超短波射頻通道強(qiáng)電磁脈沖防護(hù)模塊研究

鄧 峰，易學(xué)勤，鄭生全

（1.中國(guó)艦船研究與設(shè)計(jì)中心，湖北武漢 430000；2.國(guó)防科技電磁兼容性重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北武漢 430000）

超短波射頻通道強(qiáng)電磁脈沖防護(hù)模塊研究

鄧 峰，易學(xué)勤，鄭生全

（1.中國(guó)艦船研究與設(shè)計(jì)中心，湖北武漢 430000；2.國(guó)防科技電磁兼容性重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北武漢 430000）

簡(jiǎn)要介紹了現(xiàn)有的強(qiáng)電磁防護(hù)器件、電路模塊信號(hào)以及強(qiáng)電磁脈沖的響應(yīng)特性，得到了一種能用于超寬帶電磁脈沖通道防護(hù)的防護(hù)模塊設(shè)計(jì)方案；并對(duì)超短波防護(hù)模塊幾種不同方案的防護(hù)效果進(jìn)行了對(duì)比測(cè)試，結(jié)果表明，使用帶通濾波器時(shí)其防護(hù)效果最好，最高可達(dá)36 d B以上，具有較好的電磁脈沖防護(hù)效果。

強(qiáng)電磁脈沖；射頻通道；防護(hù)模塊

目前，為了防止外界瞬時(shí)過電壓干擾（包括通斷感性負(fù)載或起停大功率負(fù)載、電路故障產(chǎn)生的操作過電壓、雷擊等）對(duì)電子系統(tǒng)以及網(wǎng)絡(luò)線路的嚴(yán)重危害，很多民用電子系統(tǒng)已經(jīng)采用了多種過電壓干擾防護(hù)措施，其中分流防護(hù)是一種主要的防護(hù)方法，即將浪涌電壓在非常短的時(shí)間內(nèi)與大地短接，使浪涌電流分流入地，進(jìn)而達(dá)到削弱和消除過電壓、過電流，以上防護(hù)技術(shù)已經(jīng)發(fā)展成熟，并取得了很好的防護(hù)效果。

但是相比于瞬時(shí)過電壓干擾引起的浪涌電流而言，對(duì)強(qiáng)電磁脈沖（高功率微波和超寬帶電磁脈沖）的防護(hù)更加困難，其主要原因可以分為以下2個(gè)方面：

一般而言，浪涌電流的上升沿時(shí)間約為微秒量級(jí)，大部分防護(hù)器件都能夠?qū)擞侩娏骷皶r(shí)做出響應(yīng)，并起到各自的防護(hù)作用，而隨著電磁脈沖技術(shù)的發(fā)展，超寬帶強(qiáng)電磁脈沖和高功率微波脈沖是高功率微波武器的兩個(gè)發(fā)展方向，現(xiàn)有超寬帶電磁脈沖武器已經(jīng)能夠產(chǎn)生的輻射場(chǎng)強(qiáng)達(dá)到數(shù)百千伏／米，脈沖上升時(shí)間低至0.1 ns，脈沖持續(xù)時(shí)間可達(dá)數(shù)百納秒，大部分的防護(hù)器件無法達(dá)到這樣的響應(yīng)速度，其對(duì)短波、超短波、A波段雷達(dá)及通信電子設(shè)備的危害越來越大。超寬帶電磁脈沖能夠通過天線耦合、信號(hào)電纜耦合、電源線纜耦合等方式進(jìn)入電子設(shè)備內(nèi)部，尤其是通過天線耦合進(jìn)入接收機(jī)前端的危害最大，其引起的高電壓、大電流將使超短波通信等設(shè)備遭受嚴(yán)重?fù)p壞。為使超短波通信電子設(shè)備具有抗強(qiáng)電磁脈沖的能力，需要在接收機(jī)前端的射頻信號(hào)電纜加裝電磁脈沖防護(hù)模塊。

