雷电防护设备、电子装置及平面电感线圈的制作方法

文档序号:6897497阅读:195来源:国知局
专利名称:雷电防护设备、电子装置及平面电感线圈的制作方法
雷电防护设备、电子^M平面电感线圈的制作方法
絲领膝
本发明提供一种會,制、泄放、阻尼来自天馈线系统的雷电干扰和大气 放电的雷电防护设备及电子,。 背景駄
雷电串入,机,存在多个途径(电源、信号传辦连路、天馈线系统等等),
但由于中波广播,天线的特点,天馈线系统弓i入的雷电干扰皿成,mit 受雷击的主要因素。
目前,中波广播广泛采用截面为有效值的垂直天线,由于该类型天线为非 接地钢塔或钢桅杆结构,在作为天线辐射体的同时,又是雷电干扰、大气放电
的良好受体。带电云层与大ifet间的静电感应,形成^l寸天线的电荷积累,由 此产生的高电压经过馈线传导至,机,对^l^l3t成致命性威胁,甚至灾难 性故障。以2004年中国福建某大功率中波,台为例, 一次雷击造成1.2MW大 功率刻寸机多达300多个射步l^文大模i^t员坏,不{1^成巨大经济损失,该M 机经过数^"得以恢复正常播出。因此,中波广播天馈系统的防雷,自从中波 广播技术应用的开端,就是该领域必须面对的一个难点问题。
近十几年,大功率固态放大电路、功率合成技术的发展、成熟,以其高效 率、长寿命 新渐取代传统的大功率电子管电路。固态^M机己经成为目前皿 机产品的主流。另一方面,固态有源器件又存在致命缺点,对异常电压、浪涌 电流非常敏感,极易造成器件永久性失效。因而固态皿机的应用对Mf链路 的雷电防护性能提出了更高要求。
尽管前几年正交场小型天线曾风靡一时,但由于辐射效率、功率容量等方 面柳蹄'j,并没有真正推广应用。应用最多的还是传统的非接地垂直天线。即 使应用正交场小型天线,射频雷电防护设备仍然是降低雷击风险、节约维护费 用的,方案。
现有技术中,天馈系统防雷电措施为在激种几与天线之间的匹配网络中采 用隔直电容器。该方法具有如下缺点
隔直电容器的电容 取过大,防雷效果差;选取过小,对有用信号衰
减过大,信号通路带宽变窄。
选用空气平板电容,在满足电容量的^f牛下,电容体积过大;选用陶瓷或
真空电容,在满足功,量和击穿电压的情况下,] 较高,并且一旦发生击 穿,将永久失效,无法自行恢复。
电容量的选取,给匹配网络的设计带来不必要的约束;防雷效果繊于天 馈系统中匹配网络的具体设计,缺乏标准性,无法形^f准化设计产品。
现有技术中,静电泄放手段,采用电感线圈对地泄放。该方法具有如下缺

采用 j!3a:的静电泄放电感线圈,自感系数较大(mH 100mH数難),匝 间分布电容较大,自谐振频 低,容易对工作频率产生不利影响,表现为调 试困难。
匹配网络中的电感线圈兼作静电泄放线圈,自感系 取依赖于匹配网络 的具体设计,防雷效果依赖于天馈系统中匹配网络的具体设计,缺乏标准性, 无法形成标准化设计产品。

发明内容
为克服现有技术中的各种问题,本发明的发明目的是提供一种用于中波广 播劍寸链路中的抑制、泄放、阻尼天馈线系统的雷电干扰和大气放电的雷电防 护设备。
根据本发明提供了一种用于广播^l寸链路中的防雷设备,其包括,第一电 容器、第二电容器,第一平面电感线圈、第二平面电感线圈,其中,所述第一 和第二平面电感线亂均为平面螺旋开匆犬,匝数为N,其中,N为大于或體 于1的自然数;戶脱第一禾瞎二平面电感线圈由十字交叉的绝缘材料构成的支 架支撑,每个固定螺丝均配备电晕放电环,防止电晕放电;第一和第二平面电 感线圈平行、相对安装,且保持一定距离;第一电容器与f,第一平面电感线 圈组成初新皆振回路,第二电容器与戶诚第二平面电感线圈组成次级谐振回路。
