超短波射频通道强电磁脉冲防护模块研究

邓 峰，易学勤，郑生全

（1.中国舰船研究与设计中心，湖北武汉 430000；2.国防科技电磁兼容性重点实验室，湖北武汉 430000）

超短波射频通道强电磁脉冲防护模块研究

邓 峰，易学勤，郑生全

（1.中国舰船研究与设计中心，湖北武汉 430000；2.国防科技电磁兼容性重点实验室，湖北武汉 430000）

简要介绍了现有的强电磁防护器件、电路模块信号以及强电磁脉冲的响应特性，得到了一种能用于超宽带电磁脉冲通道防护的防护模块设计方案；并对超短波防护模块几种不同方案的防护效果进行了对比测试，结果表明，使用带通滤波器时其防护效果最好，最高可达36 d B以上，具有较好的电磁脉冲防护效果。

强电磁脉冲；射频通道；防护模块

目前，为了防止外界瞬时过电压干扰（包括通断感性负载或起停大功率负载、电路故障产生的操作过电压、雷击等）对电子系统以及网络线路的严重危害，很多民用电子系统已经采用了多种过电压干扰防护措施，其中分流防护是一种主要的防护方法，即将浪涌电压在非常短的时间内与大地短接，使浪涌电流分流入地，进而达到削弱和消除过电压、过电流，以上防护技术已经发展成熟，并取得了很好的防护效果。

但是相比于瞬时过电压干扰引起的浪涌电流而言，对强电磁脉冲（高功率微波和超宽带电磁脉冲）的防护更加困难，其主要原因可以分为以下2个方面：

一般而言，浪涌电流的上升沿时间约为微秒量级，大部分防护器件都能够对浪涌电流及时做出响应，并起到各自的防护作用，而随着电磁脉冲技术的发展，超宽带强电磁脉冲和高功率微波脉冲是高功率微波武器的两个发展方向，现有超宽带电磁脉冲武器已经能够产生的辐射场强达到数百千伏／米，脉冲上升时间低至0.1 ns，脉冲持续时间可达数百纳秒，大部分的防护器件无法达到这样的响应速度，其对短波、超短波、A波段雷达及通信电子设备的危害越来越大。超宽带电磁脉冲能够通过天线耦合、信号电缆耦合、电源线缆耦合等方式进入电子设备内部，尤其是通过天线耦合进入接收机前端的危害最大，其引起的高电压、大电流将使超短波通信等设备遭受严重损坏。为使超短波通信电子设备具有抗强电磁脉冲的能力，需要在接收机前端的射频信号电缆加装电磁脉冲防护模块。

现有的浪涌电流防护设备一般都使用在低频电子线路上（包括电源防护、控制线防护等），安装防护器件引起的附属参数（包括附加电容等）对低频电路的影响一般可以忽略不计。但是对于电台、雷达等高频电子设备而言，防护器件微小的附加参数都能够对电子设备产生明显的影响，甚至导致电子设备无法正常工作，其对防护方法具有更加苛刻的要求。

另外其中前门由于在耦合过程中，强电磁脉冲能量损失较小，在防护的过程中需要将电磁脉冲的幅度衰减到一个较小的值，同时还需要考虑防护模块自身的安全性，防护指标要求高。

1 防护器件强电磁脉冲响应特性

气体放电管是一种间隙式的保护元件，它在通信系统的防雷保护中已获得了广泛应用。放电管常用于多级保护电路中的第一级或前两级，起泄放雷电暂态过电流和限制过电压作用。由于放电管的极间绝缘电阻很大，寄生电容很小，对高频电子线路的雷电防护具有明显的优势。放电管保护特性的不足之处在于其放电时延较大，动作灵敏度不够理想，对于波头上升陡度较大的电磁脉冲难以有效地抑制。为了改善放电管的保护特性，先进的制造工艺正应用于放电管新型产品的开发中，随着保护特性的不断改善，放电管在电子设备与电子系统防雷保护应用中的适应性正在增强。另外气体放电管的响应时间随着击穿电压的幅度和上升沿时间的变化会产生明显变化，当电压上升沿达到足够高时，其响应时间会减小到2～3ns。

目前，气体放电管的放电电压一般较高，一般规格为75V和90V两种，气体放电管发生击穿放电后，气体管两端的会维持在一个较低的电压（约15V左右），在强电磁脉冲波形通过后，当信号电压超过维持电压时，气体放电管可能无法恢复到断开状态，气体管产生续流，续流的产生对射频通道电路以及气体管自身都有明显的影响，可能引起气体管无法损坏，该特性是在防护器件的选取中特别要注意的。

硅瞬变吸收二极管的工作有点像普通的稳压管，是箝位型的干扰吸收器件；其应用是与被保护设备并联使用。硅瞬变电压吸收二极管具有极快的响应时间（亚纳秒级）和较高的浪涌吸收能力，以及极多的电压档次。瞬变抑制二极管的一个非常明显的优点是其响应时间较短，对于ns量级上升沿时间的脉冲有较好的吸收效果。另外其击穿电压比较稳定，与标称值比较吻合，利于对精密电路的防护，而气体放电管的放电电压可能相差很大，误差甚至可达100%以上。

瞬变抑制二极管抑制器件的缺点是其可承受功率不大，附加电容随着功率的上升会明显上升，对于适用于高频电路的小附加电容TVS管，其8／20μs脉冲的可承受功率约为数百瓦左右。无法作为防护模块的前级防护器件。