現(xiàn)有的浪涌電流防護(hù)設(shè)備一般都使用在低頻電子線路上（包括電源防護(hù)、控制線防護(hù)等），安裝防護(hù)器件引起的附屬參數(shù)（包括附加電容等）對(duì)低頻電路的影響一般可以忽略不計(jì)。但是對(duì)于電臺(tái)、雷達(dá)等高頻電子設(shè)備而言，防護(hù)器件微小的附加參數(shù)都能夠?qū)﹄娮釉O(shè)備產(chǎn)生明顯的影響，甚至導(dǎo)致電子設(shè)備無法正常工作，其對(duì)防護(hù)方法具有更加苛刻的要求。

另外其中前門由于在耦合過程中，強(qiáng)電磁脈沖能量損失較小，在防護(hù)的過程中需要將電磁脈沖的幅度衰減到一個(gè)較小的值，同時(shí)還需要考慮防護(hù)模塊自身的安全性，防護(hù)指標(biāo)要求高。

1 防護(hù)器件強(qiáng)電磁脈沖響應(yīng)特性

氣體放電管是一種間隙式的保護(hù)元件，它在通信系統(tǒng)的防雷保護(hù)中已獲得了廣泛應(yīng)用。放電管常用于多級(jí)保護(hù)電路中的第一級(jí)或前兩級(jí)，起泄放雷電暫態(tài)過電流和限制過電壓作用。由于放電管的極間絕緣電阻很大，寄生電容很小，對(duì)高頻電子線路的雷電防護(hù)具有明顯的優(yōu)勢(shì)。放電管保護(hù)特性的不足之處在于其放電時(shí)延較大，動(dòng)作靈敏度不夠理想，對(duì)于波頭上升陡度較大的電磁脈沖難以有效地抑制。為了改善放電管的保護(hù)特性，先進(jìn)的制造工藝正應(yīng)用于放電管新型產(chǎn)品的開發(fā)中，隨著保護(hù)特性的不斷改善，放電管在電子設(shè)備與電子系統(tǒng)防雷保護(hù)應(yīng)用中的適應(yīng)性正在增強(qiáng)。另外氣體放電管的響應(yīng)時(shí)間隨著擊穿電壓的幅度和上升沿時(shí)間的變化會(huì)產(chǎn)生明顯變化，當(dāng)電壓上升沿達(dá)到足夠高時(shí)，其響應(yīng)時(shí)間會(huì)減小到2～3ns。

目前，氣體放電管的放電電壓一般較高，一般規(guī)格為75V和90V兩種，氣體放電管發(fā)生擊穿放電后，氣體管兩端的會(huì)維持在一個(gè)較低的電壓（約15V左右），在強(qiáng)電磁脈沖波形通過后，當(dāng)信號(hào)電壓超過維持電壓時(shí)，氣體放電管可能無法恢復(fù)到斷開狀態(tài)，氣體管產(chǎn)生續(xù)流，續(xù)流的產(chǎn)生對(duì)射頻通道電路以及氣體管自身都有明顯的影響，可能引起氣體管無法損壞，該特性是在防護(hù)器件的選取中特別要注意的。

硅瞬變吸收二極管的工作有點(diǎn)像普通的穩(wěn)壓管，是箝位型的干擾吸收器件；其應(yīng)用是與被保護(hù)設(shè)備并聯(lián)使用。硅瞬變電壓吸收二極管具有極快的響應(yīng)時(shí)間（亞納秒級(jí)）和較高的浪涌吸收能力，以及極多的電壓檔次。瞬變抑制二極管的一個(gè)非常明顯的優(yōu)點(diǎn)是其響應(yīng)時(shí)間較短，對(duì)于ns量級(jí)上升沿時(shí)間的脈沖有較好的吸收效果。另外其擊穿電壓比較穩(wěn)定，與標(biāo)稱值比較吻合，利于對(duì)精密電路的防護(hù)，而氣體放電管的放電電壓可能相差很大，誤差甚至可達(dá)100%以上。

瞬變抑制二極管抑制器件的缺點(diǎn)是其可承受功率不大，附加電容隨著功率的上升會(huì)明顯上升，對(duì)于適用于高頻電路的小附加電容TVS管，其8／20μs脈沖的可承受功率約為數(shù)百瓦左右。無法作為防護(hù)模塊的前級(jí)防護(hù)器件。

