TWI510001B - And a high frequency and high power electromagnetic pulse protection method and apparatus therebetween - Google Patents

Description

同時具有收發抑制電路的高頻高功率電磁脈衝防護方法及其裝置

本發明係有關一種可抑制電磁脈衝(EMP)所引起的的快速以及慢速過電壓突波之電磁脈衝防護裝置，特別是指一種具有微波循環器或是隔離器防護裝置。

由於電磁脈衝的高電壓、大電流及上升的瞬間速度非常快，目前通訊電子裝置的前面都具有所謂的避雷設施，這是一種慢速電磁脈衝防護元件(雷擊防護元件)，通常是由火花間隙開關或由氧化鋅元件所組成。雷擊防護元件有一些不利之特性，就是它的操作反應時間較慢(微秒級)，往往在突波電壓已經很高的時候才開始壓抑，因此這種元件對於快速上升的脈波(奈秒級)並不具防護能力。

雖然一般積體電路後常有一個快速靜電防止裝置(奈秒級ESD防護元件，通常有TVS，DIAC或是MOV等)，奈秒級快速反應防護元件的反應動作非常快，耐壓可以到8千伏，卻不是一個高耐流的元件；尤其閃電或是人工製作的電磁脈衝炸彈所產生的脈波較寬，長時間之過電壓則會產生電流效應，並產生高熱，先將靜電防護裝置(快速反應防護元件)燒毀，進而燒毀半導體的內部構造，因此快速反應防護元件只能承受靜電放電，無法承受大能量之各式EMP的攻擊。

一般通訊設備具有避雷保護裝置(雷擊防護元件)，積體電路其後則常有一個靜電防護裝置(ESD防護元件)，然而，就算直接的將雷擊防護元件 與快速反應防護元件兩者並聯，也無法解決前述問題。因為電流會先流向快速導通的快速反應防護元件，而快速反應防護元件耐流小，直至其燒毀為止，電壓又再上升，可能尚未啟動雷擊防護元件，就已經燒壞後面的積體電路設備了。

因此本案發明人曾於中華民國專利第588888號一案揭示一種解決方法；請參閱第2圖，其電磁脈衝防護裝置是將快速反應保護元件23和慢速雷擊保護元件21，經過阻抗性元件(或是濾波元件)22加以組合；由於一般快速反應保護元件23都有電容性，因此在圖4中對應之快速反應保護元件43的下方串聯一顆插入損補償元件44。

後來在高頻應用時，將因為阻抗性元件22(或是濾波元件)中電感存在而產生一帶阻效應，也將不利於高頻帶之應用；因此，本案發明人接續發表一種新穎的電磁脈衝防護裝置，對於快速反應防護元件33之插入損失進行進一步之補償或是改變其架構，如第3圖所示。藉由於慢速雷擊保護元件31與被保護電路之間的訊號路徑上串聯一壓變容抗性元件32，而有效解除高頻電磁脈衝對於電子元件所造成的破壞力。

綜合以上，但是現在的電磁脈衝保護裝置通常應用在較小的功率收發共線模組之前，對於較大的功率收發分離模組則有無法使用的困難。

為了達到完善的電磁脈衝防護，無論功率的高低，確保電磁脈衝防護裝置能有效執行是很重要的，但實務上高功率電磁脈衝防護裝置目前並無資料或文獻可供參考，因此自行研發或進行相關的研究設計是本案所欲解決的問題。

基於以上的問題，本發明的主要目的在於提供一種可抑制電磁脈衝(EMP)所引起的的快速以及慢速過電壓突波之電磁脈衝防護裝置，特別是指一種具有發送端與接收端抑制電路之高頻率高功率的電磁脈衝防護裝置。根據本發明所揭露之電磁脈衝防護裝置，是將發射與接收電路分離以利於大功率的操作，在本案所提出的高功率電磁脈衝(EMP)的突波抑制電路中，同時具有收發抑制電路，其中在微波信號發射端端加裝突波抑制用微波循環器管或微波隔離器以保護之，微波信號接收端端以低功率突波保護電路如中華民國專利第588888號一案揭示一種解決方法保護之，使較小功率的接收模組以及較大功率的發射模組同時被保護之，完善地保護各種高功率通信電子產品，以免造成損害。

其中突波抑制用微波循環器管的前後特性均有微波導波管的存在，微波導波管具有頻率選擇性，通常人工核弾電磁脈衝所造成的突波頻率，均在300百萬赫茲以下，所以經由前後的微波導波管可以將截止頻率以外的突波加以消除，至於頻帶E-BOMB攻擊時造成之頻帶以內的突波，則以突波抑制用微波循環器管因為突波進行的方向不同而隔離，至少可以有20db以上的壓抑能力，可以有效的阻止逆向進入的突波。如果加上發射器之前的微波隔離器則總共可以有40db以上的反向突波抑制，可以有效的防止電磁脈衝的入侵。綜合以上，本發明所揭示的突波抑制元件同時具有收發電磁脈衝防護裝置，對高功率電磁脈衝(EMP)的突波抑制將可以有效解決。 為使對本發明中專利範圍能有進一步的了解，茲舉出數個具體實施例詳細說明如下：

