一种L波段喇叭式雷达系统电磁脉冲防护电路及其设计方法

技术领域

本发明属于强电磁脉冲防护领域，具体涉及一种L波段喇叭式雷达系统电磁脉冲防护电路及其设计方法，适用于雷达设备的强电磁脉冲防护。

背景技术

电磁脉冲是一种高能量的瞬态电磁波，以波的形式在空间进行传播。从电磁脉冲的产生方式来说，可以分为自然干扰源和人为干扰源，自然干扰源是指自然界中产生的电磁脉冲，例如雷击电磁脉冲和静电放电电磁脉冲等，人为干扰源是指人工装置产生的电磁脉冲，例如现代战争中微波武器产生的电磁脉冲等。以高空核电磁脉冲(High-AltitudeElectromagnetic Pulse，HEMP)为例，高空核电磁脉冲由于目的性强、瞬态功率大，能够对目标电子设备产生严重的威胁，已经成为人们研究的重点。现代战争已经成为信息战的主场，而信息战主要依靠的就是各种电子设备，微波武器产生的电磁脉冲能够在极短的时间内对电子设备造成干扰甚至是损伤，影响电子设备的正常功能。

在信息化战争中，雷达作为现代军事战争的重要目标探测装备，主要获取目标的距离、方位和速度等参数，其发挥的作用如下：一是搜索发现敌方飞机或导弹目标，对其进行定位、跟踪；二是指挥引导我方飞机执行作战任务。雷达是指挥中心获取战场态势的核心装备，发挥着“千里眼”作用。因此，其不可避免地成为敌方电磁脉冲的攻击对象，HEMP对雷达系统造成干扰甚至损毁的主要原因是强电磁能量通过耦合进入到电子设备和系统中，产生了瞬时的高电压和大电流，从而破坏敏感电子设备。电磁能量耦合的方式可以分为辐射耦合和传导耦合两种。辐射耦合是指电磁能量以电磁场的形式通过空间传输进行耦合，其主要形式有天线的耦合、孔洞与缝隙的耦合等；传导耦合则是指电磁脉冲能量以电压或者电流形式通过金属导体或电子器件(如电容器、半导体器件等)形成的耦合。电磁脉冲对设备和系统的耦合是一个比较复杂的过程，这两种方式往往也是共同存在的。雷达的主要电子设备放置在方舱内，但是由于其天线需要接收以及发射信号，不可避免得裸露在外，这也给HEMP的耦合提供了通道，HEMP通过雷达天线的耦合进入到雷达接收机内部，对射频前端的接收机低噪声放大器产生干扰甚至毁伤；除了天线裸露在外，对雷达系统进行供电的电源线也是暴露在外，当电源线受到HEMP辐照时，线缆上会耦合大量能量，耦合的能量通过导线传输到电源线连接的用电设备，进而对用电设备产生干扰或损伤；虽然目前的方舱制备技术较为完善，但是门窗处仍然会有缝隙，HEMP能够通过这些孔缝进入到方舱内部，进而耦合到方舱内部的电源线以及控制线，对控制线RS485的通信端口电路造成干扰损伤。所以设计雷达系统电磁脉冲防护电路对雷达在电磁环境下能够正常工作以及适应能力的提高具有重要意义。

中国专利“202222448500.4”公布了一种直流电源抗HEMP防护电路及防护电路，采用气体放电管、压敏电阻、瞬态抑制二极管、电感、电容等器件构成滤波电路与两级泄放电路，可将最大电压幅度5kV、持续时间5ns内的瞬变电磁脉冲控制在安全水平，但是该防护电路压敏电阻与瞬态抑制二极管均是直接跨接在两根电源线上，压敏电阻和瞬态抑制二极管的静态电容能达到上百pF，会增大防护电路的插入损耗；中国专利“202222448493.8”公布了一种用于交流电源线的电磁脉冲防护电路和防护组件，采用滤波加瞬态响应电路的组合防护结构，但是第一级泄放电路的压敏电阻是直接跨接在两条电源线上，对于静态电容为上百pF的压敏电阻，可造成数mA的泄漏电流，不仅会对系统的正常运行产生影响，也容易加速压敏电阻的性能衰退；中国专利“202222246872.9”公布了一种短波防护电路及防护组件，一级防护、二级防护、三级防护分别采用的是气体放电管、半导体放电管和瞬态抑制二极管，瞬态抑制二极管直接并联接入电路中，没有考虑瞬态抑制二极管的静态电容对电路插入损耗的影响。

