CN207441971U - 一种智能主动防雷天线及防雷系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种智能主动防雷天线及防雷系统，该防雷天线包括介质板，以及设置在介质板上的垂直极化组件和水平极化组件；垂直极化组件依次连接同轴电缆和受控开关；水平极化组件连接同轴电缆。本实用新型能大幅度降低雷电防护器件的保护动作与雷电流波型之间的关系，从而有效提升保护效果。

Description

一种智能主动防雷天线及防雷系统

技术领域

本实用新型涉及防雷技术领域，尤其涉及一种智能主动防雷天线及防雷系统。

背景技术

在目前现有防雷技术中，使用天馈避雷器(SPD)对天线进行雷电防护是主流的做法，即在天线的后端信号线上加装天馈线SPD进行保护。众所周知，雷电现象异常复杂，随机性大。而SPD设计、施工都是针对闪电的统计特性策划的，可以说SPD装置就是确定的人为作品，它一旦确定下来便不能更改。因此，中国科学院电工所张适昌研究员认为：SPD的保护特点是以不变的固定设计来应变变化莫测的雷击事件，其可能失效造成事故也就带有必然性。

此外，现有天馈线SPD都是针对直击雷设计，并未考虑针对感应雷的防护。而通常的野外通信系统，如通信基站铁塔上的天线，其旁边都有很好的接闪系统，如：避雷针，引下线等，所以更多的情况为感应雷。

综上所述，当前的主流防护手段，一方面在直击雷的防护上与雷电流的波型有着非常密切的联系，使得防护手段的有效性受到限制；另一方面，针对感应雷的防护还未进行充分考虑和设计。因此，当前使用天馈线SPD进行天线防雷还存在大量需要改进和完善之处。

此外，美国在2000年由Mano D.Judd等人提出了一种应用贴片/微带线单元实现的主动防雷天线，但是该天线主要针对消除天线单元上累积的静电荷而设计的，同时该天线亦不具备智能特性。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题是提供一种智能主动防雷天线及防雷系统，能大幅度降低雷电防护器件的保护动作与雷电流波型之间的关系，从而有效提升保护效果。

本实用新型解决上述技术问题，以工作于900MHz左右的微带天线为例的技术方案如下：

一种智能主动防雷天线，包括介质板，以及设置在介质板上的垂直极化组件和水平极化组件；垂直极化组件依次连接第一同轴电缆和受控开关；水平极化组件连接第二同轴电缆。

本实用新型的有益效果是：当外部设备监测到地物尖端(如避雷针)上产生的上行先导时，立即向微波开关发出雷电袭击预警信号，该微波开关将与之连接的垂直极化组件的信号通道关闭，即使得闪电通过垂直极化组件耦合进入天线后端的通道切断，使得该部分能量无法到达天线后端设备，从而达到保护后端电子设备的目的。垂直极化组件的切断是在闪电发展并到达地面，对地面袭击之前即完成的防护动作，因此，本防雷天线将与闪电回击所产生的脉冲电流波型以及是否为直击或感应雷无关。

当闪电击中天线附近的物体时，如，移动通信基站铁塔上的避雷针，此时，闪电的电磁能量将通过天线耦合入与天线相连接的信号线，对后端与信号线相连接的电子设备构成干扰或致损/灾威胁，而闪电的电磁能量最易通过垂直极化组件进行耦合，与水平极化组件的耦合效率极低，因此将该两部分信号分开独立接收和馈电后，即可以在闪电袭击之前，将垂直极化组件的信号通道关闭，使得闪电的主能量无法进入信号线，则可以达到对后端电子设备进行保护和抗干扰的目的。

进一步，水平极化组件包括设置在介质板上表面的第一水平辐射贴片、第二水平辐射贴片，设置在介质板下表面的分别与第一水平辐射贴片、第二水平辐射贴片位置对称的第一水平接地板、第二水平接地板，以及水平连接桥AC；第一水平辐射贴片上设置有第一连接孔，第二同轴电缆的内导a1贯穿介质板并在第一连接孔处与水平连接桥AC的A端相连，通过水平连接桥AC与第二水平辐射贴片相连；第一水平辐射贴片不与水平连接桥AC相连，但第一水平辐射贴片通过第一连接柱与第一水平接地板相连；连接桥AC的C端通过第一金属柱与第二接地板相连。

