射频前端综合电磁防护电路的制作方法

本发明涉及电磁防护领域，尤其涉及一种射频前端连续波与瞬态强电磁脉冲综合防护电路。

背景技术：

随着电气电子设备对频谱资源的争夺，电磁环境越来越恶劣，表现为频谱密度高、能量强度大、信号样式多。空间中除各种连续波信号外，还存在着各种有意、无意的电磁脉冲。特别是强电磁脉冲武器成为各国竞相发展的对象，历经几十年发展，国外大量先进强电磁脉冲武器装备部队，给我国电力、通信、金融、能源、交通等带来巨大威胁。

电气电子设备多为用频设备，存在收发射频前端，对其造成影响的电磁波包括连续波及电磁脉冲。当电磁波以一定功率进入射频前端时，轻则造成信息干扰，重则造成硬件损伤。有意形式的强电磁脉冲包括核电磁脉冲、高功率微波等，由于其具有极快的脉冲上升沿、极高的脉冲峰值功率，对用频设备打击的频域范围大，能量强度高。

对射频前端的防护包括对连续波的防护和对电磁脉冲的防护，现有防护性设计中，多为对连续波的防护，受技术成熟度与试验条件限制，多数防护电路对强电磁脉冲的防护能力有限，特别是限幅响应速度小于1ns，可用于高功率微波的防护电路鲜见，其难度在于防护电路需兼具响应速度快、通流能力强、插入损耗低、尖峰泄露小这四项特性。

技术实现要素：

本发明需要解决的技术问题是提供一种射频前端综合电磁防护电路，用以解决同时具备连续波与强电磁脉冲防护能力，特别是具有高功率微波防护能力的问题。

为了解决上述问题，本发明所采用的技术方案是：

一种射频前端综合电磁防护电路，包括：输入匹配电路、扩容防护电路、开关防护电路、限幅防护电路、级间匹配电路、输出匹配电路和耦合检波电路；

输入匹配电路第一端作为射频前端综合电磁防护电路输入端，输入匹配电路第二端与扩容防护电路第一端相连；

级间匹配电路的个数为两个以上，在扩容防护电路与开关防护电路之间、开关防护电路与限幅防护电路之间，都连接有级间匹配电路，这两个级间匹配电路分别为第一级间匹配电路和第三级间匹配电路；

扩容防护电路至少包括两个扩容分支，各扩容分支之间基于功分原理并联，所有扩容分支的第一端相连共同作为扩容防护电路第一端，扩容防护电路第一端同时与第一级间匹配电路第一端相连；

所有扩容分支的第二端相连共同作为扩容防护电路第二端，扩容防护电路第二端接地；

开关防护电路包括一个以上的导通单元，所有导通单元的第二端接地；若导通单元为一个，则该导通单元的第一端分别与第一级间匹配电路第二端和第三级间匹配电路第一端相连；若导通单元为两个以上，则相邻导通单元第一端间也以级间匹配电路连接，第一个导通单元的第一端与第一级间匹配电路第二端相连，最后一个导通单元的第一端与第三级间匹配电路第一端相连，同时依电磁能量传播方向扩容防护电路、开关防护电路、限幅防护电路的开启功率依次相等或递减；

限幅防护电路包括一个以上的限幅单元，所有限幅单元的第二端接地；若限幅单元为一个，则该限幅单元的第一端分别与第三级间匹配电路第二端、输出匹配电路第一端相连；若限幅单元为两个以上，则相邻限幅单元第一端间以级间匹配电路连接，第一个限幅单元的第一端与第三级间匹配电路第二端相连，最后一个限幅单元的第一端与输出匹配电路第一端相连，同时依电磁能量传播方向扩容防护电路、开关防护电路、限幅防护电路的开启功率依次相等或递减；

输出匹配电路第二端作为射频前端综合电磁防护电路输出端；

耦合检波电路输入端与输出端分别连接于不同级间匹配电路，且耦合检波电路输入端较输出端靠近射频前端综合电磁防护电路输入端。

作为优选，每个扩容分支包括第一二极管单元、第二二极管单元和第一电感；

第一二极管单元包括一个以上正向串联的二极管，正极方向为第一二极管单元的第一端；第二二极管单元为第一二极管单元的反向串联，负极方向为第二二极管单元的第一端；第二二极管单元的二极管数量与第一二极管单元的二极管数量相等；

