宽适应范围行波管栅控调制器的设计*

崔海安，杨钰辉

(南京船舶雷达研究所，南京 210003)

1 引言

行波管以其较宽的工作频带和瞬时带宽以及高增益、低噪声而广泛应用于雷达、电子对抗、通信等领域。行波管控制方式有栅控和阴控两种。栅控行波管的调制脉冲仅对电子注起导通和关断作用，属电场控制器件，所需电流极小。因而，栅控调制器具有调制功率小、电压低、波形好和脉宽及周期变化灵活等优点。本文结合宽脉冲、高工作比、大功率栅控行波管对测试台的需求，并考虑测试台的通用性，介绍一种宽适应范围行波管栅控调制器的设计。

2 几种常用的栅控调制器性能分析

栅控行波管电子注的通断受其栅、阴极间电位控制，关断电子注时，需在其栅极相对于阴极加负的截止偏压；导通电子注时，栅极相对于阴极加正电压。因此，栅控调制器的作用就是控制开关管按照规定的时间将这两种电压分别接通到行波管栅极上。

常用的行波管栅控调制器主要有脉冲变压器耦合的调制器和浮动板调制器［1］。

脉冲变压器耦合的栅控调制器原理框图如图1所示。

由于该调制脉冲是在低压下产生的，其幅度变化范围较大，所需电源的品种最少，具有控制保护方便、电路简单及可靠性高等优点。但是，该输出脉冲波形的好坏受高电位隔离脉冲变压器分布参数的影响较大，需要有消除脉冲前、后沿振铃的电路，获得宽脉冲的困难较大，高重复频率、大工作比下开关管的损耗大，因此仅适合于在脉冲宽度窄且变化不大的场合。

浮动板栅控调制器是悬浮在行波管阴极高电位上的主动开关调制器，它的放置点离行波管栅极最近，直接用电子开关将正、负偏压电源以很快的速度、最短的传输路径分别与行波管的栅极接通。这样可以获得很好的脉冲波形，能很容易地实现脉冲宽度、脉冲周期快速变化的要求，其前、后沿较小，分布参数引起的振荡也小，因而对行波管电子注的影响较小，有利于降低行波管的输出噪声。

常用的浮动板调制器的类型有单开关型、双开关型。

2.1 单开关浮动板调制器

单开关浮动板调制器的工作原理框图2所示。图中，Cg为行波管栅-阴极间的等效电容。它的优点是开关管少，可靠性较高，但在调制脉冲结束后通过电阻Rg自动下拉到负偏置电源，因而其后沿时间较长。

图2 单开关型浮动板调制器原理框图

2.2 双开关浮动板调制器

双开关浮动板调制器的工作原理框如图3所示。该调制脉冲的前后沿分别有各自的开关进行控制，这样可以获得较好的脉冲前、后沿。但是，它需要两组驱动放大电路和驱动电源，还需考虑电位隔离和保护问题。

图3 双开关型浮动板调制器原理框图

2.3 多开关管组合浮动板调制器

多开关管组合浮动板调制器含多个开关管，分别形成脉冲前沿、脉冲顶部、脉冲后沿和下拉到负偏压等各区段的电压波形，组成一个完整的脉冲周期。由于每个开关管只完成一个区段的控制，其导通电流较小，损耗较低，因此可以工作于高重频。但是，因开关管较多，控制驱动电路复杂，时间关系要求很严。

综上所述，双开关浮动板调制器相对简单、波形好，较适合工程化使用。

3 调制器主要技术指标

为了适应某行波管热测要求，同时考虑到栅控行波管测试台的通用性需求，确定该栅控调制器需实现的主要技术参数如下:

灯丝电压:－5～－15 V

灯丝电流:≤5 A

栅极负偏压:－100～－500 V

脉冲幅度:0～600 V

脉冲宽度:5～500 μs

脉冲重复频率:50～50 kHz

最大工作比:25%

脉冲前沿:≤0.15 μs

脉冲后沿:≤0.15 μs

4 调制器电路设计

为了获得良好的调制脉冲波形，满足指标要求，采用双开关浮动板调制器，其调制脉冲的前、后沿分别由两组开关进行控制，调制器的组成见图4［2-3］。

4.1 灯丝电源

灯丝电源输出电压为－15 V(－5～－15 V 可调），输出电流5 A，用线性电源很难满足输出电压的调节范围，因而选用开关电源。灯丝电源的原理框图见图5。

由于在冷态下行波管灯丝电阻值只有热态时的十分之一，为了保护灯丝，灯丝电源设置了输出电流限制功能，其限定值为6.5 A。因而，灯丝电源在负载电流大于6.5 A时工作于恒流源状态，负载电流小于6.5 A时工作于恒压源状态。输出限流实现方法见图6。N1采用高输入阻抗的运算放大器，可以将检测电阻上的电压降至mV 量级，以降低检测电阻上的功耗。VrI为限定电流基准，当灯丝电流达到一定值、对应N1的输出高于VrI时，运放N2的输出将3525的电压基准VrU拉低，使得电源输出电压降低，电源为恒流源特性；而灯丝电流低于限定值时，运放N2的输出高于电压基准VrU的值，对电压基准不产生影响，电源为恒压源特性。

