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一、插入損耗的定義與重要性

插入損耗（Insertion Loss, Ae）是指在給定頻率下，電涌保護(hù)器插入前后信號(hào)電壓的比率，通常以分貝（dB）表示。其數(shù)學(xué)表達(dá)式為：Ae=10log10(V22V12)，其中，V1 和 V2 分別表示插入SPD前后的電壓值。

重要性體現(xiàn)：

1. 信號(hào)完整性：過(guò)高的插入損耗會(huì)導(dǎo)致信號(hào)衰減，影響通信系統(tǒng)的傳輸質(zhì)量，尤其在高速數(shù)據(jù)傳輸（如5G、光纖通信）中更為敏感。
2. 防護(hù)性能平衡：SPD需在泄放浪涌電流的同時(shí)，盡量減少對(duì)正常信號(hào)的干擾，插入損耗是兩者平衡的關(guān)鍵參數(shù)。

二、插入損耗的主要影響因素

根據(jù)仿真與實(shí)測(cè)研究，插入損耗受以下因素顯著影響：

1. 腔體結(jié)構(gòu)與尺寸

   • 同軸電涌保護(hù)器的腔體半徑與內(nèi)置銅芯的半徑比需優(yōu)化。例如，當(dāng)比例達(dá)到2.3時(shí)，特性阻抗可穩(wěn)定在50Ω，減少反射損耗。
   • 腔體長(zhǎng)度增加會(huì)導(dǎo)致諧振頻率降低，進(jìn)而影響高頻信號(hào)的插入損耗。

2. 氣體放電管的特性

   • 放電管的電容值和物理尺寸均會(huì)加劇信號(hào)衰減。研究表明，尺寸對(duì)插入損耗的影響比電容更顯著。
   • 安裝放電管后，諧振點(diǎn)附近的反射系數(shù)（S11曲線）發(fā)生明顯變化，需通過(guò)仿真調(diào)整設(shè)計(jì)。

3. 頻率范圍與材料特性

   • 高頻信號(hào)（如2.5 GHz以上）的插入損耗隨頻率升高而增大，需選擇低介電常數(shù)的絕緣材料。
   • 金屬導(dǎo)體材料的導(dǎo)電性和表面處理工藝也會(huì)影響高頻阻抗匹配。

三、插入損耗的測(cè)試方法與標(biāo)準(zhǔn)

1. 測(cè)試設(shè)備與電路

   • 使用網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)量插入前后的電壓變化，并結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)電路（如IEC 61643-21）進(jìn)行驗(yàn)證。
   • 高頻信號(hào)測(cè)試需采用時(shí)域反射分析（TDR）和頻域S參數(shù)分析（如S21曲線）。

2. 行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求

   • 根據(jù)《GB 50343-2012 建筑物電子信息系統(tǒng)防雷技術(shù)規(guī)范》，信號(hào)SPD的插入損耗在傳輸頻段內(nèi)應(yīng)≤0.5dB，以確保通信質(zhì)量。
   • 國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)IEC 61643-21規(guī)定，測(cè)試時(shí)需覆蓋SPD的全工作頻率范圍，并記錄最大衰減值。

四、優(yōu)化插入損耗的設(shè)計(jì)策略

1. 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化

   • 采用階梯式腔體結(jié)構(gòu)，逐步匹配阻抗，減少信號(hào)反射（如HFSS仿真顯示，優(yōu)化后的S21曲線衰減可降低30%）。
   • 在SPD內(nèi)部增加濾波電路，抑制高頻噪聲的同時(shí)降低插入損耗。

2. 元器件選型與布局

   • 選擇低電容值的氣體放電管（如pF級(jí)），并控制其安裝位置與引線長(zhǎng)度。
   • 對(duì)高頻信號(hào)線路，優(yōu)先采用表面貼裝技術(shù)（SMT）減少寄生參數(shù)。

3. 實(shí)測(cè)與仿真結(jié)合

   • 利用高頻結(jié)構(gòu)仿真軟件（如HFSS）預(yù)研不同腔體尺寸和放電管參數(shù)的影響，縮短開(kāi)發(fā)周期。
   • 通過(guò)沖擊試驗(yàn)驗(yàn)證SPD在泄放浪涌電流后的插入損耗穩(wěn)定性（實(shí)測(cè)顯示，優(yōu)化后SPD在4GHz內(nèi)插入損耗≤0.3dB）。

五、行業(yè)應(yīng)用與案例分析

1. 通信基站防護(hù)

   • 某5G基站采用同軸SPD，通過(guò)調(diào)整腔體半徑比和放電管布局，將插入損耗從0.8dB降至0.2dB，同時(shí)通流能力達(dá)20kA。

2. 工業(yè)控制系統(tǒng)

   • 在石油化工場(chǎng)景中，信號(hào)SPD的插入損耗需滿足≤0.5dB（1MHz-1GHz），并通過(guò)多級(jí)防護(hù)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)浪涌抑制與信號(hào)保真。

結(jié)論

插入損耗是電涌保護(hù)器性能的核心指標(biāo)之一，其優(yōu)化需綜合考慮結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、元器件選型及高頻信號(hào)特性。通過(guò)仿真與實(shí)測(cè)結(jié)合、遵循行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，可顯著提升SPD在高頻環(huán)境下的適用性。未來(lái)，隨著5G和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的普及，低插入損耗、高可靠性的SPD將成為防雷領(lǐng)域的研究重點(diǎn)。咨詢(xún)熱線：0731-89729721。