第一二极管单元第一端、第二二极管单元第一端和第一电感第一端相连，共同作为扩容分支第一端；第一二极管单元第二端、第二二极管单元第二端和第一电感第二端相连，共同作为扩容分支第二端接地；具体见图2，扩容防护电路第一端本身在电路上是连起来的，起到共同分担功率的作用，也是本发明设计想保护的点，所有第一端电位相等。

作为优选，本发明的一个实施例中，级间匹配电路包括四级，除第一级间匹配电路、第三级间匹配电路外，级间匹配电路还包括第二级间匹配电路、第四级间匹配电路；

开关防护电路包括第一导通单元和第二导通单元这两个导通单元，第一导通单元和第二导通单元之间通过第二级间匹配电路连接，第一导通单元第一端与第一级间匹配电路第二端相连，同时与第二级间匹配电路第一端相连；第二导通单元第一端与第二级间匹配电路第二端相连，同时与第三级间匹配电路第一端相连；第一导通单元第二端及第二导通单元第二端接地；

限幅防护电路包括第一限幅单元和第二限幅单元这两个限幅单元，第一限幅单元和第二限幅单元通过第四级间匹配电路连接，第一限幅单元第一端与第三级间匹配电路第二端相连，同时与第四级间匹配电路第一端相连，第二限幅单元第一端与第四级间匹配电路第二端相连，同时与输出匹配电路第一端相连；第一限幅单元第二端及第二限幅单元第二端接地；

作为优选，本发明的一个实施例中，第一二极管单元和第二二极管单元由相同型号和数量的开关二极管构成对管形式，去掉第一电感；

第一导通单元为由两个第一开关二极管首尾连接构成的对管结构，对管结构的一端作为第一导通单元第一端、另一端作为第一导通单元第二端接地；第二导通单元为由两个第二开关二极管构成的对管结构，对管结构的一端作为第二导通单元第一端、另一端作为第二导通单元第二端接地；

第一二极管单元、第一开关二极管、第二开关二极管的开启功率依次相等或递减；由于第二二极管单元为第一二极管单元的反向串联，负极方向为第二二极管单元的第一端，所以第二二极管单元的开启功率与第一二极管实际是相同的。

本发明的一个实施例中，开关防护电路仅包括第一导通单元，不包括第二级间匹配电路和第二导通单元；第一二极管单元与第一开关二极管开启功率相等或递减。

本发明的一个实施例中，开关防护电路包括两个及以上导通单元，相邻导通单元第一端间以级间匹配电路连接，同时依电磁能量传播方向开关二极管开启功率依次相等或递减。

作为优选，第一限幅单元为由两个第一限幅二极管首尾连接构成的对管结构，对管结构一端作为第一限幅单元第一端、另一端作为第一限幅单元第二端接地；第二限幅单元为由两个第二限幅二极管首尾连接构成的对管结构，对管结构一端作为第二限幅单元第一端、另一端作为第二限幅单元第二端接地；

第二开关二极管、第一限幅二极管、第二限幅二极管的开启功率依次相等或递减。

本发明的一个实施例中，限幅防护电路仅包括第一限幅单元，不包括第四级间匹配电路和第二限幅单元；第二开关二极管和第一限幅二极管开启功率相等或递减；

本发明的一个实施例中，限幅防护电路包括两个及以上限幅单元，相邻限幅单元第一端间以级间匹配电路连接，同时依电磁能量传播方向限幅二极管开启功率依次相等或递减。

作为优选，耦合检波电路包括定向耦合器、检波二极管、第三电感及扼流电感；

定向耦合器作为耦合检波电路输入端，定向耦合器的直通线为级间匹配电路中的微带线；定向耦合器的耦合线功率输出端连接检波二极管正极，检波二极管负极连接扼流电感第一端，扼流电感第二端作为耦合检波电路输出端；定向耦合器的耦合线非功率输出端连接第三电感第一端，第三电感第二端接地。

