一種寬適應(yīng)高電位脈沖調(diào)制器的實(shí)現(xiàn)方法

徐曉榮

(中國電子科技集團(tuán)第三十八研究所，合肥 230088)

0 引言

現(xiàn)代雷達(dá)要求發(fā)射機(jī)脈寬變化范圍大、重頻變化范圍大，因此要求調(diào)制器寬適應(yīng)高重復(fù)頻率、寬脈寬變化以及具有高可靠性等特點(diǎn)［1］。發(fā)射機(jī)浮動(dòng)調(diào)制器一般懸浮在幾萬伏高電位上，要求起始截尾控制脈沖隔離傳輸。因而，寬適應(yīng)范圍和脈沖隔離傳輸是柵控發(fā)射機(jī)調(diào)制器兩個(gè)重要的環(huán)節(jié)。

脈沖調(diào)制器中能夠隔離傳輸脈沖信號的器件主要有光耦或光纖、脈沖變壓器等［2］。光耦/光纖傳輸時(shí)高壓端需要供電電源，次級多管串聯(lián)工作時(shí)需要多組互相隔離的輔助電源和驅(qū)動(dòng)電路，使得電路復(fù)雜特別是高電位上的電路增加，不利于可靠性的提高。而采用常規(guī)的隔離脈沖變壓器傳輸驅(qū)動(dòng)信號的方法，不能滿足寬脈寬的要求。為實(shí)現(xiàn)寬脈寬信號傳輸，可通過采用隔離脈沖變壓器傳輸脈沖串(驅(qū)動(dòng)信號）的方法，以滿足從脈寬幾百ns～連續(xù)波(CW）變化的要求。

本文介紹一種寬適應(yīng)高電位脈沖調(diào)制器的工作原理、實(shí)現(xiàn)方法和應(yīng)用。該調(diào)制器采用隔離傳輸起始截尾控制脈沖，其輸出脈沖幅值最高達(dá)1200 V 以上，脈寬0.4 μs～CW 靈活可變，重復(fù)頻率最大可達(dá)100 kHz，前后沿低于0.1 μs。

1 調(diào)制器的基本要求

脈沖調(diào)制器的主要作用是控制微波管電子注的通斷和微波管工作，從而產(chǎn)生所需的各種脈沖微波源。

當(dāng)行波管柵極為開啟導(dǎo)通電壓時(shí)，被熱烘的陰極所發(fā)射的電子通過柵網(wǎng)在慢波系統(tǒng)中進(jìn)行能量交換，實(shí)現(xiàn)微波功率放大，行波管工作;反之，當(dāng)行波管柵極為截止負(fù)偏壓時(shí)，電子因負(fù)偏電壓截止，電子不能進(jìn)入慢波系統(tǒng)，不能進(jìn)行能量交換，行波管不工作［3］。

2 調(diào)制器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.1 調(diào)制器基本原理

發(fā)射機(jī)脈沖調(diào)制器的基本原理一般是將系統(tǒng)送來的控制脈沖信號通過隔離后送到高壓端，通過高壓端電路將初級信號解調(diào)出來，驅(qū)動(dòng)調(diào)制開關(guān)的導(dǎo)通或關(guān)斷，在行波管的控制極(柵極或聚焦極）上形成具有正負(fù)向的高壓脈沖信號，控制發(fā)射機(jī)的射頻信號輸出。

脈沖調(diào)制器的組成包括定時(shí)脈沖形成和驅(qū)動(dòng)、隔離脈沖變壓器、脈沖恢復(fù)形成電路［4］。脈沖形成采用復(fù)雜的可編程邏輯器件(CPLD）實(shí)現(xiàn)，波形產(chǎn)生和控制方便靈活。CPLD 將初級脈沖的前后沿分離出三路信號:開啟脈沖、關(guān)斷脈沖和截尾脈沖，由驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)隔離脈沖變壓器;脈沖變壓器隔離并傳輸脈沖信號;脈沖恢復(fù)形成電路將初級脈沖無失真的恢復(fù)出來，并形成行波管發(fā)射機(jī)柵極調(diào)制脈沖。其原理框圖如圖1所示。

