CN101895278A

CN101895278A - 通用厚膜型浮动板调制器

Info

Publication number: CN101895278A
Application number: CN 201010230659
Authority: CN
Inventors: 何鹏军; 闫自让; 顾光; 许冯华; 张耀; 焉伟森
Original assignee: No206 Institute Of China North Industries Group Corp
Current assignee: No206 Institute Of China North Industries Group Corp
Priority date: 2010-07-16
Filing date: 2010-07-16
Publication date: 2010-11-24

Abstract

本发明涉及通用厚膜型浮动板调制器，由控制器件FPGA，高速逻辑光耦、驱动电路，脉冲隔离变压器，厚膜高压开关电路和悬浮电源组成，FPGA使用VHDL语言将极宽脉冲调制成开启脉冲串和截尾脉冲；采用高速逻辑光耦隔离行波管放大器发生打火保护FPGA；驱动电路采用高速驱动器对开启脉冲串和截尾脉冲放大；脉冲隔离变压器由单初级与双次级构成，厚膜高压开关电路由开启管和截尾管辅助电路组成，开启脉冲串和截尾脉冲经隔离变压器传输到厚膜高压开关电路，通过切换开启管和截尾管的通/断，实现极宽脉冲和窄脉冲兼容。本发明用软件语言完成开启/截尾脉冲的参数调节，通过低压侧高频逆变器的基准电平调节正偏压，使其具有通用性互换性。

Description

通用厚膜型浮动板调制器

技术领域

本发明涉及微波功率放大器，进一步涉及脉冲浮动板调制器，具体地是一种通用厚膜型浮动板调制器，主要用于控制栅控或聚焦极控行波管中电子注的通断，从而完成行波管放大器不同脉冲信号形式的输出。

背景技术

栅控或聚焦极控行波管放大器因其具有可靠性高、瞬时带宽大、调制方式灵活等优点，在现代雷达***中得到了广泛的应用。作为栅控或聚焦极控行波管放大器的重要组成部分，浮动板调制器的优劣在很大程度上决定了整部发射机的性能和可靠性。脉冲浮动板调制器是栅控或聚焦极控行波管放大器的主要组成部分，它的主要作用是通过控制行波管中电子注的通断，实现行波管放大器不同脉冲信号形式的输出。

为了保证行波管放大器能够满足现代雷达***的要求，脉冲调制器的工作比、脉冲宽度和脉冲重复频率必须大范围可调，同时兼顾通用性、散热、可靠性、体积、重量及结构形式等技术指标。

目前，国内对行波管放大器中的浮动板调制器研究虽然较多，但是在技术工艺上仍存在以下不足：

1.不能同时很好的兼容窄或极宽脉冲。在有的产品中，浮动板调制器虽然能够实现较宽的脉冲，但其使用的脉冲变压器匝数较多，体积较大，导致输出窄脉冲时前后沿较差；在有的产品中，利用Mosfet栅源结分布电容放电延时的方法实现调制器宽脉冲的输出，虽然解决了脉冲变压器体积较大的问题，但其在输出极宽脉冲时顶降较大。

2.通用性和互换性不强。由于行波管本身栅极正偏压的离散性较大，放大器之间的调制器不能直接互换，必须对充满了变压器油或绝缘胶体高压侧的相关电路参数进行调节，由于在放大器工作过程中有高压存在而不能进行操作。

3.结构复杂，体积较大。目前产品多采用分立元件实现开启/截尾脉冲功能，在高压调制开关上采用多个功率无感电阻，且多采用2个及以上脉冲变压器，使其体积较大，无法满足某些条件下行波管放大器小型化的要求。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：针对目前浮动板调制器存在的窄或极宽脉冲兼容通用性、互换性不强及结构复杂，体积较大等诸多不足，研制一种通用厚膜型浮动板调制器，该调制器能够同时兼容极宽和窄脉冲，具有输出波形好、可靠性高，体积小、重量轻、通用性强等优点，可以满足不同栅控或聚焦极控行波管放大器的要求。

本发明解决技术问题的方案是：该通用型脉冲浮动板调制器主要由控制器件FPGA，高速逻辑光耦、驱动电路，脉冲隔离变压器，厚膜高压开关电路和悬浮电源组成，所述控制器件FPGA使用VHDL语言形成开启脉冲串和截尾脉冲；采用高速逻辑光耦实现隔离，用于行波管放大器发生打火故障时保护FPGA；采用MOSFET高速驱动器构成驱动电路实现对开启脉冲串和截尾脉冲的放大；所述脉冲隔离变压器由单初级与双次级构成，所述厚膜高压开关电路由开启管Q2和截尾管Q3及其辅助电路组成，开启脉冲串和截尾脉冲经隔离变压器传输到厚膜高压开关电路，加至开启管Q2和截尾管Q3的栅极-源极之间，控制Q2和Q3的通断，切换从悬浮电源输出的正偏压和负偏压，形成调制脉冲。由于所述采用了将极宽脉冲调制成脉冲串的方案，回避了脉冲隔离变压器时宽-幅度积的限制，实现了对极宽和窄脉冲的兼容。

