一种宽适应高电位脉冲调制器的实现方法

徐晓荣

(中国电子科技集团第三十八研究所，合肥 230088)

0 引言

现代雷达要求发射机脉宽变化范围大、重频变化范围大，因此要求调制器宽适应高重复频率、宽脉宽变化以及具有高可靠性等特点［1］。发射机浮动调制器一般悬浮在几万伏高电位上，要求起始截尾控制脉冲隔离传输。因而，宽适应范围和脉冲隔离传输是栅控发射机调制器两个重要的环节。

脉冲调制器中能够隔离传输脉冲信号的器件主要有光耦或光纤、脉冲变压器等［2］。光耦/光纤传输时高压端需要供电电源，次级多管串联工作时需要多组互相隔离的辅助电源和驱动电路，使得电路复杂特别是高电位上的电路增加，不利于可靠性的提高。而采用常规的隔离脉冲变压器传输驱动信号的方法，不能满足宽脉宽的要求。为实现宽脉宽信号传输，可通过采用隔离脉冲变压器传输脉冲串(驱动信号）的方法，以满足从脉宽几百ns～连续波(CW）变化的要求。

本文介绍一种宽适应高电位脉冲调制器的工作原理、实现方法和应用。该调制器采用隔离传输起始截尾控制脉冲，其输出脉冲幅值最高达1200 V 以上，脉宽0.4 μs～CW 灵活可变，重复频率最大可达100 kHz，前后沿低于0.1 μs。

1 调制器的基本要求

脉冲调制器的主要作用是控制微波管电子注的通断和微波管工作，从而产生所需的各种脉冲微波源。

当行波管栅极为开启导通电压时，被热烘的阴极所发射的电子通过栅网在慢波系统中进行能量交换，实现微波功率放大，行波管工作;反之，当行波管栅极为截止负偏压时，电子因负偏电压截止，电子不能进入慢波系统，不能进行能量交换，行波管不工作［3］。

2 调制器的设计与实现

2.1 调制器基本原理

发射机脉冲调制器的基本原理一般是将系统送来的控制脉冲信号通过隔离后送到高压端，通过高压端电路将初级信号解调出来，驱动调制开关的导通或关断，在行波管的控制极(栅极或聚焦极）上形成具有正负向的高压脉冲信号，控制发射机的射频信号输出。

脉冲调制器的组成包括定时脉冲形成和驱动、隔离脉冲变压器、脉冲恢复形成电路［4］。脉冲形成采用复杂的可编程逻辑器件(CPLD）实现，波形产生和控制方便灵活。CPLD 将初级脉冲的前后沿分离出三路信号:开启脉冲、关断脉冲和截尾脉冲，由驱动电路驱动隔离脉冲变压器;脉冲变压器隔离并传输脉冲信号;脉冲恢复形成电路将初级脉冲无失真的恢复出来，并形成行波管发射机栅极调制脉冲。其原理框图如图1所示。

图1 宽适应高电位脉冲调制器原理框图

脉冲调制器次级的电压型控制开关采用场控器件(MOSFET）［5］。驱动信号不需要大的电流，只须传输一个控制电压就可控制MOSFET 开启管和截尾管的通/断，但这类场控器件的栅源极间却存在着极间电容。驱动信号的前沿必须首先对该电容充电到开启管导通所需的电场方可维持开关的导通。脉冲前沿过后，极间电容已充满电，无须控制脉冲再提供能量，故控制脉冲的脉宽已毫无意义，只需一个脉冲前沿即可。同样在脉冲结束时，如果让极间电容反相充上电荷，产生反相电场，则开启管就会立即截止。这样，脉冲变压器只须传输一个前沿脉冲和一个后沿脉冲就可使控制次级开关管以一定的脉宽工作。脉宽受前沿脉冲的前沿到后沿脉冲的前沿之间的延迟时间决定，而不是控制信号(前沿脉冲和后沿脉冲）的脉冲宽度决定。调制器的最大脉宽受限于极间电容的电荷泄漏能力，而不是脉冲变压器的最大传输脉宽能力。此时，不仅保持了脉冲变压器隔离传输控制信号的优点，而且克服了脉冲变压器的最大脉宽受限的不足。

