短波接收天线系统核电磁脉冲注入试验（摘录）

短波接收天线系统核电磁脉冲注入试验（摘录）
吴刚1,  乐波2, 杨雨枫3,  王海洋1, 崔志同1, 彭磊2, 吴伟1, 陈伟1,3
1.强脉冲辐射环境模拟与效应国家重点实验室西北核技术研究院
2.盲信号处理国家重点实验室
3.湘潭大学机构 材料科学与工程学院

基金项目：
强脉冲辐射环境模拟与效应国家重点实验室专项经费资助项目（SKLIPR．1405Z）

摘要:
为评估高空核电磁脉冲（HEMP）对某型短波接收天线系统的威胁，对包含浪涌保护器在内的天线前端设备进行HEMP传导注入试验。采用纳秒级快前沿方波源和双指数波电流源，分别测试不同浪涌保护措施的快脉冲响应。结果表明，主要由于天线末端的气体放电管在高过压比下很快动作（1ns量级）、信号浪涌保护器内瞬态电压抑制器（TVS）限幅、信号传输设备内放大器饱和限幅等多重作用，注入幅度约3.5kV的快前沿方波、电流峰值1.8kA的双指数波(20/500ns)脉冲都能及时泄放，只在传输设备输出端产生一个幅度饱和（3V)、持续s量级的干扰信号。对这一类低工作电压天线系统，利用基于市售浪涌保护器的多重防雷措施能够同时实现对核电磁脉冲传导环境的防护。

高空核电磁脉冲（HEMP）是部分信息化装备需要应对的威胁环境之一。HEMP能量主要集中在1～100MHZ范围，对短波（3～30MHZ）、超短波（30～300MHZ）天线有很强的带内耦合。短波天线长度几M到几十M，一般在开阔场地并架设到一定高度，固定系统都安装有防雷保护措施，如避雷针和浪涌保护器。要评估HEMP对系统的效应危害进而采取防护，首先要分析天线的耦合响应，确定传导脉冲应力，然后测试已有浪涌保护措施的效能，判定泄露脉冲对仪器设备的危害程度，进而改进完善防护措施。

针对通信系统HEMP防护与试验验证，有部分标准规定了试验方法、天线耦合规律等内容。如美军标MIL－STD－188－125－1/2规定了天线系统的脉冲电流注入试验方法，对短波天线采用双指数波脉冲注入，但电流幅度需要根据低场强下的响应外推到威胁级［1］ 。IEC　61000－2－10在论述天线端口HEMP传导环境时，给出了几种典型长度的偶极和单极天线的短路电流、开路电压等耦合参数［2］。涉及具体对象的应用研究公开报道很少。可查到的一个案例是，1992年美国陆军HArry　DiAMonD实验室对一型短波收发机进行HEMP生存能力评估，并开展了端口加固和实验验证［3］。国内已开展的相关研究包括：基于不同数值算法、软件或半解析方法研究偶极或单极天线的耦合响应［4－10］，着重确认算法或模型的合理性；实验研究常见浪涌保护器件，如气体放电管（GDT）［11－12］、压敏电阻（MOV）［13］、瞬态电压抑制器（TVS）［14－15］等，对纳秒快脉冲的响应，有的在设备端口的防护设计中有所应用［16］；或者考虑将铁氧体磁环用作浪涌保护器的补充［17－18］等。这些研究揭示了天线耦合响应和传导防护的一些特点，但并没有对一个真实系统进行完整的试验评估。

本文报道了对一个实际的短波接收天线系统进行HEMP生存能力评估的方法和研究结果，对天线耦合考虑了入射角度的影响，识别并逐级测试了系统中的多重浪涌保护措施，确定了传导脉冲的应力传递，最后用幅度1kA量级的双指数波脉冲电流源注入进行防护效能验证。

1天线系统组成和传导防护措施该系统采用高7．7M的阻抗加载垂直鞭天线。天线末端电缆上安装有浪涌保护器，如P8AX09－N/FF天线避雷器、ZGXM－1N－3信号浪涌保护器等组合使用。电缆连接到天线共用器和交换矩阵，二者均为多端口输出型传输设备，实现信号的多通道测试和分析处理，内置增益（3．5±1）DＢ的放大器。各部分的电气连接关系及内部集成保护器件如图1所示。天线末端安装有GDT。紧随其后的是为实现双路平衡输出而接入的单－双端转换巴伦，内部为磁耦合。天馈浪涌保护器以单个GDT为主要防护器件；信号浪涌保护器采用GDT和TVS分级防护设计，在脉冲电压较低时，TVS快速响应对电压进行较精准的箝位，如限制在10V，当脉冲电压较高时，电阻上的压降可使前级GDT导通从而泄放大部分电流。天线共用器和交换矩阵内的放大器均有线性工作范围，在输入过大时会出现饱和而限幅。



