短波天调的微功率调谐电路保护设计*

翟 杰 胡 军 刘 刚

(广州海格通信集团股份有限公司 广州 510663)

短波天调的微功率调谐电路保护设计*

翟 杰 胡 军 刘 刚

(广州海格通信集团股份有限公司 广州 510663)

随着短波自动天线调谐技术的发展,大功率调谐方式正向微功率调谐方式发展。微功率调谐的优点是隐蔽性高,缺点是调谐电路的抗干扰性差。通过在微功率调谐电路中增加雷电保护设计和大信号保护设计,能有效提升微功率调谐天调的抗干扰能力。

天调; 微功率调谐电路; 雷电保护

(Guangzhou Haige Communications Group Incorporated Company, Guangzhou 510663)

Class Number O44

1 引言

微功率调谐技术已广泛应用于短波通信各系列电台中,它具有隐蔽调谐、抗监测能力强等特点。由于短波通信的天线通常安装于室外较为制高点的位置,导致短波天线调谐器遭受到雷击及大信号干扰而损坏的概率增大,而微功率调谐电路是天线调谐器中最容易损坏的地方。通过增加雷电保护设计和大信号保护设计,提升其过流过压保护能力,可大幅提高短波通信设备在复杂电磁环境下的生存能力。

2 干扰信号分析

2.1 雷电干扰

雷电是自然界最为严重的灾害之一。雷电形成的电压高达几百万伏,电流高达几十万安培,不可避免地会对电子设备造成损害。雷击的种类可以分为直击雷和感应雷,直击雷因为能量相当大而只能采用避雷针等方式引雷下地;感应雷是以雷电波和雷电脉冲的方式入侵设备,此类雷击需要对电路本身进行防雷保护设计(如防雷元器件、滤波电路等的相互配合使用等)。

2.1.1 雷电特性分析

1) 时域特性

雷电流的标准波形是一条双指数曲线,随时间近似以指数函数快速上升至峰值,然后以近似指数函数规律缓慢下降。模拟雷电试验波形常用的有10/350μs电流波、8/20μs电流波以及1.2/50μs电压波,前面的数字是波前时间,后面的数字是半值时间,前面数字愈小说明雷击波上升快,后面数字大说明雷电持续时间长、能量大。

选取典型的8/20μs电流波进行说明,波形近似描述如图1所示。

图1 8/20μs雷电流典型时域波形

图中,波前时间T1=8μs±30%,半峰值时间T2=20μs±20%。

数学表达式为

I(t)=I0(e-αt-e-βt)

(1)

式中:I0是雷电流幅值,α是波前衰减系数,β是波尾衰减系数,I是雷电流瞬时值。

2) 频域特性

(2)

由式(2)得:

(3)

根据式(3)可得其频谱如图2所示。

图2 雷电频谱分布

从图2可以看出,雷电流波形和能量主要集中在低频部分,其频谱主要分布在1MHz以下,90%以上的能量都集中在50KHz以下,因此,雷电产生的电磁干扰为低频干扰。

2.1.2 雷电防护方法

雷电防护主要有以下三种方法:

1) 气体放电管

气体放电管主要用在3000MHz(3G)以下频段和10W以上功率的无线电设备中。目前气体放电管的直流点火电压最低是70V,保护水平高达几百伏。气体放电管是并联在电路中的,由于极间电容很小,一般在1.5P左右,因此气体放电管对电路的幅频特性影响较小。

如果用压敏电阻或瞬息抑制二极管,由于它们的分布电容往往高达几百PF,甚至上千PF,因此很容易使高频下地短路,造成很大的损耗。

2) 1/4波长短路线

1/4波长(λ/4)高频同轴避雷器是新兴的一种避雷器。它广泛应用于频率较高,且频段相对固定的无线电设备上。如8GHz(8KHz)5.8GHz、3.5GHz、2.4GHz等的设备上。其主要优点是防雷效果明显,冲击电流很容易达到8/20μs波30KA以上。对信号端而言,对信号的阻抗最大,接近开路,因此损耗很小,由于雷电波频谱范围很宽,对雷电波并不是λ/4,而近似于短路。

