CN107482319B - 一种有源射频天线雷电防护系统及防护方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开的一种有源射频天线雷电防护系统，包括雷电防护模块，还包括射频信号输入模块，射频信号输入模块通过馈线依次连接电子开关和射频信号输出模块，雷电防护模块连接于电子开关一端，电子开关另一端还依次连接有控制模块和数据采集模块，且电子开关、控制模块和数据采集模块均与电源连接；本发明的有源射频天线雷电防护系统解决了现有的防雷器件对高频天线信号强度及接收功率产生影响而导致天线的传输性能降低的问题；采用该雷电防护系统进行有源射频天线的雷电防护方法有效的防止了现有雷电防护器件对射频天线的插损和驻波比影响，提高了射频信号的传输性能，且防护方法简单易行。
Description
技术领域
本发明属于雷电防护设备技术领域，涉及一种有源射频天线雷电防护系统，本发明还涉及利用该防护系统进行有源射频天线雷电防护的方法。
背景技术
飞机在飞行过程中，难免会遇到雷电等恶劣天气。在雷电交加的天气里飞行，一旦遭受雷击，机身外部的突出部分，如接收或发射天线就极易受到雷击干扰甚至损坏，导致功能丧失，影响飞机的正常飞行。雷电浪涌干扰也会随着外部设备遭受雷击而引入飞机内部，影响飞机通讯系统和其他航电的损坏。因此要在恶劣环境下正常飞行，就要在飞机上增加相应的雷电抑制设备。
雷电抑制设备针对低频信号施加时，可以实时的保护低频信号免遭雷击，随着科技的发展，通讯数据量的不断增加，数据的大规模传输使得天线的频段在不断提高，当高频天线频率达到1GHz以上时，天线线路上的微小变化，对天线的插损和驻波比影响都很大，通过传统的方法施加防雷器件到高频天线线路上，势必对天线信号的插损和驻波比产生非常大的影响，从而降低天线的传输性能，因此，高频天线的防雷保护方法，是亟待解决的问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种有源射频天线雷电防护系统，解决了现有的防雷器件对高频天线信号强度及接收功率产生影响而导致天线的传输性能降低的问题。
本发明的另一个目的是提供一种有源射频天线的雷电防护方法，有效的防止了现有雷电防护器件对射频天线的插损和驻波比影响，提高了射频信号的传输性能。
本发明所采用的技术方案是，一种有源射频天线雷电防护系统，包括射频信号输入模块，射频信号输入模块通过馈线分别连接有射频信号输出模块和电子开关，电子开关依次连接有控制模块和数据采集模块，数据采集模块中分别连接有温湿度传感器、高度传感器、大气压传感器、经纬度传感器、电磁场传感器；电子开关还连接有雷电防护模块，且电子开关、控制模块和数据采集模块均与电源连接。
本发明的特点还在于：
温湿度传感器分别为K型热电偶温度传感器和Honeywell低功耗电压输出型湿度传感器HIH-5030/5031-001；所述大气压传感器为数字气压传感器BMP085；所述经纬度传感器为超声波经纬度传感器US200-12A；所述电磁场传感器为AT8900近场探头。
电子开关采用光耦继电器G3VM-81GR；雷电防护模块中的器件采用二极管SMCJ18CA和气体放电管EZ0-A90XSMD；所述控制模块中的微处理器采用STM32F103。
本发明采用的另一个技术方案是，一种有源射频天线的雷电防护方法，具体按照以下步骤实施：
步骤1，飞机飞行时，通过所述数据采集模块中的温湿度传感器、高度传感器、大气压传感器、经纬度传感器和电磁场传感器分别对环境中的温度、湿度、高度、大气压、经纬度及电磁场强度进行数据采集分析，计算雷暴产生的概率P；
步骤2，通过控制模块判断步骤1中雷暴产生的概率P与雷暴安全阈值K的关系，当P＞K时，控制模块控制电子开关闭合，射频信号输入模块与射频信号输出模块之间通过电子开关与雷电防护模块连接，对射频信号进行防雷保护；当P≤K时，控制模块控制电子开关断开，射频信号输入模块与射频信号输出模块直接相连，射频信号正常工作；
