CN106849972B - 一种电磁脉冲防护装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及电磁防护领域，目的在于提供一种电磁脉冲防护装置，包括第一级防护装置、射频开关、第二级防护装置、第一单刀双掷开关、保护装置和第二单刀双掷开关，第一级防护装置包括波导等离子体限幅器和宽带滤波器，第二级防护装置包括限幅器组件，保护装置包括陷波器组件，天线接口、第一级防护装置、第二级防护装置和保护装置通过射频电缆依次相连，第一单刀双掷开关和第二单刀双掷开关连接后与陷波器组件并联，第一单刀双掷开关与限幅器组件相连，第二单刀双掷开关与接收前端相连。本发明的有益效果在于：对强电磁脉冲、设备之间高电平信号干扰的同时抑制，并且保证在干扰信号频点和带宽已知的情况下，射频系统仍然能够继续工作的功能。

Description

一种电磁脉冲防护装置

技术领域

本发明涉及电磁防护领域，特别涉及一种在复杂电磁环境下可以对强电磁脉冲进行防护的装置。

背景技术

随着电磁脉冲技术的发展，电磁脉冲辐射场强达到数百kV/m，脉冲上升时间为ns级别，在通信等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；雷击脉冲的半衰点频率500Hz，而电磁脉冲的半衰点频率为1MHz；因此，电磁脉冲产生的不仅是瞬态高能量冲击的问题，而且还同时产生高频、高强度的电磁干扰问题，需要对通信电子设备进行强电磁脉冲防护。

目前电磁防护的思想主要是屏蔽，滤波器以及接地等技术，已知的电磁防护系统受到原理和器件性能的制约，在防护中均存在响应时间不够快的问题，对于脉冲上升沿较短的高能电磁脉冲就基本失去了防护功能，为此，如何提升系统的响应时间，保证电磁脉冲的能量得到最大程度的衰减是目前研究的难题。

近来出现了一些电磁脉冲防护方法，其主要原理如图1所示。主要构想是通过加入延时电路延缓信号传播，从而在信号到达开关之前检测电路就已经做出判断并关闭开关，达到脉冲防护的目的。可是延时电路往往会带入较大的插入损耗，影响整机的性能，对之后通信系统的性能造成极大的影响。因此，亟需一种提升系统的响应时间，保证电磁脉冲的能量得到最大程度衰减的电磁脉冲综合防护的方法。

发明内容

本发明的目的在于克服了上述缺陷，提供一种响应时间快，抑制度高，插入损耗小的电磁脉冲防护装置。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方法为：

一种电磁脉冲防护装置，其特征在于：包括依次连接的第一级防护装置、射频开关、第二级防护装置、第一单刀双掷开关、保护装置和第二单刀双掷开关；

所述第一级防护装置包括波导等离子体限幅器和宽带滤波器，所述第二级防护装置包括限幅器组件，所述保护装置包括陷波器组件；

外设的天线接口和所述的波导等离子体限幅器、宽带滤波器、射频开关和限幅器组件通过射频电缆依次相连，所述陷波器组件连接于所述第一单刀双掷开关和第二单刀双掷开关之间，所述第一单刀双掷开关与限幅器组件相连，所述第二单刀双掷开关与接收机的接收前端相连；

所述第一级防护装置用于抑制从天线接口进入的强电磁脉冲干扰，所述第二级防护装置用于将流经波导等离子体限幅器和宽带滤波器后的高电平干扰信号进行衰减，所述保护装置用于将流经波导等离子体限幅器和宽带滤波器的信号进行调谐。

进一步的，所述波导等离子体限幅器所填充的气体为以下的一种：He、Ne、Ar、Xe，所述气体的气体压强为0.01-1torr，所述气体的击穿场强为103-106V/m。