3) L、C滤波器

利用电感器和电容器组成滤波电路或串、并联谐振电路,使频率较低的雷电流,通过很小的阻抗入地,而使频率较高的信号电流能通过很小的阻抗把设备与天线连接起来。

2.2 大信号干扰

除雷电对微功率调谐电路的损坏外,瞬间大功率的注入也很容易引起后级电路的损坏。

2.2.1 大信号干扰分析

从图3可看出,大信号干扰主要来源于两个方面:

图3 大信号干扰示意图

1) 在天线调谐器进行微功率调谐时,调谐信号是由发射机产生(发射机正常输出60dBm,通过衰减信号源大小达到调谐功率值),如果信号源本身产生宽带噪声或功放产生自激信号,都可能瞬间会有大功率信号产生。由于微功率调谐功率为10dBm左右,瞬间的大信号足以烧毁后级检测电路;

2) 在天线调谐器进行微功率调谐时,外界大信号能量(如同址多台工作时,邻近的大功率发射机正在发射)可能会通过天线耦合进来,导致后级检测电路损坏。由于同址工作时,两部电台的天线间有一定距离,外部干扰信号也会得到一定的抑制。

2.2.2 大信号防护方法

大信号防护主要有以下两种方法:

1) 针对内部产生的强干扰信号:在取样端加线性衰减器,并将原先调谐功率相应提高,这样使得取样端到后端检测电路之间隔离度增加,信号源到达后端检测电路的瞬间大信号减弱;由于是在取样端增加线性衰减器,所以即使调谐功率增大,到天线端的辐射信号依然保持不变,不会影响天调的隐蔽调谐性能。

2) 电压双向嵌位保护:选用快速嵌位二极管,对后端检测电路的电压进行精细箝位,可对后端检测电路进行快速保护。

3 保护电路设计

由于该调谐电路工作频率范围为2MHz～30MHz,1/4波长短路线的防雷方法不适用。结合现有对高频电路防雷的方法和大信号防护方法,对微功率调谐电路调采用四级防护的方式。

第一级采用具有大通流量的气体放电管;第二级采用防雷新元件TBU(过流过压保护器件),可对电流电压进行精细箝位;第三级采用LC高通滤波结构,给雷电流提供低阻抗通路;第四级采用双向高速钳位二极管,将信号限制在3V以下。

这四级防护电路分别放置在检测电路的两路U/I输入端,用于保护后端小信号处理电路。同时,在取样电路中,增加30dB衰减器,提升对内部大信号的抗扰能力。具体电路示意图见图4。

图4 保护电路示意图

4 元器件选型

由于后级检测电路承受最高电压为3V,通路电流最高60mA。器件选型中首先选取目前最低限制电压70V的气体放电管,用以对雷电及大信号进行粗略保护,同时选用反应电流在50mA的TBU(电流检测通路选用500mA的TBU)与气体放电管进行配合,对电流电压进行精细保护。

LC滤波通过采用2级并联巴特沃斯高通滤波器用以实现对信号的通路以及雷电流的短路,考虑到雷电流的瞬间大电流性,电感L1采用Φ1漆剥线绕制。

双向高速钳位二极管选用4个BAS216管构成双向保护,单个BAS216反应时间4ns,可对后端电压进行快速保护。

5 保护效果测试

为检验防雷保护电路和大信号防护电路对整个电路的保护效果,通过多次试验以验证该电路是否会随着频率和功率的变化而产生不可预知的变化。

5.1 频率响应测试

通过试验表明:随着频率的不断变化,防雷保护电路和精细电压箝位电路对总体电路不会造成其他性能方面的负面指标影响。相反精细电压箝位电路在输入信号达到箝位启动电压时,该电路能有效地将采样电压箝位到安全检测电压以内,以保证U/I路(两路检测信号)输出电压的幅度在一个相对稳定的有限范围内进行波动,以此达到电压箝位保护的目的(如图5所示)。

图5 输出电压随频率变化曲线

5.2 功率响应测试

通过试验表明:随着输入功率的逐步增大,U/I路的输出电压也相应的随着增大,当功率增大到45dBm时,输出电压增大到1.25V。而当功率增大到46dBm时精细电压箝位电路开始工作,致使U/I路输出电压幅度急剧下降到440mV左右。继续加大输入功率,精细电压箝位电路的保护输出电压也再继续缓慢的增大;当功率增加到48dBm,即U/I路的输出电压接近500mV时防雷保护模块开始工作,此时电路表现为气体放电管开始进行可恢复性打火。气体放电管与TBU管开始对电路执行防雷保护(即:可恢复性过流过压保护)工作,工作原理如图6所示。