步骤3，重复上述步骤，直至飞机降落，防护完成。
本发明的特点还在于：
温湿度传感器分别为K型热电偶温度传感器和Honeywell低功耗电压输出型湿度传感器HIH-5030/5031-001；所述大气压传感器为数字气压传感器BMP085；所述经纬度传感器为超声波经纬度传感器US200-12A；所述电磁场传感器为AT8900近场探头。
电子开关采用光耦继电器G3VM-81GR；雷电防护模块中的器件采用二极管SMCJ18CA和气体放电管EZ0-A90XSMD；所述控制模块中的微处理器采用STM32F103。
雷暴安全阈值K为40％。
雷暴产生的概率P的计算方法为：设所述温度、湿度、高度、大气压及电磁场强度5个指标中达到雷暴条件的指标数为x，则P＝x/5。
温度、湿度、大气压力、经纬度及电磁场强度各个指标达到雷暴的条件为：温度大于0°，且2分钟内温度变化5°～10°；湿度2分钟内变化20％～40％；飞行高度在北纬和南纬45°之间不高于18000米；大气压2分钟内变化率不小于20％；电磁场在2分钟内变化率不低于20％。
本发明的有益效果是：
本发明一种有源射频天线雷电防护系统通过对大气中的温度、湿度、大气压、经纬度及电磁场强度等指标进行采集和计算，判断大气中雷电产生的概率与安全阈值的大小关系，通过控制模块控制电子开关的断开与闭合，由于只在雷电概率大于安全阈值时施加防雷保护电路，雷电概率低于安全阈值时射频天线雷电防护系统自动断开对高频天线信号的防雷保护，解决了现有的防雷器件对高频天线信号强度及接收功率产生影响而导致天线的传输性能降低的问题；采用该雷电防护系统进行有源射频天线的雷电防护方法有效的防止了现有雷电防护器件对射频天线的插损和驻波比影响，提高了射频信号的传输性能，且防护方法简单易行。
附图说明
图1是本发明一种有源射频天线雷电防护系统示意图。
图中，1.雷电防护模块，2.射频信号输入模块，3.射频信号输出模块，4.电子开关，5.控制模块，6.数据采集模块。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
如图1所示，本发明一种有源射频天线雷电防护系统，包括射频信号输入模块2，射频信号输入模块2通过馈线分别连接有射频信号输出模块3和电子开关4，电子开关4依次连接有控制模块5和数据采集模块6，数据采集模块6中分别连接有温湿度传感器、高度传感器、大气压传感器、经纬度传感器、电磁场传感器；电子开关4还连接有雷电防护模块1，且电子开关4、控制模块5和数据采集模块6均与电源连接。
其中，温湿度传感器分别为K型热电偶温度传感器和Honeywell低功耗电压输出型湿度传感器HIH-5030/5031-001；大气压传感器为数字气压传感器BMP085；经纬度传感器为超声波经纬度传感器US200-12A；电磁场传感器为AT8900近场探头。
电子开关4采用光耦继电器G3VM-81GR；雷电防护模块1中的器件采用二极管SMCJ18CA和气体放电管EZ0-A90XSMD；控制模块5中的微处理器采用STM32F103。
一种有源射频天线雷电防护方法，该方法采用上述有源射频天线雷电防护系统，该系统包括射频信号输入模块2，射频信号输入模块2通过馈线分别连接有射频信号输出模块3和电子开关4，电子开关4依次连接有控制模块5和数据采集模块6，数据采集模块6中分别连接有温湿度传感器、高度传感器、大气压传感器、经纬度传感器、电磁场传感器；电子开关4还连接有雷电防护模块1，且电子开关4、控制模块5和数据采集模块6均与电源连接。