本发明的厚膜高压开关电路的辅助电路由二极管V1-V6，三极管Q1，高压气体放电管SG1及电阻R1-R6组成；其中，V1，V3为高速表贴整流二极管，Q1和V1组成快速放电电路，用以缩短Q2在开启脉冲串结束后的放电时间，从而有利于减小调制器的功率损耗和发热量。V2，V4为TVS(瞬态电压抑制器)，用于保护开启管Q2和截尾管Q3的栅极免受过压脉冲的损坏；V5，V6为高压二极管，用于消除调制脉冲的顶部和底部过冲；高压气体放电管SG1在行波管发生打火故障时，用于保护开启管Q2和截尾管Q3的漏-源极免受击穿；所述R1，R6为匹配电阻，R2，R3，R4为功率电阻，R5为下拉电阻，所有电阻和电路走线均采用厚膜集成工艺组件取代分立器件实现高压调制开关，使整个浮动板调制器结构紧凑、易于散热。

所述悬浮电源由高频逆变器M1和M2，高频功率变压器T1和T2，反馈变压器T3，三端稳压器U1与倍压整流滤波器构成，为厚膜高压开关电路提供正偏压和负偏压；所述高频逆变器M1向高频功率变压器T1的初级输入正弦信号，T1的一个次级产生的电压经倍压整流滤波后产生负偏压，另外一个次级产生的电压经倍压整流滤波后输入三端稳压器U1，经三端稳压器U1稳压输出极低电压纹波的正偏压；高频功率变压器T2次级的输出电压经过倍压整流后，向三端稳压器U1的调节端提供电压；T3为反馈变压器，对变压器T2的输出进行采样，采样信号后与高频逆变器M2的基准电平进行比较，对高频逆变器M2输出波形的幅度进行调节，使得三端稳压器U1调节端的电压发生改变，完成对稳压三端输出得调节。

本发明与现有的浮动板调制器比较，具有以下特点：

1、该调制器能够同时兼容极宽和窄脉冲。由于采用了将极宽脉冲调制成高频脉冲串的方法，回避了脉冲变压器幅度-时间积受到限制的问题，使得该调制器无论是在输出宽脉冲或窄脉冲时都具有输出波形前后沿陡，顶降小等特点。

2、该通用型脉冲浮动板调制中开启/截尾脉冲电路首次采用了可编程逻辑器件FPGA，可通过软件语言完成开启/截尾脉冲各个参数的调节，与此前同类产品多采用CD4098，SE555，5400等集成电路加电阻、电容等分立元件实现该项功能相比，具有灵活性高，电路结构简单等优点。

3、该调制器中仅采用了单个脉冲变压器，相对于同类已有产品减少了变压器的使用数量，降低了设备成本。该调制器中脉冲变压器采用高压航空线和非晶铁芯绕制，相对于已有调制中采用的漆包线绕制，环氧树脂灌封的变压器，具有体积小，绝缘性能好，设计加工简单等特点。

4、该调制器的高压开关部分采用厚膜工艺，在BaO陶瓷基板上丝印电路，使用浆料刷制功率电阻并经激光校准。相对于采用普通印制板、碳膜或水泥无感电阻，采用厚膜电路的调制器具有体积小、重量轻、散热性好等特点。

5、该调制器的正偏压通过低压侧高频逆变器中的基准电平进行调节。只需改变高频逆变器的基准电平，就可实现调制器正偏压在低压侧控制区连续可调，使得调制器能够满足不同行波管放大器的要求，使其具有很强的通用性。此外，该调制器的正偏压还可在行波管放大器工作过程中进行灵活调节。与已有产品相比，具有通用性强、互换性好等特点。

