寬適應范圍行波管柵控調制器的設計*

崔海安，楊鈺輝

(南京船舶雷達研究所，南京 210003)

1 引言

行波管以其較寬的工作頻帶和瞬時帶寬以及高增益、低噪聲而廣泛應用于雷達、電子對抗、通信等領域。行波管控制方式有柵控和陰控兩種。柵控行波管的調制脈沖僅對電子注起導通和關斷作用，屬電場控制器件，所需電流極小。因而，柵控調制器具有調制功率小、電壓低、波形好和脈寬及周期變化靈活等優點。本文結合寬脈沖、高工作比、大功率柵控行波管對測試臺的需求，并考慮測試臺的通用性，介紹一種寬適應范圍行波管柵控調制器的設計。

2 幾種常用的柵控調制器性能分析

柵控行波管電子注的通斷受其柵、陰極間電位控制，關斷電子注時，需在其柵極相對于陰極加負的截止偏壓；導通電子注時，柵極相對于陰極加正電壓。因此，柵控調制器的作用就是控制開關管按照規定的時間將這兩種電壓分別接通到行波管柵極上。

常用的行波管柵控調制器主要有脈沖變壓器耦合的調制器和浮動板調制器［1］。

脈沖變壓器耦合的柵控調制器原理框圖如圖1所示。

由于該調制脈沖是在低壓下產生的，其幅度變化范圍較大，所需電源的品種最少，具有控制保護方便、電路簡單及可靠性高等優點。但是，該輸出脈沖波形的好壞受高電位隔離脈沖變壓器分布參數的影響較大，需要有消除脈沖前、后沿振鈴的電路，獲得寬脈沖的困難較大，高重復頻率、大工作比下開關管的損耗大，因此僅適合于在脈沖寬度窄且變化不大的場合。

浮動板柵控調制器是懸浮在行波管陰極高電位上的主動開關調制器，它的放置點離行波管柵極最近，直接用電子開關將正、負偏壓電源以很快的速度、最短的傳輸路徑分別與行波管的柵極接通。這樣可以獲得很好的脈沖波形，能很容易地實現脈沖寬度、脈沖周期快速變化的要求，其前、后沿較小，分布參數引起的振蕩也小，因而對行波管電子注的影響較小，有利于降低行波管的輸出噪聲。

常用的浮動板調制器的類型有單開關型、雙開關型。

2.1 單開關浮動板調制器

單開關浮動板調制器的工作原理框圖2所示。圖中，Cg為行波管柵-陰極間的等效電容。它的優點是開關管少，可靠性較高，但在調制脈沖結束后通過電阻Rg自動下拉到負偏置電源，因而其后沿時間較長。

圖2 單開關型浮動板調制器原理框圖

2.2 雙開關浮動板調制器

雙開關浮動板調制器的工作原理框如圖3所示。該調制脈沖的前后沿分別有各自的開關進行控制，這樣可以獲得較好的脈沖前、后沿。但是，它需要兩組驅動放大電路和驅動電源，還需考慮電位隔離和保護問題。

圖3 雙開關型浮動板調制器原理框圖

2.3 多開關管組合浮動板調制器

多開關管組合浮動板調制器含多個開關管，分別形成脈沖前沿、脈沖頂部、脈沖后沿和下拉到負偏壓等各區段的電壓波形，組成一個完整的脈沖周期。由于每個開關管只完成一個區段的控制，其導通電流較小，損耗較低，因此可以工作于高重頻。但是，因開關管較多，控制驅動電路復雜，時間關系要求很嚴。

綜上所述，雙開關浮動板調制器相對簡單、波形好，較適合工程化使用。

3 調制器主要技術指標

為了適應某行波管熱測要求，同時考慮到柵控行波管測試臺的通用性需求，確定該柵控調制器需實現的主要技術參數如下:

燈絲電壓:－5～－15 V

燈絲電流:≤5 A

柵極負偏壓:－100～－500 V

脈沖幅度:0～600 V

脈沖寬度:5～500 μs

脈沖重復頻率:50～50 kHz

最大工作比:25%

脈沖前沿:≤0.15 μs

脈沖后沿:≤0.15 μs

4 調制器電路設計

為了獲得良好的調制脈沖波形，滿足指標要求，采用雙開關浮動板調制器，其調制脈沖的前、后沿分別由兩組開關進行控制，調制器的組成見圖4［2-3］。

4.1 燈絲電源

燈絲電源輸出電壓為－15 V(－5～－15 V 可調），輸出電流5 A，用線性電源很難滿足輸出電壓的調節范圍，因而選用開關電源。燈絲電源的原理框圖見圖5。

由于在冷態下行波管燈絲電阻值只有熱態時的十分之一，為了保護燈絲，燈絲電源設置了輸出電流限制功能，其限定值為6.5 A。因而，燈絲電源在負載電流大于6.5 A時工作于恒流源狀態，負載電流小于6.5 A時工作于恒壓源狀態。輸出限流實現方法見圖6。N1采用高輸入阻抗的運算放大器，可以將檢測電阻上的電壓降至mV 量級，以降低檢測電阻上的功耗。VrI為限定電流基準，當燈絲電流達到一定值、對應N1的輸出高于VrI時，運放N2的輸出將3525的電壓基準VrU拉低，使得電源輸出電壓降低，電源為恒流源特性；而燈絲電流低于限定值時，運放N2的輸出高于電壓基準VrU的值，對電壓基準不產生影響，電源為恒壓源特性。