发明内容

本发明提供一种L波段喇叭式雷达系统电磁脉冲防护电路及其设计方法，以解决目前雷达系统的电磁防护电路较为单一、防护器件接入支路静态电容较大的问题。

本发明采取的技术方案是，一种L波段喇叭式雷达系统电磁脉冲防护电路的设计方法，包括下列步骤：

(1)建立雷达系统电磁辐照模型；

(2)进行雷达射频前端天线辐照仿真、雷达方舱外电源端口辐照仿真、雷达方舱内控制线端口辐照仿真；

(3)设计雷达射频前端电磁脉冲防护电路，

(4)设计控制线端口电磁脉冲防护电路；

(5)设计一次交流电源端口电磁脉冲防护电路与二次直流电源端口电磁脉冲防护电路。

本发明所述步骤(1)包括：

建立包括L波段喇叭式雷达射频前端接收天线、雷达方舱、雷达方舱内的控制线以及雷达方舱外的电源线的仿真模型，对于雷达方舱内的控制线以及雷达方舱外的电源线的模型同步在CST设计工作室搭建控制线和电源线的端口电路，设置激励源为HEMP。

本发明所述步骤(2)包括：

对于雷达射频前端天线，在CST微波工作室进行全波仿真，对于雷达方舱外电源端口、雷达方舱内控制线端口在CST线缆工作室和设计工作室进行场路协同仿真。

本发明所述步骤(3)根据步骤(2)得到的雷达射频前端耦合电压值，以及雷达正常工作的频段，设计雷达射频前端电磁脉冲防护电路，具体步骤如下：

输入端的一端连接第一级瞬态抑制器件，第一级瞬态抑制器件的第一端和去耦元件1的第一端连接在一起，去耦元件1的另一端和去耦元件2的一端以及第二级瞬态抑制器件的一端连接在一起，去耦元件2的另一端和第三级瞬态抑制器件的一端以及巴特沃斯滤波电路的输入一端连接在一起，另一个输入端和第一级瞬态抑制器件、第二级瞬态抑制器件、第三级瞬态抑制器件以及巴特沃斯滤波器的另一个输入端连接起来，巴特沃斯滤波电路的输出端和防护电路的输出端连接在一起。

本发明所述步骤(4)根据步骤(2)得到的控制线端口耦合电压值，结合其工作频段，设计控制线端口电磁脉冲防护电路，具体步骤如下：

采用一级瞬态抑制器件、一级滤波器件、二级滤波器件、二级瞬态抑制器件附件进行并联，两级滤波器件分别是共模滤波器和磁珠。

本发明所述步骤(5)包括对电源线端口的防护，分别设计能够对共模干扰以及差模干扰均有抑制作用的一次电源端口防护电路与二次电源端口防护电路，将压敏电阻串联气体放电管后并联接入电路，其中：

1)、根据步骤(2)得到的电源线端口耦合电压值，结合电源正常工作频率，和正常工作的电压幅度，设计一次交流电源端口电磁脉冲防护电路，具体步骤如下：

L端与N端之间分别并联一级差模瞬态抑制器件、差模滤波电路、二级差模瞬态抑制器件；L端和PE端分别并联一级L端共模瞬态抑制器件和L端共模滤波电路以及二级L端共模瞬态抑制器件；N端和PE端分别并联一级N端共模瞬态抑制器件和N端共模滤波电路以及二级N端共模瞬态抑制器件；

2)结合一次电源设计思路及结合二次直流电源的工作特性，设计二次直流电源端口电磁脉冲防护电路，具体步骤如下：

P端与N端之间连接着一级差模瞬态抑制器件、差模滤波电路、二级差模瞬态抑制器件；P端和地之间分别连接着一级P端共模瞬态抑制器件和P端共模滤波电路以及二级P端共模瞬态抑制器件；N端和地之间分别连接着一级N端共模瞬态抑制器件和N端共模滤波电路以及二级N端共模瞬态抑制器件。

一种L波段喇叭式雷达系统电磁脉冲防护电路，包括雷达射频前端电磁脉冲防护电路、控制线端口电磁脉冲防护电路、一次交流电源端口电磁脉冲防护电路和二次直流电源端口电磁脉冲防护电路，其中：

所述雷达射频前端电磁脉冲防护电路包括输入端的一端连接第一级瞬态抑制器件，第一级瞬态抑制器件的第一端和去耦元件1的第一端连接在一起，去耦元件1的另一端和去耦元件2的一端以及第二级瞬态抑制器件的一端连接在一起，去耦元件2的另一端和第三级瞬态抑制器件的一端以及巴特沃斯滤波电路的输入一端连接在一起，另一个输入端和第一级瞬态抑制器件、第二级瞬态抑制器件、第三级瞬态抑制器件以及巴特沃斯滤波器的另一个输入端连接起来，巴特沃斯滤波电路的输出端和防护电路的输出端连接在一起；

所述控制线端口电磁脉冲防护电路包括一级瞬态抑制器件、一级滤波器件、二级滤波器件、二级瞬态抑制器件附件进行并联，两级滤波器件分别是共模滤波器和磁珠；

所述一次交流电源端口电磁脉冲防护电路包括L端与N端之间分别并联一级差模瞬态抑制器件、差模滤波电路、二级差模瞬态抑制器件；L端和PE端分别并联一级L端共模瞬态抑制器件和L端共模滤波电路以及二级L端共模瞬态抑制器件；N端和PE端分别并联一级N端共模瞬态抑制器件和N端共模滤波电路以及二级N端共模瞬态抑制器件；

