CN105182295A - 相控阵雷达强电磁脉冲防护罩 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种相控阵雷达强电磁脉冲防护罩，包括一个以上的防护层和位于防护层两侧的支撑结构层；防护层包括频选层、加载在频选层上的半导体二极管、与雷达发射机连接的直流偏压模块，直流偏压模块与频选层连接；频选层包括上导电层、基板和下导电层，所述上导电层包括上导电层单元；下导电层包括下导电层单元；上导电层单元包括金属方框，金属方框内设有四个方形金属片，相邻金属片间设有矩形金属片；每个上导电层单元上有16个所述的半导体二极管；其中，8个半导体二极管位于矩形金属片与方形金属片之间，8个半导体二极管位于方形金属片与金属方框之间；下导电层单元包括十字金属片。本发明能对相控阵雷达进行有效防护。

Description

相控阵雷达强电磁脉冲防护罩

技术领域

本发明属于强电磁脉冲防护技术领域，具体涉及一种相控阵雷达强电磁脉冲防护罩，该防护罩在不影响雷达正常工作前提下，可用于各种L、S、C频段相控阵雷达的强电磁脉冲防护。

背景技术

随着电磁脉冲技术的发展，强电磁脉冲武器(含宽带超宽带电磁脉冲和窄带高功率微波脉冲)技术逐步实用于装备。目前，由于相控阵雷达超强的多目标探测能力使得雷达相控阵化已经成为电子信息装备的一大发展趋势。随着相控阵雷达探测能力的不断增强，相控阵雷达接收机敏感度不断提高，相控阵雷达受到强电磁脉冲的巨大威胁。由于强电磁脉冲超高的瞬时峰值功率，相控阵雷达接收机射频前端内常规的脉冲防护限幅元件自身就会损坏。

然而，由于相控阵雷达一般由数千个收发单元构成，分别针对每一个收发单元开展强电磁脉冲防护设计不仅难度大，且成本也将非常昂贵。其次，由于收发单元自身体积极小，且各功能模块高度集成，因此可运用于强电磁脉冲防护设计的区域非常小。另外，由于强电磁脉冲超高的峰值功率，采用常规脉冲防护二极管(含PIN二级管、限幅二极管等)的功率承受能力不足以对强电磁脉冲进行有效防护，亦即传统接收通道防护方法已无法对强电磁脉冲进行有效防护，需采用天线口面的空间防护方法对相控阵雷达进行防护。

公开号102437399A，公开日2012-05-02，专利名称为一种高功率微波脉冲防护罩的专利公开了一种防护罩，该防护罩能对较低功率电子设备天线进行强电磁脉冲防护。然而由于该防护罩的防护启动场强较小，仅能够用于对小功率收发通信等设备进行强电磁脉冲防护。当将其运用到大功率雷达(例如相控阵雷达)强电磁脉冲防护时，在大功率雷达的发射周期内，高场强发射电磁波自身就可以导致防护罩的防护机制被启动，导致防护罩的原通带频率消失，电子设备的发射电磁波无法穿透防护罩，进而雷达设备无法正常工作。因此我们迫切需要对相控阵雷达进行强电磁脉冲防护。

发明内容

本发明旨在解决现有低功率设备强电磁脉冲防护罩由于防护启动场强低，无法对相控阵雷达进行有效防护的问题，提出了一种适应相控阵雷达的防护启动场强能够跟随相控阵雷达收发周期同步变化的相控阵雷达强电磁脉冲防护罩。该相控阵雷达强电磁脉冲防护罩在雷达的发射周期和接收周期分别拥有不同的防护启动场强。在雷达发射周期内，防护罩的防护启动场强稍大于雷达发射场强，此时雷达发射电磁波能够正常穿过防护罩，虽然外部攻击电磁脉冲波也能穿过防护罩，但是在雷达发射周期内，天线单元与收发模块中的发射模块联通而与接收模块断开，由于发射模块为大功率器件，其电磁脉冲敏感度低，无需进行电磁脉冲防护；而在相控阵雷达的接收周期内，此时防护罩的防护启动场强变得远小于雷达接收机的电磁脉冲损伤场强，防护罩的防护机制启动，在电磁脉冲攻击下，防护罩能够对天线接收模块进行有效防护。

本发明的技术方案是：一种相控阵雷达强电磁脉冲防护罩，包括一个以上的防护层和位于防护层两侧的支撑结构层；

所述防护层包括频选层、加载在频选层上的超快响应半导体二极管(可达ns量级)、与雷达发射机连接的直流偏压模块，所述直流偏压模块与频选层连接；

所述频选层包括上导电层、基板和下导电层，所述上导电层包括一个以上的上导电层单元，所述上导电层单元沿水平与垂直方向排列，且相邻上导电层单元的边缘连接在一起；所述下导电层包括一个以上的下导电层单元，所述下导电层单元沿水平与垂直方向排列，且相邻下导电层单元的边缘连接在一起；

