CN113206497A - 一种新型小型化rf系统强电磁脉冲防护器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种新型小型化RF系统强电磁脉冲防护器，属于射频传输系统电磁脉冲防护领域，包括中心导体，所述中心导体设置在强电磁脉冲防护器的中轴线，所述中心导体从新型放电器件的中心穿过，所述新型放电器件与强电磁脉冲防护器同轴设置，所述新型放电器件的正极与中心导体固定连接，所述新型放电器件的负极与金属壳体固定连接，所述金属壳体接地，中心导体与金属壳体之间设置有绝缘材料，本发明创造性的将核心处理器件内置，小型化设计，体积小重量轻；在小型化的基础上，新型防护产品具有良好的传输特性和优异的电磁脉冲防护性能；通过改进核心放电器件材质和结构设计及加工工艺，极大地提升脉冲泄放速度快。

Description

一种新型小型化RF系统强电磁脉冲防护器

技术领域

本发明属于射频传输系统电磁脉冲防护领域，特别涉及一种新型小型化RF系统强电磁脉冲防护器。

背景技术

随着科学技术的发展，先进的电子设备大量采用大规模集成电路，集成规模越大，电子设备越敏感，也越容易受到电磁脉冲的干扰。RF系统常常安装、用于恶劣的地理环境(环境空旷，接地条件差、暴露于外部、安装位置敏感、安装维护成本很高)，是最容易受到雷电电磁脉冲、人为强电磁干扰(由各类电磁脉冲武器产生的NEMP、HEMP、HPM等)的威胁的系统之一，加之其敏感度很高，因此，对装备RF系统进行全面的电磁脉冲防护势在必行。

市场上现有RF防护产品主要分为三类：RF滤波器、限幅器、RF浪涌保护器；RF滤波器主要作用是滤除RF线缆上的谐波杂波干扰(如尖峰、毛刺)，其主要解决的是系统内部运行时产生的互扰、其干扰脉冲的幅值和能量较小；限幅器主要作用时对外部耦合进入系统内部的脉冲幅值进行限幅，但其最大的缺点时插损大，耐受功率小，无法处理外部大功率、高能量的脉冲，且自身敏感度高，极易被击穿损毁；RF浪涌保护器主要作用是解决系统内部运行时产生的高能浪涌和雷电电磁脉冲，其主要缺点是体积、重量较大，适用频段较窄。目前市场上上述三类产品的优缺点较为明显，其应用范围(适装性)具有较大局限性，无法有效解决各系统(尤其是RF系统)面临的各种内外部威胁，系统无法在复杂电磁环境下稳定可靠运行现有产品和技术的局限性较大。

发明内容

针对背景技术中存在的问题，本发明的目的在于：提供了一种新型小型化RF系统强电磁脉冲防护器，用以解决现有防护设备的适用性不高的问题，在确保RF防护产品优异的传输特性的基础上，既保证其具有传统产品的防护性能，又具有良好的适装性，使其应用场景广泛，可满足各种不同要求的RF系统应用场景。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种新型小型化RF系统强电磁脉冲防护器，包括中心导体，所述中心导体设置在强电磁脉冲防护器的中轴线，所述中心导体从新型放电器件的中心穿过，所述新型放电器件与强电磁脉冲防护器同轴设置，所述新型放电器件的正极与中心导体固定连接，所述新型放电器件的负极与金属壳体固定连接，所述金属壳体接地，中心导体与金属壳体之间设置有绝缘材料。

本发明是针对市场上现有三大类产品的优缺点及其局限性，取长补短，在确保RF防护产品优异的传输特性的基础上，既保证其具有传统产品的防护性能，又具有良好的适装性，使其应用场景广泛，可满足各种不同要求的RF系统应用场景；本发明的新型小型化RF系统电磁脉冲防护器适用宽频段/超宽频段(0-6GHz)、多种应用场景、多种防护作用的新型小型化RF系统电磁脉冲防护器。

设置于强电磁脉冲防护器内部的中心导体从新型放电器件中心穿过，新型放电器件的正极(输入端)与中心导体可靠连接，新型放电器件的负极/阴极(输出端)与金属壳体可靠连接；中心导体通过绝缘材料与壳体隔开，避免对地短接。

进一步的，所述新型放电器件设置于强电磁脉冲防护器内部，所述新型放电器件为穿心式放电器件与RF线缆串接；本发明创造性的将传统外装式的放电器件结构改为内置。

进一步的，所述新型放电器件的正极和负极之间设置有惰性气体。针对传统GDT特性进行优化，对内部腔体的内部布局、其组成结构和材质进行调整优化，通过工艺设计对其结构布局进行调整、最大限度减小新型放电器件的体积，新型放电器件内置于防护器内部腔体中，其正极直接与中心导体连接，负极直接与金属壳体连接，取代原有常规放电器件正极通过连接线与中心导体连接，负极通过螺栓固定后再与金属壳体连接的工艺设计，正负极掺杂稀土金属氧化物，使其微观结构排列更加整齐，自身阻抗降低，导电性提升，从而最大限度减小了感生参数，最大限度的降低其结电容，形成新型放电器件；