所述二次直流电源端口电磁脉冲防护电路包括P端与N端之间连接着一级差模瞬态抑制器件、差模滤波电路、二级差模瞬态抑制器件；P端和地之间分别连接着一级P端共模瞬态抑制器件和P端共模滤波电路以及二级P端共模瞬态抑制器件；N端和地之间分别连接着一级N端共模瞬态抑制器件和N端共模滤波电路以及二级N端共模瞬态抑制器件。

本发明从雷达系统的电磁耦合效应入手，利用CST(Computer SimulationTechnology)仿真软件仿真HEMP辐照下耦合效应，结合耦合分析，综合考虑雷达系统的射频前端耦合以及通过电源线、信号线进行的后门耦合，设计了基于稳态防护与瞬态抑制防护相结合的电磁防护电路，针对不同的端口、不同的工作信号，设计不同的防护电路。将瞬态抑制二极管与两个反向并联的开关二极管进行串联，能够将该支路的静态电容从上百pF降低到3pF以内，对于采用压敏电阻进行钳位的支路，将压敏电阻串联气体放电管后并联接入电路，能够将该支路的静态电容从上百pF降低到1pF以内，且还可以延长压敏电阻的使用寿命。通过ADS(Advanced Design System)仿真分析以及电磁脉冲注入实验，验证其对正常工作信号能够低损耗通过且对强电磁脉冲信号能起到有效的抑制作用。

本发明的优点在于：从分析L波段喇叭式雷达系统的电磁耦合效应入手，结合耦合效应与系统正常工作信号特性，采用瞬态防护与稳态滤波电路相结合的思路，进行前后门联合防护，分别设计了雷达射频前端防护电路、一次电源端口防护电路、二次电源端口防护电路以及控制线通信端口防护电路，对于采用瞬态电压抑制二极管(Transient VoltageSuppression，TVS)进行钳位的支路，将瞬态抑制二极管与两个反向并联的开关二极管进行串联，能够将该支路的静态电容从上百pF降低到3pF以内，对于采用压敏电阻进行钳位的支路，将压敏电阻串联气体放电管后并联接入电路，能够将该支路的静态电容从上百pF降低到1pF以内，且还可以延长压敏电阻的使用寿命。对于控制线通信端口防护电路采用共模滤波器加磁珠进行递进式滤波，能够得到更好的滤波特性，对于电源端口防护电路，设计能够对共模干扰以及差模干扰均有抑制作用的防护电路，提高了雷达电源的稳定性。通过仿真分析，雷达射频前端防护电路插入损耗为0.58dB，防护效能达到40dB；控制线通信端口防护电路插入损耗为1.53dB，防护效能达到40dB；一次电源与二次电源端口防护电路插入损耗均为1.36dB，防护效能均能达到30dB。

