基于组合匹配的低残压宽带雷电防护方法研究

孟兆祥 毕军建 王玉明 马立云

（陆军工程大学石家庄校区 电磁环境效应重点实验室，石家庄 050003）

引 言

随着电气设备精密度和集成度的提高，其对过电压、过电流和雷击电磁脉冲的抗干扰能力显得越发不足. 电子设备和大规模集成电路的应用越来越广泛，计算机和微电子设备成为工业应用和生活中不可缺少的一部分. 由于微电子设备工作电压低、功耗小、过电压耐受能力低，因此对通信系统和信号中的过电压极为敏感. 过电压不仅会引起电子设备系统误操作，还可能造成电子设备的永久性损坏，从而造成直接损失以及相关的间接损失[1-5].

信号电涌保护器通常采用两级保护器件：气体放电管(gas discharge tube, GDT)和瞬态抑制二极管(transient voltage suppressor, TVS)，二者相互配合使用，能够达到较好的能量匹配，从而有效降低残压，减少雷电对电子设备的干扰甚至损坏[6-10].

文献[5]分析了基于传输线的四分之一波长短路线型雷电保护器，文献[6-7]阐述了GDT与TVS的组合防护应用，但只是低频段的应用，没有关于射频天馈系统的应用论述. 本文针对射频端口的雷电磁脉冲防护，改进了四分之一波长短路线雷电磁脉冲防护的不足，展宽了防护器的带宽; 增加了一级TVS，降低了防护器的输出残压.

1 传输线阻抗原理

1.1 传输线方程

当传输线的长度与传输波长可比拟或超过波长时，必须考虑微波的波动性，即传输线的分布参数.当传输线被均匀划分为许多个微分段dz，且每个微分段远小于波长时，微分段又可以作为集总参数电路处理[11-13]. 将其等效为一个T型网络，则网络串联支路的等效参数为等效电阻Rdz、等效电感Ldz；并联支路的等效参数是等效电容Cdz、等效电导Gdz，如图1所示.

图1 微波传输线及等效电路图Fig. 1 Microwave transmission line and equivalent circuit diagram

利用基尔霍夫定律分析传输线方程可得

1.2 传输线方程的解

为了进一步分析传输线上电压和电流沿线实际是如何变化的，必须解出传输线方程[14]. 因此，将传输线看成是均匀、无耗传输线，即R=0、G=0，则求解结果为

式中：A1、A2为积分常数，由边界条件确定；Z0为传输线的特性阻抗，

将传输线方程的通解转化为具体的特解，必须应用边界条件. 边界条件有终端条件、源端条件和电源阻抗条件，对应建立两套坐标[15-17]：从源出发和从负载出发，如图2所示.

图2 端口边界条件Fig. 2 Port boundary conditions

设传输线上任意一点的输入阻抗为Zin(z)，传输线终端接负载，负载阻抗为ZL时，距离终端为d处向负载方向看去的输入阻抗即Zin(d)，定义为该点的总电压与总电流之比，即

2 雷电感应防护

在雷电电磁脉冲防护中TVS经常被选用，其应用原理如图3所示，TVS管并联在正极与地之间，并采用反向偏置. 当正极出现电磁脉冲超过TVS的反向击穿电压时，TVS开启并将电磁脉冲的电压值钳位到TVS的钳位电压，此电压低于后级设备的耐受电压，从而保护后级设备. 因TVS的结电容较大，频率较高时并联后插损很大，所以图中的应用多为低频应用，无法在射频电路中应用.

图3 TVS工作原理示意图Fig. 3 Schematic diagram of TVS working principle

3 利用开路短路原理实现TVS射频应用

本文设计了宽带北斗和GPS射频前端雷电防护电路. 其工作频率为1 550 MHz到1 580 MHz，北斗、GPS的工作频率分别为1 561 MHz和1 575 MHz. 在防护电路中，TVS管结电容较大，无法应用在射频电路中，为解决这一问题，利用四分之一波长传输线的开路、短路特性来降低TVS结电容对射频电路插入损耗的影响，同时采用多节传输线的方法拓展防护电路的带宽.

传输线的阻抗变换如式(4)所示，负载阻抗为ZL，传输线的特性阻抗为Z0，电长度为λ/4，其中β=2π/λ，代入式(4)变换后得

从式(5)可得出在某一频率下，如果负载阻抗ZL对地相当于短路即ZL=0，那么在λ/4处的输入阻抗为无穷大；同理负载阻抗对地为无穷大时，在λ/4处的输入阻抗相当于短路. 利用这一特性，通过四分之一波长传输线在此工作频率下的短路电容可以实现信号线对地开路，不影响信号传输，而此频率下的短路电容对雷电磁脉冲具有很高的容抗，且此容抗不影响TVS管的工作特性. 此方法可以降低TVS管在射频电路中的影响.

从式(5)的计算中还可得出，四分之一波长线一般针对的是单一的频率，频带较窄，不利于宽带设计.为拓展电路的带宽本文采用分节微带线与串联电感的设计方案.

利用微带线计算工具计算微带线的长度和宽度过程如图4所示，所用板材的介电常数为2.6、厚度为0.5 mm、中心频率为1 570 MHz、特性阻抗为50 Ω、电长度为90°，通过合成得出微带线的长度和宽度.