所述第一和第二平面电感线圈所用导体选自下列导体中的一种铜、铝、 铜包钢、铜镀银高表面电导率的材料;所述线圈支撑架所用绝缘材料选自下列 材料中的一种聚乙烯、环氧树脂、环氧玻璃、片状膜塑料高机械强度、高绝 凝號的绝缘材料。
戶诚平面螺旋电感线圈形状为矩形、方形、圆形、菱形平面螺旋形状中的 一种。
戶/M第一平面电感线圈与所述第二平面电感线圈组成的平面螺旋开m可以 相同或不同。
戶;M第一平面电感线圈与戶,第二平面电感线圈的自感系数可以相同或不同。
戶;M每个固定螺丝配备的电晕放电环为i个或2个。 戶欣初级谐振回路与戶服次级谐振回路的品质因数可以相同或不同。 次级负载阻抗与初级输入ffl^可以相等或不相等。 本发明掛共的用于中波广播射频鄉各中的雷电防护设备,具有如下有益效

1) 魁寸机与天线之间采用互感耦合,对较低频率成分的雷电會巨量实现 直流隔离。消除隔直电容的一切不禾咽素。
2) 采用小电感量的电感线圈(低于24uH)进《谱电泄放,提高电感线
圈的自谐振频率。
3) 采用两次静电泄放,保证更好的泄放效果。
4) 电感线圈的自感系数、线圈之间的耦合系数、初级/次级回路的品
质因数,三者相互关联,保证雷电防护设备的带内匹配、带内衰减指标,与雷 电防护设备外电路元件参数不存在繊关系,保证一致的防雷效果。
电感线圈采用平面线圈。平面电感线圈,保证了线圈之间的最大的耦合系 数。后续分析表明,大耦合系数,是得到快速阻尼的唯一^#,快速阻尼是衡
量一切静电泄放电路防雷特性的标准。传统的立体螺旋线圈,自感系数20u H 左右盼瞎况下,耦合系数一般可做到0.05 0.08;相同自感系数的平面线圈,在 安全距离内(150mm),耦合系数可达到0.25以上。平面电感线圈采用矩形, 减小了安装体积。线圈与绝缘支撑之间的每个固定螺丝,酉己备电晕放电环,减 少相对湿度较高环境下的电晕放电,避免不必要的信号能量损失,降低带内衰 减。本发明所掛共雷电防护设备的输入/输出阻抗设计为标准的50 Q或75 Q , 也可以订制150Q或其它输入/输出卩鹏,以鹏所有标准的天t穀曳系统。直接 插入天馈线系统和mf机之间即可应用,实现了产品的标准化。
根据本发明的另一方面,提供一种平面螺旋电感线圈的制作方法,根据设 备功率等级,选取魏的导体管材和直角弯头;根据设计尺寸,截断导体管材;
将截断后的导体管材、直角弯头固定于专用模具;用焊接工艺,逐个席接每匝 四角的直角弯头,使之与导体管材紧密焊接在一起并形成平面螺旋线圈;将平 面螺旋线圈打磨、抛光;给打平面螺旋线圈打 L,用于固定螺丝;将平面螺旋 线圈、绝缘支架、电晕放电环用螺丝装配在一起。
根据本发明制作的平面电感线圈,由于平面螺旋线圈、固定螺丝、电暈放电 环为等势体,三者之间不会发生lif可放电。固定螺丝顶端位于电晕放电环的凹 槽内,被电晕放电环屏蔽,不会与周围环境中的其它导微电。


图1为根据本发明的雷电防护设备的电路图; 图2为根据本发明的矩形平面螺旋电感线圈示意亂 图3为根据本发明的矩形平面螺旋电感线圈; 图4为根据本发明的电晕放电环;
图5A到图5G为根据本发明的雷电防护设备的输入阻抗的Matlab仿真曲
线;
图6A到图6H为根据本发明的雷电防护设备的传输函数的Matlab仿真曲
线;
图7为测试本发明的雷电防护设备的阻尼特性的电路连接图8为阻尼特性领赋曲线亂
图9A为909KHz雷电防护设备的测i,本;
图9B为909KHz雷电防护设备输入驻波比测i辦本;
