短波天調(diào)的微功率調(diào)諧電路保護(hù)設(shè)計(jì)*

翟 杰 胡 軍 劉 剛

(廣州海格通信集團(tuán)股份有限公司 廣州 510663)

短波天調(diào)的微功率調(diào)諧電路保護(hù)設(shè)計(jì)*

翟 杰 胡 軍 劉 剛

(廣州海格通信集團(tuán)股份有限公司 廣州 510663)

隨著短波自動(dòng)天線調(diào)諧技術(shù)的發(fā)展,大功率調(diào)諧方式正向微功率調(diào)諧方式發(fā)展。微功率調(diào)諧的優(yōu)點(diǎn)是隱蔽性高,缺點(diǎn)是調(diào)諧電路的抗干擾性差。通過在微功率調(diào)諧電路中增加雷電保護(hù)設(shè)計(jì)和大信號(hào)保護(hù)設(shè)計(jì),能有效提升微功率調(diào)諧天調(diào)的抗干擾能力。

天調(diào); 微功率調(diào)諧電路; 雷電保護(hù)

(Guangzhou Haige Communications Group Incorporated Company, Guangzhou 510663)

Class Number O44

1 引言

微功率調(diào)諧技術(shù)已廣泛應(yīng)用于短波通信各系列電臺(tái)中,它具有隱蔽調(diào)諧、抗監(jiān)測(cè)能力強(qiáng)等特點(diǎn)。由于短波通信的天線通常安裝于室外較為制高點(diǎn)的位置,導(dǎo)致短波天線調(diào)諧器遭受到雷擊及大信號(hào)干擾而損壞的概率增大,而微功率調(diào)諧電路是天線調(diào)諧器中最容易損壞的地方。通過增加雷電保護(hù)設(shè)計(jì)和大信號(hào)保護(hù)設(shè)計(jì),提升其過流過壓保護(hù)能力,可大幅提高短波通信設(shè)備在復(fù)雜電磁環(huán)境下的生存能力。

2 干擾信號(hào)分析

2.1 雷電干擾

雷電是自然界最為嚴(yán)重的災(zāi)害之一。雷電形成的電壓高達(dá)幾百萬(wàn)伏,電流高達(dá)幾十萬(wàn)安培,不可避免地會(huì)對(duì)電子設(shè)備造成損害。雷擊的種類可以分為直擊雷和感應(yīng)雷,直擊雷因?yàn)槟芰肯喈?dāng)大而只能采用避雷針等方式引雷下地;感應(yīng)雷是以雷電波和雷電脈沖的方式入侵設(shè)備,此類雷擊需要對(duì)電路本身進(jìn)行防雷保護(hù)設(shè)計(jì)(如防雷元器件、濾波電路等的相互配合使用等)。

2.1.1 雷電特性分析

1) 時(shí)域特性

雷電流的標(biāo)準(zhǔn)波形是一條雙指數(shù)曲線,隨時(shí)間近似以指數(shù)函數(shù)快速上升至峰值,然后以近似指數(shù)函數(shù)規(guī)律緩慢下降。模擬雷電試驗(yàn)波形常用的有10/350μs電流波、8/20μs電流波以及1.2/50μs電壓波,前面的數(shù)字是波前時(shí)間,后面的數(shù)字是半值時(shí)間,前面數(shù)字愈小說明雷擊波上升快,后面數(shù)字大說明雷電持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)、能量大。

選取典型的8/20μs電流波進(jìn)行說明,波形近似描述如圖1所示。

圖1 8/20μs雷電流典型時(shí)域波形

圖中,波前時(shí)間T1=8μs±30%,半峰值時(shí)間T2=20μs±20%。

數(shù)學(xué)表達(dá)式為

I(t)=I0(e-αt-e-βt)

(1)

式中:I0是雷電流幅值,α是波前衰減系數(shù),β是波尾衰減系數(shù),I是雷電流瞬時(shí)值。

2) 頻域特性

(2)

由式(2)得:

(3)

根據(jù)式(3)可得其頻譜如圖2所示。

圖2 雷電頻譜分布

從圖2可以看出,雷電流波形和能量主要集中在低頻部分,其頻譜主要分布在1MHz以下,90%以上的能量都集中在50KHz以下,因此,雷電產(chǎn)生的電磁干擾為低頻干擾。

2.1.2 雷電防護(hù)方法

雷電防護(hù)主要有以下三種方法:

1) 氣體放電管

氣體放電管主要用在3000MHz(3G)以下頻段和10W以上功率的無線電設(shè)備中。目前氣體放電管的直流點(diǎn)火電壓最低是70V,保護(hù)水平高達(dá)幾百伏。氣體放電管是并聯(lián)在電路中的,由于極間電容很小,一般在1.5P左右,因此氣體放電管對(duì)電路的幅頻特性影響較小。

