專利名稱：通用厚膜型浮動板調(diào)制器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及微波功率放大器，進一步涉及脈沖浮動板調(diào)制器，具體地是一種通用 厚膜型浮動板調(diào)制器，主要用于控制柵控或聚焦極控行波管中電子注的通斷，從而完成行 波管放大器不同脈沖信號形式的輸出。
背景技術(shù)：
柵控或聚焦極控行波管放大器因其具有可靠性高、瞬時帶寬大、調(diào)制方式靈活等 優(yōu)點，在現(xiàn)代雷達系統(tǒng)中得到了廣泛的應用。作為柵控或聚焦極控行波管放大器的重要組 成部分，浮動板調(diào)制器的優(yōu)劣在很大程度上決定了整部發(fā)射機的性能和可靠性。脈沖浮動 板調(diào)制器是柵控或聚焦極控行波管放大器的主要組成部分，它的主要作用是通過控制行波 管中電子注的通斷，實現(xiàn)行波管放大器不同脈沖信號形式的輸出。為了保證行波管放大器能夠滿足現(xiàn)代雷達系統(tǒng)的要求，脈沖調(diào)制器的工作比、脈 沖寬度和脈沖重復頻率必須大范圍可調(diào)，同時兼顧通用性、散熱、可靠性、體積、重量及結(jié)構(gòu) 形式等技術(shù)指標。目前，國內(nèi)對行波管放大器中的浮動板調(diào)制器研究雖然較多，但是在技術(shù)工藝上 仍存在以下不足1.不能同時很好的兼容窄或極寬脈沖。在有的產(chǎn)品中，浮動板調(diào)制器雖然能夠 實現(xiàn)較寬的脈沖，但其使用的脈沖變壓器匝數(shù)較多，體積較大，導致輸出窄脈沖時前后沿較 差；在有的產(chǎn)品中，利用Mosfet柵源結(jié)分布電容放電延時的方法實現(xiàn)調(diào)制器寬脈沖的輸 出，雖然解決了脈沖變壓器體積較大的問題，但其在輸出極寬脈沖時頂降較大。2.通用性和互換性不強。由于行波管本身柵極正偏壓的離散性較大，放大器之間 的調(diào)制器不能直接互換，必須對充滿了變壓器油或絕緣膠體高壓側(cè)的相關(guān)電路參數(shù)進行調(diào) 節(jié)，由于在放大器工作過程中有高壓存在而不能進行操作。3.結(jié)構(gòu)復雜，體積較大。目前產(chǎn)品多采用分立元件實現(xiàn)開啟/截尾脈沖功能，在高 壓調(diào)制開關(guān)上采用多個功率無感電阻，且多采用2個及以上脈沖變壓器，使其體積較大，無 法滿足某些條件下行波管放大器小型化的要求。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是針對目前浮動板調(diào)制器存在的窄或極寬脈沖兼容通 用性、互換性不強及結(jié)構(gòu)復雜，體積較大等諸多不足，研制一種通用厚膜型浮動板調(diào)制器， 該調(diào)制器能夠同時兼容極寬和窄脈沖，具有輸出波形好、可靠性高，體積小、重量輕、通用性 強等優(yōu)點，可以滿足不同柵控或聚焦極控行波管放大器的要求。