进一步的，所述波导等离子体限幅器的频率为100-10000兆赫兹。

进一步的，所述宽带滤波器为宽带的腔体滤波器，所述宽带滤波器为梳状或管状。

进一步的，所述限幅器组件包括超导限幅器，所述超导限幅器由两个限幅器通过线缆串联而成，所述超导限幅器置于低温真空环境下工作。

进一步的，所述陷波器组件包括滤波器和步进电机，所述滤波器为机械调谐的带阻滤波器，所述步进电机的电源输出端与滤波器的电源两端相连。

本发明的有益效果在于：波导等离子体限幅器抑制了强电磁脉冲的干扰，对被保护电路起到第一次衰减防护作用；宽带滤波器滤除了其他系统对于自身系统的干扰，同时衰减了超宽带电磁脉冲干扰的能量；利用限幅器损耗小且响应时间快的特性，避免使用会引入大插损的延时电路，减小了电磁防护模块引入的损耗，实现了对系统影响的最小化，同时对漏过波导等离子体限幅器外的脉冲信号进行第二次衰减防护作用，保护了被保护电路；基于超导的特性，可以在电路设计上更加灵活，增加多个限幅电路等并不会对防护模块的损耗特性产生太大的影响，防护能力调节更自由；通过陷波器组件，实现对已知干扰的抑制，保障了通讯过程不受到自身干扰的影响，实现对被保护电路的第三层保护作用；本发明实现了对强电磁脉冲、设备之间高电平信号干扰的同时抑制，并且保证在干扰信号频点和带宽已知的情况下，射频系统仍然能够继续工作的功能。

附图说明

图1是现有电磁脉冲防护模块的原理示意图。

图2是本发明实施例电磁脉冲防护装置的原理示意图。

图3是本发明实施例电磁脉冲防护装置的超导限幅器组件实现方式示意图。

具体实施方式

为详细说明本发明的技术内容、构造特征、所实现目的及效果，以下结合实施方式并配合附图详予说明。

本发明最关键的构思在于：通过波导等离子体限幅器抑制强电磁脉冲干扰；通过宽带滤波器能滤除其他系统对于自身系统的干扰和衰减超宽带电磁脉冲干扰的能量；利用限幅器组件损耗小且响应时间快的特性，避免使用会引入大插损的延时电路；增加陷波器组件，实现对已知干扰的抑制，保障通讯过程不受到自身干扰的影响。

请参阅图2-3所示，本实施例的电磁脉冲防护装置，包括依次连接的第一级防护装置、射频开关、第二级防护装置、第一单刀双掷开关、保护装置和第二单刀双掷开关；

所述第一级防护装置包括波导等离子体限幅器和宽带滤波器，所述第二级防护装置包括限幅器组件，所述保护装置包括陷波器组件；

外设的天线接口和所述的波导等离子体限幅器、宽带滤波器、射频开关和限幅器组件通过射频电缆依次相连，所述陷波器组件连接于所述第一单刀双掷开关和第二单刀双掷开关之间，所述第一单刀双掷开关与限幅器组件相连，所述第二单刀双掷开关与接收机的接收前端相连；

所述第一级防护装置用于抑制从天线接口进入的强电磁脉冲干扰，所述第二级防护装置用于将流经波导等离子体限幅器和宽带滤波器后的高电平干扰信号进行衰减，所述保护装置用于将流经波导等离子体限幅器和宽带滤波器的信号进行调谐。

本发明的工作过程为：通过电磁脉冲防护装置实现对被保护电路的两次衰减防护和一次保护作用。

被保护电路的接线端传入的电磁脉冲以及设备间的干扰信号等，通过波导等离子体限幅器后，当进入波导等离子体限幅器的波导的功率足够大，波导内的场强达到击穿场强，电极之间会激发等离子体，隔断波导的传输途径，至少能提供40dB以上的隔离度；通过调节波导内的气压、填充不同的气体以及改进波导内的结构来调整波导等离子体限幅器的开启场强；波导等离子体限幅器启动后，将射频信号进行全反射，对传输信号产生40dB的衰减，这样，可以通过波导等离子体限幅器，实现对强电磁脉冲干扰的第一级衰减防护作用；当进入波导等离子体限幅器的波导的功率不足以触发波导等离子体限幅器防护工作，则射频信号直接进入后续的防护保护工序。