圖1 寬適應(yīng)高電位脈沖調(diào)制器原理框圖

脈沖調(diào)制器次級的電壓型控制開關(guān)采用場控器件(MOSFET）［5］。驅(qū)動(dòng)信號不需要大的電流，只須傳輸一個(gè)控制電壓就可控制MOSFET 開啟管和截尾管的通/斷，但這類場控器件的柵源極間卻存在著極間電容。驅(qū)動(dòng)信號的前沿必須首先對該電容充電到開啟管導(dǎo)通所需的電場方可維持開關(guān)的導(dǎo)通。脈沖前沿過后，極間電容已充滿電，無須控制脈沖再提供能量，故控制脈沖的脈寬已毫無意義，只需一個(gè)脈沖前沿即可。同樣在脈沖結(jié)束時(shí)，如果讓極間電容反相充上電荷，產(chǎn)生反相電場，則開啟管就會(huì)立即截止。這樣，脈沖變壓器只須傳輸一個(gè)前沿脈沖和一個(gè)后沿脈沖就可使控制次級開關(guān)管以一定的脈寬工作。脈寬受前沿脈沖的前沿到后沿脈沖的前沿之間的延遲時(shí)間決定，而不是控制信號(前沿脈沖和后沿脈沖）的脈沖寬度決定。調(diào)制器的最大脈寬受限于極間電容的電荷泄漏能力，而不是脈沖變壓器的最大傳輸脈寬能力。此時(shí)，不僅保持了脈沖變壓器隔離傳輸控制信號的優(yōu)點(diǎn)，而且克服了脈沖變壓器的最大脈寬受限的不足。

2.2 定時(shí)脈沖形成

CPLD的規(guī)模比較大，適合于時(shí)序、組合等邏輯電路的應(yīng)用，可以替代幾十甚至上百塊通用IC 芯片。這種芯片具有可編程和實(shí)現(xiàn)方案容易改動(dòng)等特點(diǎn)，因而在可編程門陣列芯片及外圍電路保持不動(dòng)的情況下，只要改變芯片內(nèi)部的程序，就能實(shí)現(xiàn)一種新的功能。它具有設(shè)計(jì)開發(fā)周期短、設(shè)計(jì)制造成本低、開發(fā)工具先進(jìn)、標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品無需測試、質(zhì)量穩(wěn)定以及實(shí)時(shí)在線檢測等優(yōu)點(diǎn)［6］。

脈沖調(diào)制器的定時(shí)脈沖形成采用CPLD 實(shí)現(xiàn)，采用硬件描述語言(VHDL）進(jìn)行具體的設(shè)計(jì)。其原理示意見圖2所示。

圖2 基于CPLD的脈沖分離原理示意圖

將系統(tǒng)送來的控制脈沖的前后沿分離出來，脈沖前沿分離出來作為開啟脈沖，脈沖后沿分離出作為關(guān)斷脈沖和截尾脈沖，脈沖寬度可根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行設(shè)置?？紤]到變壓器的驅(qū)動(dòng)和傳輸失真等因素，可將該脈寬設(shè)置成200～300 ns。由于調(diào)制器的最大脈寬受限于次級MOSFET 極間電容的充電延時(shí)能力，因此為實(shí)現(xiàn)任意寬度的脈沖信號的傳輸并進(jìn)行恢復(fù)，必須在開啟脈沖后每隔一定時(shí)間(例如100 μs）定時(shí)發(fā)送一個(gè)脈沖，對MOSFET的柵源間的電容進(jìn)行能量補(bǔ)充，維持MOSFET的導(dǎo)通。為防止次級開啟管和截尾管連通，截尾脈沖和關(guān)斷脈沖之間必須保留一段死區(qū)時(shí)間。采用CPLD 實(shí)現(xiàn)定時(shí)脈沖形成時(shí)序波形見圖3所示。

2.3 脈沖驅(qū)動(dòng)

CPLD定時(shí)產(chǎn)生的一定頻率和脈寬的三路脈沖信號必須通過一定的驅(qū)動(dòng)電路才能驅(qū)動(dòng)脈沖變壓器。驅(qū)動(dòng)電路可采用分立元件搭建，也可采用專用的驅(qū)動(dòng)芯片。

圖3 采用CPLD 實(shí)現(xiàn)定時(shí)脈沖形成時(shí)序

為了實(shí)現(xiàn)脈沖的隔離傳輸，本文采用IXYS 公司專用驅(qū)動(dòng)芯片IXDD414 驅(qū)動(dòng)隔離變壓器。IXDD414芯片輸出端內(nèi)部采用N 溝道和P 溝道MOSFET組成的互補(bǔ)對稱結(jié)構(gòu)形式，其峰值驅(qū)動(dòng)電流可達(dá)14 A，前沿小于30 ns，滿足要求。

