CN102437399A - 一种高功率微波脉冲防护罩 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种高功率微波脉冲防护罩，其特征在于：它包括至少2层带通频率选择板，相邻的带通频率选择板互相平行且之间充满加载介质；每块带通频率选择板为导电板，并分布有周期性的小单元，每个小单元刻蚀有镂空花纹，镂空花纹将小单元分割为相互分离的至少2个导电区域，同一小单元内或不同小单元之间相互分离的导电区域之间焊接有至少1个瞬态抑制二极管。利用TVS管在不同功率微波信号下表现出的不同电磁特性，使其能够在不影响正常小信号传输的前提下，将高功率微波脉冲电磁波挡在防护罩外部，避免高功率微波脉冲进入敏感电子设备内部产生破坏。

Description

一种高功率微波脉冲防护罩
技术领域
本发明属于强电磁脉冲防护技术领域，尤其涉及一种适用于L、S、C波段雷达、通讯设备天线外围的高功率微波脉冲防护罩。
背景技术
随着电磁脉冲技术的发展，高功率微波武器产生的高功率微波脉冲辐射场强达到数百kV/m，脉冲上升时间达短，脉冲持续时间可达数十ns～数十us，对L、S、C频段的雷达、通信电子设备的危害越来越大，高功率微波在电子设备上感应的电磁脉冲电压、电流可以使通信等设备瞬间击穿或烧毁，因此迫切需要对该频段电子设备进行高功率微波防护。
高功率微波主要通过天线(主要有反射面天线、无源阵列天线、有关相控阵天线)耦合进入接收机前端，由于高功率微波频率往往处于敏感电子设备的工作频带以内，其将从天线处获得很高的增益，而且无法使用滤波器将微波脉冲能量滤除，进入设备内部的高功率微波脉冲产生的危害最大，其引起的高电压、大电流将使敏感电子设备遭受严重的损坏。为使L、S、C波段的雷达、通讯设备具有抗高功率微波脉冲的能力，需要在高功率微波脉冲进入电子设备天线前(很多微波设备的天线均为有源天线，其有源模块同样会遭受高功率微波的损坏)对其进行衰弱或反射。
目前，雷达的防护主要利用天线后端的限幅器对大功率信号进行限幅，但是其无法对高功率微波进行防护，理由如下：首先，限幅器一般使用气体放电管等防护器件的击穿起到防护的作用，其响应时间在数十ns以上，无法对ns级上升沿时间的高功率微波产生防护；其次，高功率微波经过大面阵天线的反射、叠加增益后，瞬时功率上升数个量级，限幅器可能被损坏；另外，很多敏感设备天线均为有源天线，高功率微波在限幅器产生作用前可能已经导致有源天线的损坏。
到目前为止，还没有专门针对高功率微波的防护设备。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：针对高功率微波的防护提供一种高功率微波脉冲防护罩，适用于L，S，C频段的通信设备。
本发明为解决上述技术问题所采取的技术方案为：一种高功率微波脉冲防护罩，其特征在于：它包括至少2层带通频率选择板，相邻的带通频率选择板互相平行且之间充满加载介质；每块带通频率选择板为导电板，并分布有周期性的小单元，每个小单元刻蚀有镂空花纹，镂空花纹将小单元分割为相互分离的至少2个导电区域，同一小单元内或不同小单元之间相互分离的导电区域之间焊接有至少1个瞬态抑制二极管。
按上述方案，所述的加载介质的厚度大于等于λr/20，小于等于λr/4，加载介质介电常数小于5，其中λr为高功率微波脉冲防护罩通带频率电磁波在加载介质中的波长。为了减小阻抗不匹配引起的插入损耗，加载介质介电常数不能过大，一般设定其小于5。
按上述方案，所述的加载介质为空气，相邻的带通频率选择板之间通过支架连接。
按上述方案，所述的带通频率选择板为刻蚀铜敷板，最外层的铜敷板外侧设有固定介质。
按上述方案，所述的固定介质为PCB板的衬底。
按上述方案，所述的各瞬态抑制二极管的附加电容相同，且附加电容大于0.5pF，小于100pF。选择不同附加电容的瞬态抑制二极管可以改变频率选择板的通带频率，因此可根据本防护罩的应用领域进行选择。