其中，温湿度传感器分别为K型热电偶温度传感器和Honeywell低功耗电压输出型湿度传感器HIH-5030/5031-001；大气压传感器为数字气压传感器BMP085；经纬度传感器为超声波经纬度传感器US200-12A；电磁场传感器为AT8900近场探头。
电子开关4采用光耦继电器G3VM-81GR；雷电防护模块1中的器件采用二极管SMCJ18CA和气体放电管EZ0-A90XSMD；控制模块5中的微处理器采用STM32F103。
具体按照以下步骤实施：
步骤1，飞机飞行时，通过数据采集模块6中的温湿度传感器、高度传感器、大气压传感器、经纬度传感器和电磁场传感器分别对环境中的温度、湿度、大气压、经纬度及电磁场强度进行数据采集分析，计算雷暴产生的概率P；
步骤2，通过控制模块5判断步骤1中雷暴产生的概率P与雷暴安全阈值K的关系，当P＞K时，所述控制模块5控制电子开关4闭合，射频信号输入模块2与射频信号输出模块3之间通过电子开关4与雷电防护模块1连接，对射频信号进行防雷保护；当P≤K时，控制模块5控制电子开关4断开，射频信号输入模块2与射频信号输出模块3直接相连，射频信号正常工作；
步骤3，重复上述步骤，直至飞机降落，防护完成。
其中，雷暴安全阈值K为40％。
雷暴产生的概率P的计算方法为：设所述温度、湿度、高度、大气压及电磁场强度5个指标中达到雷暴条件的指标数为x，则P＝x/5。
温度、湿度、高度、大气压及电磁场强度各个指标达到雷暴的条件为：温度大于0°，且2分钟内温度变化5°～10°；湿度2分钟内变化20％～40％；飞行高度在北纬和南纬45°之间不高于18000米；大气压力2分钟内变化率不小于20％；电磁场在2分钟内变化率不低于20％。
飞机在飞行过程中，所处的区域灵活多样，理论上处于全球任何位置，因此，飞机飞行过程中可能会遭遇雷暴的原因由以下几种方法判断：
1.飞机的飞行区域划分
飞机的飞行区域通过经纬度传感器判断飞机的飞行纬度，在南北极圈附近区域内，纬度大约为南纬或北纬66.34°以内，气温常年处于0℃附近，不满足产生雷暴的条件，因此，南北极圈内，可视为不产生雷暴区，有源射频天线雷电防护系统中的电子开关4一直处于断开状态。
2.飞机的飞行高度划分
飞机的飞行高度一般在5000米-38000米以内，大气中的雷暴主要由积雨云产生，积雨云处于对流层范围内，对流层在赤道最高18000米，在南北极一般约8000米，对流层之外的区域不产生雷暴，对流层的分布从赤道向两级逐渐降低；因此，飞机飞行高度在南纬和北纬45°之间时，飞机飞行高度小于18000米，视为可产生雷暴的高度，飞行高度超过18000米以上时，可视为无雷暴区域，有源射频天线雷电防护系统中的电子开关4一直处于断开状态；在南纬和北纬45°到南极圈和北极圈之间的范围，对流层的高度介于8000米-12000米之间，因此，处于这一纬度且高度超过12000米时，可视为无雷暴区域，有源雷电抑制设备可一直处于关闭状态；
3.飞机起飞时的状态
通过温湿度传感器对地面温湿度进行监测，地面温度在2分钟内变化5°～10°，地面湿度在2分钟内变化20％-40％时；地面气压通过大气压传感器监测值在2分钟内先降低后上升，且变化率不小于20％，此时可判断出现雷暴产生的概率P大于40％，在这样情况下，飞机未离开地面，有源射频天线雷电防护系统中的电子开关4一直处于断开状态；离开地面后，电子开关4处于闭合状态，射频信号输入模块2与射频信号输出模块3之间通过电子开关4与雷电防护模块1连接，对射频信号进行防雷保护。
4.飞机处于飞行过程中的状态
处于对流层以下区域时，同时通过温湿度传感器，高度传感器，大气压传感器，经纬度传感器，电磁场传感器监测各个指标：
a)当飞机的高度位于非南极圈或北极圈区域，且高度在18000米以下；
b)平稳飞行时的温度2分钟内变化5°～10°，湿度在2分钟内变化20％-40％；
c)平稳飞行时的大气压传感器监测值在2分钟内先降低后上升，变化率不小于20％；