本發(fā)明解決技術(shù)問題的方案是該通用型脈沖浮動板調(diào)制器主要由控制器件 FPGA，高速邏輯光耦、驅(qū)動電路，脈沖隔離變壓器，厚膜高壓開關(guān)電路和懸浮電源組成，所述 控制器件FPGA使用VHDL語言形成開啟脈沖串和截尾脈沖；采用高速邏輯光耦實現(xiàn)隔離，用 于行波管放大器發(fā)生打火故障時保護FPGA ；采用MOSFET高速驅(qū)動器構(gòu)成驅(qū)動電路實現(xiàn)對開啟脈沖串和截尾脈沖的放大；所述脈沖隔離變壓器由單初級與雙次級構(gòu)成，所述厚膜高 壓開關(guān)電路由開啟管Q2和截尾管Q3及其輔助電路組成，開啟脈沖串和截尾脈沖經(jīng)隔離變 壓器傳輸?shù)胶衲じ邏洪_關(guān)電路，加至開啟管Q2和截尾管Q3的柵極-源極之間，控制Q2和 Q3的通斷，切換從懸浮電源輸出的正偏壓和負偏壓，形成調(diào)制脈沖。由于所述采用了將極寬 脈沖調(diào)制成脈沖串的方案，回避了脈沖隔離變壓器時寬_幅度積的限制，實現(xiàn)了對極寬和 窄脈沖的兼容。 本發(fā)明的厚膜高壓開關(guān)電路的輔助電路由二極管V1-V6，三極管Q1，高壓氣體放 電管SGl及電阻R1-R6組成；其中，VI，V3為高速表貼整流二極管，Ql和Vl組成快速放電電 路，用以縮短Q2在開啟脈沖串結(jié)束后的放電時間，從而有利于減小調(diào)制器的功率損耗和發(fā) 熱量。V2，V4為TVS(瞬態(tài)電壓抑制器)，用于保護開啟管Q2和截尾管Q3的柵極免受過壓 脈沖的損壞；V5, V6為高壓二極管，用于消除調(diào)制脈沖的頂部和底部過沖；高壓氣體放電管 SGl在行波管發(fā)生打火故障時，用于保護開啟管Q2和截尾管Q3的漏-源極免受擊穿；所述 R1，R6為匹配電阻，R2，R3，R4為功率電阻，R5為下拉電阻，所有電阻和電路走線均采用厚膜 集成工藝組件取代分立器件實現(xiàn)高壓調(diào)制開關(guān)，使整個浮動板調(diào)制器結(jié)構(gòu)緊湊、易于散熱。
所述懸浮電源由高頻逆變器Ml和M2，高頻功率變壓器Tl和T2，反饋變壓器T3，三 端穩(wěn)壓器Ul與倍壓整流濾波器構(gòu)成，為厚膜高壓開關(guān)電路提供正偏壓和負偏壓；所述高頻 逆變器Ml向高頻功率變壓器Tl的初級輸入正弦信號，Tl的一個次級產(chǎn)生的電壓經(jīng)倍壓整 流濾波后產(chǎn)生負偏壓，另外一個次級產(chǎn)生的電壓經(jīng)倍壓整流濾波后輸入三端穩(wěn)壓器U1，經(jīng) 三端穩(wěn)壓器Ul穩(wěn)壓輸出極低電壓紋波的正偏壓；高頻功率變壓器T2次級的輸出電壓經(jīng)過 倍壓整流后，向三端穩(wěn)壓器Ul的調(diào)節(jié)端提供電壓；T3為反饋變壓器，對變壓器T2的輸出進 行采樣，采樣信號后與高頻逆變器M2的基準電平進行比較，對高頻逆變器M2輸出波形的幅 度進行調(diào)節(jié)，使得三端穩(wěn)壓器Ul調(diào)節(jié)端的電壓發(fā)生改變，完成對穩(wěn)壓三端輸出得調(diào)節(jié)。本發(fā)明與現(xiàn)有的浮動板調(diào)制器比較，具有以下特點1、該調(diào)制器能夠同時兼容極寬和窄脈沖。由于采用了將極寬脈沖調(diào)制成高頻脈沖 串的方法，回避了脈沖變壓器幅度-時間積受到限制的問題，使得該調(diào)制器無論是在輸出 寬脈沖或窄脈沖時都具有輸出波形前后沿陡，頂降小等特點。