某型发射机浮动板固态调制器的设计与实现*

魏文新 余锡斌

(海军驻桂林地区军事代表室 桂林 541002)



某型发射机浮动板固态调制器的设计与实现*

魏文新 余锡斌

(海军驻桂林地区军事代表室 桂林 541002)

论文介绍了浮动板固态调制器工作的基本原理。通过分析确定了栅极正负电源和调制开关管,选择了合适的调制脉冲,采用满足了驱动要求的电路,并依据设计实现了L、C波段发射机,取得了比较满意的结果。

浮动板固态调制器; 调制开关管; 调制脉冲; 驱动电路

Class Number TN402

1 引言

调制器在雷达发射机中应用非常普遍,而在干扰机的发射机中应用在国内还是近几年的事情。采用栅控行波管,调制栅极工作电压以阴极电位为参考点,在阴极电位上上下浮动,并以大功率开关管构成调制开关的调制器称其为浮动板浮动板固态调制器。

2 基本工作原理

浮动板固态调制器部分的原理电路图如图1所示。图中V1为起始管,V2为截尾管,+Ug和-Ug分别为栅极工作的正、负电源,Rg1为栅极驱动电阻,Rg2为栅极下拉电阻,R1、R2分别为限流电阻,R3为分压电阻。

图1 浮动板固态调制器原理电路图

调制器的基本工作原理和工作过程如下:当起始脉冲来到时,V1立即导通,正栅极电源+Ug通过V1、R1和Rg1加到行波管的栅极G上,给栅极电容Cg和分布电容Cr快速充电(图中Cg、Cr没有画出),栅极电压变为接近+Ug而正向偏置,使行波管处于放大工作状态。当起始脉冲消失,截尾

脉冲到来时,V1立即截止,V2立即导通,负栅极电源-Ug通过V2、R2和Rg1加到行波管栅极G上,使行波管栅极电容Cg和分布电容Cr储存电荷快速放电,其电位立即变为接近-Ug,使行波管快速截止。在截尾脉冲消失后,依靠栅极下拉电阻Rg2和分压电阻R3将栅极G电位控制在比阴极K电位更负,而接近于-Ug,使行波管可靠保持截止,这时开关管V1、V2都处在截止状态,这样就完成了一个工作循环,等待下一个脉冲周期的到来。固态调制器的工作原理波形图如图2所示。

图2 浮动板固态调制器工作原理波形图

3 栅极正负电源的确定

设计栅极正负电源时除了要根据栅控行波管栅极的开通电压Von、关断电压Voff来确定栅极正负电源+Ug、-Ug的输出电压以外,还要根据栅极工作电流、栅极电容和整个调制器对地分布电容的充放电电流来确定栅极电源容量,这一点是非常关键的。因此,在设计栅极正负电源时,首先必须了解调制器工作的基本原理:在V1导通时,正栅极电源+Ug除了在提供行波管栅极工作电流Ig的同时,还必须提供栅极电容Cg和分布电容Cr足够的充电电流,以保证电容快速充电,而使输出脉冲有较小的上升时间。在V1截止、V2导通的过程中,两管存在共同导通时间,此时+Vg还应提供共通瞬间的电流,这一电流的大小由电路参数确定。另外对于特殊体制雷达而言,还要根据改善因子限制(一般由总体要求给出)的要求,得到分配给正栅极电源+Ug的相位失真和幅度失真等技术指标,求出该电源的稳定度和纹波要求,以满足输出脉冲的相位稳定度和幅度稳定度的技术指标,否则将产生附加调制而影响接收机的检测精度。对于干扰机发射机而言,其要求要低些,只要基本稳定,保证行波管可靠工作即可。一般说来,对于负栅极电源-Ug,没有稳定度的要求,就不需要稳压电源,只要保证在任何情况下都能使行波管快速、可靠截止即可,这样可以降低电源成本。此时分析可知,栅极正负电源的输出电流大小基本相等。本电路中,共通电流It的大小为

