典型舰载机扫雷达系统雷电防护设计

高 轶，张 鹏

(1.海军装备部项目管理中心，北京 100071；中国船舶集团有限公司第八研究院，江苏 扬州 225101)

0 引 言

随着国内海军武器装备建设的全面展开，大型水面舰艇数量日益增多，并已形成规模作战能力。由于海上作战的特殊性，海军舰艇作战面临多频次、复杂气候环境、复杂海况环境下作战使命任务的挑战。其中，海上出现雷电环境的频次较高，对电子设备雷电防护能力的需求显得尤为紧迫。通过对雷电产生机理及雷电防护措施的研究，降低装备在雷电恶劣环境中遭受损坏的可能性，提高武器装备的战备完好率和任务成功率，对我国海军武器装备建设具有重大的军事意义。

针对直击雷，大型水面舰艇往往采取避雷针方式进行防护。为达到最大效能，避雷针一般分布于舰艇主桅最高处。由于舰艇主桅具有空间局限性且安装了较多的电子设备，因此无法满足安全距离的要求。避雷针在遭受雷击形成泄放通道时，产生的强电磁场会冲击周围的电子设备。采取雷电防护设计，一方面可提高设备抗雷电冲击能力，另一方面也可提高系统设备的电磁兼容性。

1 雷电环境分析

如图1所示，典型设备舱外设备分布于直击雷防护区(O)，舱内设备分布于舱室雷电防护区()。当发生对地(避雷针)雷击时，雷电流经由主放电通道入地，附近存在的开口环出现电磁感应过电压：

图1 雷电分区示意图

(1)

式中：、、如图2所示，根据某典型设备舰中位置分布，取=4 m，=0.1 m，=20 m，=200 kA，可达2.47 kV。

图2 感应电压计算示意图

由上述分析可知，感应过电压强度往往是kV量级。由于雷达天线座舱外电缆屏蔽性能不够，对强雷电感应防护能力不足，同时部分设备模块耐电压能力较弱，强电磁能量感应至电缆内部芯线后，进而窜入天线座、舱内机柜内部的相关电路，导致器件损坏。

2 典型舰载机扫雷达特性分析

通过上一章节雷电环境分析，典型舰载机扫雷达舱外设备分布于O区，舱内设备分布于区，舱外设备一般由电机、传感器、馈源、反射体等组成，由信号电源线缆、波导、射频线缆等连接至舱内机柜。

通过对典型舰载机扫雷达设备传输信号特性分析，连接舱内外设备间设备电缆中传输信号类型及特性如表1所示。

表1 信号特性分类

3 防护实施方案

雷电防护主要技术措施有：

(1) 屏蔽。对舱外暴露电缆进行屏蔽加强，减弱雷电对电缆内部芯线的感应能量强度。其主要通过对典型雷达设备天线座舱外电缆增加屏蔽网，并对屏蔽网两端作良好接地的方式来提高屏蔽效能。

(2) 接地。典型雷达设备天线罩内部需增加等电位接地点，主要为天线座安装基座以及在电缆穿舱孔附近设置等电位接地柱，确保天线座及电缆屏蔽套有效等电位接地。

(3) 搭接。典型雷达设备天线座一般为金属材质，与船体安装基座直接接触安装。改善天线座接地的主要措施是在天线座与基座间的安装螺栓上增加多点跨接接地线，并对接触面的油漆进行清除，以确保天线座壳体与船体接地良好。

(4) 滤波。典型雷达设备舱外穿舱电缆加装雷电抑制模块，针对表1中梳理的特定信号，用于对典型雷达设备舱内外设备间长电缆芯线中的强感应电压进行限幅和滤波，避免高电压窜入天线座和伺服机柜内部电路，造成器件损坏。

本文针对上述技术措施提出了以下改进方案：

(1) 雷电防护加强

雷电防护加强主要涉及屏蔽、接地、搭接3个方面的技术措施，具体实施方案及技术要求如下：

(a) 舱外电缆屏蔽加强，主要涉及天线座内部短接电缆以及天线座与舱内伺服机柜间的连接电缆的舱外暴露部分。将天线座电缆头脱开，从电缆头处套入防波套套至电缆穿舱孔位置，恢复电缆连接后屏蔽套环扎固定处理(确保单端能够良好接地)，并将防护套与附近接地点进行搭接，做等电位接地，搭接处使用5782-2000-M8以上规格铜接地螺栓进行搭接。

(b) 天线罩内部增加2处等电位接地柱，分别位于天线座基座安装处及线缆穿舱孔附近，以利于雷电能量快速泄放。

(c) 天线座与安装基座多点跨接处理(安装面每个侧面不少于3个跨接点)，需船厂对跨接铜带安装接触面油漆做清除，提供规格M16穿孔跨接铜带，并进行跨接安装。该措施需船厂进行漆面打磨，并提供跨接铜带焊片进行施工。

(2)雷电抑制模块加装

滤波技术措施，考虑加装雷电抑制模块以实现对感应过电压、过电流进行抑制的功能。通过前期分析及设备阻抗特性分析，雷电抑制器必须安装于舱内外设备连接电缆中，且原则上必须与设备端就近安装。由于舱内外设备在3次雷击中均有一定程度损坏，因此，对舱内外设备端电缆连接处均需考虑雷电抑制模块加装。以下将对抑制模块防护原理作进一步描述。

根据典型设备舱内外传输线缆中芯线定义，笔者进行了雷电抑制模块设计。雷电抑制模块分为舱外部分和舱内部分。其中舱内部分就近安装于舱内雷达设备端。由于先前天线座端仅有霍尔器件损坏，且天线座内与线缆连接其他模块、器件均具有无源、耐高压的特点，因此舱外雷电抑制模块仅对单根芯线(霍尔器件控制)进行防护，单根电缆雷电抑制模块采用单进单出形式，可就近安装于舱外雷达设备端，如图3所示。雷电抑制模块均使用密封防水结构，接口采用航空插座，与原插座型号保持一致，雷电抑制模块接地线采用截面积不小于4 mm的铜线，就近进行等电位接地。

图3描述了上述实施方案中，加装雷电抑制模块工作原理图。在第一级采用泄放大电流的器件进行设计，如气体放电管等，主要泄放大的雷电流；在第2级设计响应较快的防护器件，如TVS二极管等，将残余的电压进行钳位，减小电压尖峰的冲击，在第3级通过限流和滤波电路，将残余的雷电能量进一步限值到最小。加装抑制模块前后通过电压对比见图4。

图3 防护电路原理图

图4 电压对比图

图5给出了典型滤波装置提高可靠性措施原理图，雷电抑制模块中使用较多的是半导体器件TVS二极管。由于其瞬态响应快，对雷电间接干扰的泄放效果好，在防雷电路中作为最常见的防雷器件使用。TVS二极管的失效模式有85%是短路，在防雷电路中，当TVS损坏后，设备的信号会因此短路；因此，在使用TVS二极管做雷电防护时，需要避免出现短路现象或尽可能降低短路概率。图5中，信号输入后，经过第1级气体放电管的防护后，再由第二级的TVS二极管进行电压钳位。中间串联有抗浪涌电阻，能将电流限制在一定范围内，同时经过2组限流+电压钳位，保证输出的雷电残余电压和电流最小，保护后端设备不被雷击损坏。

图5 防护电路冗余设计

4 结束语

本文研究了典型的雷电环境，并结合舰载典型机扫雷达的安装特点及信号特性，提出了一套完整的针对典型舰载机扫雷达设备雷电防护解决方案。该方案具有较好的操作性，可满足舰载作战雷达设备的雷电防护需求。