高洪宇1 邱长卿2 许大为3 王冬冬4
1.海装上海局业务处 上海 200135
2.92987部队 广西贺州 542813
3.91405部队 上海 200083
4.中国舰船研究设计中心 湖北武汉 430064
摘要：实现对HEMP和LEMP的有效防护，需要设计出同时具有低触发阈值、快速响应特性和大电流通流能力的天馈系统防护装置。本文提出了基于多阶滤波器结构的短波/超短波频段射频通道电磁防护装置的设计方法，具有防护范围广、响应速度快、通流能力强和插入损耗低的特点。
I.引言
雷电感应电磁脉冲（LEMP）和高空核电磁脉冲（HEMP）对短波/超短波频段通信系统的安全性存在严重威胁，可能损坏天线馈电通路的功能模块。LEMP的威胁在于较大的能量，HEMP的威胁在于快前沿和高幅值。目前天馈通路对HEMP基本没有防护措施，而对LEMP采取的防护措施是在射频通路中串联基于陶瓷气体放电管（GDT）的旁路型防护模块。在目前在所有类型的射频防护器件中，GDT具有最高等级的脉冲功率承受能力，但GDT存在两个问题：（1）触发阈值高。当脉冲电压上升率为数kV/μs量级时，GDT触发阈值在500V以上，这意味着它对于峰值在500V以下的脉冲无法防护；（2）响应速度慢。GDT从辉光放电发展到流注放电需要数十ns的过渡时间，这将导致泄露较高的脉冲能量，对后级敏感射频模块具有较大的危害性[1]-[3]。因此，现有的雷电防护模块无法有效应对LEMP给短波/超短波通信系统带来的威胁，更无法应用于HEMP防护。
本项目提出了满足上述要求的短波/超短波通信系统两级综合防护实现方案。第一级采用半导体玻璃放电管（SSPG）阵列的同轴型高功率防护模块，在实际使用时安装于天线根部；第二级采用基于雪崩二极管（TVS）阵列的同轴型中等功率防护模块，安装于天馈电缆进入设备舱室的位置。两级防护模块在设计时，均采用多阶滤波器结构，将防护器件自身的分布电容作为滤波器等效电容加以利用，有效降低了防护模块的插入损耗。
II. 基于SPG阵列和多阶滤波器结构的初级大功率防护模块设计方法
相对于目前广泛应用于天馈系统防雷的GDT器件，SPG的优势在于响应速度快（同样的注入脉冲电压幅值和上升率，SPG的导通延迟时间约为GDT的1/6），劣势在于通流能力较弱（单个GDT的8/20μs模拟雷电流脉冲通流能力约20kA，SPG约为2~3kA）。为此，项目提出了基于SPG阵列和多阶滤波器结构的初级大功率防护模块设计方法，不仅实现了快速响应和高通流能力，还降低了插入损耗。每级SPG阵列由6个防护器件并联构成，两级SPG阵列分散布置在同轴波导中，与具有高阻抗特征的同轴中心导体共同构成5阶滤波结构。
III. 基于TVS阵列和多阶滤波器结构的次级中等功率防护模块设计方法
SPG器件基于气体放电原理，与GDT存在同样的问题，即触发导通阈值较高。在对短波/超短波通信系统接收通道进行电磁脉冲防护时，由于注入脉冲幅值可能在较大范围内变化，因此极有可能出现以下情形：初级高功率防护模块能够对数千伏的LEMP/HEMP脉冲有效旁路，却无法阻止幅值为数百伏的LEMP/HEMP脉冲进入到接收机敏感模块。为此，有必要在初级高功率防护模块之后增加第二级防护，它能起到两个作用：（1）在初级防护模块中不起作用时，对较低幅值的泄露脉冲进行限幅，；（2）在初级防护模块起作用时，对SPG延迟导通导致的尖峰残留脉冲进行限幅。
次级中等功率防护模块基于TVS阵列，在设计时同样采用多阶滤波结构以降低插入损耗。TVS阵列包括10个呈环形分布的TVS器件，安装于8mm（直径）*6mm（高度）的金属基座上。
为了便于将防护器件安装于模块的内外导体之间，在模块的内导体上设计了金属托盘和塑料护套，在外导体上设计了可拆卸的金属螺帽。安装时，防护器件的一个电极放置于金属螺帽中，另一个电极放置在内导体托盘上。
IV、实验验证
（1）防护模块的插入损耗和端口驻波比测试
图1、图 2分别是初级防护模块和次级防护模块的S21测试曲线和输入端口VSWR测试曲线。从图中可以看出，初级防护模块在600MHz以内插损小于0.1dB，VSWR小于1.3；次级防护模块在600MHz以内插损小于0.1dB，VSWR小于1.1。
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（2）防护模块的电磁脉冲防护效果测试
对初级防护模块测试采用注入型HEMP脉冲模拟发生器进行注入试验。把模拟发生器的充电电压调节至2kV，对应的最大短路放电电流约20A，试验结果如图3所示。当采用所研制的初级防护模块时，示波器采集到的残余电压峰值约550V，脉冲半高宽8.4ns；当采用现有的天馈避雷产品时，示波器采集到的残余电压峰值约600V，脉冲半高宽49.4ns。这说明所研制模块在响应速度上明显优于现有产品。
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图 3 模拟发生器充电电压调节至2kV时的测试结果。
上图，脉冲放电电流曲线；中图：采用初级防护模块时示波器采集到的残余电压波形；下图：采用现有天馈防雷产品时示波器采集到的残余电压波形。
模拟发生器的开路电压调节至90kV，对应的最大短路放电电流约1036A，以所研制的初级防护模块为测试对象，试验结果如图 4所示。示波器采集到的残余电压峰值约668V，脉冲半高宽0.9ns。
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图 4 模拟发生器充电电压调节至90kV时的测试结果。
上图：短路放电电流波形；下图，示波器采集到的残余电压波形。
模拟发生器的充电电压调节至90kV，试验得到的波形如图 5所示，示波器残余电压峰值约80V。
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由于模拟发生器的充电电压无法调节至2kV以下，为了考察两级防护模块对较低幅值电磁脉冲的防护效果，改用正弦衰减振荡脉冲源进行测试，并与现有天馈防护产品进行对比。
试验结果如下所示。当峰值为400V、载波频率为30MHz的衰减振荡脉冲注入到所研制两级防护模块时，此时初级防护模块没有被触发导通，次级防护模块起到限幅作用，示波器测量到的残余电压峰值约为72V。作为对比，商用防护模块没有启动，残余电压峰值378V。
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V. 总结
目前所研制的防护装置在响应速度、防护效果两个主要技术指标上优于现有天馈防护产品。具体来说，在特定测试条件下，所研制防护装置的响应速度约为现有天馈防护产品的6倍，残余脉冲能量与现有天馈防护产品相比降低了10dB以上。研究成果可以应用于短波/超短波通信系统的电磁脉冲防护。
参考文献：
[1] Satyamurthy, S.Devarpiran, A.Savithri, S.Joseph, B.Nageswaran, P.V. Nageswaran. Evaluation of coaxial lightning protector for VHF antenna and its implementation in combat tank，Proceedings of the International Conference on Electromagnetic Interference and Compatibility '97. pp. 341-346
[2] Sun Danfeng, Ji Youzhang. Circuit Surage Protection Device. The World of Power Supply. Issue 2, 2014. pp. 39-43.
[3] Zhai Aibin, Xie Yanzhao, Han Jun, and Chen Yanli. Experimental Research of the EMP response characteristics of Gas Discharge Tubes. Chinese Journal of Radio Science. Vol. 26, Sup. June, 2011. pp. 87-91.