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

对于调制器输出脉冲波形的前沿、后沿可以认为按下述速率变化,即

dU/dt=Icmax/C

式中,IDSmax为起始管、截尾管导通瞬时最大电流。

CC=Cg+Cr

式中,CC为调制器输出负载总的综合电容,Cg栅极电容,Cr分布电容。

由此可以得到在输出电容为C时,调制器电源在起始管和截尾管导通的瞬间应能提供的瞬时电流(也是开关管应能承受的电流)应为

IDSmax=ΔUC/Δt

式中,ΔU变化电压,Δt变化时间。

由原理图可知

IDSmax=It+Ig+IC

式中,IC栅极电容、分布电容充电电流;Ig为栅极工作电流;It为共通电流。

从上式可以看出,在输出电容、工作电压一定的条件下,若要求上升时间、下降时间越小,调制器电源瞬时能给出的电流越大。

在此需要指出的是在确定栅极正负电源容量过程中,分布电容容量大小的确定是非常困难的。因为它的构成非常复杂,它包括行波管管体对地分布电容、整个浮动板调制开关电路对地的分布电容、灯丝电路中灯丝变压器对地的分布电容、隔离变压器对地的分布电容以及连接引线的分布电容等构成,并且它还与上述单元的电路排版和结构布局有关,很难具体确定。另一方面瞬时电流在一定的时间内是由电源的滤波电容提供的,与滤波电容的大小有关,而这个时间又比较短。在这样的条件下,设计时一般根据实践经验来估计,取IDSmax≥10Ig,来计算栅极正负电源的功率。根据上述原理,知道分布电容的大小不仅影响栅极电源电源的功率大小,更重要的是还将直接影响输出脉冲波形的上升时间tr和下降时间tf的大小,因为行波管栅极对阴极的电容容量比较小,一般都在≤50P的数量级,而影响最大的是分布电容,这一点是必须切记的！在设计过程中除了合理选择调制开关电路,还应该精心排版布局,尽可能缩短连接引线,减小分布电容的影响,以得到理想的输出脉冲波形。

4 调制开关管的确定

从上面分析可以知道,调制开关管的选择必须满足以下三个条件:耐压要求、工作电流要求和时间参数要求。

对于开关管的耐压要求,除了根据行波管栅极的开通电压Von和关断电压Voff和电路类型来确定开关管的耐压以外,还要考虑开关管工作在高压环境中,随时都有可能遇到打火现象的发生,为此开关管的耐压一般应≥(1.5～2.5)(Von+Voff)。

开关管要可靠工作,开关管能承受的电流必须大于栅极工作电流、栅极电容和分布电容的充放电电流和两管瞬时共通电流的总和IDSmax[1](见上式),这一点一般比较容易得到满足。

在调制开关电路中,开关管本身的时间参数的大小就决定了电路工作频率的高低。因此必须对开关管时间参数的基本定义应有所了解,以供合理选择使用。开关管的时间参数的定义如图3所示。开关管的时间参数主要是由开关管自身各极结电容的大小决定的。由于有电容存在,在工作过程中就存在充、放电时间,这个时间就是开关时间。开关时间不仅决定开关频率的高低,还影响开关损耗的大小。而开关损耗的大小体现在管体温升的高低,这就为我们选择散热方式、散热片面积的大小是否合适提供了实践判别依据。因此选择开关管还应根据脉冲重频RPF高低来选择开关管的开关时间,否则开关损耗增大,管体温度升高,而影响可靠性。

图3 开关管的开关时间关系图

图中:ton为开通时间,toff为关断时间,td(on)为开通延迟时间,td(off)为关断延迟时间,tr为上升时间,tf为下降时间。

由图可以看出:

ton=td(on)+tr[3]

toff=td(off)+tf[3]

根据上述条件,选用功率场效应管做调制开关管,其型号为IXTH 13N80[6](具体参数见产品手册),就能满足使用要求。

5 调制脉冲的选择

由于调制器采用了起始脉冲和截尾脉冲的工作方式,在这种工作模式下,为了得到较小脉冲下降时间,在起始脉冲和截尾脉冲之间应设置一定的共通时间,这一点与电源变换和电机调速是完全不同的。在电源变换和电机调速中,同一桥臂中的上下两管不允许有共通时间存在,否则在工作过程中形成短路而烧毁开关管。因此在上下两管的驱动脉冲之间,必须设置一定的死区时间td,以防止共通,选择死区时间必须td≫(toff-ton)。但是在调制开关电路中,由于有下降时间的要求,在电路中设置限流电阻,允许有一定的共通时间,以减小输出脉冲的下降时间。共通时间tt的大小,以既满足输出脉冲的下降时间要求,又能使开关管工作温度最低。根据我们实践过程中摸索的结果,共通时间的设置范围应为:

