Рис. 7.21.
Даже после установки правильных защит на антенне и фидерной системе требуется дополнительная защита от импульсов, оставшихся от срабатывания разрядников. Тем более, что время срабатывания разрядников довольно велико 0,1 … 5 мкс (чем на больший ток и напряжение разрядник, тем позднее). Начало фронта импульса до зажигания разрядника проходит без ослабления.
Поэтому на антенных входах радиоаппаратуры ставят двунаправленный стабилитрон с малой емкостью для ВЧ применений (это диодный мост из обычных импульсных диодов с малой емкостью, в диагональ которого включен мощный стабилитрон, п. 7.4.2). Скорость срабатывания такого стабилитрона единицы … десятки наносекунд, что исключает перегрузку антенного входа. Напряжение стабилитрона должно быть выше максимального пикового рабочего ВЧ напряжения. Если это трансивер, то сотни вольт. А если это чисто приемный вход, то можно ограничиться просто парой встречно включенных импульсных диодов.
Но для исключения перегрузки по току и разрушения такого стабилитрона между ним и антенной должен быть включен резистор в несколько ом. Но это вносит дополнительные потери в ВЧ сигнал и поэтому не всегда возможно.
Если последовательный резистор нельзя поставить, то используют так называемый высокочастотный варистор. Это пара встречно-параллельных импульсных диодов, включенных последовательно с обычным варистором. Суммарная емкость такой схемы определяется закрытыми диодами, т.е. мала (поэтому мало влияет на полезный ВЧ сигнал). А скорость срабатывания и перегрузочная способность – варистором (т.е. десятки наносекунд и сотни… тысячи ампер).
А что еще можно сделать для защиты антенных выходов? Если наше устройство высокочастотное, то значительно ослабить всплески от разрядов молнии при помощи фильтра верхних частот (ФВЧ, 6.2.2). Ведь основная энергия разряда молнии сосредоточена в низкочастотной части радиоспектра. Уже известный нам стандарт IEC 62305-1 дает спектральный состав для разных видов разрядов, показанный на рис. 7.21. Из этого рисунка видно, что спектр первого, наиболее мощного импульса разряда быстро спадает выше 100 кГц, уменьшаясь на 4 порядка при удвоении частоты. У последующих импульсов с более коротким фронтом (п. 7.1) это происходит с 1 и 4 МГц соответственно (от длительности фронта).
Поэтому ФВЧ, значительно ослабляющий частоты ниже 4 МГц, эффективно подавляет проникновение импульсов от разрядов молнии в радиотракт.
Пример такого ФНЧ для рабочих частот выше 50 МГц и тракта 50 Ом показан на рис. 7.22. Он может быть применен для защиты антенного входа УКВ радиостанции. Вносимое фильтром затухание от 50 МГц и выше не превышает 0,05 дБ, а КСВ < 1,05 (т.е. его влияние фактически неощутимо на нормальную работу). Входная (к антенне) катушка L1 должна быть выполнена из толстого провода (диаметром 3 … 4 мм), т.к. она замыкает собой мощные токи импульса молнии. Конденсатор С2 должен быть высоковольтным ( > 10 кВ) поскольку он отделяет низкочастотный всплеск напряжения от молнии на антенне от защищенного входа. Выходная катушка L3 может быть обычной, особых требований к ней не предъявляется.
АЧХ фильтра, приведенная на рис. 7.22 показывает, что он ослабляет частоту 4 МГц (верхняя граница спектра повторного отрицательного разряда молнии с самым коротким фронтом, см. рис. 7.21) на 50 дБ, т.е. в 300 раз по напряжению. А верхние частоты спектра первого удара молнии (1 МГц для отрицательного и 100 кГц для положительного) фильтр ослабляет в несколько тысяч … сотен тысяч раз. Столь высокая развязка позволяет надежно защитить приемник и не прерывать работу даже при прямом ударе молнии в антенну (естественно, имеется в виду, что фильтр не единственная защита и антенно-фидерная система имеет свои защитные устройства, п. 7.7.2).
Аналогичный по АЧХ и КСВ фильтр, но для 75-ти омных трактов (телевидение и радиовещание) имеет следующие данные: конденсатор 43 пФ, катушки по 380 нГн.
Для ВЧ КВ антенн (14 – 30 МГц) подойдет защитный ФВЧ, показанный на рис. 7.23. Поскольку частоты тут более низкие, чем в предыдущем фильтре, пришлось повысить порядок фильтра до пятого. Но результаты того стоили: 4 МГц ослабляется на те же 50 дБ (300 раз по напряжению), а 1 МГц – а 110 дБ (300 000 раз). Такое подавление позволяет продолжать работу даже при прямом ударе молнии в антенну (при условии, что фильтр не единственная защита и антенно-фидерная система имеет свою защиту, п. 7.7.2).
Затухание, вносимое фильтром рис. 7.23 выше 14 МГц, не превышает 0,06 дБ, а КСВ < 1,1, т.е. фильтр практически не влияет на работу согласованных антенн.
Конденсаторы фильтра также должны быть высоковольтными (> 10 кВ), в крайнем случае, только первый C2, ближайший к антенне, а С4 на меньшее напряжение 1 … 2 кВ. Катушка L1 должна быть выполнена из толстого провода (диаметром 3 … 4 мм), L3 – из провода 1,5… 2 мм, L5 может быть обычной.
На любительских диапазонах 7 и 10,1 МГц ФВЧ не дает полной защиты. т.к. спектр отрицательных и повторных разрядов молнии частично совпадает с этими диапазонами. К тому же крутизна ската ФВЧ 5-го порядка недостаточна для глубоко подавления частоты 4 МГц. Тем не менее, на 7 и 10,1 МГц для частичного улучшения защиты можно использовать фильтр, аналогичный рис. 7 23, с удвоенными номиналами элементов. 4 МГц ослабляется на 20 дБ (10 раз по напряжению), а 1 МГц – на 80 дБ (10 000 раз).
На диапазонах 1,8 и 3,5 МГц применение ФВЧ не обеспечивает полной защиты, т.к. эти диапазоны попадают в спектр фронтов спектр отрицательных и повторных разрядов. Хотя основную энергию всех разрядов, сосредоточенную ниже 100 кГц и фронты наиболее мощных положительных импульсов (рис. 7.21), ФНЧ с частотой среза 1 МГц срежет весьма значительно.
Для защиты антенных входов в то время, когда аппаратура выключена, разумно использовать реле с переключающими контактами. В обесточенном положении это реле замыкает антенный разъем на корпус. А при подаче питания – подключает его к радиотракту.