分析避雷针对微波信号的影响

摘要：本文首先介绍了雷电和微波天线的一些重要特性。认识了天线防雷的重要性和必要性。目前天线的避雷我们一般采用的是在天线上加一根避雷针，分析了避雷针对微波信号的影响，并讨论了避雷针在接收微波后微波是如何在钢管中传输。最后得出避雷针会对微波的传输造成衰减的结论。

关键词：天线；微波；避雷针

1前言

雷电是自然界常见的一种自然现象,雷电的产生是由于带电荷的雷雨云层与地间产生一个环境电场。当雷雨云或地面上某一点的电场强度大于3×106V/m时，在地面突起部分或金属部件上开始先导放电。向下先导由云中伸向大地，向上先导则由大地伸向云中，向上先导与向下先导会合形成主放电。它除了能对人、畜及建筑造成很大危害以外，还损坏各种电子电气设备。然而在信息时代的今天，电脑网络和通讯设备越来越精密，对其工作环境的要求越来越高。雷电以及大型电气设备的瞬间过电压会越来越频繁的通过电源、信号等线路侵入网络设备，容易造成设备或元器件损坏、人员伤亡、传输或储存的信号（或数据）受到干扰（或丢失），甚至使电子设备产生误动作或暂时瘫痪、系统停顿、数据图象传输暂停、局域网乃至广域网遭到破坏。其危害触目惊心，间接损失一般远远大于直接经济损失。

2微波的特性和天线

微波波段的主要特点是其波长可同普通电路或其元件的尺寸相比拟，即为分米、厘米、毫米量级、其它波段都不具有这种特点。普通无线电波的波长大于或远大于电路或其元件的尺寸，电路或其元件内部的波的传播过程可忽略不计。而光波、X射线、Y射线的波长则远小于电路或元件的尺寸，甚至可与分子或原子的尺寸相比拟，因此难以用电磁的或普通电子学的方法去研究它们。

天线是微波通讯的关键设备，也是引入雷击事故的主要路径。随着计算机技术的飞速发展，各种通讯设施要借助计算机实现信息自动处理，计算机又要通过通讯设施实现网络化。因此，无线电通讯天线的直击雷防护也是计算机防雷的主要组成部分。通过多年的实践经验和教训，人们对通讯天线防雷的重要性有了一定认识，但对通讯天线应如何进行防雷的认识却不尽相同。避雷针在对天线的保护的同时我们也要考虑避雷针对天线接收的微波有没有衰减，下面通过对避雷针等效成天线来分析避雷针对微波传输的影响。

3避雷针的结构和它对微波的影响

当避雷针采用上述圆钢或钢管做避雷针时，避雷针对传输中的微波相当与一个圆波导，下面我们就来分析一下微波在圆波导中的传输情况：

圆波导是内半径为R的圆形金属波导管，这和避雷针很相似。我们对圆波导采取圆柱坐标系分析较为方便，其分析方法是根据圆波导中电磁场纵向分量满足的方程和边界条件确定纵向场分量，再利用纵向场分量导出圆波导中模式的横向场分量最后分析圆波导中波的传输特性[3]。

根据 可知，圆波导中纵向场分量的横向分布函数Ez(T)和Hz(T)应满足以下标量波动方程（3.1）

在圆坐标系中，因 ；

故式（1）变为 ；（3.2）

这里先讨论Ez(T)的求解。采用分离变量法，令

代入（2）式，两边同乘以 ，并移项得 （3.3）

等式左端仅是r的函数，右端仅是 的函数。因在圆波导横截面的任意点上上式都满足，故只有两端同等于一常数。设此常数为m²则可得到下面两个常微分方程：

；（3.4）；（3.5）

方程（4）是带参数为 的贝塞尔方程其通解为

（4.6）其中 为第一类贝塞尔函数， 为第二类贝塞尔函数（也称纽曼函数）。

方程（3.5）的通解为

因此 由于 是z的

函数，故解的形式为

；

同理可得

；

根据圆波导中场的特点，对两式简化： （a）由于当0≤r≤R时， 和 应为有限值，但党r0，-∞，因此圆波导中场的径向分布函数不能包含 项，否则场将趋与无穷大。所以 （b）由于圆波导具有轴对称性，因此起始角 可以任意选取，即场的极化面是任意的，所以 无法确定，也即无法确定 和的比值。即m=0，1，2，3…（d）若只考虑沿正z方向传输的行波，则 综上所述，圆波导中Ez和Hz的表达式可简化为[5]：