具体的，耦合检波电路输入端连接第一级间匹配电路、输出端连接第三级间匹配电路。

作为优选，输入匹配电路、输出匹配电路、级间匹配电路均采用微带传输线与集总元件结合设计，并使射频前端综合电磁防护电路小信号下呈现低通滤波器特性。

输入匹配网络保证射频前端综合电磁防护电路输入端驻波实现良好匹配，输出匹配网络保证射频前端综合电磁防护电路输出端驻波实现良好匹配；级间匹配网络实现各级防护电路间阻抗匹配，与耦合检波电路配合实现各级防护电路间响应速度匹配，与各级防护电路通流能力配合实现各级防护电路间功率容量匹配；

作为优选，在确定射频前端综合电磁防护电路集总参数与分布参数的情形下，调节匹配网络，使射频前端综合电磁防护电路小信号下呈现低通滤波器特性。

输入匹配电路至少包括一个串联连接的隔离电容；输出匹配电路至少包括一个串联连接的隔离电容；输出匹配电路第二端作为射频前端综合电磁防护电路输出端。

由于采用了上述技术方案，本发明取得的有益效果是：

1、同时具有连续波及瞬态强电磁脉冲综合防护能力。

2、扩容防护电路依据功分原理设置扩容分支，提升了射频前端综合电磁防护电路大信号(强场连续波及强电磁脉冲)下的功率容量及通流能力。

3、扩容防护电路、级间匹配电路、耦合检波电路相互配合，避免了瞬态强电磁脉冲冲击下，由于各级防护电路单元响应速度不匹配、功率容量不匹配导致的防护器件烧毁现象，获得了响应速度快、功率容量高、通流能力强的有益效果。

4、分布参数与集总参数结合设计，有利于得到射频电路的准确计算结果，进而有利于优化匹配网络形成射频前端综合电磁防护电路小信号(正常工作信号)下的低通滤波器特性，获得插入损耗低、对射频前端正常工作影响小的有益效果。

5、其于上述2、3、4条可获得高功率微波防护能力。

6、优化选择防护电路单元器件及微带电路设计可以减小射频前端综合电磁防护电路体积，便于装配使用。

附图说明

图1是本发明的电路结构示意图；

图2是本发明的原理示意图；

图3是本发明的实物结构示意图一；

图4是本发明的实物结构示意图二；

图5是未接入本发明的损耗仿真特性曲线实测图；

图6是接入本发明的损耗仿真特性曲线实测图；

其中：1、输入匹配电路，2、扩容防护电路，21、扩容分支，l1、第一电感，211、开关二极管，3、第一级间匹配电路，4、开关防护电路，41、第一导通单元，42、第二导通单元，411、第一开关二极管，421、第二开关二极管，5、第二级间匹配电路，6、第三级间匹配电路，7、限幅防护电路，71、第一限幅单元，72、第二限幅单元，711、第一限幅二极管，721、第二限幅二极管，8、第四级间匹配电路，9、输出匹配电路，10，耦合检波电路。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做进一步详细说明。

如图1所示，本发明实施例提供了一种射频前端综合电磁防护电路结构示意图，其包括输入匹配电路1，扩容防护电路2，第一级间匹配电路3，开关防护电路4，第三级间匹配电路6，限幅防护电路7，输出匹配电路9和耦合检波电路10。

在本实施例1中，射频前端综合电磁防护电路设计为双向，即可直接应用于天线和射频前端之间，不影响正常收发通信。

在另一实施例2中，射频前端综合电磁防护电路设计为单向，连接于接收天线和射频前端接收端之间。仅用于射频前端接收端，为双向，即可直接应用于天线和射频前端之间，不影响正常收发通信。

在本实施例1中，输入匹配电路1与收发天线间实现驻波匹配，用以正常传输射频前端的收发信号；输入匹配电路1与天线连接的一端作为第一端，与扩容防护电路2连接的一端作为第二端。

