CN103354357A - 一种无线传感器节点无接地天馈防浪涌装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种无线传感器节点无接地天馈防浪涌装置,包括天线连接端口和节点连接端口,两个端口间连接有三级并联电路。三级并联电路采用空气放电管GDT、压敏电阻Rv和瞬态电压抑制器TVS,各级间用电感相连起退耦作用;中心信号线3取λ/2,连接的电容C 1阻挡低频的瞬时过电流进入被保护电路。PCB板两面无走线区域,通过过孔阵列连接,作为泄洪地。空气放电管支路线宽为3.81mm,接地焊盘与泄洪地的十字连线设为1.9mm,增加泄洪能力。本发明无需接地,能够快速吸收浪涌能量,残压低、通融量大,对低耐压、低耐流的无线传感器网络节点实行有效保护,可用于无接地条件下天馈口防浪涌。
Description
技术领域
本发明属于无线传感器技术领域,具体涉及无线传感器节点的防浪涌技术。
背景技术
部署在野外的无线传感器网络节点因环境空旷,周边无高大建筑和避雷针的遮蔽,易受雷电及浪涌袭击造成损毁。和直击雷相比,浪涌进入天馈口引起节点收发模块失效的发生概率高、影响面积广大,需要增加防浪涌电路提高节点的抗浪涌性能。
现有无线传感器网络天馈防浪涌装置多为外壳接地的同轴谐振腔[1-3],内部置单级[1]或多级并联[2]空气放电管,以及λ/4短路支节[3]等大通融放电器件,将超限感应电荷和电流泄放入地。这种防护设计对良好接地的要求,大幅度降低了以低成本为主要特征之一的无线传感器网络的性价比,特别是接地需要的日常维护,对布置在偏远、人员难以到达地区的网络几乎没有可行性。
现有的应用在GPS上的不接地天馈防浪涌设计[4],在天线接口电路中增设由压敏电阻组成的两级II型电路,通融量小,防护性能较差。本发明为常见2.4GHz频段的无线传感器网络节点(如Jennic公司的JN51系列,TI公司的CC2430\2530)设计的浪涌保护装置,直接在PCB板上由空气放电管、压敏电阻和瞬态电压抑制器TVS管三级并联电路,通融量大、输出残压低,能有效地抑制暂态过电压、分流浪涌电流,达到了国家标准中对通融量和防浪涌抗扰度的要求[4,5]。实现了对低耐压、低耐流的无线传感器网络节点的防护,回波和插入损耗低,不影响信号正常传输。
无线传感器节点天馈口易受雷电引起的浪涌袭击,需要有防护电路。但现有同轴式天馈防浪涌器对接地的严格要求和较高代价,不能适用于低成本、免维护的无线传感器网络;现有不接地的防浪涌电路通融量小,防护性能达不到标准;无线传感器网络节点收发模块工作频率高、发射功率小,耐压、耐流能力差,要求浪涌保护电路能够工作在高频率,输出残压低,通融量大,耐冲击电压高,回波和插入损耗低,对通信的影响小。
对比文件
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[2]华为技术有限公司.DKBA1268-2003.08防护电路设计规范
[3]安费诺科耐特(西安)科技有限公司,胡波.一种1/4λ天馈避雷器的调试方法,实用新型专利公开号CN101350438A,公开日2009.1.21
[4]张雷,崔建宝.一种GPS有源天线接口防浪涌冲击装置.实用新型专利授权公告号CN2790007Y,授权公告日2006.6.21
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[6]中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局,中国国家标准化管理委员会.电磁兼容试验和测量技术浪涌(冲击)抗扰度试验GB/T17626.5-2008.2008-05-20发布,2009-01-01实施
发明内容
本发明的目的在于提供一种无线传感器节点无接地天馈防浪涌装置,达到无需接地的天馈防浪涌目的,提高天馈口防浪涌等级,保持无线传感器网络低成本、免维护的特征,实现无接地条件下的防浪涌。
为了解决以上技术问题,本发明采用的具体技术方案如下:
一种无线传感器节点无接地天馈防浪涌装置,包括通过带有电容C1的中心信号线相连的天线连接端口和节点连接端口,以及由空气放电管GDT、压敏电阻Rv、瞬态电压抑制器TVS及电感L1~L4组成的三级并联电路,其特征在于所述三级并联电路中:
空气放电管GDT的一端通过电感L1与天线连接端口相连,同时通过电感L2与压敏电阻Rv相连,空气放电管GDT的另一端接地;瞬态电压抑制器TVS的一端通过电感L4与节点连接端口相连,同时通过电感L3与压敏电阻Rv相连,瞬态电压抑制器TVS的另一端接地;压敏电阻Rv一端连接电感L2和电感L3,另一端接地;电感L2和电感L3为微亨级别的电感;
所述电路直接在PCB板上实现;PCB板两面的无走线区域覆铜,通过过孔阵列相连作为泄洪地,天线连接端口、空气放电管GDT、压敏电阻Rv和瞬态电压抑制器TVS的接地端通过接地焊盘与泄洪地相连,由空气放电管GDT构成的第一级空气放电管支路印制电路板线宽度大于等于3.81mm。
所述的中心信号线长度为λ/2,λ为传输信号波长。
所述的电感L2和电感L3连接在两级之间起退耦作用。
所述的电容C1耐压性大于等于防浪涌等级要求的电压。
所述的空气放电管GDT、压敏电阻Rv和瞬态电压抑制器TVS的接地焊盘采用十字连线与泄洪地相连,十字连线线宽大于等于1.9mm。
所述装置与天线和节点的阻抗匹配;所述天线和节点的等效阻抗为50欧姆。
本发明具有有益效果。
(1)本发明无接地的天馈防浪涌装置提高了天馈口防浪涌等级,保持了无线传感器网络低成本、免维护的特征;
(2)本发明中由空气放电管、压敏电阻和瞬态电压抑制器TVS构成的三级并联电路,和单独空气管放电、仅用压敏电阻和λ/4防浪涌电路相比,残压低、通融量大,启动电压低,频带窄,响应速度快,能够对低耐压、低耐流的无线传感器网络节点敏感芯片实行有效的保护;
(3)本发明采用的λ/2中心信号线长度和阻止高频旁路设计,使防浪涌装置在2.4GHz频段回波损耗低,插入损耗小;
(4)本发明同样可在有良好接地条件下应用,且防浪涌效果更佳;
(5)本发明可从2.4GHz无线传感器节点,推广应用于其它通信频段的浪涌防护。
附图说明
图1.天馈防浪涌装置各部件连接示意图;
图2.防浪涌电路阻抗匹配等效图;
图3.防浪涌装置回波损耗曲线图。
图中:1、天线连接端口2、节点连接端口3、中心信号线4、过孔阵列5、泄洪地6、空气放电管支路7、PCB板。
具体实施方式
为进一步解释本发明的目的、技术方案和有益效果,以工作在2.4GH频段、工作电压为2~3.6V的CC2530节点为例详细说明。本发明涉及到的天馈口防浪涌装置包括三级并联电路、装置与节点和天线的阻抗匹配和PCB板制作三部分。
1.本发明所述的2.4GHz天馈防浪涌装置是以CC2530节点作为被保护节点进行设计的,要求浪涌保护电路能够工作在高频率,输出残压低,通融量大,耐冲击电压高的特性。设计的三级浪涌保护电路,如图1所示。
(1)第1级空气放电管GDT:国标GB50689-2011《通信局(站)防雷与接地工程设计规范》规定天馈SPD(SurgeProtectionDevice)的标准通融量为≥10kA,此处空气放电管GDT选用通流容量为20kA。空气放电管GDT的直流击穿电压应满足:Us≥1.8Up,式中Us为直流击穿电压,Up为线路正常运行的电压峰值,由被保护节点工作电压Up为2~3.6V,得Us≥6.5V;同时Us应小于二级保护元件压敏电阻的最高耐压值Urm,此处Urm为165V。综上所述,空气放电管GDT选择EPCOS公司的A81-C90X,Us为90V,最大通流量20kA,寄生电容小于1.5pf,绝缘电阻大于10GΩ。空气放电管GDT在芯线中存在过电压时导通,两端电压维持在50V,残压较高,压敏电阻Rv和瞬态电压抑制器TVS组成的第2级和第3级防 护电路进一步降低输出残压。
第2级压敏电阻Rv:响应时间比空气放电管GDT小,避免空气放电管未动作时损坏3级电路。压敏电阻Rv的压敏电压Ur应有:Ur≥(1.2~1.5)Up,由被保护节点工作电压Up为2~3.6V得Ur≥5.4V。压敏电阻Rv通融量要求为kA级,此处压敏电阻选择20D180K型,通融量为2kA,压敏电压为18V。
