某型發射機浮動板固態調制器的設計與實現*

魏文新 余錫斌

(海軍駐桂林地區軍事代表室 桂林 541002)

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某型發射機浮動板固態調制器的設計與實現*

魏文新 余錫斌

(海軍駐桂林地區軍事代表室 桂林 541002)

論文介紹了浮動板固態調制器工作的基本原理。通過分析確定了柵極正負電源和調制開關管,選擇了合適的調制脈沖,采用滿足了驅動要求的電路,并依據設計實現了L、C波段發射機,取得了比較滿意的結果。

浮動板固態調制器; 調制開關管; 調制脈沖; 驅動電路

Class Number TN402

1 引言

調制器在雷達發射機中應用非常普遍,而在干擾機的發射機中應用在國內還是近幾年的事情。采用柵控行波管,調制柵極工作電壓以陰極電位為參考點,在陰極電位上上下浮動,并以大功率開關管構成調制開關的調制器稱其為浮動板浮動板固態調制器。

2 基本工作原理

浮動板固態調制器部分的原理電路圖如圖1所示。圖中V1為起始管,V2為截尾管,+Ug和-Ug分別為柵極工作的正、負電源,Rg1為柵極驅動電阻,Rg2為柵極下拉電阻,R1、R2分別為限流電阻,R3為分壓電阻。

圖1 浮動板固態調制器原理電路圖

調制器的基本工作原理和工作過程如下:當起始脈沖來到時,V1立即導通,正柵極電源+Ug通過V1、R1和Rg1加到行波管的柵極G上,給柵極電容Cg和分布電容Cr快速充電(圖中Cg、Cr沒有畫出),柵極電壓變為接近+Ug而正向偏置,使行波管處于放大工作狀態。當起始脈沖消失,截尾

脈沖到來時,V1立即截止,V2立即導通,負柵極電源-Ug通過V2、R2和Rg1加到行波管柵極G上,使行波管柵極電容Cg和分布電容Cr儲存電荷快速放電,其電位立即變為接近-Ug,使行波管快速截止。在截尾脈沖消失后,依靠柵極下拉電阻Rg2和分壓電阻R3將柵極G電位控制在比陰極K電位更負,而接近于-Ug,使行波管可靠保持截止,這時開關管V1、V2都處在截止狀態,這樣就完成了一個工作循環,等待下一個脈沖周期的到來。固態調制器的工作原理波形圖如圖2所示。

圖2 浮動板固態調制器工作原理波形圖

3 柵極正負電源的確定

設計柵極正負電源時除了要根據柵控行波管柵極的開通電壓Von、關斷電壓Voff來確定柵極正負電源+Ug、-Ug的輸出電壓以外,還要根據柵極工作電流、柵極電容和整個調制器對地分布電容的充放電電流來確定柵極電源容量,這一點是非常關鍵的。因此,在設計柵極正負電源時,首先必須了解調制器工作的基本原理:在V1導通時,正柵極電源+Ug除了在提供行波管柵極工作電流Ig的同時,還必須提供柵極電容Cg和分布電容Cr足夠的充電電流,以保證電容快速充電,而使輸出脈沖有較小的上升時間。在V1截止、V2導通的過程中,兩管存在共同導通時間,此時+Vg還應提供共通瞬間的電流,這一電流的大小由電路參數確定。另外對于特殊體制雷達而言,還要根據改善因子限制(一般由總體要求給出)的要求,得到分配給正柵極電源+Ug的相位失真和幅度失真等技術指標,求出該電源的穩定度和紋波要求,以滿足輸出脈沖的相位穩定度和幅度穩定度的技術指標,否則將產生附加調制而影響接收機的檢測精度。對于干擾機發射機而言,其要求要低些,只要基本穩定,保證行波管可靠工作即可。一般說來,對于負柵極電源-Ug,沒有穩定度的要求,就不需要穩壓電源,只要保證在任何情況下都能使行波管快速、可靠截止即可,這樣可以降低電源成本。此時分析可知,柵極正負電源的輸出電流大小基本相等。本電路中,共通電流It的大小為

It=2Ug/(R1+R2)[7]

