Устройство защиты радиоприема от мощных электромагнитных импульсов грозовой активности

Устройство защиты радиоприема от мощных электромагнитных импульсов грозовой активности относится к области электрорадиотехники и может быть использовано для защиты приемопередающего радиоэлектронного оборудования от воздействия мощных электромагнитных импульсов.

Достигаемым техническим результатом является обеспечение устойчивой работы приемопередающего радиоэлектронного оборудования при воздействии на них мощных электромагнитных импульсов за счет того, что в устройство защиты, содержащее высоковольтный газонаполненный разрядник, дополнительно введены элементы запирающей, симметрирующей и мостовой схем, включенные в цепь параллельно разряднику: симметрирующий автотрансформатор, запирающая катушка, мостовая схема и нагрузочная емкость, при этом выход симметрирующего автотрансформатора подключен параллельно к мостовой схеме и к входным клеммам обмоток запирающей катушки, выходные клеммы обмоток запирающей катушки подключен параллельно к нагрузочному конденсатору и выходу устройства защиты радиоприема; мостовая схема содержит два плеча идентичных элементов: в каждом плече включены параллельный колебательный контур и последовательно к контуру две параллельные цепи: индуктивность и стабилитрон со своей нагрузочной индуктивностью, обеспечивающие разделение принимаемого полезного сигнала и мощного электромагнитного импульса грозовой активности на входе (выходе) приемопередающего радиоэлектронного оборудования, а также своевременную нейтрализацию накопленного высокого потенциала. (Фиг.1, Фиг.2, Фиг.3, Фиг.4)

Полезная модель относится к области электрорадиотехники и может быть использована для защиты приемопередающего радиоэлектронного оборудования от воздействия мощных электромагнитных импульсов грозовой активности.

Известен газонаполненный разрядник, патент РФ 2096855, кл. Н01J 17/00, Н01Т 1/00. Газонаполненный разрядник, содержащий оболочку, образованную металлическим цилиндрическим корпусом и изолятором в виде полого усеченного конуса, два электрода, один из которых расположен на внутренней поверхности одного из торцов корпуса, а другой на меньшем основании конического изолятора, большее основание которого закреплено с другого торца корпуса, причем электрод, расположенный на внутренней поверхности одного из торцов корпуса, выполнен с диаметром рабочей поверхности, по меньшей мере, в 1,5 раза большим, чем диаметр рабочей поверхности электрода, расположенного на коническом изоляторе.

За прототип принят газонаполненный разрядник, патент РФ 2120153, кл. Н01J 17/02. Газонаполненный разрядник, содержащий, по меньшей мере, один электрод, расположенный на меньшем основании конического изолятора, и манжету, одна поверхность которой соединена с торцевой поверхностью конического изолятора, отличающийся тем, что манжета выполнена с дисковым или плоским кольцевым участком, другая поверхность манжеты соединена с внутренней плоской поверхностью электрода, причем электрод, конический изолятор и манжета выполнены из материалов с близкими по значению коэффициентами термического расширения.

Основным недостатком аналога и прототипа является низкая эффективность выполнения функции защиты радиоэлектронного оборудования от воздействия мощных электромагнитных импульсов грозовой активности.

Целью полезной модели является обеспечение устойчивой работы приемопередающего радиоэлектронного оборудования при воздействии на них мощных электромагнитных импульсов грозовой активности.

Поставленная цель достигается тем, что в устройство защиты от мощных электромагнитных импульсов грозовой активности, содержащее высоковольтный газонаполненный разрядник, дополнительно введены элементы запирающей, решающей и исполнительной схем, включенные в цепь параллельно разряднику: симметрирующий автотрансформатор, запирающая катушка, мостовая схема и нагрузочная емкость С₃, обеспечивающие заземление мощного электромагнитного импульса грозовой активности на входе (выходе) приемного радиоэлектронного оборудования при непрерывности приема сигналов основного канала.

Функциональная схема устройства защиты от мощных электромагнитных импульсов грозовой активности приведена на Фиг.1. Устройство защиты содержит: 1 - антенну, 2 - высоковольтный газонаполненный разрядник, 3 - симметрирующий автотрансформатор, состоящий из двух секций: симметрирующих секций - первичной ab и вторичной bс, а также индуктивной нагрузки симметрирующих секций - cd, 4 - запирающую катушку, где первичная обмотка - mk и вторичная обмотка - np, 5 - мостовую схему и нагрузочную емкость С₃; при этом антенна 1 соединена параллельно с заземленным противоположно разрядником 2 и со средней точкой клеммой b для последовательно включенных симметрирующих секций ab и bс симметрирующего автотрансформатора; противоположные точки симметрирующих секций клеммы а и с соединены между собой через параллельные цепи: первой из них является мостовая схема, а вторая цепь состоит из последовательного соединения первичной обмотки mk запирающей катушки 4, нагрузочной емкости С₃ и вторичной обмотки np запирающей катушки 4; выходные клеммы kp запирающей катушки 4 соединены с выходом устройства защиты для подключения входа РПУ (радиоприемного устройства); вторичная секция bc симметрирующего автотрансформатора клеммой с соединена через индуктивную нагрузку cd на землю.