在本实施例1中，扩容防护电路2包括两个扩容分支21，两个扩容分支21基于功分原理并联，如图2所示。所有扩容分支21的第一端相连共同作为扩容防护电路2的第一端，扩容防护电路2第一端同时与第一级间匹配电路3第一端相连；所有扩容分支21的第二端相连共同作为扩容防护电路2的第二端，扩容防护电路2第二端接地。

每个扩容分支21包括第一二极管单元、第二二极管单元和第一电感l1；第一二极管单元包括一个以上正向串联的二极管，正极方向为第一二极管单元的第一端；第二二极管单元为第一二极管单元的反向串联，负极方向为第二二极管单元的第一端；第二二极管单元的二极管数量与第一二极管单元的二极管数量相等；

第一二极管单元第一端、第二二极管单元第一端和第一电感第一端相连，共同作为扩容分支第一端；第一二极管单元第二端、第二二极管单元第二端和第一电感l1第二端相连，共同作为扩容分支第二端接地。

在本实施例中，第一二极管单元和第二二极管单元分别由一个开关二极管211构成，型号相同，连接方向相反，构成对管结构；对管结构一端作为扩容分支21第一端，另一端作为扩容分支21第二端接地；扩容分支21第一端同时连接第一电感l1第一端，第一电感l1第二端接地。

全部扩容分支21的第一端，均作为扩容防护电路2的第一端，扩容防护电路2的第一端连接输入匹配电路1和第一级间匹配电路3。本身扩容防护电路2的第一端是相连的，无输入和输出端。关于扩容分支21的第一端，在图2中，两个对管结构的中间节点、以及与输入匹配电路1和第一级间匹配电路3连接的节点均为扩容防护电路2的第一端。

在另一实施例3中，开关防护电路4的第一导通单元41对强电磁脉冲功率承受能力足够，省略扩容防护电路2及第一级间匹配电路3。

在本实施例1中，开关防护电路4包括第一导通单元41和第二导通单元42，第一导通单元41第一端与第一级间匹配电路3第二端相连，同时与第二级间匹配电路5第一端相连；第二导通单元42第一端与第二级间匹配电路5第二端相连，同时与第三级间匹配电路6第一端相连；所述第一导通单元41第二端及第二导通单元42第二端接地。

第一导通单元41为由第一开关二极管411构成的对管结构，对管结构的一端作为第一导通单元41第一端、另一端作为第一导通单元41第二端接地；第二导通单元42为由第二开关二极管421构成的对管结构，对管结构的一端作为第二导通单元42第一端、另一端作为第二导通单元42第二端接地。

第一二极管单元的开关二极管211、第一开关二极管411、第二开关二极管421的开启功率依次相等或递减。

在本实施例1中，第一二极管单元的开关二极管211、第一开关二极管411均采用耐受脉冲功率60dbm的开关二极管，第二开关二极管421采用耐受脉冲功率45dbm的开关二极管。具体的，为降低封装结构分布参数的影响并减小体积，电路中直接使用裸芯。

在另一个实施例4中，开关防护电路4仅包括第一导通单元41，不包括第二级间匹配电路5和第二导通单元42；第一二极管单元的开关二极管211与第一开关二极管411开启功率相等或递减。

在另一个实施例5中，开关防护电路4包括两个以上导通单元，相邻导通单元第一端间以级间匹配电路连接，同时依电磁能量传播方向各个二极管开启功率依次相等或递减。

在本实施例1中，限幅防护电路7包括第一限幅单元71和第二限幅单元72，第一限幅单元71第一端与第三级间匹配电路6第二端相连，同时与第四级间匹配电路8第一端相连，第二限幅单元72第一端与第四级间匹配电路8第二端相连，同时与输出匹配电路9第一端相连；所述第一限幅单元第二端及第二限幅单元第二端接地。

第一限幅单元71为由第一限幅二极管711构成的对管结构，一端作为第一限幅单元71第一端、另一端作为第一限幅单元71第二端接地；第二限幅单元72为由第二限幅二极管721构成的对管结构，一端作为第二限幅单元72第一端、另一端作为第二限幅单元72第二端接地；

