CN117810693A - 一种基于波导的新型天馈线直击雷/感应雷防护装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及雷电防护技术领域，具体涉及一种基于波导的新型天馈线直击雷/感应雷防护装置，包括第一波导本体和第二波导本体，第一波导本体一端和第二波导本体一端分别固定有第一夹持件和第二夹持件，第一夹持件和第二夹持件可拆卸对接，第一夹持件和第二夹持件之间夹持有绝缘的介质片，第一波导本体上靠近第一夹持件套设有引流片，引流片上可拆卸连接有引下线，引下线上与引流片连接的一端设有陶瓷气体放电管，陶瓷气体放电管的其击穿电压小于介质片的击穿电压。本发明的有益效果在于：在保证波导正常传输线性能的同时，实现对天馈线（如：波导、同轴线等）后端弱电设备的直击雷或感应雷的单级防护，整体结构简单、安装方便。
Description
技术领域
本发明涉及雷电防护技术领域，具体涉及一种基于波导的新型天馈线直击雷/感应雷防护装置。
背景技术
雷电通过天馈线对后端设备形成致损或致灾，主要通过两种方式：直击雷和感应雷。依据IEC国际标准，当前针对电力电子设备已有了诸如避雷针、接地网和浪涌保护器（SPD）等雷电防护器件、设备及相关安装、操作规范。在天馈线雷电防护方面，目前常用的是天馈线SPD，一般分为开关型天馈浪涌保护器和直通型、λ/4型天馈浪涌保护器两大类。天馈线SPD主要是针对天馈线上产生感应过电压而采取的防雷保护，适用于无线通信，移动基站，微波通信，广播电视等同轴天馈信号线上的感应过电压保护，因此天馈线SPD主要针对感应雷进行防护，而无法对能量更大、破坏力更强的直击雷进行直接防护。
另外，现有的天馈线SPD对过电压的抑制都是采用多级防护电路。如图1所示，最基本的开关型天馈线SPD由放电管G、雪崩二极管（D1、D2）、电阻R、电感L以及接地端GND组成，实际上是一个两级保护电路：第一级放电管G用于旁路泄放暂态大电流，第二级雪崩二极管（D1、D2）用于箝位限压，保护后面的电子设备或元器件。多级防护电路在高频特性下，级间产生寄生电容，就会导致一定程度的级间失配，同时多级防护电路的响应时间也比单级长。在实际应用中，对于不同的应用环境还要选取不同级别的防护电路。
目前对直击雷的防护手段有避雷针、避雷线、避雷带与避雷网，但是基于工作原理，避雷针等防雷器件只是降低了被直击雷袭击的概率，并没有从根本上增强天馈设备承受直击雷袭击的能力，对于一些特殊的应用来说，如对全向接受和发射的天线或雷达，在附近加装避雷针等直击雷防护装置，反而可能形成对设备功能的妨碍。另外，避雷针等防雷器件本身由于其吸引下行先导对其放电的属性，从而一定程度上可能将本不一定袭击该区域的雷电吸引过来，因而从此意义上说，也增加了其附近设备遭受雷击的风险。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的缺点，提供一种基于波导的新型天馈线直击雷/感应雷防护装置，在保证波导正常传输线性能的同时，实现对天馈线（如：波导、同轴线等）后端弱电设备的直击雷或感应雷的单级防护，整体结构简单、安装方便。
本发明的目的通过以下技术方案来实现：
一种基于波导的新型天馈线直击雷/感应雷防护装置，包括第一波导本体和第二波导本体，第一波导本体一端和第二波导本体一端分别固定有第一夹持件和第二夹持件，第一夹持件和第二夹持件可拆卸对接，第一夹持件和第二夹持件之间夹持有绝缘的介质片，第一波导本体上靠近第一夹持件套设有引流片，引流片上可拆卸连接有引下线，引下线上与引流片连接的一端设有陶瓷气体放电管，陶瓷气体放电管能够承受直击雷浪涌电流，陶瓷气体放电管的击穿电压小于介质片的击穿电压。