图9C为909KHz雷电防护设备ffi31特性测i,本;
图9D为909KHz雷电防护设备冲激响应测i^f本。
天线系纟MiS雷击有三种主要形式
1) 直击雷鸯立于地面的,和带电云层之间迅猛的放电现象。巨大的放
电电流或由此弓胞的高电JBt成激种脉级功^l件的损坏。
2) 感应雷或称二次雷
直击雷放电过程中,强大的脉冲电流在附近激发强电磁场,天线作为强电 磁场中的良导体,其上产生感生电流,造成^l寸机末级功率器件的损坏。
直击雷发生后,云层电荷消失,但由于放电通路电阻的不均匀性,产生局
部高电压,如果天线位于局部高电压区域,同样造成鄉 级功,件的损 坏。
3)球形雷球形闪tt接,天线上。虽然球形雷的产生机理目前尚^f 楚,但造成魏机故障的因素必定是异常电压或电流。
除llfct外,大气放电也题^^t机故障的一个錢因素,目前尚未引起 足够重视。大气放顿鄉机的危害表现为,在没有看到闪电、没有听到雷声 的情况下,仅仅是一片不大的云层IW纖上空,就已会规鄉机产生不良影 响了,轻则,机自行,,重则造成,机损坏。
大缀顿^^im故障的原理
带电云层与天线构成一个分布参数的电容,带电云层、天线分别作为该电 容的两个电极,由于静电感应,在天线上产生与云层电荷极性相反的电荷。由 于中波天线为非接地形天线,天线和大地之间唯一放电a^各只能是阻抗匹配网 络和鄉机。异常的感应电压和放电电涼遗成鄉机故障。
雷电,设备防雷原理
不论何种形式的雷击,还是大气放电,对^l材JlJt成不利影响的都^H个
因素感应电荷、异常电压、浪涌电流。
天纖系统的防雷措施不外乎两种措施1)隔离雷电形成过程决定了雷 电电流或电压的能量主要集中在较低频率范围,隔直流是一个有效的雷电f尉户 措施。2)泄放为静电电荷或电压^f共良好的泄方M^各,防止异常电压形成或 >异常电压的存在时间。本发明掛共的用于中,播射频中的雷电防护设备, 综合应用了战两种措施。
图1为根据本发明的雷电防护设备1的电路图。由于该雷电防护设备用于 广播发射链路中,在频域呈现带通特性,又命名为射频带通滄波器,其包括,
第一电容器2、第二电容器3,第一平面电感线圈4、第二平面电感线圈5,其 中,所述第一和第二平面电感线圈4和5,为矩形平面螺旋糊犬,匝数为N (N 为大于或者等于l的自然数);第一平面电感线圈4和第二平面电感线圈5由十 字交叉的绝缘材料构成的绝缘支架支撑,用螺丝固定,每个固定螺丝均配备电 晕放电环,该放电环可以为1个也可以为2个,防止电晕放电;第一和第二平 面电感线圈平行、相对安装,且保持一定距离,该距离大于工作环境(海拔高 度、大气压强、相对湿度、最高工作电压)的放电距离。
第一电容器2与戶;f^第一平面电感线圈4并联以会fiit初级谐振回路,第二 电容器3与戶做第二平面电感线圈5并联以乡贼次级谐振回路。初级谐振回路 与次级谐振回路的品质因数Q可以相同,也可以不同。两回路间以^g的耦合 系数(两平面线圈之间的互感)保证雷电防护设备的带内衰^f寺性。初级回路 通常连接鄉机的输出端,次级回路通常连接天线,安^S是魏机房或天 线匹配室。
第一平面电感线圈4组成的平面螺旋开邻与第二平面电感线圈5乡M的平 面螺旋形状可以相同或不同,除为矩形外,还可以是方形、圆形、菱形平面螺 旋开娥中的一种。它们的自感系数可以相同,也可以不同。
图1中的电阻RL为雷电防护设备的次级谐振回路的负载阻抗,即天馈线系 统的输入阻抗,可以是50Q、 75 Q、 150 Q……,它可与初级谐振回路的输入阻 抗相等,也可以不相等。两个电感线圈之间不存在直接联接,信号能M1互 感耦合,对较低频率成分的雷电实现有效隔离。两个线圈又分别构成初级、次 级回路的静电泄方M^各,进一步^1>串入^1#几的雷电育糧。
