衛星通信地球站防雷系統探討

　　1、衛星通信簡述

　　衛星通信是以人造衛星為中繼站的無線電通信。它工作于微波波段。衛星通信已成為重要的現代化的通信手段，在國內外獲得了廣泛的應用。美國在海灣戰爭期間，采用衛星通信處理美軍戰區約90%的通信業務。衛星通信的優點是通信距離遠，建站成本與通信距離無關，以廣播方式工作，便于實現多址聯接，通信容量大，能傳送的業務類型多，性能穩定可靠，不受地理條件限制，靈活機動等特點。我國的衛星通信發展迅速，固定式衛星通信地球站，車載式衛星通信地球站，便攜式衛星通信地球站，移動衛星通信地球站等等大量應用于國內軍用民用衛星通信網中。隨著衛星通信技術的發展和衛星通信業務的需求，國內衛星通信已從單一的C波段發展為C、UHF、Ku多波段的衛星通信。在抗震救災中，便攜式衛星通信地球站，移動衛星通信地球站充分發揮了它的作用。本文僅對地面某固定衛星通信地球站防雷問題進行探討。

　　2、某衛星站電子設備多次被雷擊壞

　　某衛星通信地球站機房樓頂架了避雷針，離地高度約27米，以保護機房通信設備。天線場并排架了三座鐵塔避雷針，離地約32米。以保護天線場的天線饋線系統級及天線尾部的高頻設

圖1先后雷擊壞某衛星站高頻電子設備的天線

　　備（低噪聲放大器LNA和高功放HPA）。幾年來，天饋系統的高頻部分設備多次被雷擊壞，不是在這部天線被擊壞，就在另一部天線被擊壞。為什么約32米高的鐵塔避雷針卻不能使2—5米高的高頻電子設備避雷而被雷電擊壞呢？先后被雷電擊壞的某衛星站高頻電子設備的天線如圖1所示。圖1中右邊C波段天線尾部中心體內的2個低噪聲放大器（LNA）在一次雷擊時損壞，中間和左邊的2個Ku波段天線高頻設備在另一次雷擊時被損壞。下面對雷電產生和防雷進行探討。

　　3、雷電

　　3．1閃電是速變電磁場

　　對閃電有幾種觀點，一種認為是恒壓電路，另一種認為是恒流電路，第三種認為是速變電磁場，它輻射的電磁波極寬，包括比微波頻率更高的光波。筆者比較認同第三種觀點，即閃電是一種速變電磁場。閃電的電磁場能量轉變為光能、聲能和電磁場中物體的熱能。

　　3．2雷電的形成

　　雷電的形成。由于大氣空間場的作用下，云層分離從而帶電。雷云中電荷的分布是不均勻的，形成多個堆積中心。不論在云中或云對地間，電場強度是不一致的，當云中電荷密集處的電場強度大到一定程度，就會由云開始先導放電，當先導通道的頂端接近地面時，可誘發迎面先導，先導與迎面先導會合時，形成云到地面的電離通道。其為雷電的主放電階段，伴有電閃雷鳴。該地物就遭到雷擊。簡單地說，當帶電荷云層逐步積累到足夠的電荷量時，便擊穿空氣，產生閃電現象，形成雷電。

　　4、避雷針

　　4．1避雷針是引雷針

　　避雷針實際是引雷針。俄羅斯叫其為“接閃器”，美、英稱為“導電針”。接受直擊雷的防雷裝置稱為接閃器，例如：避雷帶、避雷網、避雷線、法拉第籠等等。避雷針是接閃器的一種。避雷針的保護作用是攔截閃電，使閃電打在自已身上，從而使建筑物避免遭受直接雷擊而受到保護。避雷針把雷電的能量沿鐵塔或引下線安全地導入地中。避雷針的保護范圍采用滾球法。避雷針的上部空間是其引雷空域，下部空間是其保護范圍，使不直接遭受雷擊。

　　4．2避雷針應用環境

　　4．2．1避雷針防雷不宜用在山區建筑物

　　在雷雨低于山頭的坡地上往往產生側向雷擊。應采用避雷帶或避雷網。

　　4．2．2避雷針防雷不宜用在高層建筑物

　　按防雷《規范》，避雷針高度大于60米，其滾球法保護范圍已無效。高架避雷針上部有一段落可能自身受側向雷擊的空間（稱為對針桿的側擊區）。高架避雷針引雷能力強，使得高架避雷針附近地面的落雷密度較該處平均落雷密度大，（稱為雷電閃擊區）。防雷應盡量采用避雷帶或避雷網，只有天線等用短針防雷。

　　4．2．3避雷針宜用于平原地區矮小建筑物防雷

　　5、雷電感應高電壓和和雷電電磁脈沖

　　5．1雷電產生雷電感應高電壓和和雷電電磁脈沖

　　避雷針可防直擊雷，保護建筑物。但隨著科學技術的發展，現在大量的使用電氣、電子、微電子設備。在打雷閃電時，在放電通道周圍產生電磁感應、雷電電磁脈沖使電源線，信號傳輸線、天饋線等感應的雷電高電壓通過這些線路造成放電，損壞電氣、電子、微電子設備。