2、該通用型脈沖浮動板調(diào)制中開啟/截尾脈沖電路首次采用了可編程邏輯器 件FPGA，可通過軟件語言完成開啟/截尾脈沖各個參數(shù)的調(diào)節(jié)，與此前同類產(chǎn)品多采用 ⑶4098，SE555，5400等集成電路加電阻、電容等分立元件實現(xiàn)該項功能相比，具有靈活性 高，電路結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點。3、該調(diào)制器中僅采用了單個脈沖變壓器，相對于同類已有產(chǎn)品減少了變壓器的使 用數(shù)量，降低了設(shè)備成本。該調(diào)制器中脈沖變壓器采用高壓航空線和非晶鐵芯繞制，相對于 已有調(diào)制中采用的漆包線繞制，環(huán)氧樹脂灌封的變壓器，具有體積小，絕緣性能好，設(shè)計加 工簡單等特點。4、該調(diào)制器的高壓開關(guān)部分采用厚膜工藝，在BaO陶瓷基板上絲印電路，使用漿 料刷制功率電阻并經(jīng)激光校準。相對于采用普通印制板、碳膜或水泥無感電阻，采用厚膜電 路的調(diào)制器具有體積小、重量輕、散熱性好等特點。5、該調(diào)制器的正偏壓通過低壓側(cè)高頻逆變器中的基準電平進行調(diào)節(jié)。只需改變高 頻逆變器的基準電平，就可實現(xiàn)調(diào)制器正偏壓在低壓側(cè)控制區(qū)連續(xù)可調(diào)，使得調(diào)制器能夠滿足不同行波管放大器的要求，使其具有很強的通用性。此外，該調(diào)制器的正偏壓還可在行 波管放大器工作過程中進行靈活調(diào)節(jié)。與已有產(chǎn)品相比，具有通用性強、互換性好等特點。


圖1是本發(fā)明厚膜型浮動板調(diào)制器的組成框2是開啟/截尾脈沖波形示意3是脈沖驅(qū)動及其脈沖隔離變壓器電路原理4是厚膜高壓開關(guān)電路原理5是懸浮電源組成框圖
具體實施例方式參照上述附圖，對本發(fā)明的實施方式進行詳細敘述。如圖1所示，本發(fā)明的厚膜型浮動板調(diào)制器由控制器件FPGA，高速邏輯光耦、驅(qū)動 電路，脈沖隔離變壓器，厚膜高壓開關(guān)電路和懸浮電源組成。在浮動板調(diào)制器中，脈沖隔離變壓器受到脈寬_幅度積的限制，為了能夠同時兼 容窄脈沖(幾百ns)和極寬脈沖(數(shù)ms)，需要將輸入的極寬脈沖調(diào)制成一定占空比的高 頻脈沖串，本發(fā)明利用可編程邏輯器件FPGA使用VHDL語言將輸入的極寬脈沖調(diào)制成開啟 高頻脈沖串和截尾脈沖，其調(diào)制波形見圖2。這樣的設(shè)計，使開啟高頻脈沖串和截尾脈沖的 形成沒有添加任何復雜的附加電路，不但減小了調(diào)制器的體積重量，同時增加了設(shè)計的靈 活性和調(diào)制器的通用性。高頻脈沖串通過隔離變壓器后，加至厚膜高壓開關(guān)電路Mosfet的 柵_源極之間，利用整流管Vl和開啟管Q2柵極分布電容完成高頻脈沖串的解調(diào)，從而實現(xiàn) 調(diào)制器輸出對極寬脈沖和窄脈沖的兼容。由于FPGA產(chǎn)生的脈沖幅度較低，一般情況下，需要將此信號放大后通過隔離脈沖 變壓去驅(qū)動厚膜高壓開關(guān)電路上的場效應管。為了保護主控芯片F(xiàn)PGA，開啟/截尾脈沖經(jīng) 高速邏輯光耦6N137隔離后，在高速Mosfet柵極驅(qū)動器U2 [型號TC4424]中進行放大，脈 沖幅度可達15V。