该电路能够应用于实际的中波广播鄉链路,鹏剝牛是尽可能低的带 内衰减;尽可能平坦的带内衰减特性;良好的带内匹配特性。
图2为根据本发明的矩形平面螺旋电感线圈示意图。图3为本发明安装后 的矩形平面螺旋电感线圈。该平面螺旋电感线圈是这样制作的
1) 根据设备功率等级,选取飽的纯铜管材和直角弯头,通常需要考虑如 下因素
a. 铜管横截面外径、壁厚,铜质纯度
b. 直角弯头横截面内径、壁厚,铜质纯度。
2) 根据平面电感线圈的设计尺寸,截断铜管。
3) 将截断后的铜管、直角弯头固定于专用模具。
4) 焊接。用铜焊工艺,逐个焊接线圈每匝四角的直角弯头,使之与铜管紧 密焊接在一起以形成平面螺旋线圈。
5) 将平面螺旋线圈打磨、抛光。
6) 给平面螺旋线圈打 L用于固定螺丝。
7) 将绝缘材料依据设计糊扱尺寸截断、包l條以形成绝缘支撑架。
8) 给绝缘材料打孔,用于固定螺丝。
9) 装配。平面螺旋线圈、绝缘支撑架、电晕放电环用螺丝装配在一起。 戶膽雷电防护设备中的平面电感线圈,既是雷电脉冲的泄方 &,又魏
频环路电流的载体,因而是设备中的主要耗能、发热器件,直接决定了信号传 输效率、机箱内鹏。因Ji树制造材料的电导率要求较高。通常100KW以上功 率等级,采用铜镀虹艺制造;10KW 100KW功率等级,采用纯铜制造; 3KW 10KW功率等级,可以采用铜包钢工艺制造;3KW以下功率等级,可 采用铝制造。
用于固定平面电感线圈的绝缘支撑架,具有两方面要求 电气绝缀號要求。
由于平面电感线圈匝数较少,X^,强的射频电流和雷电泄放电流,匝 间电压比其它应用场合要高出1 2个i(i0,因而要求绝缘支架具有良好的 电气绝纟l^寺性。
机械鹏要求。
雷电、大气放电作用于平面电感线圈,电感线圈具有强烈的向心收縮趋势, 支撑架承受较大应力,必须具有足够大的冈胜以抵制电感线圈的形变。电感线 圈一旦发生形变,自身的自感系数、线圈之间的耦合系数均将随之改变,电路
约束方程不再成立,对mt机构成l:命性^H办。
鉴于此,平面电感线圈的绝缘支架视功率等级选用聚乙烯、环氧树脂、环 氧玻璃、片^l莫塑料。
图4为根据本发明的电晕放电环的示意图。电晕放电环是由导电材料帝喊。
外表面为扁球形,a:径较小的一面开设凹槽,并M凹槽开一小于凹槽直径 的通孔,用于固定螺丝。在将平面电感线圈固定至鹏缘支架上时,螺丝顶端位 于电晕放电环的凹槽内,被电晕放电环屏蔽,不会与周围环境中的其它导体放 电。电晕放电环外表面经过计^a模拟、仿真,保证在一定体积下呈现最大的 外表面曲率雜。
后文详细阐述後遣该电路防雷特性附旨标,该指标为准阻尼系数。 为保证最低的带内衰减,初级、次级两个回路均为孤立回路的条件下,即 两回路彼此不存在耦合的割牛下,分别调试两个孤立回路,使两回路均谐振于
工作频率。实际彫式过程中,使次级电感线圈开路,贝顿级线圈即为 胶回路;使初级电感线圈开路,则次级回路即为孤立回路。
为满足最平坦的带内衰减特性和良好的带内匹配特性,回路品质因数(即 Q值,为便于调试,采用)^J1尔网络,初级、次级回路取相等的Q值)和两个电 感线圈之间的耦合系数K必须满足
"I---------------------------------- (1)
化+1
在给定输入/输出阻抗^#下,M调整电感线圈的抽头位置可以得到合
适的Q值。在同时满足下列条件时
孤立的初级回路、孤立的次级回路均谐振于工作频率;回路Q值、电感线 圈之间的耦合系数K满足(1)式。
