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1、相控天线阵雷达防雷方案 庄洪春，郑司儒，张学云，宋详，梅健，刘海，付文学，陈心海，张沪生， 董鹏，毛立宏，刘红岩，王跃斌，王莉平，曾永书 ( 中国科学院空间中心，中国科学院电子研究所) 摘要：相控阵雷达天线高，面积大，极易遭雷击。而常规避雷针影响天线的正常工作不能 使用。等离子避雷技术则能使雷不打天线，又不会影响天线的正常工作。本文利用等离子避 雷技术对相控阵雷达设计了一个避雷方案。应该很有实用意义。 一、引言 近十多年来，中国科学院开发了一种避雷技术”1 ，可以克服延用了2 5 0 多年的传统避雷针的不足，适 应信息化时代的避雷要求。它从闪电物理过程的分析找到避免雷击的思路”，生产出了避雷新
2、产品等 离子避雷球。1 。 雷击是空气中的电击穿，电场强度是空气能否击穿的主要量度。因此雷击危险性大小用电场强度的数值 来表征“。起始于地面物体的上行先导或下行先导到达雷击高度后地面物体的上迎先导都是起始于那些电 场强度最强首先达到击穿空气的数值的物体表面。导体表面电场强度正比于导体表面的电荷面密度因此 表面电荷面密度也就能表征雷击危睑性的大小。使导体表面电荷消失就使遭雷击的危险性降低，这是一种避 霄的新思路。 等离子避雷球就是用这个思路的避雷新产品，它能保护地面、水面或空中物体不受直接雷击，从而使物 体内部的现代化设备不遭直接雷害。 等离子避雷球系统包括避雷球、电源、电荷放大器等部件。电源产
3、生大气等离子气层，复盖到避雷球表 面，能使避雷球受雷电作用产生的感应电荷及时散发到空气中，不可能形成击穿大气的高电场和电流，这就 使感应电荷的引雷作用失效，因此避雷球就不再遭雷击，我们可称这种方法为“离子避雷”方法”。因大 气中产生足够浓度的等离子体成本高、难度大，因此不可能用等离子气层覆盖被保护对象的整个表面而只覆 盖在避雷球表面。未被等离子体覆盖的被保护物表面要用另法使其感应电荷消失。用电流迥路中的导体表面 上集聚的电荷来对消那里的感应电荷是一种行之有效的方法。我们称这种对消感应电荷的方法叫“电荷避 雷”方法。这两种方法合起来就是等离子避雷技术。能使得被保护物体租球都不遭雷击。本文用这种技
4、 术为相控阵天线设计避雷方案。 ：、相控天线阵雷达情况 每根天线长7 5 米，垂直放置。 四排天线，排距2 3 米； 每排有1 5 0 根天线，天线间距为4 4 米。 天线阵总长6 3 0 米，宽7 0 米 雷达主机房屋顶与周墙都用金属板建成，起电屏蔽罩作用，位于天线阵外居中，离外层天线5 米： 1 1 。 三、防雷方案的考虑 防雷方案目标：保护雷达站不受直接雷害和间接雷害。 l _ 因主机房已被全屏蔽，只要雷击点不在主机房上，近处雷击产生的电磁辐射并不会危害雷达主机。 2 雷击危险性最大的是天线，雷击天线产生的过电压会经馈线侵入到主机房，造成雷害。 3 主机房上遭雷击也会造成雷达主机的损坏，
5、因此也要避免。 4 总之方案应是：天线与主机房不准遭直接霄击；进入主机房的远方来线需装避雷器。 四、方案及计算 1 、每根天线上的感应电荷量 a ) 用长椭球模拟天线。 根据静电学可知，对于a b = c 的长椭球导体已知电势为U 。，则其周围空问的电场强度为” u 。矿一c 2 若芒 E 2 虿丽万面面 “ 设天线长a = 7 5 米，天线粗2 c = 4 离米，在地面为原点，天线轴为座标轴的柱座标中，由式( i ) 可算 得，在 r = i m m ，z = 7 5 0 1 m 处的电场强度为3 5 4 U o 当E 达到击穿空气的值，即E = 3 1 0 v ，m 时，U o = 8 5
6、 i 0 V r = 1 枷，z = 7 5 0 0 m 处的电场强度为4 4 U o 当E 达到击穿空气的值，即E = 3 1 0 m 时，U o ：6 8 1 0 v 天线表面的电荷面密度 ( 2 ) 由式( 2 ) 可算得： 当t o = 0 处，o = 2 5 X i 0 勺。 当r O = I C 】l l 处，o = 1 4 1 0 “U o 当r 0 = 2 c m 处o = 6 8 1 0 。U o 因此，对U o = 6 B 1 0 ，感应电荷量为Q = 4 4 1 0 4 c b ) 用接地圆球模拟天线 设球半径为R ，带电荷Q ，则电位为 Q 4 R 电场强度为 ( 3
7、) E ：j 2 一( 4 ) 4 时 因此， V = E R( 5 ) 当E 达到击穿空气的值即E = 3 1 0 m ，V 的值取决于R 。 R = 5 C m 时，v = 1 5 l O ：Q = 8 3 i 0 C ； R ：2 c m 时，V = 6 i 0 ；口= 1 3 1 0 C ； 2 R = i c m 时，V = 3 X i 0 ：Q = 3 3 X i 0 一C ； R = 5 m m 时V = I 5 1 0 v ；Q = 8 3 l 0 r C 2 、等离子避雷球的保护能力 我们在云南试用的1 0 套等离子避雷球样机的保护能力见表1 表1 等离子避雷保护能力例 l
