基于組合匹配的低殘壓寬帶雷電防護方法研究

孟兆祥 畢軍建 王玉明 馬立云

（陸軍工程大學(xué)石家莊校區(qū) 電磁環(huán)境效應(yīng)重點實驗室，石家莊 050003）

引 言

隨著電氣設(shè)備精密度和集成度的提高，其對過電壓、過電流和雷擊電磁脈沖的抗干擾能力顯得越發(fā)不足. 電子設(shè)備和大規(guī)模集成電路的應(yīng)用越來越廣泛，計算機和微電子設(shè)備成為工業(yè)應(yīng)用和生活中不可缺少的一部分. 由于微電子設(shè)備工作電壓低、功耗小、過電壓耐受能力低，因此對通信系統(tǒng)和信號中的過電壓極為敏感. 過電壓不僅會引起電子設(shè)備系統(tǒng)誤操作，還可能造成電子設(shè)備的永久性損壞，從而造成直接損失以及相關(guān)的間接損失[1-5].

信號電涌保護器通常采用兩級保護器件：氣體放電管(gas discharge tube, GDT)和瞬態(tài)抑制二極管(transient voltage suppressor, TVS)，二者相互配合使用，能夠達到較好的能量匹配，從而有效降低殘壓，減少雷電對電子設(shè)備的干擾甚至損壞[6-10].

文獻[5]分析了基于傳輸線的四分之一波長短路線型雷電保護器，文獻[6-7]闡述了GDT與TVS的組合防護應(yīng)用，但只是低頻段的應(yīng)用，沒有關(guān)于射頻天饋系統(tǒng)的應(yīng)用論述. 本文針對射頻端口的雷電磁脈沖防護，改進了四分之一波長短路線雷電磁脈沖防護的不足，展寬了防護器的帶寬; 增加了一級TVS，降低了防護器的輸出殘壓.

1 傳輸線阻抗原理

1.1 傳輸線方程

當(dāng)傳輸線的長度與傳輸波長可比擬或超過波長時，必須考慮微波的波動性，即傳輸線的分布參數(shù).當(dāng)傳輸線被均勻劃分為許多個微分段dz，且每個微分段遠小于波長時，微分段又可以作為集總參數(shù)電路處理[11-13]. 將其等效為一個T型網(wǎng)絡(luò)，則網(wǎng)絡(luò)串聯(lián)支路的等效參數(shù)為等效電阻Rdz、等效電感Ldz；并聯(lián)支路的等效參數(shù)是等效電容Cdz、等效電導(dǎo)Gdz，如圖1所示.

圖1 微波傳輸線及等效電路圖Fig. 1 Microwave transmission line and equivalent circuit diagram

利用基爾霍夫定律分析傳輸線方程可得

1.2 傳輸線方程的解

為了進一步分析傳輸線上電壓和電流沿線實際是如何變化的，必須解出傳輸線方程[14]. 因此，將傳輸線看成是均勻、無耗傳輸線，即R=0、G=0，則求解結(jié)果為

式中：A1、A2為積分常數(shù)，由邊界條件確定；Z0為傳輸線的特性阻抗，

將傳輸線方程的通解轉(zhuǎn)化為具體的特解，必須應(yīng)用邊界條件. 邊界條件有終端條件、源端條件和電源阻抗條件，對應(yīng)建立兩套坐標(biāo)[15-17]：從源出發(fā)和從負載出發(fā)，如圖2所示.

圖2 端口邊界條件Fig. 2 Port boundary conditions

設(shè)傳輸線上任意一點的輸入阻抗為Zin(z)，傳輸線終端接負載，負載阻抗為ZL時，距離終端為d處向負載方向看去的輸入阻抗即Zin(d)，定義為該點的總電壓與總電流之比，即

2 雷電感應(yīng)防護

在雷電電磁脈沖防護中TVS經(jīng)常被選用，其應(yīng)用原理如圖3所示，TVS管并聯(lián)在正極與地之間，并采用反向偏置. 當(dāng)正極出現(xiàn)電磁脈沖超過TVS的反向擊穿電壓時，TVS開啟并將電磁脈沖的電壓值鉗位到TVS的鉗位電壓，此電壓低于后級設(shè)備的耐受電壓，從而保護后級設(shè)備. 因TVS的結(jié)電容較大，頻率較高時并聯(lián)后插損很大，所以圖中的應(yīng)用多為低頻應(yīng)用，無法在射頻電路中應(yīng)用.