图6 输出电压随功率变化曲线

6 结语

短波通信一直是中远程通信的重要形式,天调单元作为短波通信设备不可或缺的组成部分,采用新型微功率隐蔽调谐技术后,更易受到外部环境的影响。将防雷保护电路和大信号保护电路合理地运用于短波天调的微功率调谐电路中,能有效防止因遭受到雷击及大信号干扰而造成的影响,从而大幅提高短波设备在复杂电磁环境下的工作能力。

[1] 曾兴雯,等.高频电路原理与分析[M].西安:西安电子科技大学出版社,2001.

[2] 陈丽飞.射频电路PCB的设计技巧[J].电子设计工程,2013,21(7):181-184.

[3] 吴其山,管耀武,王磊,等.一种短波矢量天调技术的应用[J].通信技术,2014,47(9):1094-1099.

[4] 陈佳昀,武斌,冯加建.PCA在超短波电台通信效能评估中的应用[J].通信技术,2008,41(12):224-226.

[5] 周延显.近代通信的技术[M].黑龙江:哈尔滨工业大学出版社,1990.

[6] 曹克刚,钱亚生.现代通信原理[M].北京:清华大学出版社,1992.

[7] 李引凡,李长勇.基于对分搜索和步进搜索的天线调谐器调谐算法[J].微波学报,2012(S1):299-302.

[8] 吴其山,管耀武,王磊,等.一种短波矢量天调技术的应用通信技术[J].2014,47(9):1094-1099.

[9] 冯晓雯.短波天线调谐器技术.军事通信技术[J].2006,27(2):51-54.

[10] 吴淑泉,周伟英,吴宜普.短波调频通信中快速自动天线调谐技术研究[J].华南理工大学学报,2002,30(12):1-3.

[11] 李引凡,陈政,邱洪云.天线调谐器T形阻抗网络参数估算[J].现代电子技术,2013,36(8):9-12.

[12] 周卫稷.自动天线调谐器的设计与实现[J].舰船电子工程,2005,25(5):114-116.

[13] 陆国祥,陆建威,王桂华.雷电对中波天调网络影响的模拟实验研究[J].电声技术,2014,38(7):70-78.

[14] 王树龙,巩光彬.天线调谐器检测器设计与研制[J].信息技术,2001,6:28-29.

[15] 殷勇.中波天调网络的防雷[J].电子制作,2013,14(5):18-19.

[16] 颜秋容.实现最大功率传输的阻抗变换方法研究[J].电气电子教学学报,2011,33(3):40-44.

[17] 李引凡,天线调谐器Ⅱ形匹配网络与鞭状天线适配仿真分析[J].重庆邮电大学学报(自然科学版),2014,26(3):334-338.

[18] 胡中豫.现代短波通信[M].北京:国防工业出版社,2003:179-182.

[19] 吴淑泉,周伟英,吴宜普.短波跳频通信中快速自天线调谐技术研究[J].华南理工大学学报,2009(12):12-14.

[20] 林鸿武.一种新的短波自适应天线调谐器的设计[J].电讯技术,2008(4):151-154.

Thunder-electricity Protection Design of Micro-powertuning Circuit in Short-wave Antenna Tuner

ZHAI Jie HU Jun LIU Gang

With the development of short-wave antenna automatic tuning technology, high-power tuning is changed to micro-power tuning. The advantage of micro-power tuning is that micro-power tuning is hidden, and the difficulty is how to enhance the anti-jamming capability of the micro-power tuningcircuit.In this paper, thunder-electricity and large signal protection design is used to enhance the anti-jamming capability of the micro-power tuning circuit and the reliability of the short-wave radio.

antenna tuner, micro-powertuning circuit, thunder-electricity protection

2016年6月11日,

2016年7月30日

翟杰,男,硕士,工程师,研究方向:通信工程。胡军,男,硕士,工程师,研究方向:电磁防护。刘刚,男,工程师,研究方向:通信工程。

O44

10.3969/j.issn.1672-9730.2016.12.041