閃電通道雷電電磁波的輻射耦合機理及試驗分析

朱明星，賈良彥，吳仲超，胡 昊，陳 靖，劉冬毅

（國網(wǎng)蚌埠供電公司，安徽蚌埠233000）

閃電通道雷電電磁波的輻射耦合機理及試驗分析

朱明星，賈良彥，吳仲超，胡 昊，陳 靖，劉冬毅

（國網(wǎng)蚌埠供電公司，安徽蚌埠233000）

針對雷電電磁波引起電子信息設(shè)備損壞造成經(jīng)濟損失的問題，利用理論和實驗相結(jié)合的方法，建立了天線接收雷電電磁波信號的等效電路模型，對雷電波近場和遠場進行輻射耦合。對比分析各線天線和寬帶天線耦合雷電波的電壓峰峰值及能量，得出雷電流主要分布在低頻部分，且隨著頻率的升高而遞減，需特別注意防止低頻率雷電波侵入的結(jié)論，這對于防雷工程設(shè)計具有指導意義。同時提出了寬帶天線能更準確擬合雷電電流和雷電電磁脈沖大小以及變化趨勢的寬帶天線能量法，對今后雷電監(jiān)測定位和預報系統(tǒng)的改進以及雷電防護的研究具有參考價值。

雷電電磁波；輻射；天線；耦合

0 引言

雷電是帶電云層內(nèi)部、云層與云層間或云層與大地間發(fā)生的放電現(xiàn)象，常伴隨著強烈的閃光和巨大聲響，造成的危害可分為直擊雷和雷擊電磁脈沖（LEMP）兩種[1]。其中雷擊電磁脈沖雖不如直擊雷破壞力大，但它頻率范圍寬、能量大、災害范圍廣。當發(fā)生雷擊時，閃電通道產(chǎn)生的雷擊電磁脈沖被天線和電子信息設(shè)備所接收，耦合的雷擊電磁脈沖導致天線放大電路器件和電子設(shè)備損壞，使得電子設(shè)備、設(shè)施不能正常工作，這給我們的日常生活和工作帶來了諸多不便，也對生產(chǎn)生活帶來了嚴重的后續(xù)影響[2-3]。因此人們越來越重視雷擊電磁脈沖對電子信息設(shè)備所構(gòu)成的威脅及其防護問題。而掌握雷電電磁波的輻射耦合機理則是解決問題的關(guān)鍵。

一直以來，人們對于雷電進行了大量的研究。例如把測量的設(shè)備裝在高塔上，記錄自然雷電擊中高塔時的雷電流波形[4]；發(fā)射引雷火箭，記錄地面上預設(shè)雷擊點通過的雷電流[5]；在不考慮地面電導率的情況下，學者對雷電回擊電磁場進行了理論研究及模擬實驗[6]；或者在考慮地面電導率的情況下，用一種新型的天線理論對雷擊電磁脈沖進行研究[7]；另有學者提出一種電磁場數(shù)值計算的有效方法，該方法是在以前提出的有損但均質(zhì)土壤表面場的估算模型作出合適改動后而提出的，被用來估算輻射場在土壤分層中的影響[8]。同時，學術(shù)界也相繼提出了雷電放電通道的多種計算模型，主要包括氣動模型、電磁場模型、R-L-C傳輸線模型和工程模型[9-12]。隨著不斷的研究，人們對各種雷電模型進行了修正和完善。在工程雷電模型中，除雷擊通道底部電流外，其他的參數(shù)都相對簡單，比較方便計算回擊電磁場，且大部分工程雷電模型都通過實驗的檢驗，基本上符合工程要求，所以在雷電電磁場的分析中被廣泛應用。

筆者運用雷電波頻譜理論、天線理論和雷電工程模型，對頻率為0.85 GHz、1.76 GHz和2.54 GHz線天線以及65 MHz～1 GHz寬帶天線進行同源雷電電磁波遠場耦合，另對0.85 GHz、1.76 GHz和2.54 GHz線天線進行同源雷電電磁波近場耦合，對比分析各天線耦合雷電波的結(jié)果，探究雷電電磁波的輻射耦合機理。