由于超宽带电磁脉冲能量处于电子设备带内，需要采用抑制器件参与到防护模块的设计过程中，但是抑制器件用于射频模块防护受到以下几方面因素的限制：

1）抑制器件对强电磁脉冲拥有一定的响应时间，且不同器件响应时间各不相同。

2）抑制器件具有一定的功率容量，当电磁脉冲的功率超过抑制器件的最大可承受功率时，抑制器件被损毁，因此防护模块的设计过程中需要考虑到抑制器件自身的安全性。

3）抑制器件均拥有一定的附加电容，可能引起防护电路模块的失配，因此使用抑制器件过程中需要考虑其附加电容对正常信号的影响。

4）不同的抑制器件拥有不同的触发特性，比如虽然气体放电管拥有较低的直流击穿电压，但是要想使其被快上升沿电磁脉冲击穿，其击穿电压升高了数个量级，失去了对快电磁脉冲的防护能力。

另外，抑制器件的漏电流、使用寿命、成本等因素均应在防护模块的设计过程中考虑到。

2 强电磁脉冲防护模块设计方案

前文分析了目前已经存在的防护器件以及可用于强电磁脉冲（包括超宽带电磁脉冲和高功率微波）电路模块，由强电磁脉冲波形可知，强电磁脉冲上升时间短，瞬间电压极高，尤其引起的瞬间电流很大，根据图1可知，固态二极管以及TVS管由于通流能力有限，无法用于强电磁脉冲的防护的第一级防护中，而气体放电管虽然性能优越（包括通流能力）以及附加电容量较小，可以将其运用于高频电路的第一级防护，但是其响应时间最短为5ns，还需要其他器件以及电路的配合。防护模块样机如图2所示。

图1 防护模块设计方案图

图2 防护模块样机照片

由于气体放电管的响应时间对于超宽带电磁脉冲和高功率微波的上升沿时间而言较长（随着强电磁脉冲武器的不断发展，上升沿时间可能达到100 ps以下），而其他的防护器件响应时间也同样达不到要求，可以使用的另一种可用的电路是微带滤波器，其能够通过滤除强电磁脉冲的高频分量的方式，延长强电磁脉冲的上升沿时间和减小耦合到射频前端的电压。

3 防护效果测试

首先进行了通带内插入损耗测试。首先将两端口的测试电缆采用直通连接对网络分析仪在较宽的频带进行校准，再将防护模块接入两测试电缆间，记录防护模块在通信电台的工作频段内的插入损耗。图3为测得的工作频段分别为10 k Hz～90 MHz和30～90 MHz防护模块的S21参数，测量结果显示，在整个工作频段内插入损耗分别小于0.5 dB和0.86 dB，对短波、超短波频段设备正常信号的影响较小。

图3 防护模块第4级分别采用10 k Hz～90 MHz低通滤波和30～90 MHz带通滤波电路的插入损耗

利用试验已有的9355方波脉冲源对上面的设计的防护模块进行强电磁脉冲防护效果测试，该注入脉冲源的波形如图4所示。9355方波脉冲源能够产生具有一定重复频率的方波脉冲，可利用电流卡钳或射频端口注入等方式注入于设备的信号电缆或者电源电缆上，脉冲的重复频率可选为25，50，150 Hz等，脉冲宽度约为30 ns。脉冲源输出开路电压在0～2 300 V相对强度上任意调节（经过负载分压后实际为0～945 V）。

再将防护模块的输入端与电磁脉冲源的输出端相连，防护模块的输出端经衰减器后，接入高速数字示波器，再测量经过防护模块对电磁脉冲进行抑制后的波形。

从图5可以看出，945 V的脉冲峰值电压经过防护模块后，残压分别为20 V和11 V，而低通滤波器由于直流可通，前几级防护电路的残压中的直流分量能够通过低通滤波器，导致采用低通滤波器时残压较大，且振荡明显。采用带通滤波器时，防护效果残压更低，防护效果更好，达到38.7 dB。

图4 用于防护模块防护效果测量的强电磁脉冲波形（脉冲幅度为945 V，脉冲宽度为30 ns）

图5 第4级分别采用低通滤波器和带通滤波器的防护模块残余波形

4 总 结

对短波、超短波通信设备构成巨大威胁超宽带强电磁脉冲时域、频域特性进行了概述，介绍和比较了能够对上述强电磁脉冲进行通道防护的器件（包括气体放电管、固体放电管、TVS管、压敏电阻等）的防护参数（包括响应时间、通流能力、附加电容等）。并根据超宽带电磁脉冲的时域、频域特性，得到一种用于短波、超短波频段防护模块的设计思路。在完成该防护模块各部分仿真后完成样机的制作，最后对其强电磁脉冲的防护效果进行测量。测试结果发现：

1）该短波、超短波强电磁脉冲对带内正常信号引起的插损控制在1 d B以内，对正常信号的影响较小，可以通过后期研究进一步减小带内插损。

2）利用典型的电磁脉冲（目前采用9355产生的方波脉冲，其上升沿时间1 ns左右，持续时间35 ns）对防护模块的防护效果进行测试，试验结果显示，防护模块对方波脉冲的防护效果达到38.7 dB左右，继续提高强电磁脉冲的幅度，其防护效果可能更好。

TN97

A

1008-1542（2011）12-0063-04

2011-06-20；责任编辑：王海云

邓 峰（1982-），男，湖北武汉人，工程师，博士，主要从事电磁兼容方面的研究。