一種基于厚膜工藝的浮動?xùn)艠O調(diào)制器

王 磊，路 宇

(中國船舶重工集團(tuán)公司第七二三研究所，江蘇 揚(yáng)州 225101)

0 引 言

彈載有源誘餌設(shè)備利用其電子載荷捕獲對方雷達(dá)信號，可以方便靈活地進(jìn)行各種調(diào)制，產(chǎn)生較大的等效雷達(dá)反射面積，能夠較好地模擬保護(hù)對象的反射特性，產(chǎn)生逼真的假目標(biāo)，是反制反艦導(dǎo)彈末制導(dǎo)雷達(dá)的一種有效手段[1]。脈沖行波管放大器由脈沖高壓電源和脈沖行波管組成，具有效率高、體積小、功率大的優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于諸如機(jī)載、彈載等對效率、體積及重量要求很嚴(yán)苛的環(huán)境。脈沖行波管要求高壓電源的調(diào)制器電路具備控制行波管電子注開啟和關(guān)斷的功能[2-3]，其技術(shù)指標(biāo)和應(yīng)用要求均與浮動?xùn)艠O調(diào)制器相關(guān)，因此要求浮動調(diào)制器具備輸出波形靈活、小型化、可靠性高等特點(diǎn)。

厚膜混合集成電路作為膜集成技術(shù)和半導(dǎo)體技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，實(shí)現(xiàn)了半導(dǎo)體芯片和外圍元件的再集成，是實(shí)現(xiàn)電子裝備微型化的一個(gè)重要途徑。通常厚膜混合集成電路的抗沖擊能力能夠達(dá)到1 500 g，工作溫度能夠達(dá)到125 ℃。

本文介紹了一種基于厚膜工藝的浮動?xùn)艠O調(diào)制器，利用厚膜技術(shù)在基板上制作出功率電阻，同時(shí)基板上焊接電容、二極管等其他元器件，具備布線密度高、組裝密度大、電路尺寸小等優(yōu)點(diǎn)；給出了調(diào)制器電路的設(shè)計(jì)方案；并對關(guān)鍵性能指標(biāo)進(jìn)行了測試，測試結(jié)果表明該設(shè)計(jì)方案設(shè)計(jì)的四件指標(biāo)均優(yōu)于指標(biāo)要求。

1 浮動調(diào)制器基本原理

根據(jù)應(yīng)用需求，浮動調(diào)制器原理框圖如圖1所示。

圖1 浮動調(diào)制器框圖

圖1為本文設(shè)計(jì)的行波管浮動調(diào)制器的基本原理框圖。該調(diào)制器主要由調(diào)制脈沖處理單元、隔離驅(qū)動電路、正偏壓開啟管(V1)、負(fù)偏壓開啟管(V2)、電阻網(wǎng)絡(luò)、懸浮在陰極電壓(kV級)之上的正偏壓電源(+Ug)、負(fù)偏壓電源(-Ug)等組成。G為調(diào)制器的輸出點(diǎn)，接到行波管的柵極。首先脈沖處理單元將調(diào)制脈沖進(jìn)行前后沿分離，轉(zhuǎn)化成便于脈沖變壓器傳輸?shù)拿}沖信號[4]，經(jīng)隔離傳輸后，將脈沖恢復(fù)整形，分時(shí)驅(qū)動開啟管和截尾管，以控制柵壓的開通/關(guān)斷。電阻網(wǎng)絡(luò)用于防止上下管共通和下拉電位用，起到限流作用。

2 浮動調(diào)制器電路關(guān)鍵技術(shù)設(shè)計(jì)

2.1 脈沖處理單元設(shè)計(jì)

由于浮動調(diào)制器工作參考電平為陰極，因此需要與低壓側(cè)控制電路部分保持電氣隔離，采用脈沖變壓器實(shí)現(xiàn)控制信號的傳輸與隔離。根據(jù)電磁感應(yīng)定律：

(1)

式中：Np為變壓器匝數(shù)；Vin為傳輸信號幅值；D為傳輸信號占空比；ΔB為磁通密度變化量；Ae為磁芯截面積；f為傳輸信號頻率[5]。

從公式(1)可以看出，當(dāng)頻率、磁芯尺寸一定時(shí)，脈沖寬度越寬，所需的變壓器繞組匝數(shù)越多。而匝數(shù)較多時(shí)會導(dǎo)致漏感增大，并且需要磁芯尺寸變大。因此，縮減傳輸脈沖寬度便于變壓器的小型化設(shè)計(jì)。采用前后沿分離電路，將調(diào)制脈沖的前沿部分和后沿部分分離出來，既包含了脈沖的寬度信息，又方便了脈沖變壓器的隔離傳輸。

