浪涌防护 | 基于组合匹配的低残压宽带雷电防护方法研究

基于组合匹配的低残压宽带雷电防护方法研究（摘要）

孟兆祥 毕军建 王玉明 马立云

(陆军工程大学电磁环境效应重点实验室)

资助项目：重点实验室基金6142205180401

摘 要

为提高四分之一波长微带线雷电保护器的带宽，降低输出残压，提出了分节微带线与串联电感的组合匹配设计方法。仿真分析了四分之一波长微带线避雷器的不足，通过对分节微带线、串联电感的仿真优化，拓展了雷电保护电路的带宽，仿真结果表明防护电路在1 GHz 到3 GHz内具有良好的电压驻波比即宽带特性. 利用电压梯度法实现器件间的组合匹配，防护电路实测结果表明，在注入组合波波形为1.2/50μs & 8/20μs，电压峰值10kV的雷电磁脉冲下，输出残压为79 V. 通过组合匹配方法设计的防护电路具有频带宽、残压低、易于调谐的特点，可用于天馈雷电防护。

引言

随着电气设备精密度和集成度的提高，其对过电压、过电流和雷击电磁脉冲的抗干扰能力显得越发不足. 电子设备和大规模集成电路的应用越来越广泛，计算机和微电子设备成为工业应用和生活中不可缺少的一部分. 由于微电子设备工作电压低、功耗小、过电压耐受能力低，因此对通信系统和信号中的过电压极为敏感. 过电压不仅会引起电子设备系统误操作，还可能造成电子设备的永久性损坏，从而造成直接损失以及相关的间接损失[1-5]。

信号电涌保护器通常采用两级保护器件：气体放电管(gas discharge tube, GDT)和瞬态抑制二极管(transient voltage suppressor, TVS)，二者相互配合使用，能够达到较好的能量匹配，从而有效降低残压，减少雷电对电子设备的干扰甚至损坏[6-10]。

文献[5]分析了基于传输线的四分之一波长短路线型雷电保护器，文献[6-7]阐述了 GDT 与 TVS的组合防护应用，但只是低频段的应用，没有关于射频天馈系统的应用论述。本文针对射频端口的雷电磁脉冲防护，改进了四分之一波长短路线雷电磁脉冲防护的不足，展宽了防护器的带宽; 增加了一级 TVS，降低了防护器的输出残压。

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传输线阻抗原理

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雷电感应防护

在雷电电磁脉冲防护中 TVS 经常被选用，其应用原理如图3 所示，TVS 管并联在正极与地之间，并采用反向偏置. 当正极出现电磁脉冲超过 TVS的反向击穿电压时，TVS 开启并将电磁脉冲的电压值钳位到 TVS 的钳位电压，此电压低于后级设备的耐受电压，从而保护后级设备. 因 TVS 的结电容较大，频率较高时并联后插损很大，所以图中的应用多为低频应用，无法在射频电路中应用。

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利用开路短路原理实现 TVS 射频应用

本文设计了宽带北斗和 GPS 射频前端雷电防护电路. 其工作频率为 1550 MHz 到 1580 MHz，北斗、GPS 的工作频率分别为 1561 MHz和 1575 MHz，在防护电路中，TVS 管结电容较大，无法应用在射频电路中，为解决这一问题，利用四分之一波长传输线的开路、短路特性来降低 TVS 结电容对射频电路插入损耗的影响，同时采用多节传输线的方法拓展防护电路的带宽。

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电压梯度法实现组合匹配

通常防护模块设计既要兼顾高电压、大功率输入，又需要防护模块的泄露电压较低，防止损坏被保护器件或设备。为解决这一问题一般采用多级器件级联的方法，每一级实现一个电压梯度下降，即前级实现高电压抑制，中间级抑制电压次之，最后一级将电压降低到被防护器件能够承受的电压范围内，从而实现电磁脉冲防护。

然而在防护过程中耐受高电压的前级响应较慢，耐受低电压的后级响应速度快，存在耐压和响应时间的矛盾. 如设计中采用的GDT，其通流量容量大、绝缘电阻高、电容较小，但其残压高、反应速度慢；而 TVS 残压低、响应速度快，但是耐受电压低. 如果直接将 GDT 与 TVS 连接，在雷电电磁脉冲作用下，TVS 会被损坏从而达不到防护效果，所以需要在 GDT 与 TVS 之间增加退耦器件加速 GDT 的开启，来达到电磁脉冲防护的目的。

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功能测试

从设计中可以得出，通过 GDT 和 TVS 管的组合防护电路可以将雷电磁脉冲电压从10 kV 降低到 80 V 以内，对雷电磁脉冲具有很好的抑制作用；但是由于中间退耦器件的存在降低了 TVS 管的响应时间，在钳位响应电压之前存在尖峰过冲。

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结论

本文针对射频端口的雷电磁脉冲防护，改进了四分之一波长线避雷的不足，展宽了防护器的带宽，降低了防护器的输出残压，得出以下结论：

在射频电路的雷电防护中，防护器件无法直接应用到防护电路中，为降低防护器件结电容对射频电路的影响，本文提出了分节微带线与串联电感的阻抗匹配设计方法提高了匹配带宽，通过器件间组合匹配，提高了雷电保护器的输入电压，同时降低了输出防护器残压，该方法使防护模块具有宽带、残压低、易于调谐的特点。

全文发表在2020年《电波科学学报》

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