第3级瞬态电压抑制器TVS能够将电压钳位在节点工作电压,响应时间迅速,能够在末级起到精细保护的作用。由于此通道没有空气放电管GDT支路通融量大,因此耐冲击电压要求不高。瞬态电压抑制器TVS的反向击穿电压UBR应有UBR≥(1.3~1.6)Up,Up是回路中的电压峰值为3.6V,瞬态电压抑制器TVS击穿电压应大于3.6×1.6=5.76V。由于CC2530传输的是高频交流信号,瞬态电压抑制器TVS应选择双极性的。此处瞬态电压抑制器TVS选择ESD5B5.0ST1G,为双极性TVS管,通流容量达30A,反向击穿电压为5.8~7.8V,钳位电压为5V,寄生电容为32pf。
(2)中心信号线3是天线连接端口1到节点连接端口2之间的信号传输线,正常工作时通过高频信号。联在中心信号线3上的电容C1:取值应与CC2530节点射频匹配电路中信号线上电容一致,同为pf级;由雷电产生的瞬时数千伏高压,要求电容C1耐压性强,因此选用CB(聚苯乙烯电容)耐高压系列,耐直流电压为3kV。在电路制作时,以2.2nf、5pf、6.8nf、15pf、33pf、100pf分别测试,结果为5pf电容对节点的传输距离产生影响最小。C1最终选为3kV5pfCB电容。
(3)与空气放电管串联的电感L1,防止高频信号旁路,在直流及低频段,将芯线和放电管短路。雷击时空气放电管GDT导通,中心线的过电压/过电流将被有效的抑制。由于L1是过电流的泄放通路,因此通流容量应满足设计指标,耐受10kA的浪涌电流。
(4)保护器件之间的电感L2、L3起退耦的作用,避免雷击时瞬态电压抑制器TVS先于压敏电阻以及压敏电阻先于气体放电管损坏,一般取大容量μH级。此处选择100μH铁芯电感起退耦作用。对于高频信号,此处相当于断路;对于直流和低频信号,超限电流可从此通过。
当雷电等引起的浪涌到来,浪涌电压大于瞬态电压抑制器TVS击穿电压(5.8~7.8V)时,瞬态电压抑制器TVS首先起动,把瞬间过电压精确控制在5V左右;如果浪涌电流大,压敏电阻起动,并泄放一定的浪涌电流;浪涌电压继续增高,压敏电阻两端的电压会有所提高,直至90V左右时推动前级气体放电管的放电,把大电流泄放到PCB电路板上的泄洪地。
2.装置与节点及天线之间的阻抗匹配。
图1中L2和L3取大电感,在2.4GHz高频段相当于断路,空气放电管GDT和瞬态电压抑制器TVS在高频段都有寄生电容,因此图1可以等效成图2。C2 为空气放电管GDT的寄生电容,C3为瞬态电压抑制器TVS的寄生电容。Z1为天线连接端对等阻抗,Z2为节点连接端对等阻抗。对等阻抗Z1的计算公式为:
其中,Zoc1和Zsc1分别为节点连接端口开路和短路时电路的天线连接端口输入阻抗。
根据图2有,
对等阻抗Z2的计算公式为:
其中,Zoc2和Zsc2分别为天线连接端口开路和短路时电路的节点连接端口输入阻抗。
根据图2有,
当选定空气放电管GDT和瞬态电压抑制器TVS的型号后,C2和C3已知,C1应与节点内部射频匹配电路中电容取同一数量级,ω=2π×2.4GHz,由式(1)和式(4)可以求出L1和L4。此两端口网络与前后两级都形成匹配。
图2中,C2为空气放电管GDT的寄生电容,值为1.5pf;C3为瞬态电压抑制器TVS的寄生电容,值为32pf。对于图2所示的双端口网络,Z1为天线连接端对等阻抗,应等于天线阻抗50Ω;Z2为节点连接端对等阻抗,应等于节点等效阻抗50Ω。把C1=5pf,C2=1.5pf,C3=32pf,ω=2π×2.4GHz带入公式(1)~(6)可以算得L4≈5.4nH,L1≈151nH。
实际制作电路时,除元件的集总参数外,电路和元件的分布参数也不能忽略,需通过实验和测量对参数进行调整。
3.PCB板
(1)根据λ/2阻抗重复性性质,传输线上相距λ/2处的阻抗相同。故图1中 心信号线3长度取为信号波长的一半。CC2530工作频率为2.4GHz,波长为12.5cm,半波长为6.25cm,在实际做板时对中心信号线3长度进行微调。