由于超寬帶電磁脈沖能量處于電子設(shè)備帶內(nèi)，需要采用抑制器件參與到防護(hù)模塊的設(shè)計(jì)過程中，但是抑制器件用于射頻模塊防護(hù)受到以下幾方面因素的限制：

1）抑制器件對(duì)強(qiáng)電磁脈沖擁有一定的響應(yīng)時(shí)間，且不同器件響應(yīng)時(shí)間各不相同。

2）抑制器件具有一定的功率容量，當(dāng)電磁脈沖的功率超過抑制器件的最大可承受功率時(shí)，抑制器件被損毀，因此防護(hù)模塊的設(shè)計(jì)過程中需要考慮到抑制器件自身的安全性。

3）抑制器件均擁有一定的附加電容，可能引起防護(hù)電路模塊的失配，因此使用抑制器件過程中需要考慮其附加電容對(duì)正常信號(hào)的影響。

4）不同的抑制器件擁有不同的觸發(fā)特性，比如雖然氣體放電管擁有較低的直流擊穿電壓，但是要想使其被快上升沿電磁脈沖擊穿，其擊穿電壓升高了數(shù)個(gè)量級(jí)，失去了對(duì)快電磁脈沖的防護(hù)能力。

另外，抑制器件的漏電流、使用壽命、成本等因素均應(yīng)在防護(hù)模塊的設(shè)計(jì)過程中考慮到。

2 強(qiáng)電磁脈沖防護(hù)模塊設(shè)計(jì)方案

前文分析了目前已經(jīng)存在的防護(hù)器件以及可用于強(qiáng)電磁脈沖（包括超寬帶電磁脈沖和高功率微波）電路模塊，由強(qiáng)電磁脈沖波形可知，強(qiáng)電磁脈沖上升時(shí)間短，瞬間電壓極高，尤其引起的瞬間電流很大，根據(jù)圖1可知，固態(tài)二極管以及TVS管由于通流能力有限，無法用于強(qiáng)電磁脈沖的防護(hù)的第一級(jí)防護(hù)中，而氣體放電管雖然性能優(yōu)越（包括通流能力）以及附加電容量較小，可以將其運(yùn)用于高頻電路的第一級(jí)防護(hù)，但是其響應(yīng)時(shí)間最短為5ns，還需要其他器件以及電路的配合。防護(hù)模塊樣機(jī)如圖2所示。

圖1 防護(hù)模塊設(shè)計(jì)方案圖

圖2 防護(hù)模塊樣機(jī)照片

由于氣體放電管的響應(yīng)時(shí)間對(duì)于超寬帶電磁脈沖和高功率微波的上升沿時(shí)間而言較長(zhǎng)（隨著強(qiáng)電磁脈沖武器的不斷發(fā)展，上升沿時(shí)間可能達(dá)到100 ps以下），而其他的防護(hù)器件響應(yīng)時(shí)間也同樣達(dá)不到要求，可以使用的另一種可用的電路是微帶濾波器，其能夠通過濾除強(qiáng)電磁脈沖的高頻分量的方式，延長(zhǎng)強(qiáng)電磁脈沖的上升沿時(shí)間和減小耦合到射頻前端的電壓。

3 防護(hù)效果測(cè)試

首先進(jìn)行了通帶內(nèi)插入損耗測(cè)試。首先將兩端口的測(cè)試電纜采用直通連接對(duì)網(wǎng)絡(luò)分析儀在較寬的頻帶進(jìn)行校準(zhǔn)，再將防護(hù)模塊接入兩測(cè)試電纜間，記錄防護(hù)模塊在通信電臺(tái)的工作頻段內(nèi)的插入損耗。圖3為測(cè)得的工作頻段分別為10 k Hz～90 MHz和30～90 MHz防護(hù)模塊的S21參數(shù)，測(cè)量結(jié)果顯示，在整個(gè)工作頻段內(nèi)插入損耗分別小于0.5 dB和0.86 dB，對(duì)短波、超短波頻段設(shè)備正常信號(hào)的影響較小。