脈沖處理單元從調(diào)制脈沖中提取前沿和后沿，產(chǎn)生包括前沿脈沖和后沿脈沖的主開關(guān)管控制信號，主開關(guān)管控制信號中的前沿脈沖和后沿脈沖通過脈沖隔離變壓器傳輸?shù)礁诱{(diào)制器的開啟管驅(qū)動電路輸入端，后沿脈沖通過脈沖隔離變壓器傳輸?shù)礁诱{(diào)制器的截尾管驅(qū)動電路輸入端。脈沖處理單元采用4路TTL與非門及驅(qū)動芯片完成電路功能，如圖2所示。

圖2 脈沖處理單元電路圖

當(dāng)脈沖處理單元使能信號EN為高時(shí)，電路開始工作，脈沖信號經(jīng)反向、RC網(wǎng)絡(luò)延遲、門電路整形等處理后，再經(jīng)驅(qū)動芯片進(jìn)行邏輯/電平變換以及驅(qū)動能力放大之后，輸出到脈沖隔離變壓器[6]。利用仿真軟件對電路進(jìn)行仿真，調(diào)制脈沖、前沿脈沖和后沿脈沖的參考波形如圖3所示。

圖3 前后沿分離脈沖波形

根據(jù)圖3可以看出，調(diào)制信號經(jīng)過延時(shí)和與非門控制之后，可以將前沿信號和后沿信號分離出來，其中前后沿信號脈沖寬度可以通過與非門輸入端的RC延時(shí)網(wǎng)絡(luò)的取值來調(diào)整。

2.2 脈沖恢復(fù)電路設(shè)計(jì)

控制電路將調(diào)制脈沖轉(zhuǎn)換為前后沿信號進(jìn)行傳輸后，由于脈沖寬度很小(ns級)，而開關(guān)管的柵源之間存在寄生電容，如果用上升沿信號和下降沿信號直接去驅(qū)動開關(guān)管的話，不足以保證開關(guān)管在設(shè)計(jì)時(shí)間內(nèi)有效導(dǎo)通，嚴(yán)重影響柵極調(diào)制信號的波形質(zhì)量。

因此，采用脈沖恢復(fù)電路，根據(jù)前后沿脈沖到達(dá)時(shí)間，在主開關(guān)管柵源間形成與低壓側(cè)調(diào)制脈沖寬度相同的驅(qū)動信號，脈沖恢復(fù)電路如圖4所示。

圖4 脈沖恢復(fù)及調(diào)制電路

脈沖恢復(fù)電路包含主開關(guān)管驅(qū)動電路和截尾管驅(qū)動電路，調(diào)制信號的前沿信號經(jīng)脈沖整形電路后，通過主開關(guān)管的柵源輸入電容保持高電平，維持開關(guān)管的導(dǎo)通。而調(diào)制信號的后沿脈沖控制主開關(guān)管的關(guān)斷。截尾開關(guān)管控制信號的后沿脈沖控制截尾開關(guān)管的導(dǎo)通，在后沿脈沖結(jié)束后關(guān)斷。上管驅(qū)動電路由脈沖整形電路和脈沖快關(guān)斷電路組成，相互串聯(lián)的二極管V1和V3構(gòu)成整形電路，V2、V4、C1和R4構(gòu)成脈沖快關(guān)斷電路。

當(dāng)U1-U2為正脈沖時(shí)，R1、V1、V3、R3以及Q1的柵源電容形成回路(圖中實(shí)線箭頭)，使得上開關(guān)管Q1柵源之間形成高電平，脈沖消失之后，高電平僅通過R3進(jìn)行放電，電路進(jìn)入暫穩(wěn)態(tài)過程，假設(shè)柵源電壓允許最大跌落至最高值的80%，設(shè)柵源間寄生電容為1 000 pF，R1為1 MΩ，根據(jù)：

(2)

