魏文新 余錫斌

(海軍駐桂林地區(qū)軍事代表室 桂林 541002)

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某型發(fā)射機(jī)浮動板固態(tài)調(diào)制器的設(shè)計與實現(xiàn)*

魏文新 余錫斌

(海軍駐桂林地區(qū)軍事代表室 桂林 541002)

論文介紹了浮動板固態(tài)調(diào)制器工作的基本原理。通過分析確定了柵極正負(fù)電源和調(diào)制開關(guān)管,選擇了合適的調(diào)制脈沖,采用滿足了驅(qū)動要求的電路,并依據(jù)設(shè)計實現(xiàn)了L、C波段發(fā)射機(jī),取得了比較滿意的結(jié)果。

浮動板固態(tài)調(diào)制器; 調(diào)制開關(guān)管; 調(diào)制脈沖; 驅(qū)動電路

Class Number TN402

1 引言

調(diào)制器在雷達(dá)發(fā)射機(jī)中應(yīng)用非常普遍,而在干擾機(jī)的發(fā)射機(jī)中應(yīng)用在國內(nèi)還是近幾年的事情。采用柵控行波管,調(diào)制柵極工作電壓以陰極電位為參考點,在陰極電位上上下浮動,并以大功率開關(guān)管構(gòu)成調(diào)制開關(guān)的調(diào)制器稱其為浮動板浮動板固態(tài)調(diào)制器。

2 基本工作原理

浮動板固態(tài)調(diào)制器部分的原理電路圖如圖1所示。圖中V1為起始管,V2為截尾管,+Ug和-Ug分別為柵極工作的正、負(fù)電源,Rg1為柵極驅(qū)動電阻,Rg2為柵極下拉電阻,R1、R2分別為限流電阻,R3為分壓電阻。

圖1 浮動板固態(tài)調(diào)制器原理電路圖

調(diào)制器的基本工作原理和工作過程如下:當(dāng)起始脈沖來到時,V1立即導(dǎo)通,正柵極電源+Ug通過V1、R1和Rg1加到行波管的柵極G上,給柵極電容Cg和分布電容Cr快速充電(圖中Cg、Cr沒有畫出),柵極電壓變?yōu)榻咏?Ug而正向偏置,使行波管處于放大工作狀態(tài)。當(dāng)起始脈沖消失,截尾

脈沖到來時,V1立即截止,V2立即導(dǎo)通,負(fù)柵極電源-Ug通過V2、R2和Rg1加到行波管柵極G上,使行波管柵極電容Cg和分布電容Cr儲存電荷快速放電,其電位立即變?yōu)榻咏?Ug,使行波管快速截止。在截尾脈沖消失后,依靠柵極下拉電阻Rg2和分壓電阻R3將柵極G電位控制在比陰極K電位更負(fù),而接近于-Ug,使行波管可靠保持截止,這時開關(guān)管V1、V2都處在截止?fàn)顟B(tài),這樣就完成了一個工作循環(huán),等待下一個脈沖周期的到來。固態(tài)調(diào)制器的工作原理波形圖如圖2所示。

圖2 浮動板固態(tài)調(diào)制器工作原理波形圖

3 柵極正負(fù)電源的確定

設(shè)計柵極正負(fù)電源時除了要根據(jù)柵控行波管柵極的開通電壓Von、關(guān)斷電壓Voff來確定柵極正負(fù)電源+Ug、-Ug的輸出電壓以外,還要根據(jù)柵極工作電流、柵極電容和整個調(diào)制器對地分布電容的充放電電流來確定柵極電源容量,這一點是非常關(guān)鍵的。因此,在設(shè)計柵極正負(fù)電源時,首先必須了解調(diào)制器工作的基本原理:在V1導(dǎo)通時,正柵極電源+Ug除了在提供行波管柵極工作電流Ig的同時,還必須提供柵極電容Cg和分布電容Cr足夠的充電電流,以保證電容快速充電,而使輸出脈沖有較小的上升時間。在V1截止、V2導(dǎo)通的過程中,兩管存在共同導(dǎo)通時間,此時+Vg還應(yīng)提供共通瞬間的電流,這一電流的大小由電路參數(shù)確定。另外對于特殊體制雷達(dá)而言,還要根據(jù)改善因子限制(一般由總體要求給出)的要求,得到分配給正柵極電源+Ug的相位失真和幅度失真等技術(shù)指標(biāo),求出該電源的穩(wěn)定度和紋波要求,以滿足輸出脈沖的相位穩(wěn)定度和幅度穩(wěn)定度的技術(shù)指標(biāo),否則將產(chǎn)生附加調(diào)制而影響接收機(jī)的檢測精度。對于干擾機(jī)發(fā)射機(jī)而言,其要求要低些,只要基本穩(wěn)定,保證行波管可靠工作即可。一般說來,對于負(fù)柵極電源-Ug,沒有穩(wěn)定度的要求,就不需要穩(wěn)壓電源,只要保證在任何情況下都能使行波管快速、可靠截止即可,這樣可以降低電源成本。此時分析可知,柵極正負(fù)電源的輸出電流大小基本相等。本電路中,共通電流It的大小為

