鄧 峰，易學勤，鄭生全

（1.中國艦船研究與設計中心，湖北武漢 430000；2.國防科技電磁兼容性重點實驗室，湖北武漢 430000）

超短波射頻通道強電磁脈沖防護模塊研究

鄧 峰，易學勤，鄭生全

（1.中國艦船研究與設計中心，湖北武漢 430000；2.國防科技電磁兼容性重點實驗室，湖北武漢 430000）

簡要介紹了現(xiàn)有的強電磁防護器件、電路模塊信號以及強電磁脈沖的響應特性，得到了一種能用于超寬帶電磁脈沖通道防護的防護模塊設計方案；并對超短波防護模塊幾種不同方案的防護效果進行了對比測試，結果表明，使用帶通濾波器時其防護效果最好，最高可達36 d B以上，具有較好的電磁脈沖防護效果。

強電磁脈沖；射頻通道；防護模塊

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

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

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

現(xiàn)有的浪涌電流防護設備一般都使用在低頻電子線路上（包括電源防護、控制線防護等），安裝防護器件引起的附屬參數(shù)（包括附加電容等）對低頻電路的影響一般可以忽略不計。但是對于電臺、雷達等高頻電子設備而言，防護器件微小的附加參數(shù)都能夠?qū)﹄娮釉O備產(chǎn)生明顯的影響，甚至導致電子設備無法正常工作，其對防護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，強電磁脈沖能量損失較小，在防護的過程中需要將電磁脈沖的幅度衰減到一個較小的值，同時還需要考慮防護模塊自身的安全性，防護指標要求高。

1 防護器件強電磁脈沖響應特性

氣體放電管是一種間隙式的保護元件，它在通信系統(tǒng)的防雷保護中已獲得了廣泛應用。放電管常用于多級保護電路中的第一級或前兩級，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，對高頻電子線路的雷電防護具有明顯的優(yōu)勢。放電管保護特性的不足之處在于其放電時延較大，動作靈敏度不夠理想，對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特性，先進的制造工藝正應用于放電管新型產(chǎn)品的開發(fā)中，隨著保護特性的不斷改善，放電管在電子設備與電子系統(tǒng)防雷保護應用中的適應性正在增強。另外氣體放電管的響應時間隨著擊穿電壓的幅度和上升沿時間的變化會產(chǎn)生明顯變化，當電壓上升沿達到足夠高時，其響應時間會減小到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，氣體管兩端的會維持在一個較低的電壓（約15V左右），在強電磁脈沖波形通過后，當信號電壓超過維持電壓時，氣體放電管可能無法恢復到斷開狀態(tài)，氣體管產(chǎn)生續(xù)流，續(xù)流的產(chǎn)生對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像普通的穩(wěn)壓管，是箝位型的干擾吸收器件；其應用是與被保護設備并聯(lián)使用。硅瞬變電壓吸收二極管具有極快的響應時間（亞納秒級）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非常明顯的優(yōu)點是其響應時間較短，對于ns量級上升沿時間的脈沖有較好的吸收效果。另外其擊穿電壓比較穩(wěn)定，與標稱值比較吻合，利于對精密電路的防護，而氣體放電管的放電電壓可能相差很大，誤差甚至可達100%以上。

瞬變抑制二極管抑制器件的缺點是其可承受功率不大，附加電容隨著功率的上升會明顯上升，對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。無法作為防護模塊的前級防護器件。

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

1）抑制器件對強電磁脈沖擁有一定的響應時間，且不同器件響應時間各不相同。

2）抑制器件具有一定的功率容量，當電磁脈沖的功率超過抑制器件的最大可承受功率時，抑制器件被損毀，因此防護模塊的設計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正常信號的影響。

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)個量級，失去了對快電磁脈沖的防護能力。

另外，抑制器件的漏電流、使用壽命、成本等因素均應在防護模塊的設計過程中考慮到。

2 強電磁脈沖防護模塊設計方案

前文分析了目前已經(jīng)存在的防護器件以及可用于強電磁脈沖（包括超寬帶電磁脈沖和高功率微波）電路模塊，由強電磁脈沖波形可知，強電磁脈沖上升時間短，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，無法用于強電磁脈沖的防護的第一級防護中，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，可以將其運用于高頻電路的第一級防護，但是其響應時間最短為5ns，還需要其他器件以及電路的配合。防護模塊樣機如圖2所示。

圖1 防護模塊設計方案圖

圖2 防護模塊樣機照片

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

3 防護效果測試

首先進行了通帶內(nèi)插入損耗測試。首先將兩端口的測試電纜采用直通連接對網(wǎng)絡分析儀在較寬的頻帶進行校準，再將防護模塊接入兩測試電纜間，記錄防護模塊在通信電臺的工作頻段內(nèi)的插入損耗。圖3為測得的工作頻段分別為10 k Hz～90 MHz和30～90 MHz防護模塊的S21參數(shù)，測量結果顯示，在整個工作頻段內(nèi)插入損耗分別小于0.5 dB和0.86 dB，對短波、超短波頻段設備正常信號的影響較小。

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

利用試驗已有的9355方波脈沖源對上面的設計的防護模塊進行強電磁脈沖防護效果測試，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備的信號電纜或者電源電纜上，脈沖的重復頻率可選為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相對強度上任意調(diào)節(jié)（經(jīng)過負載分壓后實際為0～945 V）。

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

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，前幾級防護電路的殘壓中的直流分量能夠通過低通濾波器，導致采用低通濾波器時殘壓較大，且振蕩明顯。采用帶通濾波器時，防護效果殘壓更低，防護效果更好，達到38.7 dB。

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

圖5 第4級分別采用低通濾波器和帶通濾波器的防護模塊殘余波形

4 總 結

對短波、超短波通信設備構成巨大威脅超寬帶強電磁脈沖時域、頻域特性進行了概述，介紹和比較了能夠?qū)ι鲜鰪婋姶琶}沖進行通道防護的器件（包括氣體放電管、固體放電管、TVS管、壓敏電阻等）的防護參數(shù)（包括響應時間、通流能力、附加電容等）。并根據(jù)超寬帶電磁脈沖的時域、頻域特性，得到一種用于短波、超短波頻段防護模塊的設計思路。在完成該防護模塊各部分仿真后完成樣機的制作，最后對其強電磁脈沖的防護效果進行測量。測試結果發(fā)現(xiàn)：

1）該短波、超短波強電磁脈沖對帶內(nèi)正常信號引起的插損控制在1 d B以內(nèi)，對正常信號的影響較小，可以通過后期研究進一步減小帶內(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，其上升沿時間1 ns左右，持續(xù)時間35 ns）對防護模塊的防護效果進行測試，試驗結果顯示，防護模塊對方波脈沖的防護效果達到38.7 dB左右，繼續(xù)提高強電磁脈沖的幅度，其防護效果可能更好。

TN97

A

1008-1542（2011）12-0063-04

2011-06-20；責任編輯：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。