如果用壓敏電阻或瞬息抑制二極管,由于它們的分布電容往往高達(dá)幾百PF,甚至上千PF,因此很容易使高頻下地短路,造成很大的損耗。

2) 1/4波長(zhǎng)短路線

1/4波長(zhǎng)(λ/4)高頻同軸避雷器是新興的一種避雷器。它廣泛應(yīng)用于頻率較高,且頻段相對(duì)固定的無線電設(shè)備上。如8GHz(8KHz)5.8GHz、3.5GHz、2.4GHz等的設(shè)備上。其主要優(yōu)點(diǎn)是防雷效果明顯,沖擊電流很容易達(dá)到8/20μs波30KA以上。對(duì)信號(hào)端而言,對(duì)信號(hào)的阻抗最大,接近開路,因此損耗很小,由于雷電波頻譜范圍很寬,對(duì)雷電波并不是λ/4,而近似于短路。

3) L、C濾波器

利用電感器和電容器組成濾波電路或串、并聯(lián)諧振電路,使頻率較低的雷電流,通過很小的阻抗入地,而使頻率較高的信號(hào)電流能通過很小的阻抗把設(shè)備與天線連接起來。

2.2 大信號(hào)干擾

除雷電對(duì)微功率調(diào)諧電路的損壞外,瞬間大功率的注入也很容易引起后級(jí)電路的損壞。

2.2.1 大信號(hào)干擾分析

從圖3可看出,大信號(hào)干擾主要來源于兩個(gè)方面:

圖3 大信號(hào)干擾示意圖

1) 在天線調(diào)諧器進(jìn)行微功率調(diào)諧時(shí),調(diào)諧信號(hào)是由發(fā)射機(jī)產(chǎn)生(發(fā)射機(jī)正常輸出60dBm,通過衰減信號(hào)源大小達(dá)到調(diào)諧功率值),如果信號(hào)源本身產(chǎn)生寬帶噪聲或功放產(chǎn)生自激信號(hào),都可能瞬間會(huì)有大功率信號(hào)產(chǎn)生。由于微功率調(diào)諧功率為10dBm左右,瞬間的大信號(hào)足以燒毀后級(jí)檢測(cè)電路;

2) 在天線調(diào)諧器進(jìn)行微功率調(diào)諧時(shí),外界大信號(hào)能量(如同址多臺(tái)工作時(shí),鄰近的大功率發(fā)射機(jī)正在發(fā)射)可能會(huì)通過天線耦合進(jìn)來,導(dǎo)致后級(jí)檢測(cè)電路損壞。由于同址工作時(shí),兩部電臺(tái)的天線間有一定距離,外部干擾信號(hào)也會(huì)得到一定的抑制。

2.2.2 大信號(hào)防護(hù)方法

大信號(hào)防護(hù)主要有以下兩種方法:

1) 針對(duì)內(nèi)部產(chǎn)生的強(qiáng)干擾信號(hào):在取樣端加線性衰減器,并將原先調(diào)諧功率相應(yīng)提高,這樣使得取樣端到后端檢測(cè)電路之間隔離度增加,信號(hào)源到達(dá)后端檢測(cè)電路的瞬間大信號(hào)減弱;由于是在取樣端增加線性衰減器,所以即使調(diào)諧功率增大,到天線端的輻射信號(hào)依然保持不變,不會(huì)影響天調(diào)的隱蔽調(diào)諧性能。

2) 電壓雙向嵌位保護(hù):選用快速嵌位二極管,對(duì)后端檢測(cè)電路的電壓進(jìn)行精細(xì)箝位,可對(duì)后端檢測(cè)電路進(jìn)行快速保護(hù)。

3 保護(hù)電路設(shè)計(jì)

由于該調(diào)諧電路工作頻率范圍為2MHz～30MHz,1/4波長(zhǎng)短路線的防雷方法不適用。結(jié)合現(xiàn)有對(duì)高頻電路防雷的方法和大信號(hào)防護(hù)方法,對(duì)微功率調(diào)諧電路調(diào)采用四級(jí)防護(hù)的方式。

第一級(jí)采用具有大通流量的氣體放電管;第二級(jí)采用防雷新元件TBU(過流過壓保護(hù)器件),可對(duì)電流電壓進(jìn)行精細(xì)箝位;第三級(jí)采用LC高通濾波結(jié)構(gòu),給雷電流提供低阻抗通路;第四級(jí)采用雙向高速鉗位二極管,將信號(hào)限制在3V以下。

這四級(jí)防護(hù)電路分別放置在檢測(cè)電路的兩路U/I輸入端,用于保護(hù)后端小信號(hào)處理電路。同時(shí),在取樣電路中,增加30dB衰減器,提升對(duì)內(nèi)部大信號(hào)的抗擾能力。具體電路示意圖見圖4。