完整的驅(qū)動(dòng)電路見圖4，采用三片IXDD414 實(shí)現(xiàn)脈沖驅(qū)動(dòng)。

圖4 變壓器隔離驅(qū)動(dòng)電路

2.4 脈沖隔離傳輸

為減少隔離脈沖變壓器的數(shù)量，采用兩只隔離變壓器實(shí)現(xiàn)三路脈沖信號的傳輸(圖4中T1和T2）。開啟脈沖和關(guān)斷脈沖分別經(jīng)過相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)電路后送到變壓器T1 初級;截尾脈沖經(jīng)過驅(qū)動(dòng)后送到變壓器T2 初級。脈沖傳輸?shù)脑?圖4中三路開啟、關(guān)斷和截尾脈沖分別送至三路驅(qū)動(dòng)電路的輸入端;當(dāng)開啟脈沖到來時(shí)，圖4中的U1 輸出端內(nèi)部的N 溝道MOSFET和U2輸出端中的P 溝道MOSFET 導(dǎo)通，+15V 電源通過U1(7）、C3、T1、C6和U2(7）到地，在變壓器T1的次級產(chǎn)生一個(gè)正向的脈沖;當(dāng)關(guān)斷脈沖到來時(shí)，類似地，在變壓器T1 次級產(chǎn)生一個(gè)反向的脈沖。因此，最終變壓器T1 次級的波形如圖5的G-H所示。圖4中的截尾脈沖經(jīng)過驅(qū)動(dòng)電路U3后在圖4 變壓器T2 次級兩端產(chǎn)生一個(gè)正向的脈沖，其波形如圖5的M-N所示。

圖5 變壓器次級脈沖波形

脈沖變壓器的初次級采用18 kV 高壓線繞制，保證高壓隔離。為了減小變壓器引線太長帶來的電磁耦合干擾，設(shè)計(jì)時(shí)將隔離脈沖變壓器與次級高壓端電路放置在一起，可有效減小柵極電源紋波對柵極脈沖信號的影響。

2.5 調(diào)制波形形成

脈沖恢復(fù)電路采用無源器件和MOSFET 管，其電路如圖6所示。選用的半導(dǎo)體開關(guān)為IXYS 公司的IXBH9N160(BiMOSFET），IXBH9N160的反壓為1600 V，平均電流9 A，輸出電容36 pF。BiMOSFET 驅(qū)動(dòng)門限電壓高，適宜于強(qiáng)干擾環(huán)境中應(yīng)用，其跨導(dǎo)低，耐短路能力強(qiáng)。因此，采用BiMOSFET 作為調(diào)制開關(guān)有利于提高調(diào)制器的可靠性。

當(dāng)變壓器次級G-H為正向開啟脈沖時(shí)，開啟MOSFET 管V7 正向偏置導(dǎo)通，正偏電壓通過V7 送至行波管柵極;當(dāng)變壓器次級G-H為負(fù)向關(guān)斷脈沖時(shí)，開啟MOSFET 管V7 反向偏置而截止。由于開啟管V7 導(dǎo)通時(shí)間和極間電容CGS的電荷泄漏能力相關(guān)，因此當(dāng)初級控制脈沖寬度超過一定寬度后，通過固定補(bǔ)充一定周期的開啟脈沖就能夠繼續(xù)維持開啟管的導(dǎo)通。為保證調(diào)制器后沿陡峭，通過截尾脈沖使關(guān)斷管V12 快速導(dǎo)通，負(fù)偏電壓通過V12 送至行波管柵極，保證了調(diào)制脈沖后沿不拖尾，調(diào)制脈沖后沿小，波形不失真。R8的作用是在發(fā)射機(jī)未加調(diào)制時(shí)保證行波管的柵極始終有負(fù)偏電壓而使行波管處于截止?fàn)顟B(tài)。

為防止出現(xiàn)干擾時(shí)開啟MOSFET 管V7 誤觸發(fā)而導(dǎo)通，本調(diào)制器采取了消除干擾技術(shù)，即在初級無控制脈沖期間定時(shí)補(bǔ)充關(guān)斷脈沖保證開啟管可靠截止。

2.6 浮動(dòng)電源的實(shí)現(xiàn)

圖6 脈沖恢復(fù)形成電路

浮動(dòng)電源包括正偏電源和負(fù)偏電源。綜合比較各種電路拓?fù)洌x擇單端正反激復(fù)合式電路作為浮動(dòng)電源的設(shè)計(jì)方案［7］。該拓?fù)涞膬?yōu)點(diǎn)是:①電路簡單，只需要一只MOSFET 開關(guān)，控制驅(qū)動(dòng)電路相對簡單;②電路較為成熟;③效率較高，與單純的單端反激電路相比，該電路實(shí)測效率較高。

正負(fù)偏浮動(dòng)電源一般功率較小，但由于其工作時(shí)處于高電位上(浮在陰極電位上），設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮電位的隔離問題。

2.7 調(diào)制器的保護(hù)

行波管打火時(shí)柵極(聚焦極）與陰極之間電壓瞬間升高為陰極電壓，這一電壓同時(shí)也作用于脈沖調(diào)制器。為了保護(hù)調(diào)制器不損壞，在調(diào)制器輸出兩端應(yīng)設(shè)置高功率瞬態(tài)電壓抑制二極管(TVS）和一個(gè)高壓電阻組成的保護(hù)電路，將瞬態(tài)高電壓限制到調(diào)制器能承受的安全電壓范圍內(nèi)。

