寬適應(yīng)范圍行波管柵控調(diào)制器的設(shè)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(yīng)用于雷達、電子對抗、通信等領(lǐng)域。行波管控制方式有柵控和陰控兩種。柵控行波管的調(diào)制脈沖僅對電子注起導通和關(guān)斷作用，屬電場控制器件，所需電流極小。因而，柵控調(diào)制器具有調(diào)制功率小、電壓低、波形好和脈寬及周期變化靈活等優(yōu)點。本文結(jié)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(yīng)范圍行波管柵控調(diào)制器的設(shè)計。

2 幾種常用的柵控調(diào)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(guān)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(diào)制器的作用就是控制開關(guān)管按照規(guī)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(diào)制器主要有脈沖變壓器耦合的調(diào)制器和浮動板調(diào)制器［1］。

脈沖變壓器耦合的柵控調(diào)制器原理框圖如圖1所示。

由于該調(diào)制脈沖是在低壓下產(chǎn)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(yōu)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(shù)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(guān)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(diào)制器是懸浮在行波管陰極高電位上的主動開關(guān)調(diào)制器，它的放置點離行波管柵極最近，直接用電子開關(guān)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(xiàn)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(shù)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(diào)制器的類型有單開關(guān)型、雙開關(guān)型。

2.1 單開關(guān)浮動板調(diào)制器

單開關(guān)浮動板調(diào)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(yōu)點是開關(guān)管少，可靠性較高，但在調(diào)制脈沖結(jié)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(guān)型浮動板調(diào)制器原理框圖

2.2 雙開關(guān)浮動板調(diào)制器

雙開關(guān)浮動板調(diào)制器的工作原理框如圖3所示。該調(diào)制脈沖的前后沿分別有各自的開關(guān)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(qū)動放大電路和驅(qū)動電源，還需考慮電位隔離和保護問題。

圖3 雙開關(guān)型浮動板調(diào)制器原理框圖

2.3 多開關(guān)管組合浮動板調(diào)制器

多開關(guān)管組合浮動板調(diào)制器含多個開關(guān)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(qū)段的電壓波形，組成一個完整的脈沖周期。由于每個開關(guān)管只完成一個區(qū)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(guān)管較多，控制驅(qū)動電路復雜，時間關(guān)系要求很嚴。

綜上所述，雙開關(guān)浮動板調(diào)制器相對簡單、波形好，較適合工程化使用。

3 調(diào)制器主要技術(shù)指標

為了適應(yīng)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(diào)制器需實現(xiàn)的主要技術(shù)參數(shù)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(diào)制器電路設(shè)計

為了獲得良好的調(diào)制脈沖波形，滿足指標要求，采用雙開關(guān)浮動板調(diào)制器，其調(diào)制脈沖的前、后沿分別由兩組開關(guān)進行控制，調(diào)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(diào)），輸出電流5 A，用線性電源很難滿足輸出電壓的調(diào)節(jié)范圍，因而選用開關(guān)電源。燈絲電源的原理框圖見圖5。

由于在冷態(tài)下行波管燈絲電阻值只有熱態(tài)時的十分之一，為了保護燈絲，燈絲電源設(shè)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(tài)，負載電流小于6.5 A時工作于恒壓源狀態(tài)。輸出限流實現(xiàn)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(yīng)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(chǎn)生影響，電源為恒壓源特性。

圖4 柵控調(diào)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(diào)，柵極正偏壓電源的輸出電壓為0～600 V 可調(diào)，輸出功率只有幾十瓦，用開關(guān)電源來實現(xiàn)，其工作原理與燈絲電源相似。兩路電源采用統(tǒng)一設(shè)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(diào)節(jié)

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(diào)節(jié)。通過高電位隔離光纖傳輸組件實現(xiàn)在低壓端對這三路電源輸出電壓的實時調(diào)節(jié)，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(zhuǎn)換和光驅(qū)動電路轉(zhuǎn)換為光信號，再由光纖轉(zhuǎn)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(jù)指令的不同，產(chǎn)生相應(yīng)的控制信號，改變對應(yīng)的數(shù)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(xiàn)對相應(yīng)輸出電壓的調(diào)節(jié)。

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(fā)脈沖用差分電平傳輸，寬度為2～3 μs。

截尾觸發(fā)脈沖經(jīng)差分接收、驅(qū)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(guān)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(wěn)態(tài)觸發(fā)器的暫態(tài)時間設(shè)定應(yīng)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(xiàn)

對比圖3和圖9，改變了“起始”開關(guān)管V1和“截尾”開關(guān)管V2的接法，選用高頻特性良好的高反壓功率MOS 管作開關(guān)管。開關(guān)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(guān)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(tài)，即調(diào)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(guān)管的導通損耗大大降低，因而調(diào)制器可工作在很高重頻和大工作比狀態(tài)，且具有較高的可靠性。開關(guān)管的驅(qū)動電路由高速光耦來實現(xiàn)，理論上對脈沖寬度沒有限制。V3、V4為瞬態(tài)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(guān)閉，迅速切斷柵調(diào)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(yīng)的故障處理。

(2）管擊穿保護

工作中如果調(diào)制器中的起始開關(guān)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(shè)置了管擊穿保護電路，一旦起始開關(guān)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(xiàn)打火，比較器輸出的脈沖信號經(jīng)單穩(wěn)態(tài)電路展寬后，將起始脈沖通道關(guān)閉，迅速切斷柵調(diào)脈沖輸出。因切斷高壓電源輸出的時間較長，單穩(wěn)態(tài)電路的延時時間應(yīng)設(shè)置到s 量級。

5 試驗結(jié)果

在輸出的柵調(diào)脈沖寬度為100 μs時，調(diào)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(diào)制脈沖

圖11 調(diào)制脈沖后沿

圖12 調(diào)制脈沖前沿

6 結(jié)束語

根據(jù)上述設(shè)計思路，完成了寬適應(yīng)范圍行波管柵控調(diào)制器的研制，各項性能參數(shù)達到技術(shù)指標要求，具有輸出脈沖幅度調(diào)節(jié)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(diào)節(jié)浮源輸出，方便使用。在與行波管樣管聯(lián)試的過程中，樣管經(jīng)常打火，調(diào)制器都能及時提供保護，工作穩(wěn)定、可靠。該調(diào)制器的設(shè)計技術(shù)在雷達、電子對抗、通信等領(lǐng)域的柵控行波管發(fā)射機以及通用行波管測試設(shè)備中有著廣闊的應(yīng)用前景。

［1］鄭新，李文輝，潘厚忠.雷達發(fā)射機技術(shù)［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2006.

［2］魏智.發(fā)射機高壓脈沖調(diào)制器的設(shè)計和實踐［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2009.

［3］張占松，蔡宣三.開關(guān)電源的原理與設(shè)計［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2002.