附图说明

图1是本发明厚膜型浮动板调制器的组成框图

图2是开启/截尾脉冲波形示意图

图3是脉冲驱动及其脉冲隔离变压器电路原理图

图4是厚膜高压开关电路原理图

图5是悬浮电源组成框图

具体实施方式

参照上述附图，对本发明的实施方式进行详细叙述。

如图1所示，本发明的厚膜型浮动板调制器由控制器件FPGA，高速逻辑光耦、驱动电路，脉冲隔离变压器，厚膜高压开关电路和悬浮电源组成。

在浮动板调制器中，脉冲隔离变压器受到脉宽-幅度积的限制，为了能够同时兼容窄脉冲(几百ns)和极宽脉冲(数ms)，需要将输入的极宽脉冲调制成一定占空比的高频脉冲串，本发明利用可编程逻辑器件FPGA使用VHDL语言将输入的极宽脉冲调制成开启高频脉冲串和截尾脉冲，其调制波形见图2。这样的设计，使开启高频脉冲串和截尾脉冲的形成没有添加任何复杂的附加电路，不但减小了调制器的体积重量，同时增加了设计的灵活性和调制器的通用性。高频脉冲串通过隔离变压器后，加至厚膜高压开关电路Mosfet的栅-源极之间，利用整流管V1和开启管Q2栅极分布电容完成高频脉冲串的解调，从而实现调制器输出对极宽脉冲和窄脉冲的兼容。

由于FPGA产生的脉冲幅度较低，一般情况下，需要将此信号放大后通过隔离脉冲变压去驱动厚膜高压开关电路上的场效应管。为了保护主控芯片FPGA，开启/截尾脉冲经高速逻辑光耦6N137隔离后，在高速Mosfet栅极驱动器U2[型号TC4424]中进行放大，脉冲幅度可达15V。在图3中，TC4424输出脉冲经隔离电容C7和平衡电阻R7后直接驱动脉冲变压器T4，T4为单初级多次级(2个)结构。该调制器中脉冲隔离变压器采用低B_r，高B和高μ值的环形微晶磁芯，初级采用聚乙烯高压线，次级采用耐压为4KV的超细航空高压导线，其初次级匝数比为10∶10∶10。

调制器的厚膜高压开关电路如图4所示，主要由开启管Q2、截尾管Q3和辅助电路组成。开启/截尾管作为高压开关电路的核心器件，它的选择在一定程度上决定了调制器的最高开关频率、上升/下降沿等技术指标。选取开启/截尾场效应管应遵循如下基本原则：①具有尽可能低的导通电阻R_DS(on)，以减小开关管的管压降和导通损耗，有利于提高调制器的工作频率；②具有尽可能小的分布电容，以降低开关损耗和获取更好的开关特性。③在符合前两项要求的前提下，具有尽可能高的击穿电压，以提高调制器的工作可靠性。在该调制器中，场效应管采用了美国意法微电子的STP4N150型Mosfet。

在图4中，V1，V3为高速表贴整流二极管，Q1和V1组成快速放电电路，用以缩短Q2在开启脉冲串结束后的放电时间，从而有利于减小调制器的功率损耗和发热量。V2，V4为TVS，用于保护开启/截尾开关管的栅极免受过压脉冲的损坏。V5，V6为高压二极管，主要用于消除调制脉冲的顶部和底部过冲。SG1为高压气体放电管，在行波管发生打火故障时，用于保护开启管Q2和截尾管Q3的源-漏极免受击穿威胁。在本发明中，包括匹配电阻R1，R6，功率电阻R2，R3，R4，下拉电阻R5和电路走线均采用厚膜工艺，在组分为BaO的陶瓷基板上涂覆而成，相对于采用分立电阻器件，其具有体积下、重量轻、散热好等优点。

高压厚膜开关的工作过程叙述如下：在脉冲持续期间，FPGA产生的波形经驱动放大电路和隔离变压器T4送至高压厚膜开关。脉冲隔离变压器T4的两个次级输出(波形如图3右侧所示)分别经过二极管V1和V3分拣后，送至开启管Q2栅-源极的为高频脉冲串，送至截尾管Q3栅-源极的为截尾脉冲。在高频脉冲串持续期间，Q2导通，调制器输出为正偏压。当高频脉冲串结束时，Q2栅极分布电容上的电荷通过Q1和V1迅速放掉，Q2关断；与此同时，截尾脉冲加至Q3，使其导通，调制器输出切换为负偏压。在脉冲间歇期，由于下拉电阻R5的存在，调制器输出为负偏压。