进一步的，所述强电磁脉冲防护器串接于RF线缆中。

进一步的，所述金属壳体为铜和/或铜合金。

进一步的，所述金属壳体的表面镀银和/或金。

进一步的，所述强电磁脉冲防护器的启动电压为230V，所述强电磁脉冲防护器的适用频段为DC-6GHz(该频段为常用频段，绝大多数射频系统工作在该频段内，并且该频段内插入损耗最小)。

进一步的，所述绝缘材料为聚四氟乙烯。

进一步的，所述强电磁脉冲防护器的外壁套设有法兰盘，所述法兰盘用于安装强电磁脉冲防护器。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明具有以下积极的技术效果：

1、本发明基于GDT原理对放电器件进行创新设计，采用最简单的设计实现功能的最大化，不仅确保新型防护产品的传输特性，而且最大限度减少对RF信号传输的影响；新型放电器件区别于传统器件的首创的穿心式设计，创造性的将核心处理器件与中心导体直接接触的可靠连接(即穿心式设计)，缩短脉冲对地泄放通道，提升泄放速度，同时大大减小防护器件体积和重量。

2、本发明还减小了核心处理器件的体积和重量；创造性的将传统外装式的放电器件结构改为内置；针对内置后的布局和阻抗匹配问题，对封装工艺进行改进，提高其适装性；针对传统GDT特性进行优化，对内部腔体的内部布局、其组成结构和材质进行调整优化，采用特殊掺杂材料，优化微结构，最大限度的降低其结电容，形成新型放电器件。

3、将新型放电器件内嵌于RF防护模块(即内部腔体)中，同时接地端直接和内部腔体固定连接，确保其对地泄放通道(对地路径)最短(接地线长度趋近于0)，极大地缩短对地泄放通道路径，将电阻、电容降到最低(≤1pF)，使时间常数最小，极大提高其强电磁脉冲泄放速度，降低处理脉冲时间，提高效率的同时对多种类型的电磁脉冲干扰进行有效的处理。

4、通过本发明提供的新型小型化RF系统强电磁脉冲防护器可有效处理雷电电磁脉冲，感应到RF线上的强电磁干扰和耦合进入的高功率微波脉冲。

5、本发明还提供了提供了一种可靠的壳体结构设计，金属壳体由常规铝合金/不锈钢壳体改为铜/铜合金，同时表面镀银/金，大大提升其可靠性、环境适应性的同时，降低壳体阻抗，确保瞬态泄放强脉冲能量。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图，其中：

图1是本发明的新型小型化RF系统强电磁脉冲防护器的组成结构示意图；

图2是本发明的新型放电器件组的组成结构示意图；

图3是传统放电管的外装示意图；

图4是本发明的新型放电器件的内装示意图；

图5是传统RF保护器的剖面图；

图6是本发明的新型RF电磁脉冲防护器剖面图；

图7是传统GDT放电器脉冲泄放路径示意图；

图8是本发明的新型放电器件的脉冲泄放路径示意图；

图中标记：1-中心导体；2-金属壳体；3-绝缘材料；4-内部腔体；5-法兰盘；6-新型放电器件；7-正极引脚；8-绝缘封装；9-负极；10-惰性气体；11-螺栓；12-壳体；13-传统放电器件；14-放电器件负极；15-金属连接线；16-隔绝材料；17-放电器件正极；18-原中心导体；A-接地端；C-脉冲泄放路径；D-正常工作时，RF信号传播路径。

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，即所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

除非另作定义，此处使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本发明专利申请说明书以及权利要求书中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。同样，“一个”、“一”或者“该”等类似词语也不表示数量限制，而是表示存在至少一个。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现在“包括”或者“包含”前面的元件或者物件涵盖出现在“包括”或者“包含”后面列举的元件或者物件及其等同，并不排除其他元件或者物件。“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也可能相应地改变。

下面结合实施例对本发明的特征和性能作进一步的详细描述。

实施例一

如图1至图8所示，本发明较佳实施例提供的一种新型小型化RF系统强电磁脉冲防护器，包括中心导体1，所述中心导体1设置在强电磁脉冲防护器的中轴线，所述中心导体1从新型放电器件6的中心穿过，所述新型放电器件6与强电磁脉冲防护器同轴设置，所述新型放电器件6的正极引脚7与中心导体1固定连接，所述新型放电器件6的负极9与金属壳体2固定连接，所述金属壳体2接地，中心导体1与金属壳体2之间设置有绝缘材料3；所述新型放电器件6设置于强电磁脉冲防护器内部；所述新型放电器件6为穿心式放电器件与RF线缆串接；所述强电磁脉冲防护器串接于RF线缆中。