那么齡电路具有如下特性齡电路,从输入端M去,依然谐振于工 作频率。齡电路,从输入端 去,对应工作频率的输入卩鹏等于负载卩鹏,
输入ffiW频率的函数关系为 z(。 = ___g《+ 7Tgy-(g2+l)]_^______________(2)
-啦Y4 -2(e2 +恥2+(e2 +1)]+航3 -(e2 +1)。
(2)式中《为相对于工作频率的归一化频率(^///。),通过(2)式, 可以後遣雷电防护设备电路的匹配带宽(比如定义为最大驻波比1.2带宽)。
相对于^|#1资用功率归一化的雷电防护设备输出功率与频率的函数关系
(即Mf参数中的l^'l ):
<formula>formula see original document page 11</formula>(3)式中的Ri为输入ffi!f[Zi的实部(即输入电阻部分)。由(2)、 (3)
式可以衡量雷电防护设备的传输带宽。
基于(2)、 (3)式输入卩服的Matlab仿真曲线如图5A到图5H所示。
传输函数(模值)的Matlab仿真曲线如图6A到6H所示。
防雷特性,根据大量实际经验,以冲激响应电压波形的衰鹏度近似鶴。
冲激响应电压波形衰繊快,静电泄放效果越好。
脉冲响应测试方法如图7戶标。图7中,示波器6接到本发明的雷电防护设备l,即被测器件的输入端8,脉冲发生器7接到雷电卩射户设备1,即被测器 件的输出端9。
在被测滤波器(即,雷电防护设备)输出端馈入重复频率lOKHz、占空系 数0.5%的矩形窄脉冲,由于柳则、搶波器断皆織性,在输入端将得到幅度依近 似指数规律衰减的正弦脉冲串,正弦振荡频率理论鹏等于被测滄波器的中心 频率,脉冲串出复出现的频率为脉冲发生器输出的窄脉冲的重复频率。旨脉 冲串从峰值衰减到37%峰值的时间定义为脉冲响应的阻尼时间。
图8为阻尼特性测试曲线图。输入、输出端的电阻为匹配电阻,用于保障 被测器件的卩m匹配。
/AJ:^基于(2)、 (3)式仿真曲线图5A到5H可知,无论是由匹酉改寺性定 义的频带宽度,还是由传输待性定义的频带宽度,都是Q值的减函数、耦合系 数的增函数。根据电路时域特性与频域特性的对应关系,频域内较宽的频带宽 度,必然对应时域内较决的衰 鹏度(较小的时间常数)。
由此可知,获得良好静电泄放性能的唯一途径是增大电感线圈之间的耦合 系数K (同时减小回路Q值),逸就是采用平面螺旋线圈的根本原因。
在获得良好静电泄放特性的同时,必然伴随着雷电防护设备频带宽度的展 宽。匹配带宽的展宽,有利于激诉连路各部分之间的匹配;传输带宽的展宽, 对保证鄉机音频频率相应指标有利。
以下为909KHz雷电防护设备测i辦本图9A为输入卩鹏测i辦本;图 9B为输入驻波比测i辦本;图9C为M31特性测i对羊本;图9D为冲激响应测 i辦本。
应用平面螺旋电感线圈,工作频率lMHz左右,雷电防护设备ilJl特性的 2dB带宽可以做到120KHz以上。应用传统的立体螺旋线圈,同样^(牛下的带 宽做到25KHz是非常困难的。
本发明所提供中波广播對t链路中的雷电防护设备,但它不承担滤波、选 频效用,所以)^虑波度不做ftf可要求。
平面电感线圈所用导体除选自铜、铝、铜包钢、铜镀银外,还可以选其它 高表面电导率的材料;线圈支撑架除选聚乙烯、环氧树脂、环氧玻璃、片状 膜塑料(SMC)夕卜,还可选高机械亏雖、高绝^^號的其它绝缘材料。
许多电子装置,如发射机等可以安装本发明的雷电防护设备,以抑制、泄
放、阻尼来自天纖系统的雷电干扰和大气放电,对电子装魏到很好的做 作用。