　　5．2防雷電感應用高電壓和和雷電電磁脈沖采用浪涌保護器（SPD）。

　　浪涌保護器安裝在電子設備的外連線路（電源線路、信號線路、天饋線路）中，將雷電過電壓、過電流泄放入地，起到保護設備目的。防雷器件主要由放電間隙、放電管、高頻二極管、壓敏電阻、瞬態二極管、晶閘管高低通濾波器根據不同頻率、功率、傳輸速率、阻抗、駐波、插損、帶寬、電壓、電流等要求，做成各系列浪涌保護器。

　　5．2．1波導分流器型電子避雷器

　　傳統避雷器在工作頻率（F）、承受功率（W）、通流容量（I）三者之間不能兼顧、不可調和、互相制約。眾所周知，雷電沖擊波能量的99%以上分布在100KHz以下頻域，而有用信號波的能量分布在幾百仟赫以上頻域，因此，完全可以用由集中或分布參數電路元件構成高低通濾波器組合網絡（無源、互易網絡）。將雷電波和有用信號分流，使雷電波入地，有用信號正常傳輸。

　　6、電子信息防雷系統必須有一個合格的接地網

　　接地系統有多種做法。比較好的一種是選用中光防雷公司的低電阻非金屬接地模塊。其優點是適合于高土壤電阻率的土壤，腐蝕性強的土壤，高寒地區凍土。西藏乃堆拉某哨所海拔4500米高，屬高寒火山石地面，如圖2所示。以前該地區多次做的電子設備或營房建筑的防雷地網，多的到960Ω，低的到180Ω。經多車泥土和降阻劑，最低的也只能做到53Ω。遠達不到國家標準小于4Ω的要求。采用中光防雷公司低電阻非金屬接地模塊。經計算，用了60個模塊。經用日本儀表4102型地阻儀測試，地網電阻由原來的53Ω降低至3.5Ω，達到了避雷針地網電阻小于10Ω，設備地網電阻小于4Ω的國家標準。攻克了西藏高海拔火山石質地面長期未能解決的防雷地網問題。

圖2海拔4500米西藏乃堆拉火山石質地面

　　7、綜合防雷

　　近年來，雷電防護由富蘭克林式的避雷針防直擊雷，發展到綜合防雷工程新階段。電子信息防雷系統應該是一個綜合防雷工程。由直擊雷防護措施、等電位連措施、屏蔽措施、規范的綜合布線、設計安裝SPD、完善合理的接地系統。

　　8、雷擊原因勘察探討

　　根據前述綜合防雷的六個要素，對雷擊原因進行了勘查。并主要對防直擊雷，防感應雷擊和地網進行了重點勘查。地網電阻符合《規范》。三個高高的鐵塔避雷針正常。配電房，主機房設備，天線場高功放設備正常。配電房進行了電源一級防雷，主機房進行了二級電源防雷，天線場高功放機房進行了三級電源防雷。被雷擊壞的是2個KU波段天線的電子設備，其工作頻率為12GHZ頻段。經查，連接該電子設備的電源線路、信號線路、天饋線路都沒有安裝防感應雷擊的避雷器件（即SPD）。避雷塔離傳輸電纜距離不到2米。

　　避雷針是一個接閃器，即引雷器。它可以防直擊雷，但不能防感應雷擊。良好的地網可以使雷電流經避雷針及塔或引下線進入地。閃電產生的雷電波是速變電磁場，會在信號線路、電源線路、天饋線路感應出過電壓，傳入線路兩端的電子設備；變化的雷電流經避雷針塔或下引線入地時，會產生變化的感應電磁場，也會在信號線路、電源線路、天饋線路感應出過電壓，傳入線路兩端的電子設備。如果上述線路兩端電子設備不安裝浪涌保護器，感應的過電壓電流就會損壞電子設備。電子設備防雷，只安避雷針，不安裝防感應雷擊的防雷器件，是防不到雷擊的。避雷針越高，越容易把遠處的雷引過來，增加了感應雷擊次數，又不裝防感應雷擊的器件，無異于把雷引過來打電子設備。因此，找電子設備防雷工程的設計單位和施工單位都應當是有設計資質和施工資質的單位。施工過程應嚴格監督把關，竣工時要嚴格驗收?？⒐ず笠獧z查維護。

　　9、結束語

　　綜上所述，閃電的雷電波是速變電磁場。衛星地球站防雷系統應采取綜合防雷措施。即直擊雷防護措施、等電位連接措施、屏蔽措施、規范的綜合布線、設計安裝SPD、完善合理的接地系統。避雷針是引雷針，可防直擊雷，但也把雷引過來，增加了電子設備的感應雷擊次數，不安裝防感應雷擊器件，電子設備會更容易被雷擊。防雷工程設計及施工應找有設計資質和有施工資質的單位。施工中應嚴格監督把關，竣工時應嚴格驗收。某衛星站防雷系統應進行改造。防直擊雷措施可進行適當改造。避雷塔的位置、高度和數量可從新計算和施工。天線場到室內設備的電源線、信號線、天饋線兩端都應當增裝防感應雷擊的浪涌保護器