На Фиг.2 представлена мостовая схема 5, где: С₁ L ₁ - емкость и индуктивность - элементы первого параллельного колебательного контура, С₂ L₂ -емкость и индуктивность - элементы второго параллельного колебательного контура, L₃ - первая индуктивность, L₄ - вторая индуктивность; два стабилитрона - 6 и 8, две индуктивные нагрузки стабилитронов - 7 и 9; при этом мостовая схема 5 состоит из двух цепей, подключенных к клеммам ас, параллельных двум секциям симметрирующего автотрансформатора; первая цепь -последовательное соединение первого параллельного колебательного контура С ₁ L₁ и первой индуктивности L₃, точка А есть точка соединения первого параллельного колебательного С₁ L₁ с первой индуктивностью L₃ также соединена через первый стабилитрон 6 и через индуктивную нагрузку стабилитрона 7 на землю; вторая цепь - есть последовательное соединение второго параллельного колебательного контура С ₂ L₂ и второй индуктивности L₄, точка В есть точка соединения первого параллельного колебательного С₂ L₂ с первой индуктивностью L₄ также соединена через второй стабилитрон 8 и через индуктивную нагрузку стабилитрона 9 на землю.

На Фиг.3 представлена принципиальная схема устройства защиты радиоприема от мощных электромагнитных импульсов грозовой активности, в виде схемы реализующей фиг.1 и фиг.2.

Принцип работы устройства защиты радиоприема от мощных электромагнитных импульсов грозовой активности заключается в следующем:

Под действием поля падающей электромагнитной волны излучения грозового разряда в антенне - 1 наводится электродвижущая сила (ЭДС), которая поступает на симметрирующий автотрансформатор - 3, который преобразует напряжение кабеля несимметричного питания (центральная жила - экранная оболочка) в напряжение симметричное для работы запирающей катушки - 4. Запирающая катушка - 4 обеспечивает запирание токов одного направления по ее обмоткам при возрастании уровня ЭДС пропорционально расстоянию от места разряда молнии до антенны. Таким образом, данная схема обеспечивает достаточную эффективность защиты при напряжении наведенной ЭДС до нескольких сотен вольт. При этом радиоприем становится невозможным, т.к. срабатывает разрядник 2. Обычно напряжение, наведенное в антенне при грозовой активности и расстояниях в пределах нескольких сот километров, достигает величин не более 10 вольт. В этом случае за счет действия этого напряжения на входные контура происходит срыв работы радиолинии, а если это воздействие длительно, то происходит перегрев входных контуров и их выгорание. В настоящее время нет защиты радиоприема от малых величин наведенных ЭДС. Известно, что основная энергия электромагнитного излучения разряда молнии сосредоточена в радиоспектре от 10 до 100 кГц. В случае радиоприема на частотах отличных от данных частот целесообразно осуществить исключение этих частот из принимаемого спектра. Для исключения заданного радиоспектра используется мостовая схема 5. Рабочее состояние мостовой схемы обеспечивается равновесием сопротивления плеч моста. На фиг.2 приведена электрическая схема моста, где первое плечо образуется элементами: последовательным включением первого параллельного контура L₁ С₁ и первой индуктивности L ₃, а параллельно индуктивности L₃ соединены последовательно соединенные стабилитрон 6 и заземленная индуктивная нагрузка стабилитрона 7; а второе плечо образуется элементами: последовательным соединением второго параллельного контура L ₂·C₂ и второй индуктивности L₄ , а параллельно индуктивности L₄ соединены последовательно соединенные стабилитрон 8 и заземленная индуктивная нагрузка стабилитрона 9. Принцип работы моста в следующем.

Режим радиоприема полезного сигнала. Работа данного режима представлена на фиг.3. В данном режиме в антенне 1 ток, наведенный падающей волной поля на антенну, протекает по цепи состоящей из антенны 1, секции «bс» и секции «cd» симметрирующего трансформатора 3 на заземлитель. За счет коэффициента взаимной индукции в секциях «ab» и «bс» симметрирующего трансформатора 3 возбуждается контурный ток, который протекает по цепи состоящей из секций «ab» и «bс» автотрансформатора 3, первичной обмотки «mk» запирающей катушки 4, нагрузочной емкости С₃ и вторичной обмотки «pn» запирающей катушки 4. Так как в первичной и вторичной обмотках запирающей катушки 4 протекают противофазные токи, запирающая катушка 4 свободно пропускает ток наведенной ЭДС в антенне на вход радиоприемного устройства. При этом мостовая схема на фиг.2 имеет высокое сопротивление и не оказывает влияние на уровень принимаемого полезного сигнала. Это объясняется тем, что в каждом плече моста включен параллельный колебательный контур в первом плече - L₁·С ₁ и во втором плече - L₂·C₂. Первый и второй, параллельные колебательные контура, настроены на частоту принимаемого сигнала. Известно, что на частоте принимаемого сигнала параллельный колебательный контур имеет входное сопротивление равное бесконечности, т.е. бесконечно высокое. Поэтому устройством защиты полезный сигнал не получает затухания.