采用上述进一步方案的有益效果：这种结构可以使得天线获得较好的反射系数S11和传输系数S21，S11参数在900MHz左右均为-12dB以下，S21参数在900MHz左右均为-30dB以下。

进一步，垂直极化组件包括设置在介质板上表面的第一垂直辐射贴片、第二垂直辐射贴片，设置在介质板下表面的分别与第一垂直辐射贴片、第二垂直辐射贴片位置对称的第一垂直接地板、第二垂直接地板，以及垂直连接桥BD；第一垂直辐射贴片上设置有第二连接孔，第一同轴电缆的外导与第一垂直接地板相连，第一同轴电缆的内导b1贯穿介质板并在第二连接孔处与垂直连接桥BD的B端相连，通过垂直连接桥BD与第二垂直辐射贴片相连；第一垂直辐射贴片不与垂直连接桥BD相连，但第一垂直辐射贴片通过第二连接柱与第一垂直接地板相连；垂直连接桥BD的D端通过第二金属柱与第二垂直接地板相连。

采用上述进一步方案的有益效果：这种结构可以使得天线获得较好的反射系数S11和传输系数S21。

进一步，还包括支撑板，第一同轴电缆和第二同轴电缆均贯穿支撑板；第一金属柱和第二金属柱均向外延伸和支撑板固定连接。

进一步，支撑板上设置有接地金属贴片，第一同轴电缆的外导、第二同轴电缆的外导、第一金属柱和第二金属柱均连接金属贴片。

采用上述进一步方案的有益效果：上述支撑板、接地金属贴片以及与第一金属柱和第二金属柱共同构成本天线的巴伦结构，共同对天线两个通道——垂直极化和水平极化的反射系数S11和传输系数S21进行优化。

进一步，受控开关为微波开关。

采用上述进一步方案的有益效果：该微波开关在连通状态时，通过天线垂直极化组件接收和发射的信号都可以顺利的通过，但当该开关接收到后面系统结构图中的“信号处理和预警模块”发送的闪电袭击预警信号时，将在100μs内将与之相连的天线垂直极化信号通道关闭，事先切断雷电耦合进入后端电子系统的垂直极化通道的路径，达到降低雷电防护设备的防护特性与闪电回击电流波型的关系，从而提高本防护系统的防护效果。

另外，本实用新型还提供了一种智能主动防雷系统，包括上述任一项所述的防雷天线，以及与防雷天线依次连接的射频单元、A/D转换模块和解调器，防雷天线的受控开关的信号输入端连接信号处理和预警模块的信号输出端，信号处理和预警模块的信号输入端连接磁天线和监测避雷针电流的感应线圈。

本实用新型的有益效果是：信号处理及预警模块针对上行连接先导产生的雷电流及磁天线采集的下行梯级先导产生磁场脉冲进行滤波去噪处理；当信号处理和预警模块获取上述闪电即将袭击被保护设备或其附近的预警信号时，输出控制信号给防雷天线的受控开关，使其在首次回击来临之前，切断天线最易与闪电耦合的垂直极化部件，使得雷电电磁场的主能量无法通过天线的垂直极化部件进行耦合到达后端设备，从而达到利用天线有效提高通信电子设备防雷可靠性的目的。

附图说明

图1为本实用新型天线垂直极化时的感应电压示意图；

图2为本实用新型天线水平极化时的感应电压示意图；

图3为本实用新型天线的后端感应电压峰值随天线极化偏转角变化的趋势图；

图4为本实用新型连接桥结构示意图；

图5为本实用新型天线垂直极化组件和水平极化组件示意图；

图6为本实用新型天线反射系数S11图；

图7为本实用新型天线传输系数S21图；

图8为本实用新型天线巴伦结构图；

图9为本实用新型天线整体结构图；

图10为本实用新型系统原理图。

图中，1-第一水平辐射贴片；2-第一垂直辐射贴片；3-第二水平辐射贴片3；4-第二垂直辐射贴片；5-介质板；6-第一连接孔；7-第二连接孔；8-第一连接柱；9-第二连接柱；10-第一金属柱；11-第二金属柱；12-支撑板；13-第二同轴电缆；14-第一同轴电缆。

