一、插入损耗的定义与重要性

插入损耗（Insertion Loss, Ae）是指在给定频率下，电涌保护器插入前后信号电压的比率，通常以分贝（dB）表示。其数学表达式为：Ae=10log10(V22V12)，其中，V1 和 V2 分别表示插入SPD前后的电压值。

重要性体现：

1. 信号完整性：过高的插入损耗会导致信号衰减，影响通信系统的传输质量，尤其在高速数据传输（如5G、光纤通信）中更为敏感。
2. 防护性能平衡：SPD需在泄放浪涌电流的同时，尽量减少对正常信号的干扰，插入损耗是两者平衡的关键参数。

二、插入损耗的主要影响因素

根据仿真与实测研究，插入损耗受以下因素显著影响：

1. 腔体结构与尺寸

   • 同轴电涌保护器的腔体半径与内置铜芯的半径比需优化。例如，当比例达到2.3时，特性阻抗可稳定在50Ω，减少反射损耗。
   • 腔体长度增加会导致谐振频率降低，进而影响高频信号的插入损耗。

2. 气体放电管的特性

   • 放电管的电容值和物理尺寸均会加剧信号衰减。研究表明，尺寸对插入损耗的影响比电容更显著。
   • 安装放电管后，谐振点附近的反射系数（S11曲线）发生明显变化，需通过仿真调整设计。

3. 频率范围与材料特性

   • 高频信号（如2.5 GHz以上）的插入损耗随频率升高而增大，需选择低介电常数的绝缘材料。
   • 金属导体材料的导电性和表面处理工艺也会影响高频阻抗匹配。

三、插入损耗的测试方法与标准

1. 测试设备与电路

   • 使用网络分析仪测量插入前后的电压变化，并结合标准电路（如IEC 61643-21）进行验证。
   • 高频信号测试需采用时域反射分析（TDR）和频域S参数分析（如S21曲线）。

2. 行业标准要求

   • 根据《GB 50343-2012 建筑物电子信息系统防雷技术规范》，信号SPD的插入损耗在传输频段内应≤0.5dB，以确保通信质量。
   • 国际标准IEC 61643-21规定，测试时需覆盖SPD的全工作频率范围，并记录最大衰减值。

四、优化插入损耗的设计策略

1. 结构设计优化

   • 采用阶梯式腔体结构，逐步匹配阻抗，减少信号反射（如HFSS仿真显示，优化后的S21曲线衰减可降低30%）。
   • 在SPD内部增加滤波电路，抑制高频噪声的同时降低插入损耗。

2. 元器件选型与布局

   • 选择低电容值的气体放电管（如pF级），并控制其安装位置与引线长度。
   • 对高频信号线路，优先采用表面贴装技术（SMT）减少寄生参数。

3. 实测与仿真结合

   • 利用高频结构仿真软件（如HFSS）预研不同腔体尺寸和放电管参数的影响，缩短开发周期。
   • 通过冲击试验验证SPD在泄放浪涌电流后的插入损耗稳定性（实测显示，优化后SPD在4GHz内插入损耗≤0.3dB）。

五、行业应用与案例分析

1. 通信基站防护

   • 某5G基站采用同轴SPD，通过调整腔体半径比和放电管布局，将插入损耗从0.8dB降至0.2dB，同时通流能力达20kA。

2. 工业控制系统

   • 在石油化工场景中，信号SPD的插入损耗需满足≤0.5dB（1MHz-1GHz），并通过多级防护设计实现浪涌抑制与信号保真。

结论

插入损耗是电涌保护器性能的核心指标之一，其优化需综合考虑结构设计、元器件选型及高频信号特性。通过仿真与实测结合、遵循行业标准，可显著提升SPD在高频环境下的适用性。未来，随着5G和物联网技术的普及，低插入损耗、高可靠性的SPD将成为防雷领域的研究重点。咨询热线：0731-89729721。