圖4 保護(hù)電路示意圖

4 元器件選型

由于后級(jí)檢測(cè)電路承受最高電壓為3V,通路電流最高60mA。器件選型中首先選取目前最低限制電壓70V的氣體放電管,用以對(duì)雷電及大信號(hào)進(jìn)行粗略保護(hù),同時(shí)選用反應(yīng)電流在50mA的TBU(電流檢測(cè)通路選用500mA的TBU)與氣體放電管進(jìn)行配合,對(duì)電流電壓進(jìn)行精細(xì)保護(hù)。

LC濾波通過采用2級(jí)并聯(lián)巴特沃斯高通濾波器用以實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)的通路以及雷電流的短路,考慮到雷電流的瞬間大電流性,電感L1采用Φ1漆剝線繞制。

雙向高速鉗位二極管選用4個(gè)BAS216管構(gòu)成雙向保護(hù),單個(gè)BAS216反應(yīng)時(shí)間4ns,可對(duì)后端電壓進(jìn)行快速保護(hù)。

5 保護(hù)效果測(cè)試

為檢驗(yàn)防雷保護(hù)電路和大信號(hào)防護(hù)電路對(duì)整個(gè)電路的保護(hù)效果,通過多次試驗(yàn)以驗(yàn)證該電路是否會(huì)隨著頻率和功率的變化而產(chǎn)生不可預(yù)知的變化。

5.1 頻率響應(yīng)測(cè)試

通過試驗(yàn)表明:隨著頻率的不斷變化,防雷保護(hù)電路和精細(xì)電壓箝位電路對(duì)總體電路不會(huì)造成其他性能方面的負(fù)面指標(biāo)影響。相反精細(xì)電壓箝位電路在輸入信號(hào)達(dá)到箝位啟動(dòng)電壓時(shí),該電路能有效地將采樣電壓箝位到安全檢測(cè)電壓以內(nèi),以保證U/I路(兩路檢測(cè)信號(hào))輸出電壓的幅度在一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的有限范圍內(nèi)進(jìn)行波動(dòng),以此達(dá)到電壓箝位保護(hù)的目的(如圖5所示)。

圖5 輸出電壓隨頻率變化曲線

5.2 功率響應(yīng)測(cè)試

通過試驗(yàn)表明:隨著輸入功率的逐步增大,U/I路的輸出電壓也相應(yīng)的隨著增大,當(dāng)功率增大到45dBm時(shí),輸出電壓增大到1.25V。而當(dāng)功率增大到46dBm時(shí)精細(xì)電壓箝位電路開始工作,致使U/I路輸出電壓幅度急劇下降到440mV左右。繼續(xù)加大輸入功率,精細(xì)電壓箝位電路的保護(hù)輸出電壓也再繼續(xù)緩慢的增大;當(dāng)功率增加到48dBm,即U/I路的輸出電壓接近500mV時(shí)防雷保護(hù)模塊開始工作,此時(shí)電路表現(xiàn)為氣體放電管開始進(jìn)行可恢復(fù)性打火。氣體放電管與TBU管開始對(duì)電路執(zhí)行防雷保護(hù)(即:可恢復(fù)性過流過壓保護(hù))工作,工作原理如圖6所示。

圖6 輸出電壓隨功率變化曲線

6 結(jié)語(yǔ)

短波通信一直是中遠(yuǎn)程通信的重要形式,天調(diào)單元作為短波通信設(shè)備不可或缺的組成部分,采用新型微功率隱蔽調(diào)諧技術(shù)后,更易受到外部環(huán)境的影響。將防雷保護(hù)電路和大信號(hào)保護(hù)電路合理地運(yùn)用于短波天調(diào)的微功率調(diào)諧電路中,能有效防止因遭受到雷擊及大信號(hào)干擾而造成的影響,從而大幅提高短波設(shè)備在復(fù)雜電磁環(huán)境下的工作能力。

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Thunder-electricity Protection Design of Micro-powertuning Circuit in Short-wave Antenna Tuner

ZHAI Jie HU Jun LIU Gang

With the development of short-wave antenna automatic tuning technology, high-power tuning is changed to micro-power tuning. The advantage of micro-power tuning is that micro-power tuning is hidden, and the difficulty is how to enhance the anti-jamming capability of the micro-power tuningcircuit.In this paper, thunder-electricity and large signal protection design is used to enhance the anti-jamming capability of the micro-power tuning circuit and the reliability of the short-wave radio.

antenna tuner, micro-powertuning circuit, thunder-electricity protection

2016年6月11日,

2016年7月30日

翟杰,男,碩士,工程師,研究方向:通信工程。胡軍,男,碩士,工程師,研究方向:電磁防護(hù)。劉剛,男,工程師,研究方向:通信工程。

O44

10.3969/j.issn.1672-9730.2016.12.041