图4 四分之一波长线计算图Fig. 4 Calculation chart of one quarter wave length line

计算后将微带线进行仿真，仿真原理如图5所示：端口3、端口4、TL4和对地电容组成了对四分一波长微带线的S参数仿真，电容值为100 pF；端口1、端口2、分节微带线TL1、TL2、68 nH电感和容值为100 pF的对地电容组成展宽频带的S参数原理图.

图5 多节微带线与四分之一波长线仿真图Fig. 5 Simulation of multi section microstrip line and one quarter wave length line

利用多节微带线和电感提高了信号的传输带宽，同时在雷电磁脉冲下微带线的电感量较小，加入68 nH电感后可以提高瞬时电压，加速前级GDT的开启时间，电感的瞬时电压计算如式(6)所示.

仿真优化多节微带线TL1和TL2的长度与宽度来调节电路的带宽，仿真频带为1 GHz到4 GHz.

如图6所示为传输损耗图，S21表示展宽频率的信号传输曲线，S34表示四分之一波长线的信号传输曲线. 图7为输入阻抗仿真图，S11表示展宽频率电路的输入阻抗，S33表示四分一波长微带线电路的输入阻抗. 由仿真结果可以得出，经过多节微带线和电感的组合匹配后频带得到明显的展宽，传输损耗在1～3 GHz频段内有较低的插入损耗.

图6 传输损耗仿真对比图Fig. 6 Transmission loss simulation comparison

图7 输入阻抗仿真对比图Fig. 7 Impedance simulation comparison

4 电压梯度法实现组合匹配

通常防护模块设计既要兼顾高电压、大功率输入，又需要防护模块的泄露电压较低，防止损坏被保护器件或设备. 为解决这一问题一般采用多级器件级联的方法，每一级实现一个电压梯度下降，即前级实现高电压抑制，中间级抑制电压次之，最后一级将电压降低到被防护器件能够承受的电压范围内，从而实现电磁脉冲防护.

然而在防护过程中耐受高电压的前级响应较慢，耐受低电压的后级响应速度快，存在耐压和响应时间的矛盾. 如设计中采用的GDT，其通流量容量大、绝缘电阻高、电容较小，但其残压高、反应速度慢；而TVS残压低、响应速度快，但是耐受电压低.如果直接将GDT与TVS连接，在雷电电磁脉冲作用下，TVS会被损坏从而达不到防护效果，所以需要在GDT与TVS之间增加退耦器件加速GDT的开启，来达到电磁脉冲防护的目的.

如图8所示，雷电电磁脉冲组合防护电路由三级组成，GDT1为第一级防护器件，D1、D2分别为第二级和第三级. GDT1采用GDT属于开关型元器件用来泄放雷电磁脉冲的大部分能量，因选用结电容较低的元器件，所以直接与信号线连接. 设计中选用的器件为君耀电子公司的2RM075M-8/S，其结电容为1.5 pF. 第二级防护器件D1为瞬态电压抑制二极管，其响应时间较快，提高了整个防护电路的响应时间，选用P6SMB20A. 为了进一步降低残压，增加了第三级防护器件即D2，选用P6SMB6.8A.

图8 GDT和TVS组合防护电路示意图Fig. 8 Schematic diagram of combined protection circuit of gas discharge tube and TVS

当雷电磁脉冲到达输入端口时，瞬态电压抑制二极管D1、D2首先启动，将雷电磁脉冲钳位在一定输出电压Vc上，由于D1、D2泄放电流会在退耦器件上产生瞬间电压u，当Vc+u的电压值达到气体放电管GDT1的瞬间启动电压U时，放电管启动，把大部分能量泄放到地，TVS1管将输出电压控制在Vc上，此输出电压低于后端被保护器件的最大耐受电压，被保护器件不会被雷电磁脉冲损坏.

5 功能测试

测试波形：CWG组合波1.2/50 µs & 8/20 µs，电压峰值：10 kV，测试等效输出电阻：2 Ω. 如图9所示，雷电磁脉冲注入点为a1，通过示波器在a2测试点进行残压检测.

图9 组合防护电路板图Fig. 9 Combined protection circuit board diagram

组合防护的残压测试结果如图10所示，可以看出注入CWG组合波为1.2/50 µs & 8/20 µs，电压峰值为10 kV的雷电磁脉冲经过防护电路后输出的残压为79 V，脉宽为25 µs.

图10 组合防护电路板残压测试图Fig. 10 Residual voltage test diagram of combined protection circuit board

从设计中可以得出，通过GDT和TVS管的组合防护电路可以将雷电磁脉冲电压从10 kV降低到80 V以内，对雷电磁脉冲具有很好的抑制作用；但是由于中间退耦器件的存在降低了TVS管的响应时间，在钳位响应电压之前存在尖峰过冲.

6 结 论

本文针对射频端口的雷电磁脉冲防护，改进了四分之一波长线避雷的不足，展宽了防护器的带宽，降低了防护器的输出残压，得出以下结论：在射频电路的雷电防护中，防护器件无法直接应用到防护电路中，为降低防护器件结电容对射频电路的影响，本文提出分节微带线与串联电感的阻抗匹配设计方法提高了匹配带宽，通过器件间组合匹配，提高了雷电保护器的输入电压，同时降低了输出防护器残压. 该方法使防护模块具有宽带、残压低、易于调谐的特点.