圖3 TVS工作原理示意圖Fig. 3 Schematic diagram of TVS working principle

3 利用開路短路原理實現(xiàn)TVS射頻應(yīng)用

本文設(shè)計了寬帶北斗和GPS射頻前端雷電防護電路. 其工作頻率為1 550 MHz到1 580 MHz，北斗、GPS的工作頻率分別為1 561 MHz和1 575 MHz. 在防護電路中，TVS管結(jié)電容較大，無法應(yīng)用在射頻電路中，為解決這一問題，利用四分之一波長傳輸線的開路、短路特性來降低TVS結(jié)電容對射頻電路插入損耗的影響，同時采用多節(jié)傳輸線的方法拓展防護電路的帶寬.

傳輸線的阻抗變換如式(4)所示，負載阻抗為ZL，傳輸線的特性阻抗為Z0，電長度為λ/4，其中β=2π/λ，代入式(4)變換后得

從式(5)可得出在某一頻率下，如果負載阻抗ZL對地相當(dāng)于短路即ZL=0，那么在λ/4處的輸入阻抗為無窮大；同理負載阻抗對地為無窮大時，在λ/4處的輸入阻抗相當(dāng)于短路. 利用這一特性，通過四分之一波長傳輸線在此工作頻率下的短路電容可以實現(xiàn)信號線對地開路，不影響信號傳輸，而此頻率下的短路電容對雷電磁脈沖具有很高的容抗，且此容抗不影響TVS管的工作特性. 此方法可以降低TVS管在射頻電路中的影響.

從式(5)的計算中還可得出，四分之一波長線一般針對的是單一的頻率，頻帶較窄，不利于寬帶設(shè)計.為拓展電路的帶寬本文采用分節(jié)微帶線與串聯(lián)電感的設(shè)計方案.

利用微帶線計算工具計算微帶線的長度和寬度過程如圖4所示，所用板材的介電常數(shù)為2.6、厚度為0.5 mm、中心頻率為1 570 MHz、特性阻抗為50 Ω、電長度為90°，通過合成得出微帶線的長度和寬度.

圖4 四分之一波長線計算圖Fig. 4 Calculation chart of one quarter wave length line

計算后將微帶線進行仿真，仿真原理如圖5所示：端口3、端口4、TL4和對地電容組成了對四分一波長微帶線的S參數(shù)仿真，電容值為100 pF；端口1、端口2、分節(jié)微帶線TL1、TL2、68 nH電感和容值為100 pF的對地電容組成展寬頻帶的S參數(shù)原理圖.

圖5 多節(jié)微帶線與四分之一波長線仿真圖Fig. 5 Simulation of multi section microstrip line and one quarter wave length line

利用多節(jié)微帶線和電感提高了信號的傳輸帶寬，同時在雷電磁脈沖下微帶線的電感量較小，加入68 nH電感后可以提高瞬時電壓，加速前級GDT的開啟時間，電感的瞬時電壓計算如式(6)所示.

仿真優(yōu)化多節(jié)微帶線TL1和TL2的長度與寬度來調(diào)節(jié)電路的帶寬，仿真頻帶為1 GHz到4 GHz.

如圖6所示為傳輸損耗圖，S21表示展寬頻率的信號傳輸曲線，S34表示四分之一波長線的信號傳輸曲線. 圖7為輸入阻抗仿真圖，S11表示展寬頻率電路的輸入阻抗，S33表示四分一波長微帶線電路的輸入阻抗. 由仿真結(jié)果可以得出，經(jīng)過多節(jié)微帶線和電感的組合匹配后頻帶得到明顯的展寬，傳輸損耗在1～3 GHz頻段內(nèi)有較低的插入損耗.

圖6 傳輸損耗仿真對比圖Fig. 6 Transmission loss simulation comparison

圖7 輸入阻抗仿真對比圖Fig. 7 Impedance simulation comparison

4 電壓梯度法實現(xiàn)組合匹配

通常防護模塊設(shè)計既要兼顧高電壓、大功率輸入，又需要防護模塊的泄露電壓較低，防止損壞被保護器件或設(shè)備. 為解決這一問題一般采用多級器件級聯(lián)的方法，每一級實現(xiàn)一個電壓梯度下降，即前級實現(xiàn)高電壓抑制，中間級抑制電壓次之，最后一級將電壓降低到被防護器件能夠承受的電壓范圍內(nèi)，從而實現(xiàn)電磁脈沖防護.