附图说明

图1是本发明的设计流程图；

图2是本发明雷达射频前端天线辐照模型示意图；

图3是本发明方舱外电源线端口辐照模型示意图；

图4是本发明方舱内线缆端口辐照模型示意图；

图5A是本发明雷达射频前端天线耦合电压时域波形图；

图5B是本发明雷达射频前端天线耦合电压频域波形图；

图6A是本发明电源线端口耦合电压时域波形图；

图6B是本发明电源线端口耦合电压频域波形图；

图7A是本发明方舱内控制线端口耦合电压时域波形图；

图7B是本发明方舱内控制线端口耦合电压频域波形图；

图8是本发明雷达射频前端电磁脉冲防护电路结构框图；

图9是本发明雷达射频前端电磁脉冲防护电路图；

图10是本发明控制线端口电磁脉冲防护电路结构框图；

图11是本发明控制线端口电磁脉冲防护电路图；

图12是本发明一次交流电源端口电磁脉冲防护电路结构框图；

图13是本发明一次交流电源端口电磁脉冲防护电路图；

图14A是本发明二次直流电源端口电磁脉冲防护电路结构框图；

图14B是本发明二次直流电源端口电磁脉冲防护电路图；

图15A是本发明雷达射频前端电磁脉冲防护电路S参数曲线图；

图15B是本发明控制线端口电磁脉冲防护电路S参数曲线图；

图15C是本发明一次电源端口电磁脉冲防护电路S参数曲线图；

图15D是本发明二次电源端口电磁脉冲防护电路S参数曲线图；

图16是本发明防护电路测试实验示意图；

图17是本发明电磁脉冲输入信号波形图；

图18是本发明射频前端电磁脉冲防护电路输出波形图；

图19是本发明控制线端口电磁脉冲防护电路输出波形图；

图20是本发明一次电源端口电磁脉冲防护电路输出波形图；

图21是本发明通用电源端口电磁脉冲防护电路输出波形图；

图22是本发明接收机电源端口电磁脉冲防护电路输出电压波形图；

图23是本发明蓄电池电源端口电磁脉冲防护电路输出电压波形图。

具体实施方式

一种L波段喇叭式雷达系统电磁脉冲防护电路的设计方法，包括下列步骤：

(1)建立雷达系统电磁辐照模型；

(2)进行雷达射频前端天线辐照仿真、雷达方舱外电源端口辐照仿真、雷达方舱内控制线端口辐照仿真；

(3)设计雷达射频前端电磁脉冲防护电路，

(4)设计控制线端口电磁脉冲防护电路；

(5)设计一次交流电源端口电磁脉冲防护电路与二次直流电源(通用电源、接收机电源、蓄电池电源)端口电磁脉冲防护电路。

本发明所述步骤(1)包括：

建立包括L波段喇叭式雷达射频前端接收天线、雷达方舱、雷达方舱内的控制线以及雷达方舱外的电源线的仿真模型，对于雷达方舱内的控制线以及雷达方舱外的电源线的模型同步在CST设计工作室搭建控制线和电源线的端口电路，设置激励源为HEMP。

本发明所述步骤(2)包括：

对于雷达射频前端天线，在CST微波工作室进行全波仿真，对于雷达方舱外电源端口、雷达方舱内控制线端口在CST线缆工作室和设计工作室进行场路协同仿真。

本发明所述步骤(3)根据步骤(2)得到的雷达射频前端耦合电压值，以及雷达正常工作的频段，设计雷达射频前端电磁脉冲防护电路，具体步骤如下：

输入端的一端连接第一级瞬态抑制器件，第一级瞬态抑制器件的第一端和去耦元件1的第一端连接在一起，去耦元件1的另一端和去耦元件2的一端以及第二级瞬态抑制器件的一端连接在一起，去耦元件2的另一端和第三级瞬态抑制器件的一端以及巴特沃斯滤波电路的输入一端连接在一起，另一个输入端和第一级瞬态抑制器件、第二级瞬态抑制器件、第三级瞬态抑制器件以及巴特沃斯滤波器的另一个输入端连接起来，巴特沃斯滤波电路的输出端和防护电路的输出端连接在一起。

对雷达射频前端电磁脉冲防护电路的设计，采用三级瞬态抑制器件和稳态滤波电路相结合的设计方法，且各级瞬态抑制器件之间通过去耦元件进行搭配，使各级瞬态抑制器件均能导通并发挥作用，将瞬态抑制二极管与两个反向并联的开关二极管进行串联，能够将该支路的静态电容从上百pF降低到3pF以内。

本发明所述雷达射频前端电磁脉冲防护电路中第一级瞬态抑制器件选用的是气体放电管GDT(Gas Discharge Tube)，去耦元件1选用的是电感L4，第二级瞬态抑制器件的第一端是瞬态抑制二极管TVS的一个端点，将瞬态抑制二极管TVS的另一端与开关二极管D1的负极和开关二极管D2的正极连接在一起，开关二极管D1的正极和开关二极管D2的负极连接在一起作为第二级瞬态抑制器件的另一端，去耦元件2选用的是电感L5，第三级瞬态抑制器件的第一端是限幅器D3的负极，将限幅器D3的正极与限幅器D4的正级连接在一起，限幅器D4的负级作为第三级瞬态抑制器件的另一端；

气体放电管GDT的第一端连着输入端的一个端点，气体放电管GDT的第二端连接着输入端的另一个端点，电感L4的第一端与气体放电管GDT的第一端连接，电感L4的第二端与瞬态抑制二极管TVS的第一端连接，TVS的第二端与开关二极管D1的负极和开关二极管D2的正极连接在一起，开关二极管D1的正极和开关二极管D2的负极与GDT的第二端连接在一起，电感L5的第一端与TVS的第一端连接，电感L5的第二端与限幅器D3的负极连接，限幅器D3的正极与限幅器D4的正极连接，限幅器D4的负极与开关二极管D1的正极和开关二极管D2的负极连接，电感L2的第一端连接限幅器D3的负极，电感L2的第二端连接限幅器D4的负极，电容C2的两端分别与电感L2的两端连接，电感L1的第一端与电容C2的第一端连接，电感L1的第二端与电容C1的第一端连接，电容C1的第二端与电容C3的第一端连接，电容C3的第二端与电容C2的第二端连接，电感L3的两端分别与电容C3的两端相连，同时电感L3的两端又分别与电路的输出端相连。

本发明所述步骤(4)根据步骤(2)得到的控制线端口耦合电压值，结合其工作频段，设计控制线端口电磁脉冲防护电路，具体步骤如下：

采用一级瞬态抑制器件、一级滤波器件、二级滤波器件、二级瞬态抑制器件附件进行并联，两级滤波器件分别是共模滤波器和磁珠。

采用两级瞬态抑制器件加上两级滤波器件进行组合，两级滤波器件分别是共模滤波器和磁珠，共模滤波器可以对共模信号起到很好的抑制作用，磁珠在原理上等效于电阻和电感串联，但电感值和电阻值不是固定的，会随着频率的变化而变化，滤波特性优于一般的电感，比共模滤波器有更精准的滤波特性，因此将它与共模滤波器联合使用，达到递进滤波的效果。