在圖3中，TC4424輸出脈沖經(jīng)隔離電容C7和平衡電阻R7后直接驅(qū)動脈 沖變壓器T4，T4為單初級多次級(2個)結(jié)構(gòu)。該調(diào)制器中脈沖隔離變壓器采用低Β,，高B 和高μ值的環(huán)形微晶磁芯，初級采用聚乙烯高壓線，次級采用耐壓為4KV的超細航空高壓 導線，其初次級匝數(shù)比為10 10 10。調(diào)制器的厚膜高壓開關(guān)電路如圖4所示，主要由開啟管Q2、截尾管Q3和輔助電路 組成。開啟/截尾管作為高壓開關(guān)電路的核心器件，它的選擇在一定程度上決定了調(diào)制器 的最高開關(guān)頻率、上升/下降沿等技術(shù)指標。選取開啟/截尾場效應管應遵循如下基本原 則①具有盡可能低的導通電阻RDS(。n)，以減小開關(guān)管的管壓降和導通損耗，有利于提高調(diào) 制器的工作頻率；②具有盡可能小的分布電容，以降低開關(guān)損耗和獲取更好的開關(guān)特性。③ 在符合前兩項要求的前提下，具有盡可能高的擊穿電壓，以提高調(diào)制器的工作可靠性。在該 調(diào)制器中，場效應管采用了美國意法微電子的STP4m50型Mosfet。在圖4中，VI，V3為高速表貼整流二極管，Ql和Vl組成快速放電電路，用以縮短 Q2在開啟脈沖串結(jié)束后的放電時間，從而有利于減小調(diào)制器的功率損耗和發(fā)熱量。V2，V4 為TVS，用于保護開啟/截尾開關(guān)管的柵極免受過壓脈沖的損壞。V5，V6為高壓二極管，主要用于消除調(diào)制脈沖的頂部和底部過沖。SGl為高壓氣體放電管，在行波管發(fā)生打火故障 時，用于保護開啟管Q2和截尾管Q3的源-漏極免受擊穿威脅。在本發(fā)明中，包括匹配電阻 R1，R6，功率電阻R2，R3，R4，下拉電阻R5和電路走線均采用厚膜工藝，在組分為BaO的陶瓷 基板上涂覆而成，相對于采用分立電阻器件，其具有體積下、重量輕、散熱好等優(yōu)點。高壓厚膜開關(guān)的工作過程敘述如下在脈沖持續(xù)期間，F(xiàn)PGA產(chǎn)生的波形經(jīng)驅(qū)動放 大電路和隔離變壓器T4送至高壓厚膜開關(guān)。脈沖隔離變壓器T4的兩個次級輸出(波形如 圖3右側(cè)所示)分別經(jīng)過二極管Vl和V3分揀后，送至開啟管Q2柵-源極的為高頻脈沖 串，送至截尾管Q3柵-源極的為截尾脈沖。在高頻脈沖串持續(xù)期間，Q2導通，調(diào)制器輸出 為正偏壓。當高頻脈沖串結(jié)束時，Q2柵極分布電容上的電荷通過Ql和Vl迅速放掉，Q2關(guān) 斷；與此同時，截尾脈沖加至Q3，使其導通，調(diào)制器輸出切換為負偏壓。在脈沖間歇期，由于 下拉電阻R5的存在，調(diào)制器輸出為負偏壓。由于正偏開啟電源的電壓紋波的對放大器輸出信號的頻譜純度影響較大，而開關(guān) 電源很難獲得極低的電壓紋波，因此在調(diào)制器中采用了易于輸出較低紋波的線性三端穩(wěn)壓 器Ul進行穩(wěn)壓。然而由于柵控行波管的電子注開啟電壓的離散性較大，為了使調(diào)制器具 有較強的通用性，本發(fā)明中采用了如附圖5所示的電路形式懸浮電源由高頻逆變器Ml和 M2，高頻功率變壓器Tl、T2，反饋變壓器T3，三端穩(wěn)壓器Ul與倍壓整流濾波器構(gòu)成，為厚膜 高壓開關(guān)電路提供正偏壓和負偏壓。