浪涌防护 | 基于组合匹配的低残压宽带雷电防护方法研究：浪涌防护|基于组合匹配的低

原标题：浪涌防护|基于组合匹配的低残压宽带雷电防护方法研究

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摘要
为提高四分之一波长微带线雷电保护器的带宽，降低输出残压，提出了分节微带线与串联电感的组合匹配设计方法。仿真分析了四分之一波长微带线避雷器的不足，通过对分节微带线、串联电感的仿真优化，拓展了雷电保护电路的带宽，仿真结果表明防护电路在1GHz到3GHz内具有良好的电压驻波比即宽带特性.利用电压梯度法实现器件间的组合匹配，防护电路实测结果表明，在注入组合波波形为1.2/50μs&8/20μs ，电压峰值10kV的雷电磁脉冲下，输出残压为79V.通过组合匹配方法设计的防护电路具有频带宽、残压低、易于调谐的特点，可用于天馈雷电防护。
引言
随着电气设备精密度和集成度的提高，其对过电压、过电流和雷击电磁脉冲的抗干扰能力显得越发不足.电子设备和大规模集成电路的应用越来越广泛，计算机和微电子设备成为工业应用和生活中不可缺少的一部分.由于微电子设备工作电压低、功耗小、过电压耐受能力低，因此对通信系统和信号中的过电压极为敏感.过电压不仅会引起电子设备系统误操作，还可能造成电子设备的永久性损坏，从而造成直接损失以及相关的间接损失[1-5] 。
信号电涌保护器通常采用两级保护器件：气体放电管(gasdischargetube,GDT)和瞬态抑制二极管(transientvoltagesuppressor,TVS) ，二者相互配合使用，能够达到较好的能量匹配，从而有效降低残压，减少雷电对电子设备的干扰甚至损坏[6-10] 。
文献[5]分析了基于传输线的四分之一波长短路线型雷电保护器，文献[6-7]阐述了GDT与TVS的组合防护应用，但只是低频段的应用，没有关于射频天馈系统的应用论述。本文针对射频端口的雷电磁脉冲防护，改进了四分之一波长短路线雷电磁脉冲防护的不足，展宽了防护器的带宽;增加了一级TVS ，降低了防护器的输出残压。
1传输线阻抗原理
2雷电感应防护
在雷电电磁脉冲防护中TVS经常被选用，其应用原理如图3所示， TVS管并联在正极与地之间，并采用反向偏置.当正极出现电磁脉冲超过TVS的反向击穿电压时， TVS开启并将电磁脉冲的电压值钳位到TVS的钳位电压，此电压低于后级设备的耐受电压，从而保护后级设备.因TVS的结电容较大，频率较高时并联后插损很大，所以图中的应用多为低频应用，无法在射频电路中应用。

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3利用开路短路原理实现TVS射频应用
本文设计了宽带北斗和GPS射频前端雷电防护电路.其工作频率为1550MHz到1580MHz ，北斗、GPS的工作频率分别为1561MHz和1575MHz ，在防护电路中， TVS管结电容较大，无法应用在射频电路中，为解决这一问题，利用四分之一波长传输线的开路、短路特性来降低TVS结电容对射频电路插入损耗的影响，同时采用多节传输线的方法拓展防护电路的带宽。
【浪涌防护 | 基于组合匹配的低残压宽带雷电防护方法研究】4电压梯度法实现组合匹配
通常防护模块设计既要兼顾高电压、大功率输入，又需要防护模块的泄露电压较低，防止损坏被保护器件或设备。为解决这一问题一般采用多级器件级联的方法，每一级实现一个电压梯度下降，即前级实现高电压抑制，中间级抑制电压次之，最后一级将电压降低到被防护器件能够承受的电压范围内，从而实现电磁脉冲防护。
然而在防护过程中耐受高电压的前级响应较慢，耐受低电压的后级响应速度快，存在耐压和响应时间的矛盾.如设计中采用的GDT ，其通流量容量大、绝缘电阻高、电容较小，但其残压高、反应速度慢；而TVS残压低、响应速度快，但是耐受电压低.如果直接将GDT与TVS连接，在雷电电磁脉冲作用下， TVS会被损坏从而达不到防护效果，所以需要在GDT与TVS之间增加退耦器件加速GDT的开启，来达到电磁脉冲防护的目的。

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5功能测试
从设计中可以得出，通过GDT和TVS管的组合防护电路可以将雷电磁脉冲电压从10kV降低到80V以内，对雷电磁脉冲具有很好的抑制作用；但是由于中间退耦器件的存在降低了TVS管的响应时间，在钳位响应电压之前存在尖峰过冲。