圖3 防護(hù)模塊第4級(jí)分別采用10 k Hz～90 MHz低通濾波和30～90 MHz帶通濾波電路的插入損耗

利用試驗(yàn)已有的9355方波脈沖源對(duì)上面的設(shè)計(jì)的防護(hù)模塊進(jìn)行強(qiáng)電磁脈沖防護(hù)效果測(cè)試，該注入脈沖源的波形如圖4所示。9355方波脈沖源能夠產(chǎn)生具有一定重復(fù)頻率的方波脈沖，可利用電流卡鉗或射頻端口注入等方式注入于設(shè)備的信號(hào)電纜或者電源電纜上，脈沖的重復(fù)頻率可選為25，50，150 Hz等，脈沖寬度約為30 ns。脈沖源輸出開路電壓在0～2 300 V相對(duì)強(qiáng)度上任意調(diào)節(jié)（經(jīng)過負(fù)載分壓后實(shí)際為0～945 V）。

再將防護(hù)模塊的輸入端與電磁脈沖源的輸出端相連，防護(hù)模塊的輸出端經(jīng)衰減器后，接入高速數(shù)字示波器，再測(cè)量經(jīng)過防護(hù)模塊對(duì)電磁脈沖進(jìn)行抑制后的波形。

從圖5可以看出，945 V的脈沖峰值電壓經(jīng)過防護(hù)模塊后，殘壓分別為20 V和11 V，而低通濾波器由于直流可通，前幾級(jí)防護(hù)電路的殘壓中的直流分量能夠通過低通濾波器，導(dǎo)致采用低通濾波器時(shí)殘壓較大，且振蕩明顯。采用帶通濾波器時(shí)，防護(hù)效果殘壓更低，防護(hù)效果更好，達(dá)到38.7 dB。

圖4 用于防護(hù)模塊防護(hù)效果測(cè)量的強(qiáng)電磁脈沖波形（脈沖幅度為945 V，脈沖寬度為30 ns）

圖5 第4級(jí)分別采用低通濾波器和帶通濾波器的防護(hù)模塊殘余波形

4 總 結(jié)

對(duì)短波、超短波通信設(shè)備構(gòu)成巨大威脅超寬帶強(qiáng)電磁脈沖時(shí)域、頻域特性進(jìn)行了概述，介紹和比較了能夠?qū)ι鲜鰪?qiáng)電磁脈沖進(jìn)行通道防護(hù)的器件（包括氣體放電管、固體放電管、TVS管、壓敏電阻等）的防護(hù)參數(shù)（包括響應(yīng)時(shí)間、通流能力、附加電容等）。并根據(jù)超寬帶電磁脈沖的時(shí)域、頻域特性，得到一種用于短波、超短波頻段防護(hù)模塊的設(shè)計(jì)思路。在完成該防護(hù)模塊各部分仿真后完成樣機(jī)的制作，最后對(duì)其強(qiáng)電磁脈沖的防護(hù)效果進(jìn)行測(cè)量。測(cè)試結(jié)果發(fā)現(xiàn)：

1）該短波、超短波強(qiáng)電磁脈沖對(duì)帶內(nèi)正常信號(hào)引起的插損控制在1 d B以內(nèi)，對(duì)正常信號(hào)的影響較小，可以通過后期研究進(jìn)一步減小帶內(nèi)插損。

2）利用典型的電磁脈沖（目前采用9355產(chǎn)生的方波脈沖，其上升沿時(shí)間1 ns左右，持續(xù)時(shí)間35 ns）對(duì)防護(hù)模塊的防護(hù)效果進(jìn)行測(cè)試，試驗(yàn)結(jié)果顯示，防護(hù)模塊對(duì)方波脈沖的防護(hù)效果達(dá)到38.7 dB左右，繼續(xù)提高強(qiáng)電磁脈沖的幅度，其防護(hù)效果可能更好。

TN97

A

1008-1542（2011）12-0063-04

2011-06-20；責(zé)任編輯：王海云

鄧 峰（1982-），男，湖北武漢人，工程師，博士，主要從事電磁兼容方面的研究。