典型艦載機掃雷達系統雷電防護設計

高 軼，張 鵬

(1.海軍裝備部項目管理中心，北京 100071；中國船舶集團有限公司第八研究院，江蘇 揚州 225101)

0 引 言

隨著國內海軍武器裝備建設的全面展開，大型水面艦艇數量日益增多，并已形成規模作戰能力。由于海上作戰的特殊性，海軍艦艇作戰面臨多頻次、復雜氣候環境、復雜海況環境下作戰使命任務的挑戰。其中，海上出現雷電環境的頻次較高，對電子設備雷電防護能力的需求顯得尤為緊迫。通過對雷電產生機理及雷電防護措施的研究，降低裝備在雷電惡劣環境中遭受損壞的可能性，提高武器裝備的戰備完好率和任務成功率，對我國海軍武器裝備建設具有重大的軍事意義。

針對直擊雷，大型水面艦艇往往采取避雷針方式進行防護。為達到最大效能，避雷針一般分布于艦艇主桅最高處。由于艦艇主桅具有空間局限性且安裝了較多的電子設備，因此無法滿足安全距離的要求。避雷針在遭受雷擊形成泄放通道時，產生的強電磁場會沖擊周圍的電子設備。采取雷電防護設計，一方面可提高設備抗雷電沖擊能力，另一方面也可提高系統設備的電磁兼容性。

1 雷電環境分析

如圖1所示，典型設備艙外設備分布于直擊雷防護區(O)，艙內設備分布于艙室雷電防護區()。當發生對地(避雷針)雷擊時，雷電流經由主放電通道入地，附近存在的開口環出現電磁感應過電壓：

圖1 雷電分區示意圖

(1)

式中：、、如圖2所示，根據某典型設備艦中位置分布，取=4 m，=0.1 m，=20 m，=200 kA，可達2.47 kV。

圖2 感應電壓計算示意圖

由上述分析可知，感應過電壓強度往往是kV量級。由于雷達天線座艙外電纜屏蔽性能不夠，對強雷電感應防護能力不足，同時部分設備模塊耐電壓能力較弱，強電磁能量感應至電纜內部芯線后，進而竄入天線座、艙內機柜內部的相關電路，導致器件損壞。

2 典型艦載機掃雷達特性分析

通過上一章節雷電環境分析，典型艦載機掃雷達艙外設備分布于O區，艙內設備分布于區，艙外設備一般由電機、傳感器、饋源、反射體等組成，由信號電源線纜、波導、射頻線纜等連接至艙內機柜。

通過對典型艦載機掃雷達設備傳輸信號特性分析，連接艙內外設備間設備電纜中傳輸信號類型及特性如表1所示。

表1 信號特性分類

3 防護實施方案

雷電防護主要技術措施有：

(1) 屏蔽。對艙外暴露電纜進行屏蔽加強，減弱雷電對電纜內部芯線的感應能量強度。其主要通過對典型雷達設備天線座艙外電纜增加屏蔽網，并對屏蔽網兩端作良好接地的方式來提高屏蔽效能。

(2) 接地。典型雷達設備天線罩內部需增加等電位接地點，主要為天線座安裝基座以及在電纜穿艙孔附近設置等電位接地柱，確保天線座及電纜屏蔽套有效等電位接地。

(3) 搭接。典型雷達設備天線座一般為金屬材質，與船體安裝基座直接接觸安裝。改善天線座接地的主要措施是在天線座與基座間的安裝螺栓上增加多點跨接接地線，并對接觸面的油漆進行清除，以確保天線座殼體與船體接地良好。

(4) 濾波。典型雷達設備艙外穿艙電纜加裝雷電抑制模塊，針對表1中梳理的特定信號，用于對典型雷達設備艙內外設備間長電纜芯線中的強感應電壓進行限幅和濾波，避免高電壓竄入天線座和伺服機柜內部電路，造成器件損壞。