然而在防護過程中耐受高電壓的前級響應(yīng)較慢，耐受低電壓的后級響應(yīng)速度快，存在耐壓和響應(yīng)時間的矛盾. 如設(shè)計中采用的GDT，其通流量容量大、絕緣電阻高、電容較小，但其殘壓高、反應(yīng)速度慢；而TVS殘壓低、響應(yīng)速度快，但是耐受電壓低.如果直接將GDT與TVS連接，在雷電電磁脈沖作用下，TVS會被損壞從而達不到防護效果，所以需要在GDT與TVS之間增加退耦器件加速GDT的開啟，來達到電磁脈沖防護的目的.

如圖8所示，雷電電磁脈沖組合防護電路由三級組成，GDT1為第一級防護器件，D1、D2分別為第二級和第三級. GDT1采用GDT屬于開關(guān)型元器件用來泄放雷電磁脈沖的大部分能量，因選用結(jié)電容較低的元器件，所以直接與信號線連接. 設(shè)計中選用的器件為君耀電子公司的2RM075M-8/S，其結(jié)電容為1.5 pF. 第二級防護器件D1為瞬態(tài)電壓抑制二極管，其響應(yīng)時間較快，提高了整個防護電路的響應(yīng)時間，選用P6SMB20A. 為了進一步降低殘壓，增加了第三級防護器件即D2，選用P6SMB6.8A.

圖8 GDT和TVS組合防護電路示意圖Fig. 8 Schematic diagram of combined protection circuit of gas discharge tube and TVS

當(dāng)雷電磁脈沖到達輸入端口時，瞬態(tài)電壓抑制二極管D1、D2首先啟動，將雷電磁脈沖鉗位在一定輸出電壓Vc上，由于D1、D2泄放電流會在退耦器件上產(chǎn)生瞬間電壓u，當(dāng)Vc+u的電壓值達到氣體放電管GDT1的瞬間啟動電壓U時，放電管啟動，把大部分能量泄放到地，TVS1管將輸出電壓控制在Vc上，此輸出電壓低于后端被保護器件的最大耐受電壓，被保護器件不會被雷電磁脈沖損壞.

5 功能測試

測試波形：CWG組合波1.2/50 μs & 8/20 μs，電壓峰值：10 kV，測試等效輸出電阻：2 Ω. 如圖9所示，雷電磁脈沖注入點為a1，通過示波器在a2測試點進行殘壓檢測.

圖9 組合防護電路板圖Fig. 9 Combined protection circuit board diagram

組合防護的殘壓測試結(jié)果如圖10所示，可以看出注入CWG組合波為1.2/50 μs & 8/20 μs，電壓峰值為10 kV的雷電磁脈沖經(jīng)過防護電路后輸出的殘壓為79 V，脈寬為25 μs.

圖10 組合防護電路板殘壓測試圖Fig. 10 Residual voltage test diagram of combined protection circuit board

從設(shè)計中可以得出，通過GDT和TVS管的組合防護電路可以將雷電磁脈沖電壓從10 kV降低到80 V以內(nèi)，對雷電磁脈沖具有很好的抑制作用；但是由于中間退耦器件的存在降低了TVS管的響應(yīng)時間，在鉗位響應(yīng)電壓之前存在尖峰過沖.

6 結(jié) 論

本文針對射頻端口的雷電磁脈沖防護，改進了四分之一波長線避雷的不足，展寬了防護器的帶寬，降低了防護器的輸出殘壓，得出以下結(jié)論：在射頻電路的雷電防護中，防護器件無法直接應(yīng)用到防護電路中，為降低防護器件結(jié)電容對射頻電路的影響，本文提出分節(jié)微帶線與串聯(lián)電感的阻抗匹配設(shè)計方法提高了匹配帶寬，通過器件間組合匹配，提高了雷電保護器的輸入電壓，同時降低了輸出防護器殘壓. 該方法使防護模塊具有寬帶、殘壓低、易于調(diào)諧的特點.