；；

避雷针的钢管与圆波导的原理一样，所以上述的波动方程也适用于波在避雷针中的传输。下面我们根据波的传输特性推演出波在避雷针中的截止特性。

钢管中可传输TM模和TE模的截止波长可通过下式计算：

；

由上面两式可见，截止波长λc随圆波导的半径R和波指数m，n的变化而变化。当λ＜λc时电磁波可以在圆柱波导中传输。

针长1m以下直径20mm的避雷针，当传输的波为TM波时截止波长为

可得当m=0，n=1时 =2.405， =20*π/2.405=26.1123mm；

当m=0，n=2时 =5.520， =20*π/5.520=11.3768mm；

当m=1，n=1时 =3.832， =20*π/3.832=16.3883mm；

当m=2，n=1时 =7.010， =20*π/7.010=8.9586mm；

在TM模式下只要工作波长λ

当传输的波为TE波时截止波长为 ；

可得当m=0，n=1时 =3.832，(=20*π/3.832=16.3883mm；

当m=0，n=2时 =7.016， =20*π/7.016=8.9501mm；

当m=1，n=1时 =1.841， =20*π/1.841=34.1119mm；

当m=2，n=1时 =3.054， =20*π/3.054=20.5632mm；

在TE模式下只要工作波长λ

针长1―2m钢管25mm的避雷针，当传输的波为TM波时截止波长为

可得当m=0，n=1时 =2.405， =25*π/2.405=32.6403mm ；

当m=0，n=2时 =5.520， =25*π/5.520=14.2210mm；

当m=1，n=1时 =3.382， =25*π/3.382=23.2111mm；

当m=2，n=1时 =7.010， =25*π/7.010=11.1982mm；

在TM模式下只要工作波长λ

当传输的波为TE波时 截止波长为 ；

可得当m=0，n=1时 =3.832，=25*π/3.832=20.4854mm；

当m=0，n=2时 =7.016，=25*π/7.016=11.1887mm；

当m=1，n=1时 =1.841， =25*π/1.841=42.6398mm；

当m=2，n=1时 =3.054， =25*π/3.054=25.7039mm；

在TE模式下只要工作波长λ

烟囱顶上的钢管40mm的避雷针，当传输的波为TM波时截止波长为

可得当m=0，n=1时 =2.405， =40*π/2.405=52.2245mm；

当m=0，n=2时 =5.520， =40*π/5.520=22.7536mm；

当m=1，n=1时 =3.382， =40*π/3.382=37.1377mm；

当m=2，n=1时 =7.010， =40*π/7.010=17.9173mm；

在TM模式下只要工作波长λ

当传输的波为TE波时截止波长为；

可得当m=0，n=1时 =3.832，=40*π/3.832=37.1377mm；

当m=0，n=2时 =7.016，=40*π/7.016=17.9019mm；

当m=1，n=1时 =1.841， =40*π/1.841=68.2238mm；

当m=2，n=1时 =3.054， =40*π/3.054=41.1264mm；

在TE模式下只要工作波长λ

4结论

由以上的分析计算可以总结得出只要传输的波长小于截止波长，那么波就可以在避雷针中传输，避雷针就可以把在大气中传输的波转化成高谐电流泄放到大地因而对微波造成极大的衰减。这是我们在天线附近安装避雷针需要考虑的问题，当遇到上面的情况时，可以采用实心的避雷针包一层玻璃钢以减少避雷针对微波的影响。

注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。