得t=220 μs。因此主開關(guān)管Q1導(dǎo)通最少維持時(shí)間為220 μs。

當(dāng)U1-U2為負(fù)脈沖時(shí)，C1作為加速電容，形成浪涌電流，迅速將V4基極置高以實(shí)現(xiàn)V4的快速導(dǎo)通，柵源之間的電荷通過V4、V2、R1形成回路(圖中虛線箭頭)，迅速泄放電荷，從而實(shí)現(xiàn)快速關(guān)斷。后沿脈沖對Q2的控制可以使調(diào)制器柵極信號的后沿變陡，顯著改善脈沖信號波形。

R5、R6為功率無感電阻，在主開關(guān)管和截尾管共通時(shí)，限制正柵壓電源和負(fù)柵壓電源之間的能量[7]。R8作為負(fù)柵壓電源的下拉電阻，在后沿脈沖作用之后，由R8提供柵極到負(fù)柵壓之間的回路。

2.3 厚膜集成設(shè)計(jì)

在浮動調(diào)制板的厚膜電路板制作中，選用材料為96%高純度AL2O3作為基板，其導(dǎo)熱率約15～25 W/m·K，在陶瓷載體上通過絲網(wǎng)印刷、干燥、燒成的方式形成一定的電路布局，配合后道工序器件貼裝、焊接、引線外連、測試、封裝工藝后，形成一個(gè)整體電路功能。生產(chǎn)時(shí)通常配以高精度的激光電阻修調(diào)功能來完成膜片的整體工藝生產(chǎn)要求。其具備以下優(yōu)點(diǎn)：

(1) 產(chǎn)品尺寸更小。一般而言，完成相同電路功能，厚膜方式約為印刷電路板(PCB)方式的1/2到1/3版面面積。

(2) 產(chǎn)品可靠性高。厚膜靠高溫850 ℃燒成的工藝來形成導(dǎo)體帶，導(dǎo)體帶與陶瓷結(jié)合非常緊密。

(3) 產(chǎn)品溫度性能優(yōu)。厚膜電路采用了陶瓷做載體，其散熱性能和強(qiáng)度能得到很好的綜合考慮。

(4) 產(chǎn)品功能模塊化、升級換代快。厚膜電路非常適合模塊化電路產(chǎn)品，同樣的電路板配合改進(jìn)或換代后的厚膜模塊，可以立即帶來電路的升級。

(5) 保密性能好。部分核心電路，尤其軍品用電路，可以將其采用厚膜工藝，模仿者很難解讀電路參數(shù)，從而達(dá)到保密功能。

實(shí)際的厚膜電路實(shí)現(xiàn)中，圖4中防串通的電阻R5、R6，負(fù)柵壓饋電電阻R8等功率電阻通過厚膜工藝蝕刻在陶瓷基板上，開關(guān)管Q1、Q2緊貼陶瓷基板，這樣可以使調(diào)制器上熱耗相對較大的元器件得到更快更直接的散熱，有效提高電路的可靠性。整個(gè)厚膜電路設(shè)計(jì)為插針式引出腳，引出腳之間充分考慮了耐壓及方便布線的因素，整個(gè)模塊大小為25 mm×20 mm×10 mm，圖5給出了浮動調(diào)制板實(shí)物對比圖。

圖5 厚膜浮動調(diào)制板實(shí)物圖

3 測試結(jié)果

脈沖行波管放大器要求電子束能夠快速開啟和截止，減小行波管散焦，因此要求脈沖上升沿和下降沿時(shí)間盡可能短，并且盡可能地提高調(diào)制重頻，以提高信號分辨率。

圖6和圖7給出了2種典型工作條件下的調(diào)制波形，其中圖6為重頻1 kHz、脈寬10 μs，正柵壓350 V、負(fù)柵壓-350 V情況下的柵極調(diào)制波形。上升沿和下降沿時(shí)間均小于100 ns。圖7給出了高重頻下30 kHz的柵極調(diào)制波形。

圖6 重頻1 kHz的柵極調(diào)制波形

圖7 重頻30 kHz的柵極調(diào)制波形

4 結(jié)束語

調(diào)制器實(shí)測波形與要求指標(biāo)對比如表1所示。

測試結(jié)果表明，根據(jù)本方案設(shè)計(jì)的柵極調(diào)制器指標(biāo)均達(dá)到或優(yōu)于指標(biāo)要求。

本文針對小型應(yīng)用平臺，設(shè)計(jì)了一種小型化高可靠的浮動調(diào)制器，采用厚膜工藝實(shí)現(xiàn)了浮動側(cè)電路的高度集成，并對實(shí)物進(jìn)行了性能測試，均滿足指標(biāo)要求。

表1 調(diào)制器參數(shù)對比