1 雷電回擊過程的天線模型

把大地看作良好導電平面（σ→∞），在不考慮云內(nèi)電荷影響的情況下，認為回擊通道周圍都是無窮的空間。把回擊通道簡化為垂直于地面的直線通道，而回擊過程可以看做是回擊電流沿該通道向上傳播的過程。邊界條件通過添加通道在地面下的鏡像來滿足，這就是雷電回擊過程的天線模型[13-15]。

要求雷電回擊通道里雷電流所產(chǎn)生的電磁場，需對z′在回擊通道及其鏡像進行積分?；負敉ǖ赖娜我庖欢卧谌我鈺r刻下不是都有電流的。電流從通道底部向上傳播存在一個過程，這樣P點的觀測者在t時刻看到的高度就有一個時間上的延遲，如圖1所示。

圖1 觀測者在t時刻看到的通道中電流的高度Fig.1 The height of the current in the channel seen by the observer at time t

以上討論的是雷電流從回擊通道向上傳播的情況。因為鏡像偶極子到觀測點的距離與實際偶極子的距離不同，觀測點看到的鏡像電流高度也不相同，則滿足實際上的解可以由式中取z的相反數(shù)求出。在遠區(qū)場將趨近于，地面上兩者相等，令兩者等于h。可推導出P點雷電回擊水平磁場B?、垂直電場Ez和水平電場Er：

如果P點在地面上，即z=0，則則地面上水平電場Er=0，垂直電場Ez和水平磁場B?為

2 實驗及數(shù)據(jù)分析

筆者主要研究不同中心頻率的天線信號對近場、遠場雷電波電磁信號耦合效果的差異性。李祥超等[16]采用高1.2 m、直徑為20 mm的金屬棒模擬了8/20 μs雷電流信號，研究了棒形天線對電磁波耦合效應，得到了較好的結(jié)果。因此，本文用沖擊電流發(fā)生器（ICG）來模擬實驗所需的雷電沖擊電流。將模擬的8/20 μs雷電電磁波加在高1.2 m、直徑為20 mm的金屬棒兩端，則金屬棒相當于雷電回擊通道，它將發(fā)射8/20 μs模擬雷電電磁波。實驗所設(shè)置的雷電沖擊電流的沖擊范圍為5～35 kA，步長為2 kA。在距離金屬棒8 m的位置，分別用1號、2號和3號線天線以及65 MHz～1 GHz的寬帶天線進行雷電電磁波遠場輻射耦合實驗。另有距離金屬棒1 m處，分別用1號、2號和3號線天線做雷電電磁波近場輻射耦合對比實驗。兩次天線耦合實驗均用Tektronix TDS 2022B型示波器來采集存儲天線耦合到的雷電波電壓波形。將各線天線和寬帶天線的電壓波信號進行處理，計算各天線耦合雷電電磁波的電壓峰峰值及其能量，并畫圖進行統(tǒng)計對比分析。試驗前，先用E5071C型網(wǎng)絡(luò)分析儀測量1號、2號和3號線天線的信號波形曲線，得到圖2。由圖2可得，1號線天線的中心頻率為0.85 GHz，帶寬為247.5 MHz。2號線天線的中心頻率為1.76 GHz，帶寬為107.7 MHz。3號線天線的中心頻率為2.54 GHz，帶寬為1.37 GHz。

沖擊電流發(fā)生器（ICG）產(chǎn)生的8/20 μs模擬雷電流流過1.2 m長的金屬棒并發(fā)射雷電電磁波，在距其8 m的位置分別用1號0.85 GHz、2號1.76 GHz和3號2.54 GHz的線天線以及65 MHz～1 GHz的寬帶天線進行雷電波遠場輻射耦合實驗。

各線天線和寬帶天線耦合雷電電磁波遠場的典型電壓波形見圖3。圖3中，1（黑色）是65 MHz～1 GHz的寬帶天線在21kA雷電流沖擊下耦合雷電波遠場的電壓波形，2（紅色）、3（藍色）、4（粉色）分別是中心頻率為2.54 GHz、1.76 GHz和0.85 GHz的線天線在21 kA雷電流沖擊下耦合雷電波遠場的電壓波形。由圖3可知，線天線頻率越高，所耦合到的雷電波電壓幅值則越小。而寬帶天線由于其頻率范圍廣，所耦合到的雷電波電壓幅值最大。