设置于强电磁脉冲防护器内部的中心导体1从新型放电器件6的中心穿过，新型放电器件6的正极(输入端)与中心导体1可靠连接，新型放电器件6的负极/阴极(输出端)与金属壳体2可靠连接；中心导体1通过绝缘材料3与金属壳体2隔开，避免对地短接。

如图5所示，传统的RF保护器通过螺栓11固定传统放电器件，同时起到将传统放电器件负极与金属壳体连通的作用，壳体12是传统放电器件的外壳，一般由金属构成，其余部件及工作原理均为现有常规技术，在此就不再赘述。

如图7所示，传统RF防护器脉冲泄放路径是通过中心导体1到放电器件正极端17，再到固定螺栓11，最后经金属壳体2泄放到接地端A。

而本发明受到穿心电容的应用及其特点启发，将新型放电器件6设计为穿心式放电器件串接入RF线缆中，起到类似穿心电容的作用利用电容通高频的特点。

本发明的新型小型化RF系统强电磁脉冲防护器串接于RF线缆中，RF系统正常工作时，信号通过中心导体1传输，新型放电器件6处于开路状态，不会影响工作信号；当系统中有强电磁脉冲入侵耦合到线缆中时，新型放电器件6中内充绝缘材料(瞬态)被击穿，正极和负极/阴极连通，即对地瞬态导通，呈短路状态，瞬态将脉冲能量泄放到地。

本发明将新型放电器件6内嵌于RF防护模块(内部腔体)中，同时接地端A直接和金属壳体2进行可靠连接，确保其对地泄放通道(对地路径)最短(接地线长度趋近于0)，极大地缩短对地泄放通道路径，将电阻、电容降到最低(≤1pF)，使时间常数最小，如图5～图8所示，极大提高其强电磁脉冲泄放速度，降低处理脉冲时间，提高效率的同时对多种类型的电磁脉冲干扰进行有效的处理。

如图8所示，本发明的新型RF电磁脉冲防护器脉冲泄放路径为：由中心导体1到新型放电器件，然后经金属壳体2直接泄放到接地端A。

通过上述设计，新型小型化RF系统强电磁脉冲防护器可有效处理雷电电磁脉冲，感应到RF线上的强电磁干扰和耦合进入的高功率微波脉冲；从而实现既保证其具有传统产品的防护性能，又具有良好的适装性，使其应用场景广泛，可满足各种不同要求的RF系统应用场景的技术效果；

实施例二

本实施例在实施例一的基础上，将所述金属壳体2设置为铜和/或铜合金；所述金属壳体2的表面镀银和/或金。

金属壳体2由常规铝合金/不锈钢壳体改为铜/铜合金，同时表面镀银/金，大大提升其可靠性、环境适应性的同时，降低金属壳体2的阻抗，确保瞬态泄放强脉冲能量。

实施例三

本实施例在实施例一的基础上，将所述强电磁脉冲防护器的启动电压设置为230V，所述强电磁脉冲防护器的适用频段为DC-6GHz。

参照传统GDT，结合历年来其实际应用情况，其主要的启动电压有：

GDT常用启动电压
	75V
90V
	230V
350V
	600V

计算启动电压的公式为：

Uzsat≥1.5Umax；Umax＝(√2PZ)(VSWR+Γ)

式中：

P-系统功率(CW功率)；

Z-系统阻抗(50/75Ω)；

VSWR-系统要求驻波比；

Γ-反射系数(通过VSWR算出)；

Uzsat-GDT直流击穿电压；

Umax-系统峰值电压；

经过理论分析和计算，不同启动电压对应的系统传输功率(CW功率)如下：

表1常用放电器件启动电压等级

序号	GDT	平均适用功率	最小适用功率	最大适用功率
					1	75V	15W	10W	22W
2	90V	22W	14W	31W
					3	230V	140W	89W	200W
4	350V	322W	206W	464W
					5	600V	947W	606W	1363W

注：上述功率值为理论计算结果，实际以系统应用场景为准；

结合系统应用场景，适用CW功率越高越好，但由于启动电压越高，后端残余电压、电流越高，因此，决定选择230V启动电压为主，其他电压等级为辅；这样即可确保其能耐受大功率，又具有较低的后端残压、残流。