本发明所述控制线端口电磁脉冲防护电路结构是，压敏电阻MOV第一端与电路输入端连接，第二端与气体放电管GDT的第一端连接在一起，气体放电管GDT的第二端与电路输入的另一端连接，压敏电阻MOV的第一端还与电容C1的第一端连接，气体放电管GDT的第二端还与电容C1的另第二端连接，电容C1的第一端还与共模电感L1的引脚1连接，电容C1的第二端还与共模电感L1的引脚2连接，共模电感L1的引脚3和引脚4分别与电容C2两端连接，电容C2的第一端还与磁珠FR的第一端连接，磁珠FR的第二端与电容C3的第一端连接，电容C2的第二端还与电容C3的第二端连接，电容C3的第一端与瞬态抑制二极管TVS的第一端连接，TVS的第二端与开关二极管D1的负极和开关二极管D2的正极连接，开关二极管D1的正极和开关二极管D2的负极和电容C3的第二端连接在一起，电路的输出端的一个端点与瞬态抑制二极管TVS的第一个端点连接，输出端的另一个端点与电容C3的第二端、开关二极管D1的正极、开关二极管D2的负极连接在一起。

本发明所述步骤(5)包括对电源线端口的防护，分别设计能够对共模干扰以及差模干扰均有抑制作用的一次交流电源端口电磁脉冲防护电路与二次直流电源端口电磁脉冲防护电路，将压敏电阻串联气体放电管后并联接入电路，能够将该支路的静态电容从上百pF降低到1pF以内，且还可以延长压敏电阻的使用寿命；其中：

1)、根据步骤(2)得到的电源线端口耦合电压值，结合电源正常工作频率，和正常工作的电压幅度，设计一次交流电源端口电磁脉冲防护电路，具体步骤如下：

L端与N端之间分别并联一级差模瞬态抑制器件、差模滤波电路、二级差模瞬态抑制器件；L端和PE端分别并联一级L端共模瞬态抑制器件和L端共模滤波电路以及二级L端共模瞬态抑制器件；N端和PE端分别并联一级N端共模瞬态抑制器件和N端共模滤波电路以及二级N端共模瞬态抑制器件。

所述一次电源防护电路的结构是，L端输入端口连接压敏电阻MOV1的第一端，压敏电阻MOV1的第二端与气体放电管GDT1的第一端连接在一起，气体放电管GDT1的第二端连接着N端的输入端口，N端的输入端又与压敏电阻MOV2的第一端相连，压敏电阻MOV2的第二端与压敏电阻MOV3的第一端以及气体放放电管GDT2的第一端相连，压敏电阻MOV3的第二端又与L端输入端连接，气体放电管GDT2的第二端与PE端的输入端连接；电感L1的第一端与MOV3的第一端连接，电感L1的第二端与电容C1的第一端相连，电感L2的第一端与N端的输入端连接，电感L2的第二端由又与电容C2的第一端连接，电容C2的第一端与电容C1以及电感L2的第二端连接，电容C3的第一端与电容C1的第一端连接，电容C3的第二端与电容C2的第二段连接在一起；压敏电阻MOV4的第一端与电容C3的第一端连接，压敏电阻MOV4的第二端与气体放电管GDT3的第一端连接，气体放电管GDT3的第二端与N端输出端和电容C2的第一端连接，压敏电阻MOV5的第一端与气体放电管GDT3的第二端连接，压敏电阻MOV5的第二端与压敏电阻MOV6的第二端和气体放电管GDT4的第一端连接在一起，压敏电阻MOV6的第二端与压敏电阻MOV4的第一端和L端输出端连接，气体放电管GDT4的第二端与PE端的输出端连接在一起。

2)结合一次电源设计思路及结合二次直流电源的工作特性，设计二次直流电源端口电磁脉冲防护电路，具体步骤如下：

P端与N端之间连接着一级差模瞬态抑制器件、差模滤波电路、二级差模瞬态抑制器件；P端和地之间分别连接着一级P端共模瞬态抑制器件和P端共模滤波电路以及二级P端共模瞬态抑制器件；N端和地之间分别连接着一级N端共模瞬态抑制器件和N端共模滤波电路以及二级N端共模瞬态抑制器件。

所述二次直流电源端口电磁脉冲防护电路的结构是，压敏电阻MOV1第一端连接着P端输入端和压敏电阻MOV2的第一端，压敏电阻MOV1的第二端连接着气体放电管GDT1的第一端，气体放电管GDT1的第二端连接着N端输入端，压敏电阻MOV2的第二端连着气体放电管GDT2的第一端和压敏电阻MOV3的第一端，气体放电管GDT2的第二端接地，压敏电阻MOV3的第二端连着气体放电管GDT1的第二端和电感L2的第一端，电感L1的第一端连接压敏电阻MOV2的第一端，电容C1的第一端连接电感L1的第二端和电容C2的第一端，电容C1的第二端连着电感L2的第二端和电容C3的第二端，电容C2的第二端和电容C3的第一端连在一起后接地，电容C2的第一端和瞬态抑制二极管TVS1的第一端连接，TVS1的第二端和开关二极管D1的正极以及开关二极管D2的负极连接，开关二极管D1的负极以及开关二极管D2的正极和电容C3的第二端连接，瞬态抑制二极管TVS2的第一端和TVS1的第一端以及P端输出端连接，TVS2的第二端和开关二极管D3的正极以及开关二极管D4的负极连接，开关二极管D3的负极以及开关二极管D4的正极连接之后接地，瞬态抑制二极管TVS3的第一端和TVS2的第二端连接，TVS3的第二端和开关二极管D1的负极以及开关二极管D2的正极以及N端输出端连接。