(toff-ton)/2≤tt≤(toff-ton)

起始管和截尾管工作的时序关系波形图如图4所示。

图4 调制开关原理波形图

需要指出的是:输出脉冲的上升时间、下降时间除了与两脉冲之间的共通时间有关以外,还与电路参数设置选择有关。特别是行波管栅极驱动电阻、场效应管栅极驱动电阻和限流电阻的大小有关,上述参数的大小最后只能通过试验来确定。具体判断标准为:输出脉冲的上升时间、下降时间满足规定要求,开关管工作时管体温升最小。

6 对驱动电路的要求

在实践中发现,对起始脉冲、截尾脉冲信号应该有明确的要求。如果驱动信号的功率不够,将会使输出脉冲的上升沿时间、下降沿时间增大,甚至产生顶部降落。所谓信号功率包括信号幅度和提供的电流。如果驱动信号的幅度太大(当然在允许的范围内),脉冲的关断时间会增加。选用的开关管为功率场效应管,看起来是电压器件,实际上在开关管导通的开始阶段,驱动电路必须能提供足够的电流给结电容充电,以加快导通速度,减小开通时间ton。开关管导通后,又不能使开关管深度饱和,以减小储存电荷给关断带来困难,因此驱动信号的幅度应该有一定的限制。对于场效应管来说,驱动信号的幅度一般为(8～15)V范围。当开关管开始截止时,驱动电路应能提供足够的反向电流,以快速中和、消除储存电荷,加快关断速度,减小关断时间[2]。为此在驱动电路中,除了满足幅度要求以外,还由自举电路产生一个-5V电压,来加快开关管的关断,达到减小关断时间toff。一般说来开通时间ton、关断时间tof越小,其上升时间tr、下降时间tf也越小。

7 结语

目前我们已经试制了栅极控制行波管发射机各一台,取得了比较满意的结果。发射机输出的视频脉冲参数为

PRF=100kHz

tr、tf≤50nS

D=(5～100)%

τmin≥500nS

上述技术指标与ETM发射机的技术指标非常接近,完全能满足使用要求[8]。唯一不足的是:我们的发射机重量比进口发射机重9kg。分析原因,主要是由于行波管冷却散热片的材料造成的,我们使用的材料是紫铜,而进口发射机使用的是铝材料,其比重相差三倍多[9],再加上设计余量太大,过于保守,主要是散热板的长度太长,造成散热板的重量增加。这是以后设计应该改进的地方,当然这要通过试验来验证。

[1] 202教研室发射组.雷达发射设备[M].西安:西北电讯工程学院出版,1975.

[2] 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.

[3] 张立,赵永健.现代电力电子技术[M].北京:科学出版社,1997.

[4] 五〇七发送小组.雷达发送设备(上下册)[M].广州:广东工学院出版,1975.

[5] 王旈银.脉冲与数字电路(第二版)[M].北京:高等教育出版社出版,1992.

[6] 康华光.电子技术基础数字部分(第四版)[M].北京:高等教育出版社出版,2000.

[7] 刘守义,钟苏.数字电子技术[M].西安:西安电子科技大学出版社出版,2001.

[8] 丁鹭飞,耿富录.雷达原理(第三版)[M].西安:西安电子科技大学出版社出版,2000.

[9] 南京工学院.电子设备结构设计原理[M].江苏科学技术出版社出版,1981.

[10] 孙萍.电子技术专业英语[M].北京:机械工业出版社出版,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,硕士,工程师,研究方向:舰船电子及消磁。余锡斌,男,硕士,高级工程师,研究方向:舰船电子及消磁。

TN402

10.3969/j.issn1672-9730.2015.01.042