进一步地，第一夹持件和第二夹持件均为法兰盘，第一夹持件和第二夹持件之间通过第一固定螺栓连接，第二夹持件上与第一夹持件相对的侧面开设有密封槽，介质片一侧设有与密封槽适配的嵌入块。
进一步地，第一波导本体和第二波导本体均为矩形波导结构，介质片的厚度为0.1mm-15mm，靠矩形波导宽边的介质片宽度为1mm-7mm，靠矩形波导窄边的介质片宽度为2mm-10mm。
进一步地，引流片包括两个结构对称的半环片，两个半环片的端部之间通过第二固定螺栓连接，引下线位于第一波导本体下方并夹持于两个半环片之间，第二固定螺栓穿过引下线。
进一步地，介质片的材料为氧化铝陶瓷、氮化硅陶瓷、氧化锆陶瓷、α-石英、β-石英、高温石英和合成石英中的一种。
进一步地，引流片的宽度为5mm-15mm，厚度为0.1mm-1.5mm。
进一步地，第一夹持件和第二夹持件均为限位盘，第一波导本体和第二波导本体上均套设有与限位盘抵接的固定套，两个固定套之间通过第三固定螺栓连接。
进一步地，介质片两侧分别与两个限位盘贴合，介质片的厚度为0.1mm-15mm，宽度为1mm-16mm。
进一步地，固定套包括两个结构对称的半环套，两个半环套之间通过第四固定螺栓连接，引流片夹持于两个半环套之间，第二固定螺栓穿过半环套、半环片和引下线。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1、本发明在不影响传输线内信号的正常传输基础上，通过引流片、介质片、引下线构成的单级防护即可对感应雷或直击雷产生的过电压和过电流进行释放，进而实现对线路后端的弱电设备进行防雷保护。
2、本发明整体结构简单、安装方便，使用时可直接接于天线中，进而无需另设避雷针等避雷器件，从而避免避雷针的“引雷效应”，同时降低安装和维护成本，也可以避免安装避雷针对天线的发射和接收信号造成的妨碍。
3、本发明通过单级防护即可实现防雷需求，与天馈线SPD相比，不仅可以承受直击雷袭击，且可避免级间失配等问题。
附图说明
图1为现有技术中开关型天馈SPD的基本防过电压电路示意图；
图2为本发明中基于波导的新型天馈线直击雷/感应雷防护装置的一种结构示意图；
图3为图2中基于波导的新型天馈线直击雷/感应雷防护装置的结构爆炸示意图；
图4为图2中介质片的结构示意图；
图5为图2中基于波导的新型天馈线直击雷/感应雷防护装置的插入损耗曲线示意图；
图6为图2中基于波导的新型天馈线直击雷/感应雷防护装置的驻波比曲线示意图；
图7为本发明中基于波导的新型天馈线直击雷/感应雷防护装置的另一种结构示意图；
图8为图7中基于波导的新型天馈线直击雷/感应雷防护装置的结构爆炸示意图；
图9为图7中介质片的结构示意图；
图10为图7中基于波导的新型天馈线直击雷/感应雷防护装置的插入损耗曲线示意图；
图11为图7中基于波导的新型天馈线直击雷/感应雷防护装置的驻波比曲线示意图；
图12为本发明中基于波导的新型天馈线直击雷/感应雷防护装置在雷达站的接线示意图。
图中：1、第一波导本体；2、第二波导本体；3、第一夹持件；4、第二夹持件；5、介质片；6、引流片；7、引下线；8、第一固定螺栓；9、密封槽；10、嵌入块；11、第二固定螺栓；12、固定套；13、第三固定螺栓；14、第四固定螺栓；15、陶瓷气体放电管；16、天线；17、防雷波导；18、馈线；19、雷达站机房；20、后端弱电设备；21、电源线；22、接地网。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的描述，但本发明的保护范围不局限于以下所述。