2.2 定时脉冲形成

CPLD的规模比较大，适合于时序、组合等逻辑电路的应用，可以替代几十甚至上百块通用IC 芯片。这种芯片具有可编程和实现方案容易改动等特点，因而在可编程门阵列芯片及外围电路保持不动的情况下，只要改变芯片内部的程序，就能实现一种新的功能。它具有设计开发周期短、设计制造成本低、开发工具先进、标准产品无需测试、质量稳定以及实时在线检测等优点［6］。

脉冲调制器的定时脉冲形成采用CPLD 实现，采用硬件描述语言(VHDL）进行具体的设计。其原理示意见图2所示。

图2 基于CPLD的脉冲分离原理示意图

将系统送来的控制脉冲的前后沿分离出来，脉冲前沿分离出来作为开启脉冲，脉冲后沿分离出作为关断脉冲和截尾脉冲，脉冲宽度可根据实际需要进行设置。考虑到变压器的驱动和传输失真等因素，可将该脉宽设置成200～300 ns。由于调制器的最大脉宽受限于次级MOSFET 极间电容的充电延时能力，因此为实现任意宽度的脉冲信号的传输并进行恢复，必须在开启脉冲后每隔一定时间(例如100 μs）定时发送一个脉冲，对MOSFET的栅源间的电容进行能量补充，维持MOSFET的导通。为防止次级开启管和截尾管连通，截尾脉冲和关断脉冲之间必须保留一段死区时间。采用CPLD 实现定时脉冲形成时序波形见图3所示。

2.3 脉冲驱动

CPLD定时产生的一定频率和脉宽的三路脉冲信号必须通过一定的驱动电路才能驱动脉冲变压器。驱动电路可采用分立元件搭建，也可采用专用的驱动芯片。

图3 采用CPLD 实现定时脉冲形成时序

为了实现脉冲的隔离传输，本文采用IXYS 公司专用驱动芯片IXDD414 驱动隔离变压器。IXDD414芯片输出端内部采用N 沟道和P 沟道MOSFET组成的互补对称结构形式，其峰值驱动电流可达14 A，前沿小于30 ns，满足要求。

完整的驱动电路见图4，采用三片IXDD414 实现脉冲驱动。

图4 变压器隔离驱动电路

2.4 脉冲隔离传输

为减少隔离脉冲变压器的数量，采用两只隔离变压器实现三路脉冲信号的传输(图4中T1和T2）。开启脉冲和关断脉冲分别经过相应的驱动电路后送到变压器T1 初级;截尾脉冲经过驱动后送到变压器T2 初级。脉冲传输的原理:图4中三路开启、关断和截尾脉冲分别送至三路驱动电路的输入端;当开启脉冲到来时，图4中的U1 输出端内部的N 沟道MOSFET和U2输出端中的P 沟道MOSFET 导通，+15V 电源通过U1(7）、C3、T1、C6和U2(7）到地，在变压器T1的次级产生一个正向的脉冲;当关断脉冲到来时，类似地，在变压器T1 次级产生一个反向的脉冲。因此，最终变压器T1 次级的波形如图5的G-H所示。图4中的截尾脉冲经过驱动电路U3后在图4 变压器T2 次级两端产生一个正向的脉冲，其波形如图5的M-N所示。

图5 变压器次级脉冲波形

脉冲变压器的初次级采用18 kV 高压线绕制，保证高压隔离。为了减小变压器引线太长带来的电磁耦合干扰，设计时将隔离脉冲变压器与次级高压端电路放置在一起，可有效减小栅极电源纹波对栅极脉冲信号的影响。

2.5 调制波形形成

脉冲恢复电路采用无源器件和MOSFET 管，其电路如图6所示。选用的半导体开关为IXYS 公司的IXBH9N160(BiMOSFET），IXBH9N160的反压为1600 V，平均电流9 A，输出电容36 pF。BiMOSFET 驱动门限电压高，适宜于强干扰环境中应用，其跨导低，耐短路能力强。因此，采用BiMOSFET 作为调制开关有利于提高调制器的可靠性。

当变压器次级G-H为正向开启脉冲时，开启MOSFET 管V7 正向偏置导通，正偏电压通过V7 送至行波管栅极;当变压器次级G-H为负向关断脉冲时，开启MOSFET 管V7 反向偏置而截止。由于开启管V7 导通时间和极间电容CGS的电荷泄漏能力相关，因此当初级控制脉冲宽度超过一定宽度后，通过固定补充一定周期的开启脉冲就能够继续维持开启管的导通。为保证调制器后沿陡峭，通过截尾脉冲使关断管V12 快速导通，负偏电压通过V12 送至行波管栅极，保证了调制脉冲后沿不拖尾，调制脉冲后沿小，波形不失真。R8的作用是在发射机未加调制时保证行波管的栅极始终有负偏电压而使行波管处于截止状态。