對于調制器輸出脈沖波形的前沿、后沿可以認為按下述速率變化,即

dU/dt=Icmax/C

式中,IDSmax為起始管、截尾管導通瞬時最大電流。

CC=Cg+Cr

式中,CC為調制器輸出負載總的綜合電容,Cg柵極電容,Cr分布電容。

由此可以得到在輸出電容為C時,調制器電源在起始管和截尾管導通的瞬間應能提供的瞬時電流(也是開關管應能承受的電流)應為

IDSmax=ΔUC/Δt

式中,ΔU變化電壓,Δt變化時間。

由原理圖可知

IDSmax=It+Ig+IC

式中,IC柵極電容、分布電容充電電流;Ig為柵極工作電流;It為共通電流。

從上式可以看出,在輸出電容、工作電壓一定的條件下,若要求上升時間、下降時間越小,調制器電源瞬時能給出的電流越大。

在此需要指出的是在確定柵極正負電源容量過程中,分布電容容量大小的確定是非常困難的。因為它的構成非常復雜,它包括行波管管體對地分布電容、整個浮動板調制開關電路對地的分布電容、燈絲電路中燈絲變壓器對地的分布電容、隔離變壓器對地的分布電容以及連接引線的分布電容等構成,并且它還與上述單元的電路排版和結構布局有關,很難具體確定。另一方面瞬時電流在一定的時間內是由電源的濾波電容提供的,與濾波電容的大小有關,而這個時間又比較短。在這樣的條件下,設計時一般根據實踐經驗來估計,取IDSmax≥10Ig,來計算柵極正負電源的功率。根據上述原理,知道分布電容的大小不僅影響柵極電源電源的功率大小,更重要的是還將直接影響輸出脈沖波形的上升時間tr和下降時間tf的大小,因為行波管柵極對陰極的電容容量比較小,一般都在≤50P的數量級,而影響最大的是分布電容,這一點是必須切記的！在設計過程中除了合理選擇調制開關電路,還應該精心排版布局,盡可能縮短連接引線,減小分布電容的影響,以得到理想的輸出脈沖波形。

4 調制開關管的確定

從上面分析可以知道,調制開關管的選擇必須滿足以下三個條件:耐壓要求、工作電流要求和時間參數要求。

對于開關管的耐壓要求,除了根據行波管柵極的開通電壓Von和關斷電壓Voff和電路類型來確定開關管的耐壓以外,還要考慮開關管工作在高壓環境中,隨時都有可能遇到打火現象的發生,為此開關管的耐壓一般應≥(1.5～2.5)(Von+Voff)。

開關管要可靠工作,開關管能承受的電流必須大于柵極工作電流、柵極電容和分布電容的充放電電流和兩管瞬時共通電流的總和IDSmax[1](見上式),這一點一般比較容易得到滿足。

在調制開關電路中,開關管本身的時間參數的大小就決定了電路工作頻率的高低。因此必須對開關管時間參數的基本定義應有所了解,以供合理選擇使用。開關管的時間參數的定義如圖3所示。開關管的時間參數主要是由開關管自身各極結電容的大小決定的。由于有電容存在,在工作過程中就存在充、放電時間,這個時間就是開關時間。開關時間不僅決定開關頻率的高低,還影響開關損耗的大小。而開關損耗的大小體現在管體溫升的高低,這就為我們選擇散熱方式、散熱片面積的大小是否合適提供了實踐判別依據。因此選擇開關管還應根據脈沖重頻RPF高低來選擇開關管的開關時間,否則開關損耗增大,管體溫度升高,而影響可靠性。

圖3 開關管的開關時間關系圖

圖中:ton為開通時間,toff為關斷時間,td(on)為開通延遲時間,td(off)為關斷延遲時間,tr為上升時間,tf為下降時間。

由圖可以看出:

ton=td(on)+tr[3]

toff=td(off)+tf[3]

根據上述條件,選用功率場效應管做調制開關管,其型號為IXTH 13N80[6](具體參數見產品手冊),就能滿足使用要求。

5 調制脈沖的選擇

由于調制器采用了起始脈沖和截尾脈沖的工作方式,在這種工作模式下,為了得到較小脈沖下降時間,在起始脈沖和截尾脈沖之間應設置一定的共通時間,這一點與電源變換和電機調速是完全不同的。在電源變換和電機調速中,同一橋臂中的上下兩管不允許有共通時間存在,否則在工作過程中形成短路而燒毀開關管。因此在上下兩管的驅動脈沖之間,必須設置一定的死區時間td,以防止共通,選擇死區時間必須td?(toff-ton)。但是在調制開關電路中,由于有下降時間的要求,在電路中設置限流電阻,允許有一定的共通時間,以減小輸出脈沖的下降時間。共通時間tt的大小,以既滿足輸出脈沖的下降時間要求,又能使開關管工作溫度最低。根據我們實踐過程中摸索的結果,共通時間的設置范圍應為:

(toff-ton)/2≤tt≤(toff-ton)

起始管和截尾管工作的時序關系波形圖如圖4所示。

圖4 調制開關原理波形圖

需要指出的是:輸出脈沖的上升時間、下降時間除了與兩脈沖之間的共通時間有關以外,還與電路參數設置選擇有關。特別是行波管柵極驅動電阻、場效應管柵極驅動電阻和限流電阻的大小有關,上述參數的大小最后只能通過試驗來確定。具體判斷標準為:輸出脈沖的上升時間、下降時間滿足規定要求,開關管工作時管體溫升最小。

6 對驅動電路的要求

在實踐中發現,對起始脈沖、截尾脈沖信號應該有明確的要求。如果驅動信號的功率不夠,將會使輸出脈沖的上升沿時間、下降沿時間增大,甚至產生頂部降落。所謂信號功率包括信號幅度和提供的電流。如果驅動信號的幅度太大(當然在允許的范圍內),脈沖的關斷時間會增加。選用的開關管為功率場效應管,看起來是電壓器件,實際上在開關管導通的開始階段,驅動電路必須能提供足夠的電流給結電容充電,以加快導通速度,減小開通時間ton。開關管導通后,又不能使開關管深度飽和,以減小儲存電荷給關斷帶來困難,因此驅動信號的幅度應該有一定的限制。對于場效應管來說,驅動信號的幅度一般為(8～15)V范圍。當開關管開始截止時,驅動電路應能提供足夠的反向電流,以快速中和、消除儲存電荷,加快關斷速度,減小關斷時間[2]。為此在驅動電路中,除了滿足幅度要求以外,還由自舉電路產生一個-5V電壓,來加快開關管的關斷,達到減小關斷時間toff。一般說來開通時間ton、關斷時間tof越小,其上升時間tr、下降時間tf也越小。

7 結語

目前我們已經試制了柵極控制行波管發射機各一臺,取得了比較滿意的結果。發射機輸出的視頻脈沖參數為

PRF=100kHz

tr、tf≤50nS

D=(5～100)%

τmin≥500nS

上述技術指標與ETM發射機的技術指標非常接近,完全能滿足使用要求[8]。唯一不足的是:我們的發射機重量比進口發射機重9kg。分析原因,主要是由于行波管冷卻散熱片的材料造成的,我們使用的材料是紫銅,而進口發射機使用的是鋁材料,其比重相差三倍多[9],再加上設計余量太大,過于保守,主要是散熱板的長度太長,造成散熱板的重量增加。這是以后設計應該改進的地方,當然這要通過試驗來驗證。

[1] 202教研室發射組.雷達發射設備[M].西安:西北電訊工程學院出版,1975.

[2] 強伯涵,魏智.現代雷達發射機的理論設計和實踐[M].北京:國防工業出版社,1985.

[3] 張立,趙永健.現代電力電子技術[M].北京:科學出版社,1997.

[4] 五〇七發送小組.雷達發送設備(上下冊)[M].廣州:廣東工學院出版,1975.

[5] 王旈銀.脈沖與數字電路(第二版)[M].北京:高等教育出版社出版,1992.

[6] 康華光.電子技術基礎數字部分(第四版)[M].北京:高等教育出版社出版,2000.

[7] 劉守義,鐘蘇.數字電子技術[M].西安:西安電子科技大學出版社出版,2001.

[8] 丁鷺飛,耿富錄.雷達原理(第三版)[M].西安:西安電子科技大學出版社出版,2000.

[9] 南京工學院.電子設備結構設計原理[M].江蘇科學技術出版社出版,1981.

[10] 孫萍.電子技術專業英語[M].北京:機械工業出版社出版,2003.

Design and Implementation of Solid State Modulator by Floating Panels of A Transmitter

WEI Wenxin YU Xibin

(Navy Representative Office in Guilin, Guilin 541002)

This paper introduces the basic principles of floating panels in solid state modulator. Through analyzing, the positive and negative power and modulation gate switch is determined, and the appropriate modulation pulse is selected, the drive is used to meet the requirements of the circuit. And the L and C band transmitter, and is designed and implemented to achieve the satisfactory results.

floating-board solid-state modulator, modulation gate switch, appropriate modulation pulse, drive circuit

2014年7月3日,

2014年8月24日

魏文新,男,碩士,工程師,研究方向:艦船電子及消磁。余錫斌,男,碩士,高級工程師,研究方向:艦船電子及消磁。

TN402

10.3969/j.issn1672-9730.2015.01.042