具体实施方式

以下结合附图对本实用新型的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本实用新型，并非用于限定本实用新型的范围。

通过分析研究发现，对称振子天线处于垂直极化状态时，其极化特性与闪电通道附近的电场方向相匹配，而水平极化时则完全不匹配。对于安装在通信铁塔上，同时又极可能处于闪电通道附近的天线而言，其工作极化方式对于后端设备的保护、抗干扰等都非常重要。

下面针对不同极化状态下，天线的耦合效应进行分析，将天线设置在离塔1m远，距离地面高29m处(塔(包含避雷针)高30m)。天线垂直极化时偏转角为0度，水平极化时偏转角为90度。则偏转角为0和90度时，天线后端感应电压分别如图1、图2所示。由图可知，天线垂直极化时的感应电压最大，其峰值可达到101.8V。随着偏转角度的增大，天线感应电压逐渐变小，直至水平极化时天线感应电压达到最小值，几乎为0。

为便于观察天线后端感应电压峰值随着天线旋转角度的变化规律，另设两个观察点，均距铁塔1m，距离地面分别为25和20m，针对偏转角从0到90度按照每15度计算一次，针对7个偏转角度进行分析，结合前述距离地面29m天线的计算结果，对位于三个观察点的天线后端感应电压峰值进行曲线拟合，则天线的后端感应电压峰值随偏转角变化的趋势如图3所示。

由图3可见，天线后端感应电压峰值与偏转角成近似的线性关系(其拟合曲线的相关参数如表1所示)，表1给出三种情况下拟合直线的斜率和截距，斜率表征后端感应电压峰值随偏转角的变化率，截距表征当天线为垂直极化时的后端感应电压峰值。由表1可见，29-25m时，斜率的变化较大，且截距变化幅度也很大；而25m-20m时，斜率和截距变化明显变小。

表1拟合曲线参数

天线距地面高度(m)	斜率	截距(V)
			29	1.06493	-101.4552
25	0.21986	-21.40393
			20	0.18273	-16.67523

由此可见，当天线在铁塔附近时，无论其位于什么样的高度，始终是垂直极化组件是雷电电磁能量最易于耦合的部分，而水平极化始终是最难耦合的部分。

因此，基于上述分析，如图4至图9所示，本实用新型提供了一种智能主动防雷天线，包括介质板5，以及设置在介质板5上的垂直极化组件和水平极化组件；垂直极化组件依次连接第一同轴电缆14和受控开关；水平极化组件连接第二同轴电缆13，受控开关可以为微波开关。将天线的垂直极化组件和水平极化组件分开成两个通道进行接收，再于后端合成，但在合成之前的垂直极化组件安装有受控开关(微波开关)，当外部设备监测到地物尖端(如避雷针)上产生的上行先导时，立即向微波开关发出雷电袭击预警信号，该微波开关将与垂直极化组件连接的信号通道关闭，即使得闪电通过垂直极化组件耦合进入天线后端的通道切断，使得该部分能量无法到达天线后端设备，从而达到保护后端电子设备的目的。垂直极化组件的切断是在闪电发展并到达地面，对地面袭击之前即完成的防护动作，因此，本防雷天线将与闪电回击所产生的脉冲电流波型以及是否为直击或感应雷无关。

当闪电击中天线附近的物体时，如移动通信基站铁塔上的避雷针，此时，闪电的电磁能量将通过天线耦合入与天线相连接的信号线，对后端与信号线相连接的电子设备构成干扰或致损/灾威胁，而闪电的电磁能量最易通过垂直极化组件进行耦合，与水平极化组件的耦合效率极低，因此将该两部分信号分开独立接收和馈电后，即可以在闪电袭击之前，将与垂直极化组件连接的信号通道关闭，使得闪电的主能量无法进入信号线，则可以达到对后端电子设备进行保护和抗干扰的目的。