3 應(yīng)用實(shí)例

應(yīng)用本文闡述的寬適應(yīng)高電位脈沖調(diào)制器的實(shí)現(xiàn)方法，設(shè)計(jì)了一款脈沖調(diào)制器，指標(biāo)要求如表1所示，發(fā)射機(jī)的工作頻率最高達(dá)到100 kHz，脈寬可適應(yīng)0.4 μs～CW 變化。

表1 調(diào)制器主要技術(shù)指標(biāo)

為驗(yàn)證脈沖調(diào)制器是否滿足指標(biāo)要求，對完成后的調(diào)制器進(jìn)行了實(shí)際的測試。分別測試了大工作比以及窄脈沖和連續(xù)波時(shí)的調(diào)制器工作特性。圖7(a）和圖7(b）分別為脈沖調(diào)制器輸出波形的前沿和后沿。圖8(a）為脈沖寬度為0.4 μs、重復(fù)頻率為1 kHz時(shí)的波形，圖8(b）為脈沖寬度為50 μs、重復(fù)頻率為1 kHz時(shí)的波形，圖8(c）為脈沖寬度為200 μs、重復(fù)頻率為1kHz時(shí)的波形，圖8(d）為脈沖寬度為800 μs、重復(fù)頻率為1 kHz時(shí)的波形，圖8(e）為脈沖寬度為1μs、重復(fù)頻率為100 kHz時(shí)的波形。

為驗(yàn)證該調(diào)制器能否適應(yīng)連續(xù)波工作模式，對調(diào)制器進(jìn)行了測試，最大工作比可達(dá)到100%。整個(gè)的實(shí)測結(jié)果表明，該調(diào)制器最高重頻可達(dá)100 kHz，工作脈寬0.4 μs～CW，最寬可前后沿低于100 ns。

圖7 調(diào)制器輸出波形前后沿

圖8 調(diào)制器各種輸出波形實(shí)測

當(dāng)脈沖調(diào)制器以較高的PRF 工作時(shí)，對行波管柵陰之間的分布電容C0的充放電將在次級開關(guān)回路中產(chǎn)生很大的損耗。為實(shí)現(xiàn)100 kHz 調(diào)制器，必須考慮開關(guān)管等散熱問題。設(shè)計(jì)時(shí)將器件都布置在數(shù)塊陶瓷基板上，陶瓷基板利用含銀環(huán)氧樹脂壓貼在金屬散熱器上，調(diào)制器變壓器和脈沖恢復(fù)電路等高壓部分整體采用具有良好導(dǎo)熱性能的絕緣灌封材料固化，實(shí)現(xiàn)調(diào)制器的絕緣和散熱。

4 結(jié)束語

本文論述的寬適應(yīng)高電位脈沖調(diào)制器已應(yīng)用在某型雷達(dá)發(fā)射機(jī)上。本調(diào)制器體積小，工作穩(wěn)定，抗大火能力強(qiáng)，可適應(yīng)高重復(fù)頻率、寬脈寬變化，并具有高可靠性和輸出波形靈活可變等特點(diǎn)，在雷達(dá)、電子對抗、衛(wèi)星通信等裝備中有著廣闊的應(yīng)用前景。

［1］強(qiáng)伯涵，魏智.現(xiàn)代雷達(dá)發(fā)射機(jī)的理論設(shè)計(jì)和實(shí)踐［M］.北京:國防工業(yè)出版社，1985:1-3.

［2］鄭新，李文輝，潘厚忠，等.雷達(dá)發(fā)射機(jī)技術(shù)［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2006:264-271.

［3］楊軍.載頻解調(diào)式脈沖調(diào)制器的研制［J］.現(xiàn)代雷達(dá)，2010，32(1）:77-80.

［4］陳紅廣.一種用于行波管發(fā)射機(jī)的寬脈沖調(diào)制器［J］.火控雷達(dá)與技術(shù)，2006(1）:35-37.

［5］徐曉榮.X波段無人機(jī)載SAR發(fā)射機(jī)的設(shè)計(jì)［J］.雷達(dá)與對抗，2005(4）:37-38.

［6］徐曉榮.基于CPLD/FPGA的雷達(dá)發(fā)射機(jī)脈沖工作比檢測電路［J］.雷達(dá)科學(xué)與技術(shù)，2006，4(1）:61-62.

［7］范鵬，王雪飛，汪軍.一種新型的單端正-反激式高壓電源設(shè)計(jì)［J］.電力電子技術(shù)，2007，41(5）:45-46.