在波导等离子体限幅器后设置宽带滤波器，选出系统所需要的工作频段；通过滤波器的中心频率以及带宽根据需要实际的频率分段确定，保证滤除有用信号频段以外的各种干扰信号。

由于波导等离子体限幅器的击穿场强值较大，在波导等离子体限幅器在开启之前可能有一部分功率已经漏过，在启动之前漏过的脉冲信号，形成一个脉冲尖峰，此时强电磁脉冲信号处于幅度上升过程，漏过去的信号电平幅度不会太大，限幅器组件可对漏过来的尖脉冲进行隔离，实现对流经波导等离子体限幅器和宽带滤波器的高电平干扰信号的二次衰减防护护作用。限幅器组件不需要任何检测电路，只要输入功率大于设计的阈值，即可以在几纳秒的时间内进入限幅状态，一旦大电平信号消失，则可以在几纳秒的时间内恢复超导态，实际应用中根据需要设计限幅器组件输入功率电平值，就可以对后面的接收机射频前端进行保护。

超导材料具有迈斯纳效应，本身就是天然的优良限幅器。限幅器内的超导材料，即一段具有一定功率容量的微带传输线，其宽度与介电常数等决定了能够限幅的量，然后通过阻抗变换器与外部的50欧姆线相连。当施加在超导材料上面的射频信号功率较大，使得超导材料表面的表面磁场超过其阈值时，超导材料就失去超导特性，呈现开路状态。限幅器组件的实现过程如图3所示，通过外部电源及控制系统，控制制冷机上的金属与外部电连接，或是将限幅器组件置于装有液氮的容器内，使得超导限幅器组件处在低温真空环境中，此时输入到限幅器组件中的超导电路就会被全反射，保证对接收机射频前端的保护。

考虑到陷波器组件调谐期间，设备不同天线之间或者外部复杂电磁环境对接收系统存在干扰甚至破坏，当调谐备妥后才将链路切换到陷波器组件上，保证了在各类设备工作时对于接收系统的防护，陷波器组件的阻带频率、阻带带宽以及阻带个数可以根据工作频段以内的干扰信号来确定，保证在干扰信号小于某一数值时，整个通信系统还能正常工作，实现了对被保护电路的第三次保护，陷波器组件的配置依据干扰能量的监测而跟随配置。

从上述描述可知，本发明的有益效果在于：波导等离子体限幅器抑制了强电磁脉冲的干扰；宽带滤波器滤除了其他系统对于自身系统的干扰，同时衰减了超宽带电磁脉冲干扰的能量；利用超导限幅器损耗小且响应时间快的特性，避免使用会引入大插损的延时电路，减小了电磁防护模块引入的损耗，实现了对系统影响的最小化；基于超导的特性，可以在电路设计上更加灵活，增加多个限幅电路等并不会对防护模块的损耗特性产生太大的影响，防护能力调节更自由；通过陷波器，实现对已知干扰的抑制，保障了通讯过程不受到自身干扰的影响；实现对强电磁脉冲、设备之间高电平信号干扰的同时抑制，并且保证在干扰信号频点和带宽已知的情况下，射频系统仍然能够继续工作的功能。

进一步的，所述波导等离子体限幅器所填充的气体为以下的一种：He、Ne、Ar、Xe，所述气体的气体压强为0.01-1torr，所述气体的击穿场强为103-106V/m。

进一步的，所述波导等离子体限幅器的频率为100-10000兆赫兹。

由上述描述可知，波导等离子体限幅器抑制强电磁脉冲对电子系统的攻击，保证在受到电磁攻击时关闭射频通道，强电磁脉冲信号不能进入接收机射频前端，当强电磁脉冲到来时，天线端口到接收机射频前端的隔离度大于60dB。

进一步的，所述宽带滤波器为宽带的腔体滤波器，所述宽带滤波器为梳状或管状。

由上述描述可知，宽带滤波器为宽带的腔体滤波器，腔体滤波器的功率容量较大，不像平面宽带滤波器易发生功率过载熔断的现象，宽带滤波器的频段可以根据系统所覆盖的频段来选定，如果系统的频段为400-800MHz，则宽带滤波器的频段则对应。