按上述方案，所述的瞬态抑制二极管的击穿电压大于发射场在防护罩瞬态抑制二极管两端引起的感应电压，且小于高功率微波脉冲峰值电场引起的感应电压；发射场为高功率微波脉冲防护罩保护的通信、雷达设备发射的电磁场，高功率微波脉冲峰值电场为高功率微波脉冲防护罩抵御的高功率微波脉冲引起的峰值电场。
按上述方案，所述的瞬态抑制二极管在各周期性的小单元上的位置相同。
按上述方案，所述的周期性的小单元为边长范围为5-30mm的正多边形。
本发明的工作过程为：当照射本防护罩的微波振幅较小时，TVS管(即瞬态抑制二极管)两端感应电压较小，未达到TVS管的导通电压，TVS管的电磁特性表现为多层带通频率选择板的加载电容(pF量级，由TVS管自身的附加电容引起)。当照射本防护罩的微波脉冲(即高功率微波脉冲防护罩抵御的强电磁波)功率达到一定量级时，引起的感应电压足以导通TVS管，TVS管的电磁特性此时表现为小阻抗导线，其电容特性消失，带通频率选择板的通带频率由于TVS管附加电容的消失发生明显的移动，原来的通带变为阻带，原通带频率的高功率微波脉冲被反射，敏感电子设备(即高功率微波脉冲防护罩保护的通信设备)得到了保护。当高功率微波脉冲消失后，感应电压消失，TVS电容特性恢复。频率选择板的回复到原有通带，敏感电子设备继续正常工作。
本发明所述的高功率微波脉冲是指瞬间功率超过10KW的微波脉冲。
本发明的有益效果为：
1、在不同功率微波信号下表现出的不同电磁特性(小信号时为电容，击穿后为导线)，使其能够在不影响正常小信号传输的前提下，将高功率微波脉冲电磁波挡在防护罩外部，避免高功率微波脉冲进入敏感电子设备内部产生破坏。
2、利用TVS管的电容加载特性，明显的减小了带通频率选择板各小单元的面积以及各小单元之间的距离，极大的提高了由于单元间散射电磁波相互叠加引起栅瓣的频率，减小了栅瓣对带通频率选择板通带特性(不同极化和入射角)的影响。
3、TVS管的电容加载增大了带通频率选择板一阶谐振频率和二阶谐振频率之间的频率间隔，使得二阶谐振频率落在敏感电子设备的多阶(三阶以上)谐波以外，带通频率选择板对敏感电子设备的低阶(二阶、三阶)谐波有明显的滤波效果，减小了电子设备之间的相互干扰。
4、TVS管加载带通频率选择板明显减小了频率选择板的3dB带宽，使得其通带矩形系数更小，带外抑制更加明显。
5、由于本防护罩是在高功率微波进入天线前对其能量进行分散防护，对每个防护器件的功率容量要求较小，普通的小功率TVS管即可胜任，此时其附加电容较小，对正常信号传输的影响不大。
6、使用的TVS管响应时间短(1ns以下)，高功率微波脉冲经过该防护罩后残余能量非常小，防护效果好。
附图说明
图1为本发明一实施例的侧视图。
图2为本发明一实施例的结构示意图。
图3为每个小单元的构成图。
图4为又一实施例每个小单元的构成图。
图5为仿真得到的小功率和高功率微波照射防护罩时不同频率电磁波的传导系数S21分布图。
具体实施方式
图1为本发明一实施例的侧视图，它包括至少2层带通频率选择板，相邻的带通频率选择板互相平行且之间充满加载介质；每块带通频率选择板为导电板，并分布有周期性的小单元。本实施例中选用2块PCB板的铜敷板作为带通频率选择板，即图中4和5；图中1、3为固定介质，本实施例采用PCB板的衬底作为固定介质，使得1和4构成完整的PCB板、5和3构成完整的PCB板，固定介质的作用为固定带通频率选择板，由于铜敷板非常薄，若无固定介质非常容易变形，变形后必将影响响应特性；4和5之间为加载介质2，由于加载介质2需要选用介电常数小，厚度适中(本实施例中D2等于λr/4，λr为高功率微波脉冲防护罩通带频率电磁波在加载介质中的波长)的介质材料，可选用符合要求的材料，如泡沫材料、空气、低介电常数的PCB衬底材料等。利用介质常数与2相同的胶水将2、4、5粘在一起，也可以制作特定支架将它们固定，D1、D3分别为固定介质1、3的厚度，D2为加载介质2的厚度。带通频率选择板的层数与防护罩的高功率微波衰减倍数相关，但多层频率选择板将引起更大的带内插入损耗防护罩的制作难度，可根据需要设定其层数。