所述高頻逆變器Ml向高頻功率變壓器Tl的初級輸入 正弦信號，Tl的一個次級產(chǎn)生的電壓經(jīng)倍壓整流濾波后產(chǎn)生負偏壓，另外一個次級產(chǎn)生的 電壓經(jīng)倍壓整流濾波后用于產(chǎn)生三端穩(wěn)壓器Ul (型號LM117)的輸入1 ;T2的作用是次級輸 出經(jīng)過倍壓整流后產(chǎn)生三端穩(wěn)壓器Ul的調(diào)節(jié)端(即Ul的ADJ管腳)所要求的電壓；Τ3為 反饋變壓器，它對Τ2的輸出進行采樣，輸出經(jīng)整流濾波后與高頻逆變器Μ2的基準電平進行 比較，比較產(chǎn)生的誤差經(jīng)運放放大后，調(diào)節(jié)逆變器Μ2的輸出波形幅度，使得三端穩(wěn)壓器Ul 調(diào)節(jié)端的電壓發(fā)生改變，從而完成穩(wěn)壓三端輸出的調(diào)節(jié)。因此，采用圖5所示的電路只需改 變高頻逆變器的基準電平，就可實現(xiàn)調(diào)制器正偏壓在低壓側(cè)控制區(qū)連續(xù)可調(diào)，使得該調(diào)制 器能夠滿足不同行波管的要求，使其具有很強的通用性。由于調(diào)制器需要懸浮電源的提供 功率的較小，高頻逆變器采用經(jīng)過改進的Royer變換器，盡管該變換器效率不高，但其具有 結(jié)構(gòu)簡單、易于濾波、造價低廉等優(yōu)點。本發(fā)明的調(diào)制器具有性能指標好，可靠性高、體積小，重量輕、通用性強等特點，可 以滿足不同柵極或聚焦極控制的行波管或速調(diào)管放大器的使用要求。
權(quán)利要求
一種通用厚膜型浮動板調(diào)制器，其特征在于該調(diào)制器由控制器件FPGA，高速邏輯光耦、驅(qū)動電路，脈沖隔離變壓器，厚膜高壓開關(guān)電路和懸浮電源組成，所述控制器件FPGA使用VHDL語言將輸入的極寬脈沖調(diào)制成開啟脈沖串和截尾脈沖；采用高速邏輯光耦隔離行波管放大器發(fā)生打火故障，保護FPGA；所述驅(qū)動電路采用MOSFET高速驅(qū)動器實現(xiàn)對開啟脈沖串和截尾脈沖的放大；所述脈沖隔離變壓器由單初級與雙次級構(gòu)成，所述厚膜高壓開關(guān)電路由開啟管Q2和截尾管Q3及其輔助電路組成，開啟脈沖串和截尾脈沖經(jīng)隔離變壓器傳輸?shù)胶衲じ邏洪_關(guān)電路，加至開啟管Q2和截尾管Q3的柵極 源極之間，實現(xiàn)極寬脈沖和窄脈沖的兼容；切換開啟管Q2和截尾管Q3的通斷，輸出從懸浮電源送來的正偏壓和負偏壓。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的通用厚膜型浮動板調(diào)制器，其特征在于所述脈沖隔離變壓 器采用低扎，高B和高μ值的環(huán)形微晶磁芯，初級采用聚乙烯高壓線制備，次級采用耐壓為 4KV的超細航空高壓導線繞制，其初級與次級匝數(shù)比為10 10 10。