由于正偏开启电源的电压纹波的对放大器输出信号的频谱纯度影响较大，而开关电源很难获得极低的电压纹波，因此在调制器中采用了易于输出较低纹波的线性三端稳压器U1进行稳压。然而由于栅控行波管的电子注开启电压的离散性较大，为了使调制器具有较强的通用性，本发明中采用了如附图5所示的电路形式：悬浮电源由高频逆变器M1和M2，高频功率变压器T1、T2，反馈变压器T3，三端稳压器U1与倍压整流滤波器构成，为厚膜高压开关电路提供正偏压和负偏压。所述高频逆变器M1向高频功率变压器T1的初级输入正弦信号，T1的一个次级产生的电压经倍压整流滤波后产生负偏压，另外一个次级产生的电压经倍压整流滤波后用于产生三端稳压器U1(型号LM117)的输入1；T2的作用是次级输出经过倍压整流后产生三端稳压器U1的调节端(即U1的ADJ管脚)所要求的电压；T3为反馈变压器，它对T2的输出进行采样，输出经整流滤波后与高频逆变器M2的基准电平进行比较，比较产生的误差经运放放大后，调节逆变器M2的输出波形幅度，使得三端稳压器U1调节端的电压发生改变，从而完成稳压三端输出的调节。因此，采用图5所示的电路只需改变高频逆变器的基准电平，就可实现调制器正偏压在低压侧控制区连续可调，使得该调制器能够满足不同行波管的要求，使其具有很强的通用性。由于调制器需要悬浮电源的提供功率的较小，高频逆变器采用经过改进的Royer变换器，尽管该变换器效率不高，但其具有结构简单、易于滤波、造价低廉等优点。

本发明的调制器具有性能指标好，可靠性高、体积小，重量轻、通用性强等特点，可以满足不同栅极或聚焦极控制的行波管或速调管放大器的使用要求。

Claims

1.一种通用厚膜型浮动板调制器，其特征在于：该调制器由控制器件FPGA，高速逻辑光耦、驱动电路，脉冲隔离变压器，厚膜高压开关电路和悬浮电源组成，所述控制器件FPGA使用VHDL语言将输入的极宽脉冲调制成开启脉冲串和截尾脉冲；采用高速逻辑光耦隔离行波管放大器发生打火故障，保护FPGA；所述驱动电路采用MOSFET高速驱动器实现对开启脉冲串和截尾脉冲的放大；所述脉冲隔离变压器由单初级与双次级构成，所述厚膜高压开关电路由开启管Q2和截尾管Q3及其辅助电路组成，开启脉冲串和截尾脉冲经隔离变压器传输到厚膜高压开关电路，加至开启管Q2和截尾管Q3的栅极-源极之间，实现极宽脉冲和窄脉冲的兼容；切换开启管Q2和截尾管Q3的通断，输出从悬浮电源送来的正偏压和负偏压。

2.根据权利要求1所述的通用厚膜型浮动板调制器，其特征在于：所述脉冲隔离变压器采用低B_r，高B和高μ值的环形微晶磁芯，初级采用聚乙烯高压线制备，次级采用耐压为4KV的超细航空高压导线绕制，其初级与次级匝数比为10∶10∶10。

3.根据权利要求1所述的通用厚膜型浮动板调制器，其特征在于：所述厚膜高压开关电路的辅助电路由二极管V1、V2、V3、V4、V5、V6，三极管Q1，高压气体放电管SG1及电阻R1R6组成；其中，V1，V3为高速表贴整流二极管，Q1和V1组成快速放电电路，用以缩短Q2在开启脉冲串结束后的放电时间，V2，V4为瞬态电压抑制器，用于保护开启管Q2和截尾管Q3的栅极免受过压脉冲的损坏；V5，V6为高压二极管，用于消除调制脉冲的顶部和底部震荡；高压气体放电管SG1在行波管发生故障时，用于保护开启管Q2的源极和截尾管Q3的漏极免受击穿；所述R1，R6为匹配电阻，R2，R3，R4为功率电阻，R5为下拉电阻。

4.根据权利要求3所述的通用厚膜型浮动板调制器，其特征在于：所述厚膜高压开关电路的所有电阻和电路走线均采用厚膜工艺，在组分为BaO的陶瓷基板上涂覆而成。

5.根据权利要求1所述的通用厚膜型浮动板调制器，其特征在于：所述悬浮电源由高频逆变器M1和M2，高频功率变压器T1、T2和T3，三端稳压器U1与倍压整流滤波器构成，为厚膜高压开关电路提供正偏压和负偏压；所述高频逆变器M1向高频功率变压器T1的初级输入正弦信号，T1的一个次级产生的电压经倍压整流滤波后产生负偏压，另外一个次级产生的电压经倍压整流滤波后输入三端稳压器U1，经三端稳压器U1稳压输出极低电压纹波的正偏压；高频功率变压器T2次级的输出电压经过倍压整流后，向三端稳压器U1的调节端提供电压；T3为反馈变压器，对变压器T2的输出进行采样，采样信号后与高频逆变器M2的基准电平进行比较，对高频逆变器M2的输出波形幅度进行调节，使得三端稳压器U1调节端的电压发生改变，从而完成稳压三端输出的调节。