一种L波段喇叭式雷达系统电磁脉冲防护电路，包括雷达射频前端电磁脉冲防护电路、控制线端口电磁脉冲防护电路、一次交流电源端口电磁脉冲防护电路和二次直流电源端口电磁脉冲防护电路，其中：

所述雷达射频前端电磁脉冲防护电路包括输入端的一端连接第一级瞬态抑制器件，第一级瞬态抑制器件的第一端和去耦元件1的第一端连接在一起，去耦元件1的另一端和去耦元件2的一端以及第二级瞬态抑制器件的一端连接在一起，去耦元件2的另一端和第三级瞬态抑制器件的一端以及巴特沃斯滤波电路的输入一端连接在一起，另一个输入端和第一级瞬态抑制器件、第二级瞬态抑制器件、第三级瞬态抑制器件以及巴特沃斯滤波器的另一个输入端连接起来，巴特沃斯滤波电路的输出端和防护电路的输出端连接在一起；

所述控制线端口电磁脉冲防护电路包括一级瞬态抑制器件、一级滤波器件、二级滤波器件、二级瞬态抑制器件附件进行并联，两级滤波器件分别是共模滤波器和磁珠；

所述一次交流电源端口电磁脉冲防护电路包括L端与N端之间分别并联一级差模瞬态抑制器件、差模滤波电路、二级差模瞬态抑制器件；L端和PE端分别并联一级L端共模瞬态抑制器件和L端共模滤波电路以及二级L端共模瞬态抑制器件；N端和PE端分别并联一级N端共模瞬态抑制器件和N端共模滤波电路以及二级N端共模瞬态抑制器件；

所述二次直流电源端口电磁脉冲防护电路包括P端与N端之间连接着一级差模瞬态抑制器件、差模滤波电路、二级差模瞬态抑制器件；P端和地之间分别连接着一级P端共模瞬态抑制器件和P端共模滤波电路以及二级P端共模瞬态抑制器件；N端和地之间分别连接着一级N端共模瞬态抑制器件和N端共模滤波电路以及二级N端共模瞬态抑制器件。

下边结合附图1～23描述本发明的具体实施方式。

如图1所示的雷达系统电磁防护电路设计流程图，本发明首先建立雷达系统电磁脉冲辐照模型，通过全波仿真以及场路协同仿真得到雷达射频前端、方舱外电源线端口以及方舱内控制线通信端口耦合电压波形，之后根据线缆传输的正常信号特性，分别设计射频前端滤波电路、控制线通信端口滤波电路以及电源线端口滤波电路，结合仿真得到耦合电压值，利用TVS、GDT和MOV等瞬态抑制器件，设计电磁防护电路，通过仿真测试所设计的防护电路的插入损耗，通过电磁脉冲注入实验测试防护电路的防护效能。

(1)建立雷达系统电磁辐照模型，在CST微波工作室建立雷达系统接收天线模型、方舱，在CST线缆工作室完成方舱外电源线及端口电路、方舱内控制线及端口电路的建模

在CST微波工作室中建立如图2所示的雷达射频前端天线模型，在波导距离尾部四分之一波长处建立同轴馈电部件，用以天线馈电，其中同轴馈电部件是由同轴探针、同轴屏蔽层以及填充介质组成，同轴探针总长度为51.38mm，直径为2mm，材质为PEC，同轴屏蔽层总长度为6mm，外直径为5mm，内直径为4.6mm，材质为PEC，在同轴探针与屏蔽层之间用介电常数与磁导率均为1的绝缘物质进行填充，在同轴探针与同轴屏蔽层之间接50Ω电阻作为负载，天线工作中心频率为1.5GHz，带宽200MHz，最大增益为20dB。

在CST线缆工作室建立如图3所示的线缆端口辐照模型，建立长与宽分别为6m厚度为0的PEC金属板作为大地，在距离地面10cm的高度建立长为5m的线缆作为电源线，其中电源线缆由三根LIFY_1qmm50型号的单芯线困扎而成，之后在CST设计工作室搭建电源线端口电路模型，每根单芯线两端接上50Ω电阻之后再接地；同理在CST线缆工作室建立如图4所示的方舱以及方舱内线缆模型，方舱为4.12m×2.24m×2m，厚度为1.5mm的PEC材质，在方舱门窗四周留1mm缝隙用来模拟孔缝，在方舱内距离方舱底与侧边均10cm处建立舱内电源线与控制线，控制线设置为双绞线，之后在CST设计工作室搭建其电路模型，控制线两端接120Ω电阻不接地。

