CN113097673B - 一种时域、频域集成式微波前端高功率微波保护装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种具有时域、频域集成式微波前端高功率微波保护装置，属于微波技术领域。该装置包括矩形波导外壳，矩形波导外壳内沿轴向设置有N对感性膜片，相邻两对感性膜片之间设置有一对容性膜片，容性膜片中位于微波场强最强的3对容性膜片，其相对面的中心位置处分别加载有一对圆锥/圆台电极。本发明在频域上通过加载容性膜片实现保护结构的宽阻带特性；在时域上，通过加载圆锥/圆台电极强场击穿生成的微波等离子体层反射大部分HPM能量，实现微波接收机宽带带内功率防护功能；HPM电磁环境下保护装置限幅隔离度大于20dB，响应时间小于5ns。

Description

一种时域、频域集成式微波前端高功率微波保护装置
技术领域
本发明属于微波技术领域，涉及一种具有时域、频域集成式微波前端高功率微波功率限幅保护装置。
背景技术
高功率微波(HPM)是强电磁脉冲的一种，具有高频率、短脉冲(几十纳秒)和高功率等特点，其频率范围为1～300GHz，峰值功率高于100MW。在现代化军事装备中，通信、雷达系统都是其电子系统重要的组成部分，是整个系统的核心部分，通信、雷达系统中最重要就是无线通信模块中微波接收机部分。典型微波接收机前端配置由接收天线、滤波器、限幅器、低噪放和混频器构成，其中，低噪放和混频器属敏感器件，对外界强电磁波较为敏感，容易受到高功率微波前门攻击。微波前端强电磁脉冲传统保护技术主要有滤波和限幅两种方式，滤波器结构实现接收信号选频，滤除频域带外微波功率；固态限幅电路结构完成链路工作带宽内大功率微波脉冲功率限幅作用，使得通过天线前门耦合方式进入后续微波链路的微波脉冲功率不能对前端敏感器件电路造成电磁脉冲损伤。注意到常规微波前端中滤波器模块和限幅模块布局为串行拓扑，功能上相互独立，无法实现在一个器件中完成大功率微波脉冲信号在时域、频域上兼容性防护功能。
发明内容
鉴于以上技术背景，本发明提出一种具有时域、频域集成式微波前端高功率微波保护装置，该保护结构既具有宽带频域防护能力，又具备带内时域微波能量限幅保护功能，可大幅减少微波前端防护系统体积。
本发明采取的技术方案是：
一种时域、频域集成式微波前端高功率微波限幅保护装置，其特征在于：该装置包括矩形波导外壳，矩形波导外壳内沿轴向设置有N对感性膜片，相邻两对感性膜片之间设置有一对容性膜片；所述N对感性膜片将矩形波导外壳分为N-1个长度不同的谐振腔，其中N的取值为5-12。
所述一对感性膜片为对称设置于矩形波导外壳两窄边的两片尺寸相同的感性膜片。
所述一对容性膜片为对称设置于矩形波导外壳两宽边的两片尺寸相同的容性膜片。
所述容性膜片中位于微波场强最强的3对容性膜片，其相对面的中心位置处分别加载有一对圆锥/圆台电极，从而大幅增强谐振区域局部微波场强，达到显著降低谐振结构的微波功率击穿阈值。
进一步的，所述N对感性膜片为金属感性膜片，其厚度相同，每一对感性膜片两片之间的距离不同。
进一步的，容性膜片为金属容性膜片，且每个谐振腔加载的容性膜片的厚度不同。
进一步的，所述感性膜片、容性膜片的材料与矩形波导外壳材料相同。
本发明的一种时域、频域集成式微波前端高功率微波(HPM)保护结构，在频域上通过加载容性膜片实现保护结构的宽阻带特性，40dB阻带抑制度可覆盖4次谐波频率范围，通过带外信号强反射实现HPM电磁环境下微波接收机宽带带外功率防护功能；在时域上，通过容性膜片上加载的圆锥/圆台电极强场击穿生成的微波等离子体层反射大部分HPM能量，实现微波接收机宽带带内功率防护功能。HPM电磁环境下保护装置限幅隔离度大于20dB，响应时间小于5ns。通过调整一对圆锥电极之间的间距可进一步增大保护装置限幅隔离度和降低响应时间。
本发明与现有技术相比优点是：
1.将限幅器的防护功能和滤波器的滤波功能集成到本发明中，实现了大功率微波信号时域、频域防护一体化设计。
2.相比于固态限幅装置具有更高的功率容量，峰值功率超过100kW。
3.保护装置为全金属无源结构，加工工艺简单，可靠性高。
4.大幅降低了后续微波敏感电路HPM防护难度。
5.大幅减少微波前端防护系统体积，仅为常规滤波器模块50％大小。
附图说明
图1为本发明实施例的结构示意图。
图2为本发明实施例中频域散射参数的三维电磁仿真结果。
图3为本发明实施例中尖峰泄漏能量仿真结果。
图4为本发明实施例中限幅隔离度仿真结果。
图5为本发明实施例中限幅电平的仿真结果。
图6为本发明实施例中响应时间的仿真结果。
图7中(a)(b)分别为70dBm和30ns功率点下输入、输出时域波形图。
附图标号说明：1.矩形波导外壳；2.感性膜片；3.容性膜片；4.圆锥电极。
具体实施方式
为了更好的说明本发明的目的、优点以及技术思路，以下结合具体实施例，对本发明作进一步阐述。应当说明，以下给出的具体实例仅仅起到详细解释说明本发明的作用，并不限定本发明。