其中，水平极化组件包括设置在介质板5上表面的第一水平辐射贴片1、第二水平辐射贴片3，设置在介质板5下表面的分别与第一水平辐射贴片1、第二水平辐射贴片3位置对称的第一水平接地板1'、第二水平接地板3'，以及水平连接桥AC；第一水平辐射贴片1上设置有第一连接孔6，第二同轴电缆13的内导a1贯穿介质板5并在第一连接孔6处与水平连接桥AC的A端相连，通过水平连接桥AC与第二水平辐射贴片3相连；第一水平辐射贴片1不与水平连接桥AC相连，但第一水平辐射贴片1通过第一连接柱8与第一水平接地板1'相连；连接桥AC的C端通过第一金属柱10与第二接地板3'相连。

垂直极化组件包括设置在介质板5上表面的第一垂直辐射贴片2、第二垂直辐射贴片4，设置在介质板5下表面的分别与第一垂直辐射贴片2、第二垂直辐射贴片4位置对称的第一垂直接地板2'、第二垂直接地板4'，以及垂直连接桥BD；第一垂直辐射贴片2上设置有第二连接孔7，第一同轴电缆14的外导与第一垂直接地板2'相连，第一同轴电缆14的内导b1贯穿介质板5并在第二连接孔7处与垂直连接桥BD的B端相连，通过垂直连接桥BD与第二垂直辐射贴片4相连；第一垂直辐射贴片2不与垂直连接桥BD相连，但第一垂直辐射贴片通过第二连接柱9与第一垂直接地板2'相连；垂直连接桥BD的D端通过第二金属柱11与第二垂直接地板4'相连。

如图6、图7所示，采用垂直极化组件和水平极化组件这种结构可以使得天线获得较好的反射系数S11和传输系数S21，S11参数在900MHz左右均为-12dB以下，S21参数在900MHz左右均为-30dB以下。

如图8所示，还包括支撑板12，第一同轴电缆14和第二同轴电缆13均贯穿支撑板12；第一金属柱10和第二金属柱11均向外延伸和支撑板12固定连接。支撑板12上设置有接地金属贴片，第一同轴电缆14的外导、第二同轴电缆13的外导、第一金属柱10和第二金属柱11共均连接金属贴片。上述支撑板、接地金属贴片以及与第一金属柱和第二金属柱共同构成本天线的巴伦结构，共同对天线两个通道——垂直极化和水平极化的反射系数S11和传输系数S21进行优化。

另外,如图10所示，本实用新型基于防雷天线还提供了一种智能主动防雷系统，包括上述防雷天线，以及与所述防雷天线依次连接的信号处理和预警模块、射频单元、A/D转换模块及解调器，所述防雷天线的受控开关的信号输入端连接信号处理和预警模块的信号输出端，所述信号处理和预警模块的信号输入端连接磁天线和监测避雷针电流的感应线圈。

由于天线的摆放可以是随意的，这里认为端口B为天线的水平极化组件连接的接口，而A为垂直极化组件连接的接口，于是需要在端口A上连接一个受控的有源信号浪涌保护器，即含有微波开关的信号SPD，该微波开关需要耐受几十到一百伏左右的电压，具体幅值，需要视天线安装位置而定。当闪电袭击地面前的瞬间，端口A通道上的微波开关在接收到由“信号处理和预警模块”产生的预警信号后，该微波开关将该路信号线切断，使得通过垂直极化耦合的能量无法到达后端，端口B通道正常工作，从而可以将雷电电磁脉冲通过天线垂直极化组件耦合进入线路的主能量(该部分能量亦是构成最大威胁的分量)阻隔在后端电子设备外，从而达到保护后端设备的目的。