设置HEMP为辐照激励源，对于天线，辐照方向垂直天线开口，对于方舱外电源线，辐照方向垂直电源线缆，对于方舱内线缆，辐照方向垂直孔缝开口方向。

本发明采用电磁脉冲波形指的是早期HEMP平面波。建立电磁脉冲辐射源信号模型，按照国际电工委员会(International Electrotechnical Commission，IEC)制定的标准《IEC61000-2-9-1996高空核电磁脉冲环境-辐射骚扰的描述》，HEMP的数学表达式如下：

E(t)＝kE

其中E

在CST微波工作室中仿真平面波照射下雷达射频前端接收天线耦合电压，极化方式为垂直极化，辐照方向为与平行喇叭天线开口方向，如图2所示；在CST线缆工作室仿真平面波照射下电源线缆端口耦合电压，极化方式为水平极化，辐照方向垂直线缆，模拟最恶劣情况，如图3所示；在CST线缆工作室仿真平面波照射下方舱内控制线缆端口耦合电压，极化方式为水平极化且极化方向与缝隙最长边垂直，辐照方向垂直方舱孔缝，模拟最恶劣情况，如图4所示。

(2)雷达射频前端天线以及电源线端口、控制线端口耦合仿真

由于HEMP能量集中在500MHz频段内，所以设置仿真频率设置为0～500MHz，边界条件设置为open add space，即模拟自由空间环境，背景材料设置为均匀材料分布，对仿真模型进行自适应网格划分，通过Time Domian Solver求解器采用有限积分法求解，通过CST微波工作室，仿真得到雷达射频前端天线耦合电压波形如图5A和5B，从时域上看，时域信号上升迅速，峰值达到了154.9V，峰峰值达到了315.5V，从频域来看，能量峰值主要集中在1500MHz附近；通过CST线缆工作室，仿真得到方舱外电源线端口耦合电压波形如图6A和6B所示，电源线端口耦合电压峰峰值达到了1894.3V，且能量主要集中在1MHz～50MHz，仿真得到的方舱内控制线端口耦合电压波形如图7A和7B所示，从图中可以看出，耦合电压的峰峰值达到了1621.5V，且信号在极短的时间内达到峰值，能量主要分布在50～100MHz。

(3)设计雷达射频前端滤波电路及防护电路

根据仿真得到雷达射频前端天线耦合电压波形，耦合的能量包括带内耦合与带外耦合，设计稳态加瞬态于一体的防护电路，具体防护电路原理框图如图8所示。雷达天线的工作频段是1.4GHz～1.6GHz，所以设计的带通滤波电路通带在1.4GHz～1.6GHz。设计六阶巴特沃斯滤波电路，电路由电容C1、C2、C3和电感L1、L2、L3组成，电感L2与C2先后跨接在两传输线之间，电感L1与电容C1先后串接在第一条传输线上，电容C3与L3再跨接在两传输线上，在1.4GHz与1.6GHz处插入损耗分别为0.005dB和0.001dB，在1.25GHz以及1.8GHz处插入损耗均大于20dB。

在滤波电路的基础上，再添加GDT、TVS、限幅器以及开关二极管等组成如图9所示的雷达射频前端电磁脉冲防护电路。对于气体放电管的选型需要满足下述条件：

U

U

V

其中V

(4)设计控制线端口滤波电路及防护电路

控制线缆主要是RS485总线，控制端口防护电路的原理框图见图10。由于RS485线容易受到高频噪声的影响，且干扰的噪声主要是共模信号，以此为依据设计设计截止频率为1MHz的低通滤波电路。第一级滤波器件L1用的TDK公司的ACM1211-102-2PL-TL01系列的共模滤波器，该类型的共模滤波器具有紧凑且高阻抗的特性，可以对共模信号起到很好的抑制作用，第二级的滤波器FR件用的是muRata公司的BLM18AG102SN1D型号磁珠，磁珠的电阻率和磁阻率很高，在原理上等效于电阻和电感串联，但电感值和电阻值不是固定的，会随着频率的变化而变化，滤波特性优于一般的电感，比共模滤波器有更精准的滤波特性，因此将它与共模滤波器联合使用，达到递进滤波的效果。共模滤波器L1左端并联电容C1，共模滤波器L1和磁珠FR之间并联电容C2，磁珠FR右端并联着电容C3。设计的滤波电路的通带截止频率1MHz处插入损耗为0.097dB，在3MHz处插入损耗大于40dB。

在设计的滤波电路基础上，将压敏电阻与气体放电管串联之后放在滤波电路前，对耦合的能量进行第一级泄放，因为压敏电阻具有较好的钳位能力，但是其静态电容较大，一般能达到几百pF，用在信号线上会增加电路插入损耗，影响正常信号通过，但是气体放电管的极间电容很小，一般是1pF左右，将压敏电阻与气体放电管串联之后可以让支路总静态电容小于1pF，能使正常工作信号无损耗通过，压敏电阻的选型要求如下：