实施例一，如图1-图4所示，一种基于波导的新型天馈线直击雷/感应雷防护装置，包括第一波导本体1和第二波导本体2，在第一波导本体1一端和第二波导本体2一端分别固定有第一夹持件3和第二夹持件4，第一夹持件3和第二夹持件4可拆卸对接，在第一夹持件3和第二夹持件4之间夹持有绝缘的介质片5，第一波导本体1上靠近第一夹持件3套设有引流片6，引流片6上可拆卸连接有引下线7，引下线7上与引流片6连接的一端连接有陶瓷气体放电管15，陶瓷气体放电管15能够承受直击雷浪涌电流，且陶瓷气体放电管15的击穿电压小于介质片5的击穿电压，陶瓷气体放电管15未被击穿时使得引下线7呈断路状态。
如图2、图4所示，第一夹持件3和第二夹持件4均为法兰盘，第一夹持件3和第二夹持件4之间通过第一固定螺栓8连接。第二夹持件4上与第一夹持件3相对的侧面开设有密封槽9，介质片5一侧设有与密封槽9适配的嵌入块10。将介质片5夹持在第一夹持件3和第二夹持件4之间，使嵌入块10嵌入在密封槽9内，然后锁紧第一固定螺栓8，进而对介质片5进行固定。
在本实施例中，第一夹持件3与第一波导本体1一体成型，第二夹持件4与第二波导本体2一体成型，第一波导本体1和第二波导本体2为矩形波导结构，法兰盘型号为FBM，第一波导本体1两端和第二波导本体2两端均一体成型有法兰盘，基于此，第一波导本体1和第二波导本体2均可直接选用现有X波段气象雷达中的波导法兰盘型号为FBM的矩形波导，型号为FBM的法兰盘即为有密封槽9没有扼流槽的B类波导法兰盘，而对于波导法兰盘型号为FAP、FAE、FAM、FBP、FBE、FCP、FCE、FCM、FDP、FDE、FDM、FEP、FEE或FEM的矩形波导同样适用于本发明，也适用于圆波导等其它类型的波导。本实施例具体采用的波导的尺寸与国标X波导矩形波导BJ100的尺寸相同。
基于上述第一波导本体1和第二波导本体2的具体选型，本实施例中介质片的厚度为0.1mm-15mm，靠矩形波导宽边的介质片宽度为1mm-7mm，靠矩形波导窄边的介质片宽度为2mm-10mm。
如图2所示，引流片6包括两个结构对称的半环片，两个半环片的端部之间通过第二固定螺栓11连接，引下线7位于第一波导本体1下方并夹持于两个半环片之间，将第二固定螺栓11同时穿过两个半环片和引下线7并拧紧，进而将引下线7与引流片6固定。
在本实施例中，引流片6和引下线7使用高导电性能材料，例如铜、铝、铜铝复合导线等，其中引流片6的宽度为5mm-15mm，厚度为0.1mm-1.5mm；引下线7的截面形状一般采用圆形或者扁形，根据GB50057—94规定，其尺寸不小于下列数值：圆形直径为8mm，扁形截面面积为48mm2，厚度为4mm（在易腐蚀部位，截面应适当增大）。
在本实施例中，介质片5的材料为氧化铝陶瓷、氮化硅陶瓷、氧化锆陶瓷、α-石英、β-石英、高温石英和合成石英中的一种，不同材料的介质片5的常用介电常数范围如下表1所示：
表1不同介质片材料的介电常数范围表
如图5、图6所示，经过测试，在9.5GHz-9.9GHz频段下，本实施例的基于波导的新型天馈线直击雷/感应雷防护装置能够满足以9.7GHz为中心频率，带宽400MHz内，插入损耗小于0.1dB，驻波比小于1.05dB。该性能指标能达到波导的正常工作需求，满足X波段气象雷达的工作带宽，可以应用于X波段气象雷达防雷。
上述第一固定螺栓8和第二固定螺栓11均需要镀锌或涂漆进行防腐，在腐蚀性较强的应用场景，还应采取其他防腐措施。