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的通用厚膜型浮動板調(diào)制器，其特征在于所述厚膜高壓開關(guān) 電路的輔助電路由二極管V1、V2、V3、V4、V5、V6，三極管Q1，高壓氣體放電管SGl及電阻R1R6 組成；其中，VI，V3為高速表貼整流二極管，Ql和Vl組成快速放電電路，用以縮短Q2在開 啟脈沖串結(jié)束后的放電時間，V2，V4為瞬態(tài)電壓抑制器，用于保護開啟管Q2和截尾管Q3的 柵極免受過壓脈沖的損壞；V5, V6為高壓二極管，用于消除調(diào)制脈沖的頂部和底部震蕩；高 壓氣體放電管SGl在行波管發(fā)生故障時，用于保護開啟管Q2的源極和截尾管Q3的漏極免 受擊穿；所述Rl，R6為匹配電阻，R2，R3，R4為功率電阻，R5為下拉電阻。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的通用厚膜型浮動板調(diào)制器，其特征在于所述厚膜高壓開關(guān) 電路的所有電阻和電路走線均采用厚膜工藝，在組分為BaO的陶瓷基板上涂覆而成。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的通用厚膜型浮動板調(diào)制器，其特征在于所述懸浮電源由高 頻逆變器Ml和M2，高頻功率變壓器Tl、T2和Τ3，三端穩(wěn)壓器Ul與倍壓整流濾波器構(gòu)成，為 厚膜高壓開關(guān)電路提供正偏壓和負偏壓；所述高頻逆變器Ml向高頻功率變壓器Tl的初級 輸入正弦信號，Tl的一個次級產(chǎn)生的電壓經(jīng)倍壓整流濾波后產(chǎn)生負偏壓，另外一個次級產(chǎn) 生的電壓經(jīng)倍壓整流濾波后輸入三端穩(wěn)壓器U1，經(jīng)三端穩(wěn)壓器Ul穩(wěn)壓輸出極低電壓紋波 的正偏壓；高頻功率變壓器Τ2次級的輸出電壓經(jīng)過倍壓整流后，向三端穩(wěn)壓器Ul的調(diào)節(jié)端 提供電壓；Τ3為反饋變壓器，對變壓器Τ2的輸出進行采樣，采樣信號后與高頻逆變器Μ2的 基準電平進行比較，對高頻逆變器Μ2的輸出波形幅度進行調(diào)節(jié)，使得三端穩(wěn)壓器Ul調(diào)節(jié)端 的電壓發(fā)生改變，從而完成穩(wěn)壓三端輸出的調(diào)節(jié)。
全文摘要
本發(fā)明涉及通用厚膜型浮動板調(diào)制器，由控制器件FPGA，高速邏輯光耦、驅(qū)動電路，脈沖隔離變壓器，厚膜高壓開關(guān)電路和懸浮電源組成，F(xiàn)PGA使用VHDL語言將極寬脈沖調(diào)制成開啟脈沖串和截尾脈沖；采用高速邏輯光耦隔離行波管放大器發(fā)生打火保護FPGA；驅(qū)動電路采用高速驅(qū)動器對開啟脈沖串和截尾脈沖放大；脈沖隔離變壓器由單初級與雙次級構(gòu)成，厚膜高壓開關(guān)電路由開啟管和截尾管輔助電路組成，開啟脈沖串和截尾脈沖經(jīng)隔離變壓器傳輸?shù)胶衲じ邏洪_關(guān)電路，通過切換開啟管和截尾管的通/斷，實現(xiàn)極寬脈沖和窄脈沖兼容。本發(fā)明用軟件語言完成開啟/截尾脈沖的參數(shù)調(diào)節(jié)，通過低壓側(cè)高頻逆變器的基準電平調(diào)節(jié)正偏壓，使其具有通用性互換性。
文檔編號H03K5/01GK101895278SQ201010230659
公開日2010年11月24日 申請日期2010年7月16日 優(yōu)先權(quán)日2010年7月16日
發(fā)明者何鵬軍, 張耀, 焉偉森, 許馮華, 閆自讓, 顧光 申請人:中國兵器工業(yè)第二○六研究所