信号处理及预警模块针对上行连接先导产生的雷电流及磁天线采集的下行梯级先导产生磁场脉冲进行滤波去噪处理；

针对感应线圈(或同轴分流器)采集的信号进行判断；

针对磁天线上的磁场脉冲进行判断；

当线圈(或同轴分流器)和磁天线同时满足相关条件(感应线圈或同轴分流器获取的信号判断条件：①雷电流脉冲信号半峰值宽度是否为1-50微秒？②雷电流脉冲信号频谱能量是否集中分布于0～300KHz，且频谱特征表现为随着频率上升能量递减？③脉冲间隔宽度是否是小于300微秒？④是否连续两次及以上出现满足上述条件①、②、③的雷电流脉冲信号？磁天线获取的信号判断条件：①磁场脉冲信号的时宽是否小于1微秒？②是否连续两次以上出现满足上述条件①的雷电流脉冲信号？)，输出控制信号给防雷天线的受控开关，使其在首次回击来临之前，切断天线最易与闪电耦合的垂直极化通道，使得雷电电磁场的主能量无法与通过天线的垂直极化通道进行能量耦合到达后端设备，从而达到利用天线有效提高通信电子设备防雷可靠性的目的。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种智能主动防雷天线，其特征在于，包括介质板(5)，以及设置在介质板(5)上的垂直极化组件和水平极化组件；垂直极化组件依次连接第一同轴电缆(14)和受控开关；水平极化组件连接第二同轴电缆(13)。

2.根据权利要求1所述的智能主动防雷天线，其特征在于，水平极化组件包括设置在介质板(5)上表面的第一水平辐射贴片(1)、第二水平辐射贴片(3)，设置在介质板(5)下表面的分别与第一水平辐射贴片(1)、第二水平辐射贴片(3)位置对称的第一水平接地板(1')、第二水平接地板(3')，以及水平连接桥AC；第一水平辐射贴片(1)上设置有第一连接孔(6)，第二同轴电缆(13)的内导a1贯穿介质板(5)并在第一连接孔(6)处与水平连接桥AC的A端相连，通过水平连接桥AC与第二水平辐射贴片(3)相连；第一水平辐射贴片(1)不与水平连接桥AC相连，但第一水平辐射贴片(1)通过第一连接柱(8)与第一水平接地板(1')相连；连接桥AC的C端通过第一金属柱(10)与第二水平接地板(3')相连。

3.根据权利要求2所述的智能主动防雷天线，其特征在于，垂直极化组件包括设置在介质板(5)上表面的第一垂直辐射贴片(2)、第二垂直辐射贴片(4)，设置在介质板(5)下表面的分别与第一垂直辐射贴片(2)、第二垂直辐射贴片(4)位置对称的第一垂直接地板(2')、第二垂直接地板(4')，以及垂直连接桥BD；第一垂直辐射贴片(2)上设置有第二连接孔(7)，第一同轴电缆(14)的外导与第一垂直接地板(2')相连，第一同轴电缆(14)的内导b1贯穿介质板(5)并在第二连接孔(7)处与垂直连接桥BD的B端相连，通过垂直连接桥BD与第二垂直辐射贴片(4)相连；第一垂直辐射贴片(2)不与垂直连接桥BD相连，但第一垂直辐射贴片通过第二连接柱(9)与第一垂直接地板(2')相连；垂直连接桥BD的D端通过第二金属柱(11)与第二垂直接地板(4')相连。

4.根据权利要求3所述的智能主动防雷天线，其特征在于，还包括支撑板(12)，第一同轴电缆(14)和第二同轴电缆(13)均贯穿支撑板(12)；第一金属柱(10)和第二金属柱(11)均向外延伸和支撑板(12)固定连接。

5.根据权利要求4所述的智能主动防雷天线，其特征在于，支撑板(12)上设置有接地金属贴片，第一同轴电缆(14)的外导、第二同轴电缆(13)的外导、第一金属柱(10)和第二金属柱(11)均连接金属贴片。

6.根据权利要求1所述的智能主动防雷天线，其特征在于，受控开关为微波开关。

7.一种智能主动防雷系统，其特征在于，包括权利要求1至6任一项所述的防雷天线，以及与防雷天线依次连接的射频单元、A/D转换模块和解调器，防雷天线的受控开关的信号输入端连接信号处理和预警模块的信号输出端，信号处理和预警模块的信号输入端连接磁天线和监测避雷针电流的感应线圈。