圖4為各線天線和寬帶天線在雷電電磁波遠場耦合到的電壓峰峰值分布圖，該圖的橫坐標是模擬的雷電沖擊電流，它的沖擊范圍為5～35 kA。由圖4可知，隨著模擬沖擊電流的逐漸增大，各線天線和寬帶天線耦合雷電電磁波遠場的電壓峰峰值曲線趨勢也增大，但卻并不是線性增大。在雷電流幅值逐漸增大的情況下，各線天線和寬帶天線接收到的電壓峰峰值有大有小，并且呈波浪狀上下浮動，主要原因是因為沖擊電流發(fā)生器在各次實驗中輸出的雷電流陡度發(fā)生了變化，從而使得雷電流頻譜也發(fā)生了變化。

圖2 線天線信號波形曲線Fig.2 Line antenna signal waveform curve

圖3 天線耦合雷電波遠場的電壓波形Fig.3 The voltage waveform of the far-field of the antennacoupled lightning wave

圖5為各線天線和寬帶天線在雷電電磁波遠場耦合到的能量分布圖。該圖的橫坐標是模擬的雷電沖擊電流，它的沖擊范圍為5～35 kA，縱坐標是天線耦合雷電電磁波遠場的電壓的平方對時間的積分，即表示的是天線耦合雷電電磁波遠場的能量變化趨勢。從圖5可知，隨著沖擊雷電流的逐漸增大，各線天線和寬帶天線耦合的雷電電磁波遠場能量曲線趨勢也增大，且在其增大的過程中能量曲線呈波浪狀上下浮動。其原因是由于雷電流陡度發(fā)生了變化，引起了雷電流頻譜變化。而在不同頻率的天線之間，線天線的頻率越高，天線耦合雷電電磁波遠場能量的能力越弱。相較之線天線，寬帶天線更能體現(xiàn)場的能量。

圖4 天線耦合雷電波遠場電壓峰峰值分布圖Fig.4 Peak-to-peak distribution of far-field voltage of antenna-coupled lightning wave

圖5 天線耦合雷電波遠場能量分布圖Fig.5 Distribution of far-field energy of antenna-coupled lightning wave

圖6 天線耦合雷電波近場電壓波形Fig.6 The near-field voltage waveform of the antenna-coupled lightning wave

3 結(jié)論

應用65 MHz～1 GHz寬帶天線與中心頻率分別為0.85 GHz、1.76 GHz和2.54 GHz的線天線對同源雷電電磁波遠場進行耦合，另用中心頻率分別為0.85 GHz、1.76 GHz和2.54 GHz的線天線對同源雷電電磁波近場進行耦合，對比分析各天線耦合沖擊雷電電磁波的電壓峰峰值及能量分布，得出以下結(jié)論：

2）線天線頻率越高，所耦合到的雷電波電壓幅值越小，其耦合雷電電磁波能量的能力也越弱。這驗證了雷電流主要分布在低頻部分，隨著頻率的增大而遞減的科學理論。

3）隨著模擬沖擊電流的逐漸增大，線天線耦合雷電電磁波的電壓峰峰值和能量均整體增大。

4）寬帶天線由于其頻率范圍廣，所耦合到的雷電波電壓幅值較線天線大。隨著模擬沖擊電流的逐漸增大，寬帶天線耦合雷電電磁波的電壓峰峰值和能量均整體增大，但并不是線性增大。相較之線天線，寬帶天線更能體現(xiàn)場的能量。

[1]劉有菊，和偉.雷電放電電磁場及防護[M].昆明：云南大學出版社，2010.

[2]甄可龍，呂善偉，張巖.強電磁脈沖對雷達接收機的天線耦合分析[J].河北科技大學學報，2011，32（2）：147-151.ZHEN Kelong，LV Shanwei，ZHANG Yan.Analysis of an?tenna coupling of intense electromagnetic pulse to radar re?ceiver[J].Journal of Hebei University of Science and Tech?nology，2011，32（2）:147-151.