Режим радиоприема полезного сигнала и мощного импульса грозовой активности. В этом режиме вступает в работу схема моста, которая отделяет мощную импульсную составляющую грозовой активности из суммарного сигнала, т.е. полезного сигнала и мощной импульсной помехи, и осуществляет заземление энергии импульсной помехи, возбужденной током канала молнии. Разделение осуществляется на основе настройки колебательных контуров на разные частоты. Так в первом плече - L₁·С₁ и во втором плече - L₂·С₂ параллельные колебательные контура настроены на частоту принимаемого полезного сигнала. А последовательный колебательный контур настроен на частоту возбуждаемую разрядом молнии. Последовательный контур образуется в первом плече на основе элементов С₁ и L₃, а во втором плече - С₂ и L₄. Конденсаторы С ₁ и С₂ являются одновременно элементами параллельного и последовательного контуров в каждом плече мостовой схемы. На фиг.4 представлена работа элементов моста или контуров, причем представленная характеристика емкостного сопротивления имеет вид Х_с=1/·С₁=1/·С₂. При изменении принимаемой рабочей частоты f_{РАБОЧАЯ}=f_{ПОЛЕЗНОГО·СИГНАЛА} (=2·f_{РАБОЧАЯ}) параллельный колебательный контур может иметь режим перестройки резонансной частоты путем изменения индуктивного сопротивления. Для параллельных контуров образованных в первом плече Х_С=1/·С₁ и X_L=L₁ и во втором плече Х_С=1/·С₂ и X_L=·L₂ резонанс на частоте приема полезного сигнала . Для последовательного колебательного контура образованного в первом плече моста емкостью С₁ и L₃, а во втором плече С₂ и L₄, резонансная частота . Таким образом, при появлении частот грозовой активности от 10 до 100 кГц на входе мостовой схемы последовательный колебательный контур будет резонировать. Причем в последовательном колебательном контуре образуется резонанс напряжения. Это значит, что максимальное напряжение будет в точке - А - для соединения в первом плече моста С₁ и L₃, а во втором плече в точке - В - для соединения С₂ и L₄. Устранение этого напряжения в точках А и В осуществляется подключенными стабилитронами 6 и 8. Учитывая, что только при резонансе в последовательном колебательном контуре происходит выделение частот грозовой активности, следовательно в точки А и В не должна вносится земля и потому стабилитроны 6 и 8 включены на землю через индуктивности 7 и 9. Производя перестройку индуктивного элемента параллельного контура можно менять частоту принимаемого полезного сигнала. Таким образом, с помощью последовательного колебательного контура обеспечивается защита радиоприема от мощных электромагнитных импульсов грозовой активности.

Эффективность от использования такого предложения будет заключаться в повышении устойчивости функционирования приемопередающего радиоэлектронного оборудования при воздействии на них мощных электромагнитных импульсов грозовой активности.

1. Устройство защиты радиоприема от мощных электромагнитных импульсов грозовой активности, содержащее высоковольтный газонаполненный разрядник на входе приемного устройства, отличающееся тем, что дополнительно введены трехсекционный симметрирующий автотрансформатор, запирающая катушка, мостовая схема и нагрузочная емкость, при этом антенна подключена параллельно разряднику к средней клемме последовательно соединенных двух секций симметрирующего автотрансформатора, а к крайним клеммам последовательно соединенных двух секций симметрирующего автотрансформатора параллельно подсоединены мостовая схема и последовательное соединение, образованное первичной обмоткой запирающей катушки, нагрузочной емкостью и вторичной обмоткой запирающей катушки; параллельно емкостной нагрузки соединен симметричный вход радиоприемного устройства; к одной из крайних клемм последовательно соединенных двух секций симметрирующего автотрансформатора подсоединена одна из клемм третьей секции, а вторая клемма третьей секции заземлена.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что мостовая схема содержит два плеча идентичных элементов; при этом каждое плечо есть последовательное соединение параллельного колебательного контура с индуктивностью; точка соединения параллельного колебательного контура с индуктивностью заземлена через последовательное соединение стабилитрона и нагрузочной индуктивности для стабилитрона.