the energy of lightning electromagnetic signals coupled by stick antenna.

stick antenna；coupling；lightning electromagnetic wave；TVS；S11curve

TM862

A

1005－0388（2015）02－0357－08

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.

10.13443／j.cjors.2014050601

LI Xiangchao，ZHOU Zhongshan，CHEN Zehuang，et al.On lightning electromagnetic wave coupled by stick antenna and its suppression method［J］.Chinese Journal of Radio Science，2015，30（2）：357－364.（in Chinese）.doi：10.13443／j.cjors.2014050601

2014－05－06

国家自然科学基金项目（批准号：41075025）

联系人：李祥超E－mail：lxcfanglei＠163.com