图4 栅控调制器原理框图

图5 灯丝电源原理框图

图6 灯丝电流的检测、放大和限制原理框图

4.2 栅极正负偏压电源

栅极负偏压电源的输出电压为－100～－500 V 可调，栅极正偏压电源的输出电压为0～600 V 可调，输出功率只有几十瓦，用开关电源来实现，其工作原理与灯丝电源相似。两路电源采用统一设计，按正、负输出要求，输出选择不同的连接方式。

4.3 浮源电压调节

灯丝电源、栅极正负偏压电源都处于浮动板上，通常称为浮源。浮动板悬浮在阴极高电位上，而测试台则要求行波管在加高压的情况下能对浮源电压进行实时调节。通过高电位隔离光纤传输组件实现在低压端对这三路电源输出电压的实时调节，其工作原理如图7所示。

图7 浮源电压控制原理框图

在低电位端，控制指令(升降键控信号）由接口转换和光驱动电路转换为光信号，再由光纤转送到高电位端的光接收电路。在高电位端，光接收电路将光信号恢复为电信号，送入单片机进行处理。单片机根据指令的不同，产生相应的控制信号，改变对应的数控电位器的阻值，从而控制灯丝电源、正偏压电源和负偏压电源的基准电压，实现对相应输出电压的调节。

4.4 脉冲放大及保护单元

脉冲放大及保护单元原理框图如图8所示。为了提高抗干扰能力，起始和截尾触发脉冲用差分电平传输，宽度为2～3 μs。

截尾触发脉冲经差分接收、驱动放大后直接送至隔离脉冲变压器，起始脉冲则受浮源故障、阴极采样电压、脉冲控制开关等信号的控制。

4.5 脉冲形成及保护单元

脉冲形成及保护单元原理框图如图9所示。起始、截尾脉冲通道的单稳态触发器的暂态时间设定应合理。

图8 脉冲放大及保护单元原理框图

图9 脉冲形成及保护单元原理框图

4.5.1 宽脉宽高重频的实现

对比图3和图9，改变了“起始”开关管V1和“截尾”开关管V2的接法，选用高频特性良好的高反压功率MOS 管作开关管。开关管V2 导通给行波管栅极提供负偏压充电回路的同时，迅速将V1 关断。此过程中，正、负偏压之间和V1、V2 之间不存在直通的工作状态，即调制器不存在直通损耗。同时，由于MOS 管具有较小的导通电阻，开关管的导通损耗大大降低，因而调制器可工作在很高重频和大工作比状态，且具有较高的可靠性。开关管的驱动电路由高速光耦来实现，理论上对脉冲宽度没有限制。V3、V4为瞬态抑制二极管，对V1、V2 起过压保护作用。

4.5.2 快速保护电路

(1）浮源保护

位于浮动板高电位上的灯丝电源、负偏压电源和正偏压电源，任一个输出异常均将起始脉冲通道关闭，迅速切断栅调脉冲输出，同时通过光电耦合器将故障信号送至低压端的脉冲放大与保护单元，以切断高压电源输出或作相应的故障处理。

(2）管击穿保护

工作中如果调制器中的起始开关管击穿，则会使行波管的栅极始终加上正偏压，会烧坏行波管，为此电路中设置了管击穿保护电路，一旦起始开关管被击穿，管击穿采样保护电路将继电器断开，切断正偏压电源供电回路。

(3）打火保护

行波管阴极脉冲电流通过电流互感器采样送给比较器，一旦出现打火，比较器输出的脉冲信号经单稳态电路展宽后，将起始脉冲通道关闭，迅速切断栅调脉冲输出。因切断高压电源输出的时间较长，单稳态电路的延时时间应设置到s 量级。

5 试验结果

在输出的栅调脉冲宽度为100 μs时，调制脉冲、前沿、后沿的测试波形分别如图10、11、12所示，其前、后沿均小于60 ns。

图10 调制脉冲

图11 调制脉冲后沿

图12 调制脉冲前沿

6 结束语

根据上述设计思路，完成了宽适应范围行波管栅控调制器的研制，各项性能参数达到技术指标要求，具有输出脉冲幅度调节范围大、脉冲宽度宽、脉冲重复频率高、脉冲波形好等特点，通用性强。在低压端通过按键可实时调节浮源输出，方便使用。在与行波管样管联试的过程中，样管经常打火，调制器都能及时提供保护，工作稳定、可靠。该调制器的设计技术在雷达、电子对抗、通信等领域的栅控行波管发射机以及通用行波管测试设备中有着广阔的应用前景。

［1］郑新，李文辉，潘厚忠.雷达发射机技术［M］.北京:电子工业出版社，2006.

［2］魏智.发射机高压脉冲调制器的设计和实践［M］.北京:电子工业出版社，2009.

［3］张占松，蔡宣三.开关电源的原理与设计［M］.北京:电子工业出版社，2002.