基于上述描述，本发明的基于波导的新型天馈线直击雷/感应雷防护装置可适用于在野外使用天线、雷达等电磁波辐射和接收终端，并对其后端弱电设备有防雷需求的通信、航空、气象等行业，整体结构简单、安装方便。如图12所示，将防雷波导17（即本发明的基于波导的新型天馈线直击雷/感应雷防护装置）应用在雷达站，将基于波导的新型天馈线直击雷/感应雷防护装置接入到天线16和馈线18之间，其中第一波导本体1与天线连接，第二波导本体2与馈线连接，引下线7接入接地网22，能够承受直击雷浪涌电流的陶瓷气体放电管15可根据介质片5的击穿电压进行具体选型。接通雷达站机房19内后端弱电设备20的电源线21，当线路中没有过电压时，引下线7呈断路状态（即能够承受直击雷浪涌电流的陶瓷气体放电管15未被击穿），波导正常工作；当感应雷或直击雷产生的过电压和过电流经天线16传输至第一波导本体1时，由于能够承受直击雷浪涌电流的陶瓷气体放电管15的击穿电压小于介质片5的击穿电压，所以能够承受直击雷浪涌电流的陶瓷气体放电管15优先被击穿，使得引下线7与接地网22连通呈通路状态，能够承受直击雷浪涌电流的陶瓷气体放电管15实现放电功能，过电压和过电流通过第一波导本体1、引流片6、陶瓷气体放电管15和引下线7传输至地下，最终以引流片6、介质片5、陶瓷气体放电管15和引下线7构成的单级防护即可对感应雷或直击雷产生的过电压和过电流进行释放，防止雷电流向基于波导的新型天馈线直击雷/感应雷防护装置后端的线路传输，保护雷达站机房19内与馈线18连接的后端弱电设备20，使后端弱电设备20免受雷电冲击，从而达到防雷的目的。
基于本发明的基于波导的新型天馈线直击雷/感应雷防护装置的安装使用，在对大电流或高电压不会造成结构损坏的天线终端（如：主动雷达中的喇叭天线）情况时，可将喇叭及其后端至本发明的防雷结构的这段波导代替避雷针和引下线，进而无需另设避雷针等避雷器件，从而可避免避雷针的“引雷效应”，同时降低安装和维护成本，也可以避免安装避雷针对天线的发射和接收信号造成的妨碍。另外，由于本发明的基于波导的新型天馈线直击雷/感应雷防护装置采用单级防护进行防雷，自然也可避免级间失配等问题。
实施例二，本实施例在实施例一的基础上提供了另一种结构的基于波导的新型天馈线直击雷/感应雷防护装置，其中第一波导本体1、第二波导本体2、介质片5的结构以及介质片5的夹持固定方式相对实施例一有所改变，其余结构则与实施例一中相同。
具体的，如图7、图8所示，在本实施例中，第一夹持件3和第二夹持件4均为限位盘。两个限位盘为普通的法兰结构，侧面未开设有槽内结构。限位盘与对应的波导本体一体成型，第一波导本体1和第二波导本体2的另一端则均一体成型有FBM的法兰盘。限位盘的宽度为2mm-8mm，厚度与正常X波段的矩形波导壁厚相同；介质片5的结构如图9所示，相对于实施例一中的介质片5取消了嵌入块10，介质片5两侧分别与两个限位盘贴合，介质片5的厚度为0.1mm-15mm，宽度为1mm-16mm。在第一波导本体1和第二波导本体2上均套设有与限位盘抵接的固定套12，固定套12可对整个基于波导的新型天馈线直击雷/感应雷防护装置结构起到连接和支撑的作用，将介质片5夹持在第一夹持件3和第二夹持件4之间，然后通过第三固定螺栓13将两个固定套12之间紧固连接，进而对介质片5进行固定。
更为具体的，本实施例中，固定套12包括两个结构对称的半环套，两个半环套之间通过第四固定螺栓14连接，使得引流片6也夹持在两个半环套之间。具体安装时，将引下线7夹持在两个半环片之间，然后将引流片6夹持在两个半环套之间，通过第二固定螺栓11同时穿过半环套、半环片和引下线7并拧紧，进而将引流片6、引下线7和固定套12固定连接在一起。
如图10、图11所示，经过测试，在9.5GHz-9.9GHz频段下，本实施例的基于波导的新型天馈线直击雷/感应雷防护装置同样能够满足以9.7GHz为中心频率，带宽400MHz内，插入损耗小于0.1dB，驻波比小于1.05dB。该性能指标能达到波导的正常工作需求，满足X波段气象雷达的工作带宽，可以应用于X波段气象雷达防雷。