所述上导电层单元包括一个金属方框，该金属方框与上导电层单元的边缘重合，所述金属方框内设有分别位于金属方框内角落处的四个方形金属片，所述四个方形金属片的四边与金属方框的框边平行，相邻方形金属片间设有矩形金属片(每个上导电层单元有4个矩形金属片)；每个上导电层单元上有16个所述的半导体二极管；其中，8个半导体二极管位于矩形金属片与方形金属片之间，半导体二极管的正极与矩形金属片连接，半导体二极管的负极与方形金属片连接；8个半导体二极管位于方形金属片与金属方框之间，半导体二极管的正极与方形金属片连接，半导体二极管的负极与金属方框连接；

所述下导电层单元包括一个十字金属片，十字金属片的边缘与下导电层单元的边缘重合；十字金属片与矩形金属片间存在导电过孔，实现上导电层的矩形金属片与下导电层十字金属片之间的电连接。

在相控阵雷达的接收周期内，直流偏压模块的输入端无偏压信号，其输出端电压为零，此时相控阵雷达强电磁脉冲防护罩处于防护状态，由于此时雷达处于接收状态，雷达自身回拨信号远小于防护罩的防护启动场强，接收电磁波可以正常的穿透防护罩。而在强电磁脉冲场攻击下，由于强电磁脉冲的场强大于防护罩的防护启动场强，防护罩即可对强电磁脉冲进行有效防护。在雷达发射周期内，直流偏压模块在半导体二极管上施加了较大的负向偏压，上述负向偏压可以将防护罩的防护启动场强提高到KV/m，此时发射电磁波无法启动防护罩的防护机制，防护罩原来的通带仍然存在，发射电磁波可以正常穿透防护罩。

更进一步的方案是：所述直流偏压模块包括输入端和输出端，所述输入端接收雷达发射机发射的序列信号，所述输出端输出－0.5V～－20V的负偏压信号，直流偏压模块输出端的正极连接在上导电层上，直流偏压模块输出端的负极连接到下导电层上，将上述－0.5V～－20V负向直流偏压加载到每个半导体二极管上。

更进一步的方案是：所述防护层有两个，依次层叠；外层防护层选用大功率承受能力的半导体二极管，内层防护层选用低导通电压的半导体二极管；外层防护层的防护残余场强小于内层防护层的功率承受力。

更进一步的方案是：所述金属方框的四个框边的宽度相同，四个方形金属片的大小相同，相邻方形金属片间的缝隙宽度大于金属方框框边宽度的两倍；各矩形金属片位于相邻方形金属片间的缝隙中心处；十字金属片的厚度为金属方框框边宽度的两倍。

更进一步的方案是：所述支撑结构层包括玻璃钢蒙皮和泡沫层，此时相控阵雷达强电磁脉冲防护罩依次为玻璃钢蒙皮、泡沫层、防护层、泡沫层、玻璃钢蒙皮，支撑结构层的主要作用是保护防护罩内的防护层电路不受到外界温湿度等环境影响，并起到结构支撑的作用。

更进一步的方案是：所述半导体二极管为单向半导体二极管(可以为肖特基二极管或PIN二极管)。

更进一步的方案是：直流偏压模块为雷达收发周期同步直流偏压模块，它包括输入端和输出端，其中输入端信号来自相控阵雷达收发单元发射模块中的发射序列信号，直流偏压模块根据上述信号产生一个－0.5V～－20V的负偏压信号，将雷达收发周期同步直流偏压模块输出端的正极连接在频选层的上导电层，而将其负极连接到频选层的下导电层，将上述－0.5V～－20V负向直流偏压加载到每个半导体二极管上。

本发明产生的有益效果是：

1、根据相控阵雷达辐射电磁场强选择直流偏压模块的输出电压，使得防护罩防护启动场强稍大于相控阵雷达自身辐射场强，使得防护罩的防护能力达到最大；

2、采用频选层可以直接利用频选材料自身的金属结构作为直流偏置网络，避免了额外的偏置网络层对防护罩插入损耗的影响；

3、由于每个上导电层单元内都存在16个半导体二极管，所以整个防护罩内的半导体二极管可以达数十万量级，由于各二级管相互并联，防护罩的功率承受能力相比于单个二极管提高了4～6个数量级，防护罩的防护能力强；