4试验结果及分析4．1　基于GDT的天线避雷器
为测试单个GDT的作用，实际用方波源详细测试只有一个GDT器件的天线避雷器对快脉冲的响应。该GDT标称直流（加压陡度100V/s）击穿电压90V。该等级GDT在1kV/μs陡度（对应雷电脉冲）的冲击放电击穿电压通常不超过600V［21］。如直接施加幅度600V的快前沿方波，理论上导通时间应不超过600ns。设定方波脉冲源输出脉宽1000ns，测量不同电压幅度下的GDT导通时间，以泄露脉冲的半高宽表征。由于气体击穿过程的随机特性，在同一幅度下重复试验得到的GDT响应时间可能有显著变化。实际选择在同一电压等级下重复测试10次，典型波形及三个不同样品的结果汇总如图6所示。三个样品均从同一批次产品中随机抽取，图中U0为方波源设定输出电压，对该器件实际取值范围800～3500V。

4．3　GDT和TVS分级防护的信号浪涌保护器
信号浪涌保护器标称运行电压为5V，在1．2μs/50μs雷电组合波下的限值电压不超过35V，其内部在靠近输入端采用EPCOS公司生产的直流击穿电压90V的GDT作为初级防护，在靠近输出端并联接入4只TVS作为次级精细防护，两级防护之间的耦合隔离电阻阻值为2．2Ω。　

将一个天线避雷器与一个信号浪涌保护器直连后，用方波源从天线避雷器一侧注入。注入电压幅度为200～700V时，信号浪涌保护器输出电压波形如图8所示。此时两个器件内的GDT均未动作，而TVS能够快速响应，在脉冲起始形成幅度50～190V、脉宽小于1ns的泄露尖峰，然后将电压箝位到10～15V。这种情况下，天线避雷器相当于被短路而无法导通，起不到分级防护的配合作用。在天线避雷器与信号浪涌保护器之间接入长度5M的射频电缆对脉冲延时，TVS动作形成的电压负反射波需约25ns传递到天线避雷器处，在较高电压下天线避雷器有可能在这25ns时间内就已导通，仍有可能实现分级防护，减轻信号浪涌保护器的泄放压力。

5结论基于电磁耦合仿真和脉冲电流注入试验，对某型短波接收天线系统前端设备抗HEMP防护性能进行了研究评估，检验验证了天线端口浪涌保护器对HEMP传导耦合的响应特性。主要结论如下：
（1）阻抗加载垂直鞭天线在HEMP辐照激励下的耦合短路电流峰值可达1kA；
（2）利用前沿～20ns、脉宽～500ns双指数波脉冲电流源在天线末端直接注入，在加压最高90kV、电流峰值约1．8kA情况下，信号浪涌保护器输出残压峰值约100V，可使天线共用器和交换矩阵输出饱和，后者输出幅值不超过3V、持续约6μs的残压信号；
（3）经比对试验前后的S21参数，受试对象正常传输天线接收的工作信号的功能未见明显变化；
（4）基于快前沿脉冲源和双指数波脉冲源的逐级测试可以判断，注入的瞬态脉冲电压主要被前端GDT抑制，脉冲能量也大部分从GDT释放，天线输出的残压峰值约1kV，再经过信号浪涌保护器的TVS限幅，残压再下降1个量级；
（5）在巴伦和信号浪涌保护器之间接入的天馈浪涌保护器在脉冲能量泄放中作用并不明显；
（6）天线末端的单－双端阻抗转换巴伦内部为磁耦合，因瞬态脉冲作用磁饱和机制也可起到保护效果。

以上研究结果意味着，对于受试对象所代表的一类低工作电压天线系统，可以基于市售浪涌保护器实现对雷电和核电磁脉冲的综合防护。对于较高工作电压的情形，如大功率发射系统，一般要配套使用高电压的浪涌保护器，其响应及泄露脉冲影响另需专门研究。

本文发表在《强激光与粒子束》2019.9
全文收录在《中国防雷技术选编》2020.9

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