进一步的，所述限幅器组件包括超导限幅器，所述超导限幅器由两个限幅器通过线缆串联而成，所述超导限幅器置于低温真空环境下工作。

由上述描述可知，单个超导限幅器在限幅状态时的输入输出隔离度在40dB以上，为了保证大电平信号进入天线时天线端口到接收机射频前端输入端口的60dB以上的隔离度，采用两个超导限幅器串联，理论上可以达到80dB以上的隔离度；超导限幅器实质上是由一段超导材料的导线构成，其可以在液氮中工作，也可以在制冷机中工作，主要其工作温度要达到几十K的低温，否则失去超导特性。

进一步的，所述陷波器组件包括滤波器和步进电机，所述滤波器为机械调谐的带阻滤波器，所述步进电机的电源输出端与滤波器的电源两端相连。

由上述描述可知，滤波器为机械调谐的带阻滤波器，通过步进电机的机械转动，改变滤波器内部加载电容部分的结构，从而改变滤波器的中心频率，这样，就可以根据探测到大电平信号的个数、电平大小、频率以及带宽等信息调节阻带的带宽、频率以及阻带个数，实现对大电平干扰信号的抑制，并且对需要抑制的信号进行吸收，保证接收机射频前端正常工作，同时降低整个系统的噪声基底。

请参照图2-3所示，本发明的实施例一为：

一种电磁脉冲防护装置，包括依次连接的第一级防护装置、射频开关、第二级防护装置、第一单刀双掷开关、保护装置和第二单刀双掷开关；

所述第一级防护装置包括波导等离子体限幅器和宽带滤波器，所述第二级防护装置包括限幅器组件，所述保护装置包括陷波器组件；

外设的天线接口和所述的波导等离子体限幅器、宽带滤波器、射频开关和限幅器组件通过射频电缆依次相连，所述第一单刀双掷开关通过陷波器组件与第二单刀双掷开关连接，并且，所述第一单刀双掷开关另有一端直接连接所述第二单刀双掷开关；所述第一单刀双掷开关与限幅器组件相连，所述第二单刀双掷开关与接收机的接收前端相连；

所述波导等离子体限幅器和宽带滤波器组成的第一级防护装置用于抑制从天线接口进入的强电磁脉冲干扰和破坏，所述波导等离子体限幅器所填充的气体为以下的一种：He、Ne、Ar、Xe等，所述惰性气体的击穿场强随着气压的增大而减小，所述气体的气体压强P为0.01-1torr，击穿场强对应103-106V/m，根据需要防护的电磁脉冲的大小来设计，所述波导等离子体限幅器的频率为100-10000兆赫兹非工作频率的能量，所述宽带滤波器为宽带的腔体滤波器，所述宽带滤波器为管状，所述宽带滤波器的插损和驻波等指标根据系统的需求来设计；

所述限幅器组件组成的第二级防护装置用于将流经波导等离子体限幅器和宽带滤波器后的高电平干扰信号进行衰减，所述限幅器组件包括超导限幅器，所述超导限幅器实质上是由一段超导材料的导线构成，所述超导限幅器为两级超导限幅器，所述两级超导限幅器由两个超导限幅器通过线缆串联而成，所述超导限幅器置于低温真空环境下工作，即将超导限幅器置于液氮环境中工作，也可以在制冷机中工作；频率为100-10000兆赫兹非工作频率的能量通过限幅器组件，衰减掉带内的多余脉冲能量，实现对电磁脉冲进行第二层级的衰减防护；

所述陷波器组件组成的保护装置用于将流经波导等离子体限幅器和宽带滤波器的已知的带内干扰信号进行衰减，所述陷波器组件包括滤波器和步进电机，所述滤波器为机械调谐的带阻滤波器，所述步进电机用于调谐滤波器的频率；经过第二级衰减防护后的电磁脉冲进入陷波器组件后，陷波器组件的阻带频率、阻带带宽以及阻带个数可以根据工作频段以内的干扰信号来确定，保证在干扰信号小于某一数值时(例如30dBm)，整个通信系统还能正常工作，实现了对被保护电路的第三次保护；

目前电磁脉冲的防护装置针对大功率，短上升沿的脉冲防护能力较弱，主要是通过接地、屏蔽、滤波等方式来实现，对于宽频的短脉冲，一旦脉冲的频率包含了工作的频率，那么对于工作频率的防护就基本是没有的，而加装了本方案的装置，可以实现对脉冲能量至少60dB的衰减量，并且能够防护脉冲上升沿为2ns及以上的强电磁脉冲的冲击。