第二开关二极管421、第一限幅二极管711、第二限幅二极管721的开启功率依次相等或递减；

在本实施例1中，第一限幅二极管711采用耐受脉冲功率35dbm的限幅二极管，第二限幅二极管721采用耐受脉冲功率25dbm的肖特基二极管，将射频前端综合电磁防护电路最终输出限制在20dbm以下，即通常射频前端低噪声放大器所能承受的功率强度。

具体的，为降低封装结构的分布参数并减小体积，电路中直接使用裸芯。

在另一个实施例6中，限幅防护电路7仅包括第一限幅单元71，不包括第四级间匹配电路8和第二限幅单元72；第二开关二极管421和第一限幅二极管711开启功率相等或递减；

在另一个实施例7中，限幅防护电路7包括两个以上限幅单元，相邻限幅单元第一端间以级间匹配电路连接，同时依电磁能量传播方向限幅二极管开启功率依次相等或递减。

在本实施例1中，耦合检波电路10包括定向耦合器、检波二极管d1、第三电感l3及扼流电感l2；

定向耦合器作为耦合检波电路10输入端；定向耦合器的直通线为级间匹配电路中的微带线并与第一级间匹配电路3连接；定向耦合器的耦合线功率输出端连接检波二极管d1正极，检波二极管d1负极连接扼流电感l2第一端，扼流电感l2第二端作为耦合检波电路输出端；定向耦合器的耦合线非功率输出端连接第三电感l3第一端，第三电感l3第二端接地；

耦合检波电路10输入端与输出端分别连接于不同的级间匹配电路，且耦合检波电路输入端较输出端靠近射频前端综合电磁防护电路输入端。

具体的，耦合检波电路10中定向耦合器的直通线为第一级间匹配电路3中的微带线，定向耦合器的耦合线功率输出端与肖特基检波二极管d1相连，再经l2整流输出后经第三级间匹配电路6与限幅防护电路7的第一限幅二极管711相连，目的是保证耦合检波电路整流输出的直流电流能够加快第一限幅二极管711的开启速度，提高第一限幅二极管711的功率承受能力。为降低封装结构分布参数的影响并减小体积，电路中直接使用裸芯。

在本实施例1中，输入匹配电路1、输出匹配电路9、级间匹配电路均采用微带传输线与集总元件结合设计。

具体的，级间匹配电路实现各级防护电路间阻抗匹配，与耦合检波电路10配合实现各级防护电路间响应速度匹配，与各级防护电路通流能力配合实现各级防护电路间功率容量匹配。

在本实施例1中，计算得到射频前端综合电磁防护电路集总参数与分布参数的情形下，调节匹配网络，使射频前端综合电磁防护电路小信号下呈现低通滤波器特性。

在本发明的一个实施例中，本实施例提供的射频前端综合电磁防护电路采用单片集成方式，缩小体积；图3-图4示出了本实施例提供的一种实物图，图中的左侧为射频输入方向、右侧为射频输出方向。

在本发明的实施例中，本实施例提供的射频前端综合电磁防护电路连续波承受能力约53dbm，强电磁脉冲承受能力在3ms脉宽，10％占空比下约55dbm，对强电磁脉冲限幅响应速度小于1ns，插入损耗小于1db。

图5和图6为实测效果对比图。在图5和图6中，上方曲线为超宽谱高功率微波强电磁脉冲，下方的曲线为天线接收到的感应电压波形，也就是上方为原始信号曲线、下方为效果曲线。图5和图6中的原始信号曲线是一样的，区别在于下方的效果曲线。

图5左侧脉冲为未接入本发明实施例，在超宽谱高功率微波强电磁脉冲辐射场强度为75.8kv/m时，由某天线接收到的感应电压波形，脉冲峰值电压为2009v；右侧为超宽谱高功率微波监测波形。图6为接入本发明实施例后，感应电压波形被抑制至峰值电压不超过242v，右侧脉冲仍为超宽谱高功率微波监测波形，该超宽谱高功率微波源脉冲上升沿小于1ns。由此可见本发明防护电路的效果显著，具有连续波及瞬态强电磁脉冲综合防护能力，提升了射频前端综合电磁防护电路大信号在强场连续波及强电磁脉冲下的功率容量及通流能力。