8、样机序号 1234567891 0 电压( k v ) 2 92 92 B3 22 92 93 96 2 1 2 5 3 8 l 电荷( uC ) 4 44 34 24 日4 34 45 91 0 0 2 0 6 0 从技术上看，等离子避臂球的保护能力做到电压1 0 0 k V ，电荷1 m c 并不困难。 3 等离子避雷球的配置 由于天线遭雷击前，雷电感应电荷在天线顶端产生的最大电场强度约为V = 3 1 0 I m ；等离子避雷装置 加到天线上的电位必须在天线顶端产生等量而反向的电场强度。上述计算使我们相信用一个等离子避置球 并行地向所有天线充电是办得到的，只要等离子避雷球的保护能力接近1
9、 0 0 k v ，及电荷1 m c 。雷达主机房可 用同一个等离子避雷球保护使不道雷击。 为了保险，雷达主机房可用另一个等离子避雷球保护使不遭雷击。还可用两个或三个等离子避雷球分别 保护天线阵的不同部份。用多个避雷球时， 避雷球的保护能力可降低要求。 4 等离子避雷球的安装 为了使天线得到中和电荷，只要使天线 电位增高就行，加电输入位置无所谓，我们 取天线近地端为等离子避雷装置向天线输入 中和电荷的位置。每根天线都要通过一瞬间 接通开关避雷器与等离子避雷装置的输出相 连以免影响天线的正常工作，见圉1 。 图2 5 避雷帽 在天线顶端安装避雷帽，见图2 。下面计算所需的电 压。先计算避雷帽与天
10、线之间的电容量。电容等于帽顶的电 容加上帽沿的电容。帽顶的电容为平板电容。帽沿为柱电 容。 平板电容的电容量为： C + t ：_ L 一 ( 6 ) d 式中d 是两板间距，这里是避雷帽与天线顶端的间距， 为l 姗。s 是板面积，这里是天线顶端的面积，为直径4 c m 的圆面积，即1 2 6 1 0 一。因此，帽顶的电容量约为 1 0 p f 。 圆柱电容为： - 1 1”ifi hijIIjll；l C _ # ：2 - U 一 ( 7 ) i n ( a ：a ，) 式中l 为圆柱的长度设避雷帽沿长度为1 e r a ，即1 = 1 2 6 x l O 葡。a ：与a 。为外柱与内柱的半
11、径。这里为 4 1 r a m 和4 2 r a m 。因此帽沿电容为2 3 p f 。 因此，帽沿为i c m 的避雷帽，电容量约为3 3 p f ，帽沿为5 c m 的避雷帽电容量约为8 5 p f ，帽沿为l O c m 的避雷帽，电容量约为2 4 0 p f 。 我们必须在避雷帽上充上超过天线感应电荷量的相反极性的电荷。为此在避雷帽上必须加的电压为： u ：卫一 ( 8 ) C 用每根天线感应电荷量4 4 i 08 C 代人可知，对无帽沿的避雷帽，需电压电大4 4 0 0 伏；对帽沿长i c m 的避雷帽，需电压大于1 5 0 0 伏：对帽沿长5 a m 的避雷帽，需电压大于5 1 8
12、 伏；对帽沿长l O c m 的避雷帽。需 电压太于1 8 3 伏。 等离子避雷球的输出线经地下引到每根天线底部，再穿过空心天线管内到达顶端的避雷帽。见图2 。 5 综合避雷 远方来线在进入主机房和投人机房内的微电子设备前安装适当的避雷器。 用一个避雷球，配上适当的避雷器，总经费约5 5 万元。 五、结语 1 、传统避雷针技术无法做到不影响相控阵天线的正常工作，因此无法实施。 2 、等离子避雷技术能使得所有天线不遭雷击，叉不影响天线的正常工作，因此是相控阵雷达防雷的最 佳方案。 3 、目前，等离子避雷技术已开发完成并获得了政府主管部门的许可，可以作为避雷新产品使用。成 本也较低，本文方案完全具
13、备了实施的条件。 参考文献 ( 1 ) 使感应电荷消失的一种避雷新思路庄洪春，7 5 7 7 ，“雷电防护标准化学术讲座会论文集”，2 0 0 2 ( 2J 闪电物理，庄洪春，“物理”，7 8 9 7 9 5 ，3 1 卷，1 2 期，2 0 0 2 。 ( 3J 等离子避雷球技术庄洪春、张世锭、郑司儒、张学云、宋详、李树英、史才甚、张九诚、刘洋、金 成光、张维、梅健、贾艳明、陈群、程伟明、张天辰，“雷电防护与标准化”，2 2 2 7 ，2 0 0 4 3 ( 4 ) 遭雷击的危险性大小，庄洪春、辰天辰，“中国雷电与防护”，第2 期，2 0 一2 2 ，2 0 0 4 a ( 5 j 大气等离子体避雷，庄洪春，黄建国、陈天辰、李恒渡、宋详、郑司儒、马风、“地球物理学报”， 第4 5 卷。增刊，3 7 4 7 ，2 0 0 2 ( 6 电荷避雷原理，庄洪春，“防雷世界”，第1 0 期，2 5 2 9 ，2 0 0 4 2 7 包德修，罗耀煌，静电场的分析与懈法，云南人民出版社，1 9 8 4 1 4