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

對于調(diào)制器輸出脈沖波形的前沿、后沿可以認(rèn)為按下述速率變化,即

dU/dt=Icmax/C

式中,IDSmax為起始管、截尾管導(dǎo)通瞬時最大電流。

CC=Cg+Cr

式中,CC為調(diào)制器輸出負(fù)載總的綜合電容,Cg柵極電容,Cr分布電容。

由此可以得到在輸出電容為C時,調(diào)制器電源在起始管和截尾管導(dǎo)通的瞬間應(yīng)能提供的瞬時電流(也是開關(guān)管應(yīng)能承受的電流)應(yīng)為

IDSmax=ΔUC/Δt

式中,ΔU變化電壓,Δt變化時間。

由原理圖可知

IDSmax=It+Ig+IC

式中,IC柵極電容、分布電容充電電流;Ig為柵極工作電流;It為共通電流。

從上式可以看出,在輸出電容、工作電壓一定的條件下,若要求上升時間、下降時間越小,調(diào)制器電源瞬時能給出的電流越大。

在此需要指出的是在確定柵極正負(fù)電源容量過程中,分布電容容量大小的確定是非常困難的。因為它的構(gòu)成非常復(fù)雜,它包括行波管管體對地分布電容、整個浮動板調(diào)制開關(guān)電路對地的分布電容、燈絲電路中燈絲變壓器對地的分布電容、隔離變壓器對地的分布電容以及連接引線的分布電容等構(gòu)成,并且它還與上述單元的電路排版和結(jié)構(gòu)布局有關(guān),很難具體確定。另一方面瞬時電流在一定的時間內(nèi)是由電源的濾波電容提供的,與濾波電容的大小有關(guān),而這個時間又比較短。在這樣的條件下,設(shè)計時一般根據(jù)實踐經(jīng)驗來估計,取IDSmax≥10Ig,來計算柵極正負(fù)電源的功率。根據(jù)上述原理,知道分布電容的大小不僅影響柵極電源電源的功率大小,更重要的是還將直接影響輸出脈沖波形的上升時間tr和下降時間tf的大小,因為行波管柵極對陰極的電容容量比較小,一般都在≤50P的數(shù)量級,而影響最大的是分布電容,這一點是必須切記的！在設(shè)計過程中除了合理選擇調(diào)制開關(guān)電路,還應(yīng)該精心排版布局,盡可能縮短連接引線,減小分布電容的影響,以得到理想的輸出脈沖波形。

4 調(diào)制開關(guān)管的確定

從上面分析可以知道,調(diào)制開關(guān)管的選擇必須滿足以下三個條件:耐壓要求、工作電流要求和時間參數(shù)要求。

對于開關(guān)管的耐壓要求,除了根據(jù)行波管柵極的開通電壓Von和關(guān)斷電壓Voff和電路類型來確定開關(guān)管的耐壓以外,還要考慮開關(guān)管工作在高壓環(huán)境中,隨時都有可能遇到打火現(xiàn)象的發(fā)生,為此開關(guān)管的耐壓一般應(yīng)≥(1.5～2.5)(Von+Voff)。

開關(guān)管要可靠工作,開關(guān)管能承受的電流必須大于柵極工作電流、柵極電容和分布電容的充放電電流和兩管瞬時共通電流的總和IDSmax[1](見上式),這一點一般比較容易得到滿足。

在調(diào)制開關(guān)電路中,開關(guān)管本身的時間參數(shù)的大小就決定了電路工作頻率的高低。因此必須對開關(guān)管時間參數(shù)的基本定義應(yīng)有所了解,以供合理選擇使用。開關(guān)管的時間參數(shù)的定義如圖3所示。開關(guān)管的時間參數(shù)主要是由開關(guān)管自身各極結(jié)電容的大小決定的。由于有電容存在,在工作過程中就存在充、放電時間,這個時間就是開關(guān)時間。開關(guān)時間不僅決定開關(guān)頻率的高低,還影響開關(guān)損耗的大小。而開關(guān)損耗的大小體現(xiàn)在管體溫升的高低,這就為我們選擇散熱方式、散熱片面積的大小是否合適提供了實踐判別依據(jù)。因此選擇開關(guān)管還應(yīng)根據(jù)脈沖重頻RPF高低來選擇開關(guān)管的開關(guān)時間,否則開關(guān)損耗增大,管體溫度升高,而影響可靠性。

圖3 開關(guān)管的開關(guān)時間關(guān)系圖

圖中:ton為開通時間,toff為關(guān)斷時間,td(on)為開通延遲時間,td(off)為關(guān)斷延遲時間,tr為上升時間,tf為下降時間。

由圖可以看出:

ton=td(on)+tr[3]

toff=td(off)+tf[3]