综上所述，本发明提供的电磁脉冲防护装置，波导等离子体限幅器抑制了强电磁脉冲的干扰，使得天线端口到接收机射频前端的隔离度大于60dB；滤波器滤除了其他系统对于自身系统的干扰，同时衰减了超宽带电磁脉冲干扰的能量；射频开关允许一定频段的信号通过，抑制低于或高于一定频段的信号、干扰和噪声，从而选出系统所需要的工作频段；宽带滤波器不仅能滤除其他系统对于自身系统的干扰，还能在很大程度上衰减超宽带电磁脉冲干扰的能量；利用限幅器组件损耗小且响应时间快的特性，避免使用会引入大插损的延时电路，减小了电磁防护模块引入的损耗，实现了对系统影响的最小化；基于超导的特性，可以在电路设计上更加灵活，增加多个限幅电路等并不会对防护模块的损耗特性产生太大的影响，防护能力调节更自由；输入到限幅器组件中的超导电路就会被全反射，保证对接收机射频前端的保护，理论上天线端口到接收机射频前端的隔离度可以达到80dB；通过陷波器组件，根据探测到大电平信号的个数、电平大小、频率以及带宽等信息调节陷波器组件的阻带带宽、频率以及阻带个数三个参数，保证最大输入射频信号电平小于30dBm时，电子系统仍然能够正常工作，实现对大电平干扰信号的抑制，并且对需要抑制的信号进行吸收，保证接收机射频前端正常工作，同时降低整个系统的噪声基底，实现对已知干扰的抑制，保障了通讯过程不受到自身干扰的影响；本发明实现了对强电磁脉冲、设备之间高电平信号干扰的同时抑制，并且保证在干扰信号频点和带宽已知的情况下，射频系统仍然能够继续工作的功能。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (6)

1.一种电磁脉冲防护装置，其特征在于：包括依次连接的第一级防护装置、射频开关、第二级防护装置、第一单刀双掷开关、保护装置和第二单刀双掷开关；

所述第一级防护装置包括波导等离子体限幅器和宽带滤波器，所述第二级防护装置包括限幅器组件，所述保护装置包括陷波器组件；

外设的天线接口和所述的波导等离子体限幅器、宽带滤波器、射频开关和限幅器组件通过射频电缆依次相连，所述第一单刀双掷开关通过陷波器组件与第二单刀双掷开关连接，并且，所述第一单刀双掷开关另有一端直接连接所述第二单刀双掷开关；所述第一单刀双掷开关与限幅器组件相连，所述第二单刀双掷开关与接收机的接收前端相连；

所述第一级防护装置用于抑制从天线接口进入的强电磁脉冲干扰，所述第二级防护装置用于将流经波导等离子体限幅器和滤波器后的高电平干扰信号进行衰减，所述保护装置用于将流经波导等离子体限幅器和宽带滤波器的信号进行调谐。

2.根据权利要求1所述的电磁脉冲防护装置，其特征在于：所述波导等离子体限幅器所填充的气体为以下的一种：He、Ne、Ar、Xe，所述气体的气体压强为0.01-1torr，所述气体的击穿场强为103-106V/m。

3.根据权利要求1或2所述的电磁脉冲防护装置，其特征在于：所述波导等离子体限幅器的频率为100-10000兆赫兹。

4.根据权利要求1所述的电磁脉冲防护装置，其特征在于：所述宽带滤波器为宽带的腔体滤波器，所述宽带滤波器为梳状或管状。

5.根据权利要求1所述的电磁脉冲防护装置，其特征在于：所述限幅器组件包括超导限幅器，所述超导限幅器由两个限幅器通过线缆串联而成，所述超导限幅器置于低温真空环境下工作。

6.根据权利要求1所述的电磁脉冲防护装置，其特征在于：所述陷波器组件包括滤波器和步进电机，所述滤波器为机械调谐的带阻滤波器，所述步进电机的电源输出端与滤波器的电源两端相连。