d)平稳飞行时的电磁场出现不低于20％的变化率。
满足以上几种情况中的任意2种时，其雷暴发生的概率P则大于安全阈值40％，飞机处于雷暴环境，有源射频天线雷电防护系统中的电子开关4闭合，射频信号输入模块2与射频信号输出模块3之间通过电子开关4与雷电防护模块1连接，对射频信号进行防雷保护。
通过上述方式，本发明一种有源射频天线雷电防护系统通过对大气中的温度、湿度、大气压、经纬度及电磁场强度等指标进行采集和计算，判断大气中雷电产生的概率与安全阈值的大小关系，通过控制模块控制电子开关的断开与闭合，雷电概率大于安全阈值时施加防雷保护电路，雷电概率低于安全阈值时射频天线雷电防护系统自动断开对高频天线信号的防雷保护，解决了现有的防雷器件对高频天线信号强度及接收功率产生影响而导致天线的传输性能降低的问题；采用该雷电防护系统进行有源射频天线的雷电防护方法有效的防止了现有雷电防护器件对射频天线的插损和驻波比影响，提高了射频信号的传输性能，且防护方法简单易行。
Claims (4)
1.一种有源射频天线雷电防护系统，其特征在于，包括射频信号输入模块(2)，所述射频信号输入模块(2)通过馈线分别连接有射频信号输出模块(3)和电子开关(4)，所述电子开关(4)依次连接有控制模块(5)和数据采集模块(6)，所述数据采集模块(6)中分别连接有温湿度传感器、高度传感器、大气压传感器、经纬度传感器、电磁场传感器；所述电子开关(4)还连接有雷电防护模块(1)，且所述电子开关(4)、控制模块(5)和数据采集模块(6)均与电源连接；
所述温湿度传感器分别为K型热电偶温度传感器和Honeywell低功耗电压输出型湿度传感器HIH-5030/5031-001；所述大气压传感器为数字气压传感器BMP085；所述经纬度传感器为超声波经纬度传感器US200-12A；所述电磁场传感器为AT8900近场探头；
所述电子开关(4)采用光耦继电器G3VM-81GR；所述雷电防护模块(1)中的器件采用二极管SMCJ18CA和气体放电管EZ0-A90XSMD；所述控制模块(5)中的微处理器采用STM32F103。
2.采用权利要求1所述的有源射频天线雷电防护系统进行雷电防护的方法，其特征在于，具体按照以下步骤实施：
步骤1，飞机飞行时，通过所述数据采集模块(6)中的温湿度传感器、高度传感器、大气压传感器、经纬度传感器、电磁场传感器分别对环境中的温度、湿度、高度、大气压、经纬度及电磁场强度进行数据采集分析，计算雷暴产生的概率P；
步骤2，通过所述控制模块(5)判断步骤1中雷暴产生的概率P与雷暴安全阈值K的关系，当P＞K时，所述控制模块(5)控制电子开关(4)闭合，所述射频信号输入模块(2)与射频信号输出模块(3)之间通过电子开关(4)与雷电防护模块(1)连接，对射频信号进行防雷保护；当P≤K时，所述控制模块(5)控制电子开关(4)断开，所述射频信号输入模块(2)与射频信号输出模块(3)直接相连，射频信号正常工作；
步骤3，重复上述步骤，直至飞机降落，防护完成；
所述温度、湿度、高度、大气压力及电磁场强度各个指标达到雷暴的条件为：温度大于0°，且2分钟内温度变化5°～10°；湿度2分钟内变化20％～40％；飞行高度在北纬和南纬45°之间不高于18000米；大气压力2分钟内变化率不小于20％；电磁场在2分钟内变化率不低于20％。
3.如权利要求2所述的有源射频天线雷电防护系统进行雷电防护的方法，其特征在于，所述雷暴安全阈值K为40％。
4.如权利要求2所述的有源射频天线雷电防护系统进行雷电防护的方法，其特征在于，所述雷暴产生的概率P的计算方法为：设所述温度、湿度、高度、大气压及电磁场强度5个指标中达到雷暴条件的指标数为x，则P＝x/5。
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