通过测试和实际使用，上述实施例一和实施例二中的基于波导的新型天馈线直击雷/感应雷防护装置，均可在不影响传输线内信号的正常传输基础上，实现对天馈线（如：波导、同轴线等）后端的弱电设备的直击雷或感应雷的单级防护。其中，对于波导，本发明的直击雷/感应雷防护装置可直接安装在波导上；对于同轴线，可利用相关转接头将本发明的直击雷/感应雷防护装置串接在同轴线上。对于安装在引下线7上的放电结构，也可以是与陶瓷气体放电管15具有同等放电效能的放电间隙。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (9)
1.一种基于波导的新型天馈线直击雷/感应雷防护装置，包括第一波导本体（1）和第二波导本体（2），其特征在于：第一波导本体（1）一端和第二波导本体（2）一端分别固定有第一夹持件（3）和第二夹持件（4），第一夹持件（3）和第二夹持件（4）可拆卸对接，第一夹持件（3）和第二夹持件（4）之间夹持有绝缘的介质片（5），第一波导本体（1）上靠近第一夹持件（3）套设有引流片（6），引流片（6）上可拆卸连接有引下线（7），引下线（7）上与引流片（6）连接的一端设有陶瓷气体放电管（15），陶瓷气体放电管（15）能够承受直击雷浪涌电流，陶瓷气体放电管（15）的击穿电压小于介质片（5）的击穿电压。
2.根据权利要求1所述的基于波导的新型天馈线直击雷/感应雷防护装置，其特征在于：第一夹持件（3）和第二夹持件（4）均为法兰盘，第一夹持件（3）和第二夹持件（4）之间通过第一固定螺栓（8）连接，第二夹持件（4）上与第一夹持件（3）相对的侧面开设有密封槽（9），介质片（5）一侧设有与密封槽（9）适配的嵌入块（10）。
3.根据权利要求1所述的基于波导的新型天馈线直击雷/感应雷防护装置，其特征在于：第一波导本体（1）和第二波导本体（2）均为矩形波导结构，介质片（5）的厚度为0.1mm-15mm，靠矩形波导宽边的介质片（5）宽度为1mm-7mm，靠矩形波导窄边的介质片（5）宽度为2mm-10mm。
4.根据权利要求1所述的基于波导的新型天馈线直击雷/感应雷防护装置，其特征在于：引流片（6）包括两个结构对称的半环片，两个半环片的端部之间通过第二固定螺栓（11）连接，引下线（7）位于第一波导本体（1）下方并夹持于两个半环片之间，第二固定螺栓（11）穿过引下线（7）。
5.根据权利要求1所述的基于波导的新型天馈线直击雷/感应雷防护装置，其特征在于：介质片（5）的材料为氧化铝陶瓷、氮化硅陶瓷、氧化锆陶瓷、α-石英、β-石英、高温石英和合成石英中的一种。
6.根据权利要求1所述的基于波导的新型天馈线直击雷/感应雷防护装置，其特征在于：引流片（6）的宽度为5mm-15mm，厚度为0.1mm-1.5mm。
7.根据权利要求4所述的基于波导的新型天馈线直击雷/感应雷防护装置，其特征在于：第一夹持件（3）和第二夹持件（4）均为限位盘，第一波导本体（1）和第二波导本体（2）上均套设有与限位盘抵接的固定套（12），两个固定套（12）之间通过第三固定螺栓（13）连接。
8.根据权利要求7所述的基于波导的新型天馈线直击雷/感应雷防护装置，其特征在于：介质片（5）两侧分别与两个限位盘贴合，介质片（5）的厚度为0.1mm-15mm，宽度为1mm-16mm。
9.根据权利要求7所述的基于波导的新型天馈线直击雷/感应雷防护装置，其特征在于：固定套（12）包括两个结构对称的半环套，两个半环套之间通过第四固定螺栓（14）连接，引流片（6）夹持于两个半环套之间，第二固定螺栓（11）穿过半环套、半环片和引下线（7）。
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