基於以上的問題，本發明的主要目的在於提供一種可抑制電磁脈衝(EMP)所引起的的快速以及慢速過電壓突波之電磁脈衝防護裝置，特別是指一種具有突波抑制用微波循環器管的電磁脈衝防護裝置。請參閱第1圖；根據本發明所揭露之電磁脈衝防護裝置10，是將發射保護路徑111與接收保護路徑122電路分離，以利於大功率的操作，在本案所提出的高頻高功率電磁脈衝(EMP)的突波抑制電路中，同時具有收發抑制電路。其中在微波信號發射端加裝突波抑制用微波循環器管或微波隔離器以保護之發射端抑制電路11，其內部構造可參閱第5圖。微波信號接收端以低功率突波保護電路保護之接收端抑制電路12，其內部構造可如同申請人先前揭示中華民國專利第588888號之解決方法保護之，其內部構造可參閱第2、3、4圖。其中第2圖揭示保護器在串聯路徑上有阻抗性元件22；在第3圖中揭示保護器在串聯路徑上有容抗性元件32；第2、3圖在前段已有說明，故在此不再贅述。

本案的微波信號接收端電磁脈衝防護裝置實施例；請參閱第4圖；在本次之設計裡，將快速反應保護元件43和慢速雷擊保護元件41，經過濾波元件42組合(在高頻時可以用濾波元件或是壓變電容加以取代之，當突波入侵時電壓增大電容變小)，並可以增加計數電路46設置在慢速雷擊保護元件41的感應位置，此計數電路46包含感應器48與計數器47，感應器48為光感應器或磁感應氣，用以感應慢速雷擊保護元件41的發光或磁力變化，並輸出 計數訊號，再藉由計數器47接收計數訊號以計算出慢速雷擊保護元件41的作動次數，計數器47可透過數據、文字的顯示或者聲音的提醒，提供操作者預知慢速雷擊保護元件41是否已到達使用期限而需要更換相應元件。

本實施例中，在快速反應保護元件43的底下加上另一顆補償元件44作為較高頻率時的補償，由於快速反應保護元件43、補償元件44本身電容之串聯變小結果，其插入損可以減小，或是將補償元件44改成電感性元件看需要加以補償；也可以於訊號傳遞路徑其後加入一級保險絲45，以防止架設天線時，意外之碰觸電源裸線之感電事件。

本案的微波信號發射端電磁脈衝防護裝置實施例；請參閱第5圖，其中在微波信號發射端端加裝突波抑制用微波循環器管51或微波隔離器以保護之，其中突波抑制用微波循環器管的前後均有容抗特性微波導波管52的存在，微波導波管具有頻率選擇性，通常人工所造成的突波頻率，均在300百萬赫茲以下，所以經由前後的微波導波管52之容抗可以將截止頻率以外的突波加以消除，至於頻帶以內的突波則以突波抑制用微波循環器管因為突波進行的方向不同則可以有20db以上的壓抑能力，將入侵之脈衝導入虛擬負載53接地消除之，可以有效的阻止逆向進入的突波。如果加上發射器之前的微波隔離器則總共可以有40db以上的反向突波抑制，更可以串聯2級以上，更可以有效的防止電磁脈衝的入侵。綜合以上，本發明所揭示的突波抑制元件同時具有收發電磁脈衝防護裝置，對高功率電磁脈衝(EMP)的突波抑制將可以有效解決。

雖然本發明以前述之實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明。在 不脫離本發明之精神和範圍內，所為之更動與潤飾，均屬本發明之專利保護範圍。關於本發明所界定之保護範圍請參考所附之申請專利範圍。

21、31、41‧‧‧慢速雷擊保護元件

22、32、42‧‧‧阻抗性元件/容抗性元件/濾波元件

23、33、43‧‧‧快速反應保護元件

44‧‧‧補償元件

45‧‧‧一級保險絲

46‧‧‧計數電路

47‧‧‧計數器

48‧‧‧感應器

51‧‧‧突波抑制用微波循環器管

52‧‧‧微波導波管

53‧‧‧虛擬負載

第1圖係本發明所揭示之同時具有收發抑制電路的高頻高功率電磁脈衝防護裝置電路圖；第2圖係先前技術所提供之接收端電磁脈衝防護裝置電路圖；第3圖係先前技術所提供之另一種接收端電磁脈衝防護裝置電路圖；第4圖係先前技術所提供之另一種接收端電磁脈衝防護裝置電路圖；第5圖係本發明所揭示之第1圖中11之防護裝置電路圖；

(10)‧‧‧同時具有收發抑制電路的高頻高功率電磁脈衝防護裝置

(11)‧‧‧發射端抑制電路

(12)‧‧‧接收端抑制電路

Claims (1)

1. 一種同時具有收發抑制電路的高頻高功率電磁脈衝防護裝置，構造於一天線端、一接收端及一發射端之間，可以抑制電磁脈衝突波，其包含：一天線端用微波循環器管，連接於該天線端；一接收端抑制電路，包含至少一慢速雷擊保護元件，連接於該天線端用微波循環器管、一至少一容抗性元件、阻抗性元件或濾波元件與一接地端之間；該至少一容抗性元件、阻抗性元件或濾波元件，連接於該天線端用微波循環器管與該接收端之間；及至少一快速反應保護元件，連接該至少容抗性元件、阻抗性元件或濾波元件、該接收端與該接地端之間；及一發射端抑制電路，用以防止入侵突波，包含一微波導波管，連接於該發射端與至少一級之突波抑制用微波循環器管或微波隔離器之間；及一虛擬負載，連接於該至少一級之突波抑制用微波循環器管或微波隔離器及該接地端之間，且該至少一級之突波抑制用微波循環器管或微波隔離器連接於該天線端用微波循環器管。