4、采用多层防护层设计方案，多个防护层层叠共同构成防护罩，对各防护层选取合适的防护元件和偏置电压，可以使得各防护层的功率承受能力和防护启动场强相互级联；具体方法是外防护层选用大功率承受能力的二极管作为防护元件，内防护层选用低导通电压的二极管作为防护元件，并保持外层防护残余场强小于内防护层的功率承受能力；采用上述多层防护层设计方案是为了进一步提高防护罩的防护能力；

5、本发明能对相控阵雷达及其他大功率收发设备进行有效防护。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是本发明相控阵雷达强电磁脉冲防护罩的立体结构示意图；

图2是本发明相控阵雷达强电磁脉冲防护罩的侧视结构示意图；

图3是上导电层的局部结构示意图及半导体二极管的加载方式图；

图4是下导电层的局部结构示意图。

图中：1、频选层，2、直流偏置模块，3、玻璃钢蒙皮，4、泡沫层，5、雷达发射机，11、上导电层，12、下导电层，13、半导体二极管，111、方形金属片，112、金属方框，113、矩形金属片，114、金属过孔，115、十字金属片，6、上导电层单元，7、下导电层单元。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

参见图1-图4，一种相控阵雷达强电磁脉冲防护罩，包括一个防护层和位于防护层两侧的支撑结构层；

所述防护层包括频选层1、加载在频选层1上的超快响应半导体二极管13(可达ns量级)、与雷达发射机5连接的直流偏压模块2，所述直流偏压模块2与频选层1连接；所述半导体二极管13为单向半导体二极管，可以为肖特基二极管或PIN二极管；

所述支撑结构层包括玻璃钢蒙皮3和泡沫层4，此时相控阵雷达强电磁脉冲防护罩依次为玻璃钢蒙皮3、泡沫层4、防护层、泡沫层4、玻璃钢蒙皮3，支撑结构层的主要作用是保护防护罩内的防护层电路不受到外界温湿度等环境影响，并起到结构支撑的作用；

所述频选层1依次包括上导电层11、基板和下导电层12，所述上导电层11包括一个以上的上导电层单元6，所述上导电层单元6沿水平与垂直方向排列，且相邻上导电层单元6的边缘连接在一起；所述下导电层12包括一个以上的下导电层单元7，所述下导电层单元7沿水平与垂直方向排列，且相邻下导电层单元7的边缘连接在一起；

所述直流偏压模块2为雷达收发周期同步直流偏压模块，它包括输入端和输出端，其中输入端信号来自相控阵雷达收发单元发射模块中的发射序列信号，直流偏压模块2根据上述信号产生一个－0.5V～－20V的负偏压信号，所述输出端输出－0.5V～－20V的负偏压信号，直流偏压模块2输出端的正极连接在上导电层上，直流偏压模块输出端的负极连接到下导电层上，将上述－0.5V～－20V负向直流偏压加载到每个半导体二极管13上；

所述上导电层单元6包括一个框边宽度相同的金属方框112，该金属方框112与上导电层单元6的边缘重合，所述金属方框112内设有分别位于金属方框113内角落处的四个大小相同的方形金属片111，所述四个方形金属片111的四边与金属方框112的框边平行，相邻方形金属片111间的缝隙宽度大于金属方框112框边宽度的两倍；所述相邻方形金属片111间设有矩形金属片113，即每个上导电层单元6有4个矩形金属片113，每个矩形金属片113位于相邻方形金属片111间的缝隙中心处；每个上导电层单元6上有16个所述的半导体二极管13；其中，8个半导体二极管13位于矩形金属片113与方形金属片111之间，半导体二极管13的正极与矩形金属片113连接，半导体二极管13的负极与方形金属片111连接；8个半导体二极管13位于方形金属片111与金属方框112之间，半导体二极管13的正极与方形金属片111连接，半导体二极管13的负极与金属方框112连接；

所述下导电层单元7包括一个十字金属片115，十字金属片115的边缘与下导电层单元7的边缘重合，十字金属片7的厚度为金属方框112框边宽度的两倍；十字金属片115与矩形金属片113间存在导电过孔114，实现上导电层11的矩形金属片113与下导电层12的十字金属片115之间的电连接。

在相控阵雷达的接收周期内，直流偏压模块2的输入端无偏压信号，其输出端电压为零，此时相控阵雷达强电磁脉冲防护罩处于防护状态，由于此时雷达处于接收状态，雷达自身回拨信号远小于防护罩的防护启动场强，接收电磁波可以正常的穿透防护罩。而在强电磁脉冲场攻击下，由于强电磁脉冲的场强大于防护罩的防护启动场强，防护罩即可对强电磁脉冲进行有效防护。在雷达发射周期内，直流偏压模块在半导体二极管上施加了较大的负向偏压，上述负向偏压可以将防护罩的防护启动场强提高到KV/m，此时发射电磁波无法启动防护罩的防护机制，防护罩原来的通带仍然存在，发射电磁波可以正常穿透防护罩。