图2为本发明一实施例的结构示意图，其中带通频率选择板4、5分布有周期性的小单元，每个小单元刻蚀有镂空花纹，镂空花纹将小单元分割为相互分离的至少2个导电区域，同一小单元内或不同小单元之间相互分离的导电区域之间焊接有至少1个瞬态抑制二极管。ε1、ε2、ε3分别表示上层PCB板的衬底介质、中间加载介质和下层PCB板衬底介质的介电常数。
本实施例中每个小单元为边长为Dx＝Dy的正方形，如图3所示，内刻蚀有圆环形的镂空花纹，圆环形的镂空花纹将小单元分为内外2个导电区域，圆环形镂空花纹上对称布置4个瞬态抑制二极管6，每个瞬态抑制二极管6连接内外2个导电区域。
其中镂空花纹可为将小单元分割为相互分离的至少2个导电区域的任意形状，例如图4所示的方环形等，每个小单元的镂空花纹相同，并在相互分离的导电区域之间加载TVS管6，TVS管6在各小单元上的位置相同。
图5为由TVS管加载带通频率选择板(2层PCB铜敷板，固定介质为介电常数为1.96、厚度为7mm的PCB板衬底，加载介质为介电常数为1.1、厚度为13.9mm的泡沫板，小单元边长13mm，小单元内的镂空花纹为方环，方环的外边长为5.47mm、内边长为4.85mm，TVS管加载在方环的四个顶点)构成的强电磁脉冲防护罩受到设备通带频段内高功率微波脉冲照射前后的S21参数仿真结果，仿真结果显示，在高功率微波作用下，原3.3GHz附近通带变为阻带，高功率微波大部分被反射，防护罩防护效果约为40dB。

Claims (9)

1.一种高功率微波脉冲防护罩，其特征在于：它包括至少2层带通频率选择板，相邻的带通频率选择板互相平行且之间充满加载介质；每块带通频率选择板为导电板，并分布有周期性的小单元，每个小单元刻蚀有镂空花纹，镂空花纹将小单元分割为相互分离的至少2个导电区域，同一小单元内或不同小单元之间相互分离的导电区域之间焊接有至少1个瞬态抑制二极管。
2.根据权利要求1所述的高功率微波脉冲防护罩，其特征在于：所述的加载介质的厚度大于等于λr/20，小于等于λr/4，加载介质介电常数小于5，其中λr为高功率微波脉冲防护罩通带频率电磁波在加载介质中的波长。
3.根据权利要求2所述的高功率微波脉冲防护罩，其特征在于：所述的加载介质为空气，相邻的带通频率选择板之间通过支架连接。
4.根据权利要求1或2或3所述的高功率微波脉冲防护罩，其特征在于：所述的带通频率选择板为刻蚀铜敷板，最外层的铜敷板外侧设有固定介质。
5.根据权利要求4所述的高功率微波脉冲防护罩，其特征在于：所述的固定介质为PCB板的衬底。
6.根据权利要求1所述的高功率微波脉冲防护罩，其特征在于：所述的各瞬态抑制二极管的附加电容相同，且附加电容大于0.5pF，小于100pF。
7.根据权利要求1或6所述的高功率微波脉冲防护罩，其特征在于：所述的瞬态抑制二极管的击穿电压大于发射场在防护罩瞬态抑制二极管两端引起的感应电压，且小于高功率微波脉冲峰值电场引起的感应电压；发射场为高功率微波脉冲防护罩保护的通信、雷达设备发射的电磁场，高功率微波脉冲峰值电场为高功率微波脉冲防护罩抵御的高功率微波脉冲引起的峰值电场。
8.根据权利要求1或6所述的高功率微波脉冲防护罩，其特征在于：所述的瞬态抑制二极管在各周期性的小单元上的位置相同。
9.根据权利要求1所述的高功率微波脉冲防护罩，其特征在于：所述的周期性的小单元为边长范围为5-30mm的正多边形。
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