为防止出现干扰时开启MOSFET 管V7 误触发而导通，本调制器采取了消除干扰技术，即在初级无控制脉冲期间定时补充关断脉冲保证开启管可靠截止。

2.6 浮动电源的实现

图6 脉冲恢复形成电路

浮动电源包括正偏电源和负偏电源。综合比较各种电路拓扑，选择单端正反激复合式电路作为浮动电源的设计方案［7］。该拓扑的优点是:①电路简单，只需要一只MOSFET 开关，控制驱动电路相对简单;②电路较为成熟;③效率较高，与单纯的单端反激电路相比，该电路实测效率较高。

正负偏浮动电源一般功率较小，但由于其工作时处于高电位上(浮在阴极电位上），设计时应考虑电位的隔离问题。

2.7 调制器的保护

行波管打火时栅极(聚焦极）与阴极之间电压瞬间升高为阴极电压，这一电压同时也作用于脉冲调制器。为了保护调制器不损坏，在调制器输出两端应设置高功率瞬态电压抑制二极管(TVS）和一个高压电阻组成的保护电路，将瞬态高电压限制到调制器能承受的安全电压范围内。

3 应用实例

应用本文阐述的宽适应高电位脉冲调制器的实现方法，设计了一款脉冲调制器，指标要求如表1所示，发射机的工作频率最高达到100 kHz，脉宽可适应0.4 μs～CW 变化。

表1 调制器主要技术指标

为验证脉冲调制器是否满足指标要求，对完成后的调制器进行了实际的测试。分别测试了大工作比以及窄脉冲和连续波时的调制器工作特性。图7(a）和图7(b）分别为脉冲调制器输出波形的前沿和后沿。图8(a）为脉冲宽度为0.4 μs、重复频率为1 kHz时的波形，图8(b）为脉冲宽度为50 μs、重复频率为1 kHz时的波形，图8(c）为脉冲宽度为200 μs、重复频率为1kHz时的波形，图8(d）为脉冲宽度为800 μs、重复频率为1 kHz时的波形，图8(e）为脉冲宽度为1μs、重复频率为100 kHz时的波形。

为验证该调制器能否适应连续波工作模式，对调制器进行了测试，最大工作比可达到100%。整个的实测结果表明，该调制器最高重频可达100 kHz，工作脉宽0.4 μs～CW，最宽可前后沿低于100 ns。

图7 调制器输出波形前后沿

图8 调制器各种输出波形实测

当脉冲调制器以较高的PRF 工作时，对行波管栅阴之间的分布电容C0的充放电将在次级开关回路中产生很大的损耗。为实现100 kHz 调制器，必须考虑开关管等散热问题。设计时将器件都布置在数块陶瓷基板上，陶瓷基板利用含银环氧树脂压贴在金属散热器上，调制器变压器和脉冲恢复电路等高压部分整体采用具有良好导热性能的绝缘灌封材料固化，实现调制器的绝缘和散热。

4 结束语

本文论述的宽适应高电位脉冲调制器已应用在某型雷达发射机上。本调制器体积小，工作稳定，抗大火能力强，可适应高重复频率、宽脉宽变化，并具有高可靠性和输出波形灵活可变等特点，在雷达、电子对抗、卫星通信等装备中有着广阔的应用前景。

［1］强伯涵，魏智.现代雷达发射机的理论设计和实践［M］.北京:国防工业出版社，1985:1-3.

［2］郑新，李文辉，潘厚忠，等.雷达发射机技术［M］.北京:电子工业出版社，2006:264-271.

［3］杨军.载频解调式脉冲调制器的研制［J］.现代雷达，2010，32(1）:77-80.

［4］陈红广.一种用于行波管发射机的宽脉冲调制器［J］.火控雷达与技术，2006(1）:35-37.

［5］徐晓荣.X波段无人机载SAR发射机的设计［J］.雷达与对抗，2005(4）:37-38.

［6］徐晓荣.基于CPLD/FPGA的雷达发射机脉冲工作比检测电路［J］.雷达科学与技术，2006，4(1）:61-62.

［7］范鹏，王雪飞，汪军.一种新型的单端正-反激式高压电源设计［J］.电力电子技术，2007，41(5）:45-46.