(2)进行电路布线时,印制走线要考虑功率容量不能太细,特别是泄洪线路。一般在印制板表层的走线,15mil线宽可以承受的8/20us冲击电流约1kA,其中1mil=0.00254cm因此空气放电管支路6线宽选择≥防浪涌级别*15*0.0254mm。由于天馈口要求防浪涌级别≥10kA,所以线宽选择3.81mm。
元件接地焊盘与泄洪地之间的十字连接线默认为0.254mm,线太细,后改为1.9mm。
(3)空气放电管7放置在靠近天线连接端口1,放电管与信号中心信号线3的连线以及到地的连线要尽可能短,利于过电流快速从放电管泄放。放电管所在通路的PCB连线,应尽量少过孔,线宽要保持一致。
(4)防浪涌装置工作在2.4GHz射频段,为避免干扰,靠近中心信号线3不能有地。图1中,中心信号线3周围覆铜进行挖空处理。
(5)PCB板尺寸做的稍大,上层元器件周围空余地方做大面积覆铜,通过大量过孔阵列4与PCB地层相连,增大地的面积,作为大电流的泄洪地5。
4.测试结果
最终对此装置板进行多方面测试,结果如下:
(1)通信距离
在节点添加天馈防浪涌装置后,实测最大通信距离比不加防浪涌装置时减少15%。
(2)回波损耗
用矢量网络分析仪对天馈防浪涌装置进行测量,得到中心频点在2.43GHz,-10dB以下带宽为2.38~2.50GHz,中心频点的回波损耗为-20.9dB,回波损耗曲线图如图3所示。
(3)丢包率
添加防浪涌装置后,在正常通信距离处,如最大通信距离的50%,让两节点进行数据通信,丢包率没有变化。
5.防浪涌等级测试
按照国标GB/T17626.5-2008《电磁兼容试验和测量技术浪涌(冲击)抗扰度试验》标准规定的实验条件和技术标准对本发明进行防浪涌等级测试。
1)浪涌波形:组合波,即为1.2/50μs冲击电压波,8/20μs冲击电流波
2)极性:正/负
3)重复率:1分钟1次
4)波形个数:5个正,5个负
5)冲击电压范围:0~4kV
6)冲击电流范围:0~2kA
7)输出等效内阻:2欧姆
结果表明,本发明可以通过4级测试,符合国家标准。
Claims (6)
1. 一种无线传感器节点无接地天馈防浪涌装置,包括通过带有电容C 1的中心信号线相连的天线连接端口和节点连接端口,以及由空气放电管GDT、压敏电阻Rv、瞬态电压抑制器TVS及电感L 1~L 4组成的三级并联电路,其特征在于所述三级并联电路中:
空气放电管GDT的一端通过电感L 1与天线连接端口相连,同时通过电感L 2与压敏电阻Rv相连,空气放电管GDT的另一端接地;瞬态电压抑制器TVS的一端通过电感L 4与节点连接端口相连,同时通过电感L 3与压敏电阻Rv相连,瞬态电压抑制器TVS的另一端接地;压敏电阻Rv一端连接电感L 2和电感L 3,另一端接地;电感L 2和电感L 3为微亨级别的电感;
所述电路直接在PCB板上实现;PCB板两面的无走线区域覆铜,通过过孔阵列相连作为泄洪地,天线连接端口、空气放电管GDT、压敏电阻Rv和瞬态电压抑制器TVS的接地端通过接地焊盘与泄洪地相连,由空气放电管GDT构成的第一级空气放电管支路印制电路板线宽度大于等于3.81mm。
2. 一种如权利要求1所述的无线传感器节点无接地天馈防浪涌装置,其特征在于:所述的中心信号线长度为λ/2,λ为传输信号波长。
3. 一种如权利要求1所述的无线传感器节点无接地天馈防浪涌装置,其特征在于:所述的电感L 2和电感L 3连接在两级之间起退耦作用。
4. 一种如权利要求1所述的无线传感器节点无接地天馈防浪涌装置,其特征在于:所述的电容C 1耐压性大于等于防浪涌等级要求的电压。
5. 一种如权利要求1所述的无线传感器节点无接地天馈防浪涌装置,其特征在于:所述的空气放电管GDT、压敏电阻Rv和瞬态电压抑制器TVS的接地焊盘采用十字连线与泄洪地相连,十字连线线宽大于等于1.9mm。
6. 一种如权利要求1所述的无线传感器节点无接地天馈防浪涌装置,其特征在于:所述装置与天线和节点的阻抗匹配;所述天线和节点的等效阻抗为50欧姆。
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