根據(jù)上述條件,選用功率場效應(yīng)管做調(diào)制開關(guān)管,其型號為IXTH 13N80[6](具體參數(shù)見產(chǎn)品手冊),就能滿足使用要求。

5 調(diào)制脈沖的選擇

由于調(diào)制器采用了起始脈沖和截尾脈沖的工作方式,在這種工作模式下,為了得到較小脈沖下降時間,在起始脈沖和截尾脈沖之間應(yīng)設(shè)置一定的共通時間,這一點與電源變換和電機(jī)調(diào)速是完全不同的。在電源變換和電機(jī)調(diào)速中,同一橋臂中的上下兩管不允許有共通時間存在,否則在工作過程中形成短路而燒毀開關(guān)管。因此在上下兩管的驅(qū)動脈沖之間,必須設(shè)置一定的死區(qū)時間td,以防止共通,選擇死區(qū)時間必須td?(toff-ton)。但是在調(diào)制開關(guān)電路中,由于有下降時間的要求,在電路中設(shè)置限流電阻,允許有一定的共通時間,以減小輸出脈沖的下降時間。共通時間tt的大小,以既滿足輸出脈沖的下降時間要求,又能使開關(guān)管工作溫度最低。根據(jù)我們實踐過程中摸索的結(jié)果,共通時間的設(shè)置范圍應(yīng)為:

(toff-ton)/2≤tt≤(toff-ton)

起始管和截尾管工作的時序關(guān)系波形圖如圖4所示。

圖4 調(diào)制開關(guān)原理波形圖

需要指出的是:輸出脈沖的上升時間、下降時間除了與兩脈沖之間的共通時間有關(guān)以外,還與電路參數(shù)設(shè)置選擇有關(guān)。特別是行波管柵極驅(qū)動電阻、場效應(yīng)管柵極驅(qū)動電阻和限流電阻的大小有關(guān),上述參數(shù)的大小最后只能通過試驗來確定。具體判斷標(biāo)準(zhǔn)為:輸出脈沖的上升時間、下降時間滿足規(guī)定要求,開關(guān)管工作時管體溫升最小。

6 對驅(qū)動電路的要求

在實踐中發(fā)現(xiàn),對起始脈沖、截尾脈沖信號應(yīng)該有明確的要求。如果驅(qū)動信號的功率不夠,將會使輸出脈沖的上升沿時間、下降沿時間增大,甚至產(chǎn)生頂部降落。所謂信號功率包括信號幅度和提供的電流。如果驅(qū)動信號的幅度太大(當(dāng)然在允許的范圍內(nèi)),脈沖的關(guān)斷時間會增加。選用的開關(guān)管為功率場效應(yīng)管,看起來是電壓器件,實際上在開關(guān)管導(dǎo)通的開始階段,驅(qū)動電路必須能提供足夠的電流給結(jié)電容充電,以加快導(dǎo)通速度,減小開通時間ton。開關(guān)管導(dǎo)通后,又不能使開關(guān)管深度飽和,以減小儲存電荷給關(guān)斷帶來困難,因此驅(qū)動信號的幅度應(yīng)該有一定的限制。對于場效應(yīng)管來說,驅(qū)動信號的幅度一般為(8～15)V范圍。當(dāng)開關(guān)管開始截止時,驅(qū)動電路應(yīng)能提供足夠的反向電流,以快速中和、消除儲存電荷,加快關(guān)斷速度,減小關(guān)斷時間[2]。為此在驅(qū)動電路中,除了滿足幅度要求以外,還由自舉電路產(chǎn)生一個-5V電壓,來加快開關(guān)管的關(guān)斷,達(dá)到減小關(guān)斷時間toff。一般說來開通時間ton、關(guān)斷時間tof越小,其上升時間tr、下降時間tf也越小。

7 結(jié)語

目前我們已經(jīng)試制了柵極控制行波管發(fā)射機(jī)各一臺,取得了比較滿意的結(jié)果。發(fā)射機(jī)輸出的視頻脈沖參數(shù)為

PRF=100kHz

tr、tf≤50nS

D=(5～100)%

τmin≥500nS

上述技術(shù)指標(biāo)與ETM發(fā)射機(jī)的技術(shù)指標(biāo)非常接近,完全能滿足使用要求[8]。唯一不足的是:我們的發(fā)射機(jī)重量比進(jìn)口發(fā)射機(jī)重9kg。分析原因,主要是由于行波管冷卻散熱片的材料造成的,我們使用的材料是紫銅,而進(jìn)口發(fā)射機(jī)使用的是鋁材料,其比重相差三倍多[9],再加上設(shè)計余量太大,過于保守,主要是散熱板的長度太長,造成散熱板的重量增加。這是以后設(shè)計應(yīng)該改進(jìn)的地方,當(dāng)然這要通過試驗來驗證。

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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,碩士,工程師,研究方向:艦船電子及消磁。余錫斌,男,碩士,高級工程師,研究方向:艦船電子及消磁。

TN402

10.3969/j.issn1672-9730.2015.01.042