CN103354357B - 一种无线传感器节点无接地天馈防浪涌装置 - Google Patents

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<i>λ</i>/2，连接的电容<i>C</i>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

一种无线传感器节点无接地天馈防浪涌装置

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

[1]菲尼克斯亚太电器（南京）有限公司,徐祝勤,高煊慧,任华山.天馈防雷器实用新型专利授权公告号CN201594584U,授权公告日2010.09.29申请号200920282857.1

[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

[5]中华人民共和国住房和城乡建设部,国家质量监督检验检疫总局.通信局（站）防雷与接地工程设计规范GB50689-2011.2011-04-02发布,2012-05-01实施

[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R_v、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R_v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R_v相连，瞬态电压抑制器TVS的另一端接地；压敏电阻R_v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R_v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R_v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：U_s≥1.8U_p，式中U_s为直流击穿电压，U_p为线路正常运行的电压峰值，由被保护节点工作电压U_p为2～3.6V，得U_s≥6.5V；同时U_s应小于二级保护元件压敏电阻的最高耐压值U_rm，此处U_rm为165V。综上所述，空气放电管GDT选择EPCOS公司的A81-C90X，U_s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R_v：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R_v的压敏电压U_r应有：U_r≥(1.2～1.5)U_p，由被保护节点工作电压U_p为2～3.6V得U_r≥5.4V。压敏电阻R_v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U_BR应有U_BR≥(1.3～1.6)U_p，U_p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：

$Z_1=\sqrt{Z_{\mathrm{oc}1}{Z}_{\mathrm{sc}1}}---\left(1\right)$

其中，Z_oc1和Z_sc1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，

$Z_{\mathrm{oc}1}=({\mathrm{j\&omega;L}}_1+\frac{1}{{\mathrm{j\&omega;C}}_2})//(\frac{1}{{\mathrm{j\&omega;C}}_1}+{\mathrm{j\&omega;L}}_4+\frac{1}{{\mathrm{j\&omega;C}}_3})---\left(2\right)$

$Z_{\mathrm{sc}1}=({\mathrm{j\&omega;L}}_1+\frac{1}{{\mathrm{j\&omega;C}}_2})//\left(\frac{1}{{\mathrm{j\&omega;C}}_1}\right)---\left(3\right)$

对等阻抗Z₂的计算公式为：

$Z_2=\sqrt{Z_{\mathrm{oc}2}{Z}_{\mathrm{sc}2}}---\left(4\right)$

其中，Z_oc2和Z_sc2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，

$Z_{\mathrm{oc}2}=({\mathrm{j\&omega;L}}_4+\frac{1}{{\mathrm{j\&omega;C}}_3})//(\frac{1}{{\mathrm{j\&omega;C}}_1}+{\mathrm{j\&omega;L}}_1+\frac{1}{{\mathrm{j\&omega;C}}_2})---\left(5\right)$

$Z_{\mathrm{sc}2}=({\mathrm{j\&omega;L}}_4+\frac{1}{{\mathrm{j\&omega;C}}_3})//\left(\frac{1}{{\mathrm{j\&omega;C}}_1}\right)---\left(6\right)$

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R_v、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R_v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R_v相连，瞬态电压抑制器TVS的另一端接地；压敏电阻R_v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R_v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R_v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。