为了更好的进行防护，所述的防护层可以有多个，依次层叠。且保证外层防护层选用大功率承受能力的半导体二极管，内层防护层选用低导通电压的半导体二极管，外层防护层的防护残余场强小于内层防护层的功率承受力。

如图1和图2所示，1为频选层，为整个防护罩的防护功能层；2为直流偏置模块，用于对频选层1内的加载的半导体二极管13提供直流偏压，进而改变整个防护层的防护启动场强；3为防护罩支撑结构层中的玻璃钢蒙皮，主要用于保护保护罩内各层结构不受到环境的影响；4为泡沫层，用于对为保护罩的玻璃蒙皮层和防护层提供阻抗匹配。

图3为上导电层的局部结构示意图及半导体二极管13加载方式图，图4为下导电层的局部结构示意图；基板位于上下导电层之间的，图3中虚线框内的区域即为一个上导电层单元，每个上导电层单元上加载16个。

根据相控阵雷达的工作频段，采用如图3和图4所示的上导电层11和下导电层12，完成电可控有源频率选择表面各金属结构的尺寸设计和半导体二极管的选取，使得该有源频率选择表面的通频带与被防护相控阵雷达的工作频段重合。在频选层上预留直流偏压信号的加载焊接点。

本发明能够根据相控阵雷达发射时间序列信号切换偏置电压的直流偏置模块2，即在雷达发射周期内，直流偏压模块2产生负的偏压信号，在雷达接收周期内无偏压，将上述直流偏压模块2产生的直流偏压信号焊接在频选层上预留的偏置信号加载点上。

选取低损耗的玻璃钢蒙皮材料和泡沫层材料，通过改变玻璃钢蒙皮和泡沫层的厚度实现整个防护罩的阻抗匹配，使其对电子设备正常信号的插入损耗最小。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (5)

1.一种相控阵雷达强电磁脉冲防护罩，其特征在于：包括一个以上的防护层和位于防护层两侧的支撑结构层；

所述防护层包括频选层、加载在频选层上的半导体二极管、与雷达发射机连接的直流偏压模块，所述直流偏压模块与频选层连接；

所述频选层包括上导电层、基板和下导电层，所述上导电层包括一个以上的上导电层单元，所述上导电层单元沿水平与垂直方向排列，且相邻上导电层单元的边缘连接在一起；所述下导电层包括一个以上的下导电层单元，所述下导电层单元沿水平与垂直方向排列，且相邻下导电层单元的边缘连接在一起；

所述上导电层单元包括一个金属方框，所述金属方框内设有四个方形金属片，所述四个方形金属片的四边与金属方框的四边平行，所述相邻方形金属片间设有矩形金属片；每个上导电层单元上有16个所述的半导体二极管；其中，8个半导体二极管位于矩形金属片与方形金属片之间，半导体二极管的正极与矩形金属片连接，半导体二极管的负极与方形金属片连接；8个半导体二极管位于方形金属片与金属方框之间，半导体二极管的正极与方形金属片连接，半导体二极管的负极与金属方框连接；

所述下导电层单元包括一个十字金属片，十字金属片的边缘与下导电层单元的边缘重合；所述十字金属片通过金属过孔与矩形金属片连通。

2.根据权利要求1所述的相控阵雷达强电磁脉冲防护罩，其特征在于：所述直流偏压模块包括输入端和输出端，所述输入端接收雷达发射机发射的序列信号，所述输出端输出－0.5V～－20V的负偏压信号，直流偏压模块输出端的正极连接在上导电层上，直流偏压模块输出端的负极连接到下导电层上，将上述－0.5V～－20V负向直流偏压加载到每个半导体二极管上。

3.根据权利要求1所述的相控阵雷达强电磁脉冲防护罩，其特征在于：所述防护层有两个，依次层叠；外层防护层选用大功率承受能力的半导体二极管，内层防护层选用低导通电压的半导体二极管；外层防护层的防护残余场强小于内层防护层的功率承受力。

4.根据权利要求1所述的相控阵雷达强电磁脉冲防护罩，其特征在于：所述金属方框的四个框边的宽度相同，四个方形金属片的大小相同，相邻方形金属片间的缝隙宽度大于金属方框框边宽度的两倍；矩形金属片位于相邻方形金属片的中心；十字金属片的厚度为金属方框框边宽度的两倍。

5.根据权利要求1所述的相控阵雷达强电磁脉冲防护罩，其特征在于：所述支撑结构层包括玻璃钢蒙皮和泡沫层。