超短波电台天线端口雷电脉冲防护设计

超短波电台天线端口雷电脉冲防护设计摘要：本文通过对雷电流时频域特性进行分析，提出了超短波电台天线端口雷电防护设计方案，并通过仿真与实际应用验证了该防护模块性能（插入损耗与驻波比）满足信号传输的要求，为类似电台的雷电防护设计奠定了基础。关键词：雷电脉冲；超短波；天线端口；插入损耗；驻波比引言雷电是自然界最严重的灾害之一。雷电形成的电压高达几百万伏，甚至几千万伏，电流高达几十万安培，其不可避免的会对电子设备造成损害。随着我国现代化通信的推进，信息化已经深入到我国通信行业的各个角落。因此，专用电子装备的雷电防护愈来愈引起各国国防及国民经济重要部门的重视，目前，超短波电台在交给用户使用时，经常由于天线引入雷电而频遭雷击损坏，因而，对超短波电台天线端口进行雷电防护设计就迫在眉睫。设计原理利用防雷器件的特性，在天线与主机之间设计防护模块，将雷击电流泄放到大地或将其两端的电压箝位到预定的数值上（图1），当设备正常工作时，防雷器件是静态的，不影响电路的正常工作，当遭受雷击时，防雷器件能以极快的速度使其阻抗降低而导通，同时吸收雷击大电流，从而确保后面的电路元件免受瞬态高能量的冲击而损坏。图1雷电防护的设计原理雷电流的特性（一）时域特性雷电流的标准波形是一条双指数曲线，随时间近似以指数函数快速上升至幅值，后以近似指数函数规律缓慢下降，通常雷电流以电流波来表示，波形近似描述如图2所示：图2雷电流时域波形图中，波前时间，半峰值时间。数学表达式为：(式1)式中：是雷电流幅值，是波前衰减系数，是波尾衰减系数，是雷电流瞬时值。（二）频域特性将(1)式进行傅立叶变换，可得：(式2)由(2)式得：(式3)根据(3)式可得其频谱如图3所示：图3雷电流频谱分布从图3可以看出，雷电流波形和能量主要集中在低频部分，其频谱主要分布在1MHz以下，因此，雷电产生的电磁干扰为低频干扰。雷电防护设计根据前面的分析，雷电防护设计一方面要抑制大能量对设备造成损害，另一方面要防止雷电产生的低频干扰对电路造成影响，因而我们将根据防雷加滤波的思路来进行设计。（一）防雷设计1.方案设计从图2可以看出，雷电流上升时间很快（级）且能量很大（级），常用的气体放电管通流量很大但响应速度较慢,而瞬态抑制二极管（）响应速度很快但通流量又较小，因而，综合考虑防雷器件不同的通流容量及响应特性，本设计方案拟采用两级防护，即前级采用气体放电管粗略防护，后级采用精细钳位，具体方案如图4所示：图4防雷电路图4后级保护采用快速恢复二极管和的组合电路可以降低单个的寄生电容，防止影响信号。当设备遭受雷击时，具有极快响应速度的管（级）最先动作，将电压钳位到一定水平，由于管通流量较小，其前级需要加电感以对浪涌电流加以限制，当雷电流的持续时间达到气体放电管的响应时间后，气体放电管开始动作，最终将雷电流泄放到大地。2.器件选择天线端口同轴传输线上的信号电压：(式4)式中，为电台发射功率，为传输线特性阻抗。考虑到信号峰值电压，则实际选用气体放电管和的击穿电压：()(式5)()(式6)式中，和表示电压余量，为电压驻波比。结合超短波电台的实际情况，,,令,，,带入(5)和(6)式，则()(式7)() (式8)根据式(7)和(8)，参考器件资料手册，则本方案选用的防雷器件如表1所示：表1防雷器件参数列表[3]参数器件型号击穿电压(V)通流容量(A)功率(W)箝位电压（V）寄生电容(pF)器件厂商气体放电管2RP180-8153～20720000----1.5君耀电子SMDJ110A122～14016.8300017750君耀电子快速恢复二极管可选择反向恢复时间短，寄生电容小的二极管，以降低单个的寄生电容；电感要尽量使用空心电感，其通流量较大，从而限制雷电流防止损坏。（二）滤波设计根据前面对雷电流的频谱分析，雷电流电磁干扰主要集中在低频部分，为了防止雷电流产生的干扰对设备功能的影响，需要对其低频电磁干扰进行抑制，超短波电台的工作频段为，因此，可以利用高通滤波器的截止特性，滤除雷电流的低频电磁干扰。根据经验，滤波电容在以上时耐压一般很低，耐压高时体积又较大；而电感量在以上时，电感绕线密度及体积较大，因而，在仿真过程中要结合工程实际，如果电容值或电感量较大时，应该重新设置滤波电路参数或更改滤波电路。经过反复论证，最终选定的高通滤波电路如图5所示。图5高通滤波电路（三）雷电防护设计结合防雷设计以及滤波设计，则针对超短波电台天线端口雷电防护设计方案如图6所示。图6雷电防护设计电路实际应用中，要求图6的电容耐压值至少达到，电感所能承受的瞬态峰值电流也要至少达到。仿真与结果分析对信号端口的防护，需要考虑防护电路的插入损耗和阻抗匹配，否则会对信号产生影响。结合防雷器件参数（表1）和高通滤波电路，建立防护模块的仿真模型，如图7所示。图7雷电防护模块仿真模型运行仿真，防护模块的插入损耗及电压驻波比如图8、9所示。图8防护模块插入损耗图9防护模块电压驻波比从图8、图9可以看出，防护模块在频段范围内插入损耗小于,电压驻波比小于，满足信号正常传输的要求。VHF防护模块及其整机测试结果表明该模块满足使用要求，同时该模块已成功