圖4 柵控調制器原理框圖

圖5 燈絲電源原理框圖

圖6 燈絲電流的檢測、放大和限制原理框圖

4.2 柵極正負偏壓電源

柵極負偏壓電源的輸出電壓為－100～－500 V 可調，柵極正偏壓電源的輸出電壓為0～600 V 可調，輸出功率只有幾十瓦，用開關電源來實現，其工作原理與燈絲電源相似。兩路電源采用統一設計，按正、負輸出要求，輸出選擇不同的連接方式。

4.3 浮源電壓調節

燈絲電源、柵極正負偏壓電源都處于浮動板上，通常稱為浮源。浮動板懸浮在陰極高電位上，而測試臺則要求行波管在加高壓的情況下能對浮源電壓進行實時調節。通過高電位隔離光纖傳輸組件實現在低壓端對這三路電源輸出電壓的實時調節，其工作原理如圖7所示。

圖7 浮源電壓控制原理框圖

在低電位端，控制指令(升降鍵控信號）由接口轉換和光驅動電路轉換為光信號，再由光纖轉送到高電位端的光接收電路。在高電位端，光接收電路將光信號恢復為電信號，送入單片機進行處理。單片機根據指令的不同，產生相應的控制信號，改變對應的數控電位器的阻值，從而控制燈絲電源、正偏壓電源和負偏壓電源的基準電壓，實現對相應輸出電壓的調節。

4.4 脈沖放大及保護單元

脈沖放大及保護單元原理框圖如圖8所示。為了提高抗干擾能力，起始和截尾觸發脈沖用差分電平傳輸，寬度為2～3 μs。

截尾觸發脈沖經差分接收、驅動放大后直接送至隔離脈沖變壓器，起始脈沖則受浮源故障、陰極采樣電壓、脈沖控制開關等信號的控制。

4.5 脈沖形成及保護單元

脈沖形成及保護單元原理框圖如圖9所示。起始、截尾脈沖通道的單穩態觸發器的暫態時間設定應合理。

圖8 脈沖放大及保護單元原理框圖

圖9 脈沖形成及保護單元原理框圖

4.5.1 寬脈寬高重頻的實現

對比圖3和圖9，改變了“起始”開關管V1和“截尾”開關管V2的接法，選用高頻特性良好的高反壓功率MOS 管作開關管。開關管V2 導通給行波管柵極提供負偏壓充電回路的同時，迅速將V1 關斷。此過程中，正、負偏壓之間和V1、V2 之間不存在直通的工作狀態，即調制器不存在直通損耗。同時，由于MOS 管具有較小的導通電阻，開關管的導通損耗大大降低，因而調制器可工作在很高重頻和大工作比狀態，且具有較高的可靠性。開關管的驅動電路由高速光耦來實現，理論上對脈沖寬度沒有限制。V3、V4為瞬態抑制二極管，對V1、V2 起過壓保護作用。

4.5.2 快速保護電路

(1）浮源保護

位于浮動板高電位上的燈絲電源、負偏壓電源和正偏壓電源，任一個輸出異常均將起始脈沖通道關閉，迅速切斷柵調脈沖輸出，同時通過光電耦合器將故障信號送至低壓端的脈沖放大與保護單元，以切斷高壓電源輸出或作相應的故障處理。

(2）管擊穿保護

工作中如果調制器中的起始開關管擊穿，則會使行波管的柵極始終加上正偏壓，會燒壞行波管，為此電路中設置了管擊穿保護電路，一旦起始開關管被擊穿，管擊穿采樣保護電路將繼電器斷開，切斷正偏壓電源供電回路。

(3）打火保護

行波管陰極脈沖電流通過電流互感器采樣送給比較器，一旦出現打火，比較器輸出的脈沖信號經單穩態電路展寬后，將起始脈沖通道關閉，迅速切斷柵調脈沖輸出。因切斷高壓電源輸出的時間較長，單穩態電路的延時時間應設置到s 量級。

5 試驗結果

在輸出的柵調脈沖寬度為100 μs時，調制脈沖、前沿、后沿的測試波形分別如圖10、11、12所示，其前、后沿均小于60 ns。

圖10 調制脈沖

圖11 調制脈沖后沿

圖12 調制脈沖前沿

6 結束語

根據上述設計思路，完成了寬適應范圍行波管柵控調制器的研制，各項性能參數達到技術指標要求，具有輸出脈沖幅度調節范圍大、脈沖寬度寬、脈沖重復頻率高、脈沖波形好等特點，通用性強。在低壓端通過按鍵可實時調節浮源輸出，方便使用。在與行波管樣管聯試的過程中，樣管經常打火，調制器都能及時提供保護，工作穩定、可靠。該調制器的設計技術在雷達、電子對抗、通信等領域的柵控行波管發射機以及通用行波管測試設備中有著廣闊的應用前景。

［1］鄭新，李文輝，潘厚忠.雷達發射機技術［M］.北京:電子工業出版社，2006.

［2］魏智.發射機高壓脈沖調制器的設計和實踐［M］.北京:電子工業出版社，2009.

［3］張占松，蔡宣三.開關電源的原理與設計［M］.北京:電子工業出版社，2002.