需要说明的是，产品启动电压可根据用户系统实际进行调整。

实施例四

本实施例在实施例一的基础上，所述新型放电器件6的正极引脚7和负极9之间设置有惰性气体。

在放电管的两电极上施加电压时，由于电场作用，管内初始电子在电场作用下加速运动，与气体分子发生碰撞，一旦电子达到一定能量时，它与气体分子碰撞时发生电离，即中性气体分子分离成电子和阳离子，电离出来的电子与初始电子在行进过程中还要不断地再次与气体分子碰撞发生电离，从而电子数按几何级数增加，即发生电子雪崩现象，另外，电离出来的阳离子也在电场作用下向阴极运动，与阴极表面发生碰撞，产生二次电子，二次电子也参加电离作用，一旦满足：r(cad-1)＝1时放电管由非自持放电过渡到自持放电，管内气体被击穿，放电管放电，此时放电电压称为击穿电压Vs。其中，r表示一个正离子轰击阴极表面而使阴极表面逸出的电子数，d为极间距离，a为电子的有效电离系数。放电管放电后，管子从绝缘态变为导体，管内产生电流，随着电流的增加，放电管由辉光放电变为弧光放电，而此时管压降远远小于Vs，而且其值不随电流的变化而变化，此时放电管两端只要保持很低的电压即可维持其自持放电状态，显现一种稳态，从而达到吸收过压浪涌的作用。

实施例五

本实施例在实施例一的基础上，将所述绝缘材料3设置为聚四氟乙烯。

优选为聚四氟乙烯是因为聚四氟乙烯具有耐高温、耐腐蚀、耐老化，最主要是聚四氟乙烯具有优良的电绝缘性，是射频系统中常用的绝缘材料。

实施例六

本实施例在实施例四的基础上，将所述强电磁脉冲防护器的外壁套设一个法兰盘5，所述法兰盘5用于安装强电磁脉冲防护器。

本发明设置法兰盘5的主要目的就是为了增强强电磁脉冲防护器的安装适应性，将防护模块与连接器集成一体，取代常规防护模块+RF连接器的安装方式，既可以节约费用、同时能够降低系统的插入损耗、节省安装空降、大大减小尺寸和重量，同时安装便捷；使其应用场景广泛，可满足各种不同要求的RF系统应用场景，采用最简单的设计实现功能的最大化。

在上文中，结合具体的实施例对本发明的各种实施方式进行了描述。然而，应当得出的理解是：本发明的对各个实施例描述的用意不是对本发明的限制。以上所述仅是本发明的示范性实施例，而非用于限制本发明的保护范围，本发明的保护范围由权利要求确定。

Claims (9)

1.一种新型小型化RF系统强电磁脉冲防护器，其特征在于，包括中心导体(1)，所述中心导体(1)设置在强电磁脉冲防护器的中轴线，所述中心导体(1)从新型放电器件(6)的中心穿过，所述新型放电器件(6)与强电磁脉冲防护器同轴设置，所述新型放电器件(6)的正极引脚(7)与中心导体(1)固定连接，所述新型放电器件(6)的负极(9)与金属壳体(2)固定连接，所述金属壳体(2)接地，中心导体(1)与金属壳体(2)之间设置有绝缘材料(3)。

2.根据权利要求1所述的一种新型小型化RF系统强电磁脉冲防护器，其特征在于，所述新型放电器件(6)设置于强电磁脉冲防护器内部，所述新型放电器件(6)为穿心式放电器件，所述新型放电器件(6)与RF线缆串接。

3.根据权利要求2所述的一种新型小型化RF系统强电磁脉冲防护器，其特征在于，所述新型放电器件(6)的正极引脚(7)和负极(9)之间设置有惰性气体。

4.根据权利要求1所述的一种新型小型化RF系统强电磁脉冲防护器，其特征在于，所述强电磁脉冲防护器串接于RF线缆中。

5.根据权利要求1所述的一种新型小型化RF系统强电磁脉冲防护器，其特征在于，所述金属壳体(2)为铜和/或铜合金。

6.根据权利要求5所述的一种新型小型化RF系统强电磁脉冲防护器，其特征在于，所述金属壳体(2)的表面镀银和/或金。

7.根据权利要求1所述的一种新型小型化RF系统强电磁脉冲防护器，其特征在于，所述强电磁脉冲防护器的启动电压为230V，所述强电磁脉冲防护器的适用频段为DC-6GHz。

8.根据权利要求1所述的一种新型小型化RF系统强电磁脉冲防护器，其特征在于，所述绝缘材料(3)为聚四氟乙烯。

9.根据权利要求1-8任一项所述的一种新型小型化RF系统强电磁脉冲防护器，其特征在于，所述强电磁脉冲防护器的外壁套设有法兰盘(5)，所述法兰盘(5)用于安装强电磁脉冲防护器。

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