本发明实施例的通带中心频率为9.05GHz，带宽为400MHz，图1为本发明实施例的结构示意图，矩形波导外壳(1)采用标准矩形波导BJ100(宽边长度a＝22.86mm，窄边高度b＝10.16mm)，材质为铝。矩形波导外壳内在窄边沿轴向设置有6对厚度为0.65mm的铝制感性膜片，相邻两对感性膜片的间距分别为L1＝L5＝7.13mm，L2＝L4＝8.42mm，L3＝10.08mm，开口尺寸分别为d1＝d6＝16.07mm，d2＝d5＝7.73mm，d3＝d4＝6.69mm。
所述6对感性膜片将矩形波导外壳分为5个谐振腔。每个谐振腔中心位置设置有一对铝制容性膜片，5对容性膜片开口高度h从左到右依次为2.16mm、1.52mm、2.08mm、1.52mm、2.16mm；膜片厚度分别为t1＝t5＝2.18mm，t2＝t4＝2.41mm，t3＝3.1mm。在微波场强最强的中间三对容性膜片中心位置加载铝制圆锥电极，电极的底部半径均为0.4mm，顶部半径为0.1mm，中间电极的高度为0.84mm，左右两边电极高度为0.6mm。
在频域上(带外)，图2展示了本发明实施例的频域散射参数计算结果，由图可知40dB阻带抑制频带上限达20.8GHz，即该阻带内的HPM信号由于频域上的反射无法通过本保护结构，因此可保护后端微波敏感器件。
在时域上(带内)，本发明实施例通过内部的谐振结构(圆锥电极)微波强场瞬态击穿空气生成一定浓度的等离子体层，由等离子体层对入射的HPM信号进行反射。
图3展示了本发明实施例保护装置尖峰泄漏能量与HPM功率和脉宽参数变化规律。由图3可知，随着HPM功率的增大本发明实施例所泄漏的能量呈减小趋势，当HPM功率达70dBm后，尖峰泄漏能量不超过11uJ。此外，在本发明实施例限幅起效的前提下，尖峰泄漏能量的变化趋势与HPM微波的脉宽没有关系。为进一步说明本发明实施例的限幅效果，图4展示了本发明的限幅隔离度。从图4可知，本发明的限幅隔离度与HPM的功率近似呈正比关系且与HPM的脉宽无关，当HPM功率为72dBm时，本发明的隔离度达20dB。
本发明实施例在时域上是通过谐振结构在微波强场作用下击穿生成的等离子体完成HPM防护，谐振结构在不同脉宽下的高功率微波入射信号下的击穿阈值是不同的。而击穿阈值不同就意味着在不同脉宽的HPM下，本保护结构的起始限幅电平不同。为说明本保护结构在不同脉宽下的限幅电平，图5给出了限幅电平随脉宽的变化趋势。从图5中可知，本发明的起始限幅阈值随着入射HPM信号的脉宽的增加逐渐降低，以50ns为例，本发明的起始限幅电平大约为1.1kW，结合本发明限幅隔离度性能，表明本发明在HPM电磁环境下极易完成自击穿保护功能，对后续防护电路设计技术难度大幅降低，一般小功率集成式限幅低噪放器件即可满足要求。由于器件在发生自击穿时需要一定的时间，为了说明本保护结构的响应速度，图6给出了本发明响应时间随输入功率的变化趋势。从图6中可知，本发明的响应时间，随着输入功率的增加逐渐降低，当输入功率为77dBm时，本发明的响应时间为4.16ns，这说明本发明在HPM电磁环境下完成自击穿所需要的时间很短，可以迅速完成自击穿，启动HPM防护功能。图7为70dBm(30ns)功率点下输入、输出时域波形图。
上述实例只为说明本发明的技术构思和特点，只用于对本发明进行具体的描述，使熟悉该项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围，凡根据本发明内容所做的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种时域、频域集成式微波前端高功率微波限幅保护装置，其特征在于：该装置包括矩形波导外壳，矩形波导外壳内沿轴向设置有N对感性膜片，相邻两对感性膜片之间设置有一对容性膜片；所述N对感性膜片将矩形波导外壳分为N-1个长度不同的谐振腔；
所述N对感性膜片的每一对为对称设置于矩形波导外壳两窄边的两片尺寸相同的感性膜片；
所述一对容性膜片为对称设置于矩形波导外壳两宽边的两片尺寸相同的容性膜片；
位于微波场强最强的3对容性膜片，其相对面的中心位置处分别加载有一对圆锥/圆台电极。
2.如权利要求1所述的一种时域、频域集成式微波前端高功率微波限幅保护装置，其特征在于，所述N的取值为5-12。
3.如权利要求1或2所述的一种时域、频域集成式微波前端高功率微波限幅保护装置，其特征在于，所述N对感性膜片为金属感性膜片，其厚度相同，每一对感性膜片两片之间的距离不同。
4.如权利要求1或2所述的一种时域、频域集成式微波前端高功率微波限幅保护装置，其特征在于，容性膜片为金属容性膜片，且每个谐振腔加载的容性膜片的厚度不同。
5.如权利要求1或2所述的一种时域、频域集成式微波前端高功率微波限幅保护装置，其特征在于，所述感性膜片、容性膜片的材料与矩形波导外壳材料相同。
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