[3]VIEIRA M S，JANISZEWSKI J M.Propagation of light?ning electromagnetic fields in the presence of buildings[J].Electric Power Systems Research，2015，118（SI）:101-109.

[4]MCEACHRON K B.Lightning to the empire state build?ing[J].JournaloftheFranklinInstitute.1939，227：149-217.

[5]郄秀書，楊靜，蔣如斌，等.新型人工引雷專用火箭及其首次引雷實驗結(jié)果[J].大氣科學，2010，34（5）：937-946.XI Xiushu，YANG Jing，JIANG Rubin，et al.A New-Model rocket for artificially triggering lightning and its first triggering lightning experiment[J].Chinese Journal of Atmospheric Sciences，2010，34（5）:937-946.

[6]Bermudez，L J，ECOLE P F，et al.Far-field-current rela?tionship based on the TL model for lightning return strokes to elevated strike objects[J].IEEE Transactions on Electro?magnetic Compatibility，2005，47（1）:146-157.

[7]SHOORY A，MOINI R，SADEGHI S H H.Analysis of lightning electromagnetic fields in the vicinity of a lossy ground，using a new antenna theory model[C].Power Tech Conference Proceedings，2003 IEEE Bologna.

[8]DELFINO F，PROCOPIO R，ROSSI M，et al.Lightning electromagnetic radiation over a stratified conducting ground:Formulation and numerical evaluation of the elec?tromagnetic fields[J].Journal of Geophysical Research At?mospheres，2011，116（D4）:759-787.

[9]李韋霖，楊琳，李慧，等.雷電通道模型研究與應用[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2010，33（5）：174-178.LI Weilin，YANG Lin，LI Hui，et al.Research and appli?cation of lightning Channel model[J].Modern Electronics Technique，2010，33（5）:174-178.

[10]李祥超.電涌保護器（SPD）原理與應用[M].北京：氣象出版社，2011.

[11]（美）R.E.Collin.天線與無線電波傳播[M].大連：大連海運學院出版社，1988.

[12]康行健.天線原理與設(shè)計[M].北京：北京理工大學出版社，1993.

[13]魏明.雷電電磁脈沖及其防護[M].北京：國防工業(yè)出版社，2012.

[14]Martin A.Uman，D.Kenneth McLain，E.Philip Krider.The electromagnetic radiation from a finite antenna[J].Am J Phys.1975，43：399-406.

[15]陳渭民.雷電學原理[M].第2版.北京：氣象出版社，2006.

[16]李祥超，周中山，陳則煌，等.棒形天線耦合雷電電磁波及抑制方法[J].電波科學學報，2015，30（2）：357-364.LI Xiangchao，ZHOU Zhongshan，CHEN Zehuang，et al.On lightning electromagnetic wave coupled by stick anten?na and its suppression method[J].Chinese Journal of Ra?dio Science，2015，30（2）:357-364.

Coupling Mechanism and Experimental Analysis of Electromagnetic Radiation in Lightning Channel

ZHU Mingxing，JIA Liangyan，WU Zhongchao，HU Hao，CHEN Jing，LIU Dongyi
（State Grid Bengbu Power Supply Company，Bengbu 233000，China）

For the damage of electronic information equipment resulting in economic losses caused by lightning，by using the method of combination of theory and experiment，an equivalent circuit model that antennas receive signals of lightning electromagnetic waves is established to do radiation and cou?pling experiments in the lightning near-field and far-field.Comparing the peak to peak voltage and en?ergy from each antenna and broadband antenna，a conclusion that we should specially attention to prevent lightning invasion waves of the low frequency for lightning current is mainly distributed in low frequency and it decreases with the frequency increasing is drawn，which has guiding significance for the design of lightning protection engineering.At the same time，a broadband antenna energy method that broadband antenna can fit the size and trend of lightning current and lightning electromagnetic pulse more accurately is also proposed，which has important reference value to the improvement of lightning location and predic?tion system and the research on lightning protection in the future.

lightning electromagnetic waves；radiation；antenna；coupling

10.16188/j.isa.1003-8337.2017.06.031

2017-05-19

朱明星（1985—），男，工程師，研究方向為電網(wǎng)調(diào)控或電網(wǎng)大數(shù)據(jù)分析。