虽然本发明是通过上述附图示出的实施例进行解释的。但本领域的
技术人员应该理解,本发明并不限于这些实施例,而是覆盖了不脱离本
发明的精神的各种变化或者变型。因而,本发明的范围由所附权利要求 书及其等效物限定。
权利要求
1、一种用于广播发射链路中的防雷设备,其包括,第一电容器、第二电容器,第一平面电感线圈、第二平面电感线圈,其中,所述第一和第二平面电感线圈,均为平面螺旋形状,匝数为N,其中,N为大于或者等于1的自然数;所述第一和第二平面电感线圈由十字交叉的绝缘材料构成的绝缘支架支撑,每个固定螺丝均配备电晕放电环,防止电晕放电;第一和第二平面电感线圈平行、相对安装,且保持一定距离;第一电容器与所述第一平面电感线圈组成初级谐振回路,第二电容器与所述第二平面电感线圈组成次级谐振回路。
2、 根据权利要求1的防雷设备,其特征在于戶,第一和第二平面电感线 圈所用导体选自下歹IJ导体中的一种铜、铝、铜包钢、铜镀银;戶舰线圈支架所用绝缘材料选自下列材料中的一种聚乙烯、环氧树脂、环氧玻璃、片状膜塑料
3、 根据权利要求1的防雷设备,其特征在于,戶皿平面螺旋电感线圈开刻犬为矩形、方形、圆形、菱形平面螺旋开娥中的一种。
4、 根据权利要求1-3中的任一防雷设备,其特征在于,M^第一平面电感线圈与所述第二平面电感线圈组成的平面螺旋糊犬可以相同或不同。
5、 根据权利要求l一3中的任一防雷设备,其特征在于,所述第一平面电 感线圈与所述第二平面电感线圈的自感系数可以相同或不同。
6、 根据权利要求1—3中的任一雷电防护设备,其特征在于,戶脱每个固 定螺丝配备的电晕放电环为1个或2个。
7、 根据权利要求i一3中的任一防雷设备,其特征在于,戶;f^初级谐振回路与所述次级谐振回路的品质因数可以相同或不同。
8、 根据权利要求l一3中的任一防雷设备,其特征在于,次级负载卩m与 初级输入卩 可以相等或不相等。
9、 一种电子装置,^f寺征在于,安装了权利要求l一8中的任一种防雷设备。
10、 一种平面电感线圈的制作方法,该方、 跑括如下步骤根据设备功率等级,选取合适的导体管材和直角弯头; 根据设计尺寸,截断导体管材; 将截断后的导体管材、直角弯头固定于专用模具;用焊接工艺,逐^h焊接每匝四角的直角弯头,使之与导体管材紧密焊接在一起并形成平面螺旋线圈;将平面螺旋线圈打磨、抛光;给打平面螺旋线圈打孔,用于固定螺丝;将平面螺旋线圈、绝缘支架、电晕放电环用螺丝装配在一起。
11.根据权利要求10的方法,其特征在于,所述导体管材和戶脱直角弯头选自下列导体中的一种铜、铝、铜包钢或者铜镀银。
全文摘要
本发明的目的是提供一种防雷设备以抑制、泄放、阻尼天馈线系统的雷电干扰和大气放电,其包括,第一电容器、第二电容器,第一平面电感线圈、第二平面电感线圈,所述第一和第二平面电感线圈,均为平面螺旋形状,匝数为N,其中,N为大于或者等于1的自然数;所述第一和第二线圈由十字交叉的绝缘材料构成的支架支撑,每个固定螺丝均配备电晕放电环,防止电晕放电;第一和第二平面电感线圈平行、相对安装,且保持一定距离;第一电容器与所述第一平面电感线圈组成初级谐振回路,第二电容器与所述第二平面电感线圈组成次级谐振回路。
文档编号H01F17/00GK101355250SQ20081011152
公开日2009年1月28日 申请日期2008年6月5日 优先权日2008年6月5日
发明者杨伟方 申请人:汤姆逊广播电视技术(北京)有限公司
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