短波天調的微功率調諧電路保護設計*

翟 杰 胡 軍 劉 剛

(廣州海格通信集團股份有限公司 廣州 510663)

短波天調的微功率調諧電路保護設計*

翟 杰 胡 軍 劉 剛

(廣州海格通信集團股份有限公司 廣州 510663)

隨著短波自動天線調諧技術的發(fā)展,大功率調諧方式正向微功率調諧方式發(fā)展。微功率調諧的優(yōu)點是隱蔽性高,缺點是調諧電路的抗干擾性差。通過在微功率調諧電路中增加雷電保護設計和大信號保護設計,能有效提升微功率調諧天調的抗干擾能力。

天調; 微功率調諧電路; 雷電保護

(Guangzhou Haige Communications Group Incorporated Company, Guangzhou 510663)

Class Number O44

1 引言

微功率調諧技術已廣泛應用于短波通信各系列電臺中,它具有隱蔽調諧、抗監(jiān)測能力強等特點。由于短波通信的天線通常安裝于室外較為制高點的位置,導致短波天線調諧器遭受到雷擊及大信號干擾而損壞的概率增大,而微功率調諧電路是天線調諧器中最容易損壞的地方。通過增加雷電保護設計和大信號保護設計,提升其過流過壓保護能力,可大幅提高短波通信設備在復雜電磁環(huán)境下的生存能力。

2 干擾信號分析

2.1 雷電干擾

雷電是自然界最為嚴重的災害之一。雷電形成的電壓高達幾百萬伏,電流高達幾十萬安培,不可避免地會對電子設備造成損害。雷擊的種類可以分為直擊雷和感應雷,直擊雷因為能量相當大而只能采用避雷針等方式引雷下地;感應雷是以雷電波和雷電脈沖的方式入侵設備,此類雷擊需要對電路本身進行防雷保護設計(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) 時域特性

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

選取典型的8/20μs電流波進行說明,波形近似描述如圖1所示。

圖1 8/20μs雷電流典型時域波形

圖中,波前時間T1=8μs±30%,半峰值時間T2=20μs±20%。

數學表達式為

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,β是波尾衰減系數,I是雷電流瞬時值。

2) 頻域特性

(2)

由式(2)得:

(3)

根據式(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,雷電產生的電磁干擾為低頻干擾。

2.1.2 雷電防護方法

雷電防護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備中。目前氣體放電管的直流點火電壓最低是70V,保護水平高達幾百伏。氣體放電管是并聯在電路中的,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波長短路線

1/4波長(λ/4)高頻同軸避雷器是新興的一種避雷器。它廣泛應用于頻率較高,且頻段相對固定的無線電設備上。如8GHz(8KHz)5.8GHz、3.5GHz、2.4GHz等的設備上。其主要優(yōu)點是防雷效果明顯,沖擊電流很容易達到8/20μs波30KA以上。對信號端而言,對信號的阻抗最大,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電流能通過很小的阻抗把設備與天線連接起來。

2.2 大信號干擾

除雷電對微功率調諧電路的損壞外,瞬間大功率的注入也很容易引起后級電路的損壞。

2.2.1 大信號干擾分析

從圖3可看出,大信號干擾主要來源于兩個方面:

圖3 大信號干擾示意圖

1) 在天線調諧器進行微功率調諧時,調諧信號是由發(fā)射機產生(發(fā)射機正常輸出60dBm,通過衰減信號源大小達到調諧功率值),如果信號源本身產生寬帶噪聲或功放產生自激信號,都可能瞬間會有大功率信號產生。由于微功率調諧功率為10dBm左右,瞬間的大信號足以燒毀后級檢測電路;

2) 在天線調諧器進行微功率調諧時,外界大信號能量(如同址多臺工作時,鄰近的大功率發(fā)射機正在發(fā)射)可能會通過天線耦合進來,導致后級檢測電路損壞。由于同址工作時,兩部電臺的天線間有一定距離,外部干擾信號也會得到一定的抑制。

2.2.2 大信號防護方法

大信號防護主要有以下兩種方法:

1) 針對內部產生的強干擾信號:在取樣端加線性衰減器,并將原先調諧功率相應提高,這樣使得取樣端到后端檢測電路之間隔離度增加,信號源到達后端檢測電路的瞬間大信號減弱;由于是在取樣端增加線性衰減器,所以即使調諧功率增大,到天線端的輻射信號依然保持不變,不會影響天調的隱蔽調諧性能。

2) 電壓雙向嵌位保護:選用快速嵌位二極管,對后端檢測電路的電壓進行精細箝位,可對后端檢測電路進行快速保護。

3 保護電路設計

由于該調諧電路工作頻率范圍為2MHz～30MHz,1/4波長短路線的防雷方法不適用。結合現有對高頻電路防雷的方法和大信號防護方法,對微功率調諧電路調采用四級防護的方式。

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

這四級防護電路分別放置在檢測電路的兩路U/I輸入端,用于保護后端小信號處理電路。同時,在取樣電路中,增加30dB衰減器,提升對內部大信號的抗擾能力。具體電路示意圖見圖4。

圖4 保護電路示意圖

4 元器件選型

由于后級檢測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,用以對雷電及大信號進行粗略保護,同時選用反應電流在50mA的TBU(電流檢測通路選用500mA的TBU)與氣體放電管進行配合,對電流電壓進行精細保護。

LC濾波通過采用2級并聯巴特沃斯高通濾波器用以實現對信號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BAS216管構成雙向保護,單個BAS216反應時間4ns,可對后端電壓進行快速保護。

5 保護效果測試

為檢驗防雷保護電路和大信號防護電路對整個電路的保護效果,通過多次試驗以驗證該電路是否會隨著頻率和功率的變化而產生不可預知的變化。

5.1 頻率響應測試

通過試驗表明:隨著頻率的不斷變化,防雷保護電路和精細電壓箝位電路對總體電路不會造成其他性能方面的負面指標影響。相反精細電壓箝位電路在輸入信號達到箝位啟動電壓時,該電路能有效地將采樣電壓箝位到安全檢測電壓以內,以保證U/I路(兩路檢測信號)輸出電壓的幅度在一個相對穩(wěn)定的有限范圍內進行波動,以此達到電壓箝位保護的目的(如圖5所示)。

圖5 輸出電壓隨頻率變化曲線

5.2 功率響應測試

通過試驗表明:隨著輸入功率的逐步增大,U/I路的輸出電壓也相應的隨著增大,當功率增大到45dBm時,輸出電壓增大到1.25V。而當功率增大到46dBm時精細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,精細電壓箝位電路的保護輸出電壓也再繼續(xù)緩慢的增大;當功率增加到48dBm,即U/I路的輸出電壓接近500mV時防雷保護模塊開始工作,此時電路表現為氣體放電管開始進行可恢復性打火。氣體放電管與TBU管開始對電路執(zhí)行防雷保護(即:可恢復性過流過壓保護)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 結語

短波通信一直是中遠程通信的重要形式,天調單元作為短波通信設備不可或缺的組成部分,采用新型微功率隱蔽調諧技術后,更易受到外部環(huán)境的影響。將防雷保護電路和大信號保護電路合理地運用于短波天調的微功率調諧電路中,能有效防止因遭受到雷擊及大信號干擾而造成的影響,從而大幅提高短波設備在復雜電磁環(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。劉剛,男,工程師,研究方向:通信工程。

O44

10.3969/j.issn.1672-9730.2016.12.041