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一种弹载卫星定位导航装置电磁脉冲防护设计技术
查看:150  发稿日期:2018-08-06 10:35:35

郭艳辉,周成龙,李子森

(中国兵器工业新技术推广研究所电磁兼容研究室,北京100089


摘要:针对弹载卫星定位导航装置接收机面临的强电磁脉冲环境威胁,研究了一种电磁脉冲防护技术,开发了大电流泄放、瞬态限幅、带通滤波及微带线的综合防护电路,开展了雷电注入和电磁脉冲辐照试验。试验结果表明,该设计提高了弹载卫星导航装置抗雷击和强电磁脉冲干扰的能力。

 

1弹载卫星定位导航装置电磁干扰现状分析

现代高科技战争是在复杂多变的电磁环境中展开的,电磁脉冲干扰和电磁对抗贯穿于战争的始终。对于高灵敏度接收设备,最危险、最致命的软杀伤就是有意或无意的电磁干扰。国内对于卫星定位导航装置的抗干扰技术进行了大量研究,但基于强电磁环境下的抗干扰研究很少,使装备有卫星定位导航装置的武器系统在复杂电磁环境下很难发挥应有的战技功能。

雷电电磁脉冲和高空核电磁脉冲通过线缆、端口耦合注入或辐照,对弹载卫星定位导航装置产生很大干扰,间接雷电效应中的放电电流可达10kA,电磁脉冲峰值场强高达50kV/m,其特点是大范围、宽频带和高场强[1-3]。

卫星接收机是电磁敏感且易损设备。在强电磁脉冲环境中,卫星接收机抗干扰能力有如下不足。

 

1)对雷电、电磁脉冲干扰的抑制度不够。卫星定位导航装置的接收机带外抑制度一般为3040dB,接收机端口输入端极易耦合电磁干扰,而且弹载卫星导航装置的灵敏度为-130dBm,即使很小的干扰也会使接收机的工作受到影响。耦合进去的电磁脉冲干扰会使接收机的信噪比下降,增加捕获和跟踪卫星信号的时间,减少可接收的卫星数量,从而导致导航精度降低,测量误差增大,并影响制导控制的精度,甚至使系统无法正常工作[4]。

 

2)对于瞬态大功率电磁脉冲耐功率不够,缺乏能量泄放手段,易烧毁。弹载卫星导航装置处理的信号都是小功率射频信号(耐功率只有几瓦)。瞬态大功率电磁脉冲具有高压、高功率和宽频带威胁特性,未经保护的弹载卫星导航装置受到雷击、电磁脉冲等瞬态大功率脉冲攻击时,由于自身的高敏感度以及处于天线后端的特殊位置,致使其在受到电磁脉冲武器攻击时成为整个接收机系统的薄弱环节,部分电磁脉冲能量经天线耦合进入射频前端,引起浪涌电压和电流,当浪涌电压、电流超过射频前端电子器件的损伤阈值时,就会引起电热击穿,从而导致

装置故障。

 

本文进行了一种弹载卫星导航装置电磁脉冲防护设计研究,设计开发了射频电磁脉冲防护模块,提高了弹载卫星导航装置抗大功率电磁脉冲信号冲击的能力和弹载卫星导航装置的带外抑制度。

 

2弹载卫星定位导航装置电磁脉冲防护原理

弹载卫星定位导航装置电磁脉冲防护原理如图1所示。其由三级防护组成:第1级为大电流泄放电路;第2级为瞬态限幅电路;第3级为小功率射频带通滤波电路。其中每一级之间通过阻抗匹配微带线连接。第1级防护电路通过芯线并联开关保护器件,和大地形成泄放通道,完成大功率信号的泄放,当雷击浪涌信号耦合进来,首先通过此电路泄放到大地。由于第1级防护电路的残压比较高,剩余能量比较大,需要通过第2级瞬态限幅电路进一步抑制;第2级瞬态限幅电路的限幅器件耐功率可达几百瓦,其工作频带较宽,可抑制宽频带的电磁脉冲干扰,当较强的调制波或干扰信号落在工作频带内时,带通滤波器不能衰减或衰减量较小,主要通过限幅器进行衰减,因此瞬态限幅电路是滤除工作频带内干扰的重要电路;第3级小功率射频带通滤波电路选取矩形系数较好的射频带通滤波器件,提高其带外抑制度,且带宽设计满足卫星接收机规定要求,耐功率可达1020W,进一步抑制其带外干扰[5]。三级防护电路通过微带线匹配电路实现阻抗匹配,既保证不被高功率信号击穿,又使得射频信号通路以很小的插入损耗通过。

 

 

依据上述设计思路,设计的防护电路如图2所示。防护电路由气体放电管、耐高压电容、50Ω 标准微带线和三级反接并联的限幅二极管以及介质滤波器组成。第1级为气体放电管,并联于保护器芯线与外壳地之间,泄放大电流,由于气体放电管残压比较高,剩余能量通过第2级防护电路释放;第2级为三级PIN限幅电路,选取具有400W 以上的脉冲抗烧毁能力的限幅器件,用于大功率脉冲的限幅保护,采用多级泄放、逐次降压的思想,进一步抑制电磁脉冲干扰;第3级选取介质滤波器,其矩形系数比较好,可承受较大的功率,能够用来保护卫星定位导航装置免受大功率输入信号的烧毁,进一步滤除接收机工作频带外的干扰。为抵消各级限幅二极管的反射,每两级之间间隔1/4波长传输线,以使输入端口获得较好的驻波特性。

 

3防护设计验证试验

利用上述设计电路完成弹载卫星定位导航装置射频电磁脉冲防护模块,以北斗卫星导航装置为被测设备开展了雷电注入以及电磁脉冲辐照试验。通过加射频电磁脉冲防护模块与不加射频电磁脉冲防护模块的对比试验,观测被测设备的抗雷电、电磁脉冲的能力以及射频电磁脉冲防护模块的防护效果。

全文收录在《中国防雷资讯汇编》2018.4


4结语

本文设计的关键在于电磁脉冲防护由三级防护组成:第1级为大电流泄放电路;第2级为瞬态限幅电路;第3级为小功率射频带通滤波电路。其中每一级之间通过阻抗匹配的微带线连接,提供了雷电和强电磁脉冲的综合防护。该防护有效提高了弹载卫星导航装置抗大功率电磁脉冲信号冲击的能力和弹载卫星导航装置的带外抑制度。笔者研制的设计电路针对的是北斗导航定位装置,后续可考虑针对不同导航定位装置的具体工作频段进行设计,形成一系列的电磁脉冲防护滤波器,提高弹载卫星定位导航装置的电磁脉冲抑制能力。

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