本文針對上述技術措施提出了以下改進方案：

(1) 雷電防護加強

雷電防護加強主要涉及屏蔽、接地、搭接3個方面的技術措施，具體實施方案及技術要求如下：

(a) 艙外電纜屏蔽加強，主要涉及天線座內部短接電纜以及天線座與艙內伺服機柜間的連接電纜的艙外暴露部分。將天線座電纜頭脫開，從電纜頭處套入防波套套至電纜穿艙孔位置，恢復電纜連接后屏蔽套環扎固定處理(確保單端能夠良好接地)，并將防護套與附近接地點進行搭接，做等電位接地，搭接處使用5782-2000-M8以上規格銅接地螺栓進行搭接。

(b) 天線罩內部增加2處等電位接地柱，分別位于天線座基座安裝處及線纜穿艙孔附近，以利于雷電能量快速泄放。

(c) 天線座與安裝基座多點跨接處理(安裝面每個側面不少于3個跨接點)，需船廠對跨接銅帶安裝接觸面油漆做清除，提供規格M16穿孔跨接銅帶，并進行跨接安裝。該措施需船廠進行漆面打磨，并提供跨接銅帶焊片進行施工。

(2)雷電抑制模塊加裝

濾波技術措施，考慮加裝雷電抑制模塊以實現對感應過電壓、過電流進行抑制的功能。通過前期分析及設備阻抗特性分析，雷電抑制器必須安裝于艙內外設備連接電纜中，且原則上必須與設備端就近安裝。由于艙內外設備在3次雷擊中均有一定程度損壞，因此，對艙內外設備端電纜連接處均需考慮雷電抑制模塊加裝。以下將對抑制模塊防護原理作進一步描述。

根據典型設備艙內外傳輸線纜中芯線定義，筆者進行了雷電抑制模塊設計。雷電抑制模塊分為艙外部分和艙內部分。其中艙內部分就近安裝于艙內雷達設備端。由于先前天線座端僅有霍爾器件損壞，且天線座內與線纜連接其他模塊、器件均具有無源、耐高壓的特點，因此艙外雷電抑制模塊僅對單根芯線(霍爾器件控制)進行防護，單根電纜雷電抑制模塊采用單進單出形式，可就近安裝于艙外雷達設備端，如圖3所示。雷電抑制模塊均使用密封防水結構，接口采用航空插座，與原插座型號保持一致，雷電抑制模塊接地線采用截面積不小于4 mm的銅線，就近進行等電位接地。

圖3描述了上述實施方案中，加裝雷電抑制模塊工作原理圖。在第一級采用泄放大電流的器件進行設計，如氣體放電管等，主要泄放大的雷電流；在第2級設計響應較快的防護器件，如TVS二極管等，將殘余的電壓進行鉗位，減小電壓尖峰的沖擊，在第3級通過限流和濾波電路，將殘余的雷電能量進一步限值到最小。加裝抑制模塊前后通過電壓對比見圖4。

圖3 防護電路原理圖

圖4 電壓對比圖

圖5給出了典型濾波裝置提高可靠性措施原理圖，雷電抑制模塊中使用較多的是半導體器件TVS二極管。由于其瞬態響應快，對雷電間接干擾的泄放效果好，在防雷電路中作為最常見的防雷器件使用。TVS二極管的失效模式有85%是短路，在防雷電路中，當TVS損壞后，設備的信號會因此短路；因此，在使用TVS二極管做雷電防護時，需要避免出現短路現象或盡可能降低短路概率。圖5中，信號輸入后，經過第1級氣體放電管的防護后，再由第二級的TVS二極管進行電壓鉗位。中間串聯有抗浪涌電阻，能將電流限制在一定范圍內，同時經過2組限流+電壓鉗位，保證輸出的雷電殘余電壓和電流最小，保護后端設備不被雷擊損壞。

圖5 防護電路冗余設計

4 結束語

本文研究了典型的雷電環境，并結合艦載典型機掃雷達的安裝特點及信號特性，提出了一套完整的針對典型艦載機掃雷達設備雷電防護解決方案。該方案具有較好的操作性，可滿足艦載作戰雷達設備的雷電防護需求。