U

U

(5)设计电源端口滤波电路及一、二次电源端口防护电路

由于雷达系统用到的电源涉及到一次电源和二次电源，且电源线上同时存在差模干扰和共模干扰，所以采用图12、图14A所示的防护电路结构进行设计电磁脉冲防护电路。一次电源是220V的交流电，二次电源是经过变换之后的直流电，主要是包括通用电源(频率源、信号处理用)5V，接收机电源15V以及蓄电池电源24V，其中二次电源的输出电流较大，一般是3～40A。

市电频率较低，所以设计LC低通滤波电路，电源电路的电流较大，不宜使用磁珠，选用的是Sunltech公司的SLT065125T101KTB型号的铁氧体磁环电感，电感值是100uH，铁氧体磁环电感在高频时阻抗增大，能够有效的滤除高频噪声，电容选用的是FH公司的1206B102K202NT型号的耐高压电容，电容值是1nF，在100kHz时的插入损耗为1.385dB。

对于一次电源，正常工作时电压峰值为

对于二次电源，由于电压幅值较小，在一次电源的基础上，将第二级的压敏电阻和气体放电管换成TVS和开关二极管，具体设计如图14B所示，仍然选择将TVS与两个反向并联的二极管串联以此来降低支路静态电容。对于通用电源(5V)设计的防护电路，MOV1、MOV2和MOV3采用的是RUILON公司的07D220K型号的压敏电阻，GDT1与GDT2选用的是FTR公司的2RE075L-8型号的气体放电管，TVS1、TVS2与TVS3采用的是MDD公司SMBJ6.0CA型号的TVS，D1、D2、D3、D4选用的是先科公司的BAS216W型号开关二极管；对于接收机电源(15V)设计的防护电路，除了TVS1、TVS2和TVS3换成了SUNMATE公司的SMDJ18CA型号，其余与通用电源设置一致；对于蓄电池电源(24V)设计的防护电路，MOV1、MOV2、MOV3选用的是RUILON公司的10D390K型号压敏电阻，GDT1与GDT2选用的是FTR公司的2RE075L-8型号的气体放电管，TVS1、TVS2与TVS3采用的是FTR公司SMDJ30CA型号的TVS，D1、D2、D3、D4选用的是先科公司的BAS216W型号开关二极管。

下边通过实验例来进一步说明本发明的效果。

实验例1、用ADS软件仿真防护电路插入损耗

按照上述设计的防护电路，在ADS软件中搭建电路模型，对于气体放电管、压敏电阻、瞬态抑制二极管、共模滤波器和磁珠，在ADS软件中导入其SPICE(Simulation Programwith Integrated Circuit Emphasis)模型，进行S参数仿真。进行防护电路插入损耗仿真，仿真结果见图15A～图15D，通过仿真结果可以看出，雷达射频前端防护电路在通带1.4GHz～1.6GHz内最大插入损耗为0.58dB，控制线端口防护电路在截止频率1MHz处1.530dB，一次电源端口防护电路在截止频率100KHz处的插入损耗为1.361dB，通用电源端口、接收机电源端口、蓄电池电源端口防护电路在截止频率100kHz处的插入损耗分别为1.361dB、1.359dB、1.364dB，由此可以看出，所设计的防护电路的插入损耗均小于2dB，可以保证正常工作信号基本无损耗通过。

实验例2、防护电路防护效能测试

将设计好的防护电路制作实物，通过电磁脉冲注入实验，测试其防护效能，具体实验布置如图16所示，将电磁脉冲发生器与待测防护电路通过同轴线进行，在待测防护电路后接60dB衰减器，再通过同轴线连接到示波器上，当未接防护电路时，注入6kV的电磁脉冲，脉冲波形经由60dB衰减器衰减1000倍后通过示波器测量的结果如图17所示，测得脉冲波形的峰峰值是6V，最大电平是5.47V。雷达射频前端防护电路当注入6kV电磁脉冲后响应波形如图18所示，响应信号波形经过1000倍衰减后最大电平为44mV，防护效能计算公式为：

式中SE为防护电路防护效能，V

综上所述，本发明设计的雷达系统电磁脉冲防护电路，通过前后门联合防护，能够对电磁脉冲进行有效的抑制，大大提高雷达在复杂电磁环境中的适应性，采用TVS与两个反向并联的开关二极管进行串联，能够将支路静态电容由上百pF降至3pF以内，对于采用压敏电阻进行钳位的支路，将压敏电阻串联气体放电管后并联接入电路，能够将该支路的静态电容从上百pF降低到1pF以内，且还可以延长压敏电阻的使用寿命。对于控制线端口电路采用共模滤波器加磁珠进行递进式滤波，能够得到更好的滤波特性，对于电源端口电路，设计能够对共模干扰以及差模干扰均有抑制作用的防护电路，提高了雷达电源的抗干扰能力。