通用厚膜型浮動板調製器的製作方法

2023-05-21 18:10:41

專利名稱：通用厚膜型浮動板調製器的製作方法
技術領域：
本發明涉及微波功率放大器，進一步涉及脈衝浮動板調製器，具體地是一種通用 厚膜型浮動板調製器，主要用於控制柵控或聚焦極控行波管中電子注的通斷，從而完成行 波管放大器不同脈衝信號形式的輸出。
背景技術：
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、調製方式靈活等 優點，在現代雷達系統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，浮動板調製器的優劣在很大程度上決定了整部發射機的性能和可靠性。脈衝浮動 板調製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，實現行波管放大器不同脈衝信號形式的輸出。為了保證行波管放大器能夠滿足現代雷達系統的要求，脈衝調製器的工作比、脈 衝寬度和脈衝重複頻率必須大範圍可調，同時兼顧通用性、散熱、可靠性、體積、重量及結構 形式等技術指標。目前，國內對行波管放大器中的浮動板調製器研究雖然較多，但是在技術工藝上 仍存在以下不足1.不能同時很好的兼容窄或極寬脈衝。在有的產品中，浮動板調製器雖然能夠 實現較寬的脈衝，但其使用的脈衝變壓器匝數較多，體積較大，導致輸出窄脈衝時前後沿較 差；在有的產品中，利用Mosfet柵源結分布電容放電延時的方法實現調製器寬脈衝的輸 出，雖然解決了脈衝變壓器體積較大的問題，但其在輸出極寬脈衝時頂降較大。2.通用性和互換性不強。由於行波管本身柵極正偏壓的離散性較大，放大器之間 的調製器不能直接互換，必須對充滿了變壓器油或絕緣膠體高壓側的相關電路參數進行調 節，由於在放大器工作過程中有高壓存在而不能進行操作。3.結構複雜，體積較大。目前產品多採用分立元件實現開啟/截尾脈衝功能，在高 壓調製開關上採用多個功率無感電阻，且多採用2個及以上脈衝變壓器，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。

發明內容
本發明要解決的技術問題是針對目前浮動板調製器存在的窄或極寬脈衝兼容通 用性、互換性不強及結構複雜，體積較大等諸多不足，研製一種通用厚膜型浮動板調製器， 該調製器能夠同時兼容極寬和窄脈衝，具有輸出波形好、可靠性高，體積小、重量輕、通用性 強等優點，可以滿足不同柵控或聚焦極控行波管放大器的要求。本發明解決技術問題的方案是該通用型脈衝浮動板調製器主要由控制器件 FPGA，高速邏輯光耦、驅動電路，脈衝隔離變壓器，厚膜高壓開關電路和懸浮電源組成，所述 控制器件FPGA使用VHDL語言形成開啟脈衝串和截尾脈衝；採用高速邏輯光耦實現隔離，用 於行波管放大器發生打火故障時保護FPGA ；採用MOSFET高速驅動器構成驅動電路實現對開啟脈衝串和截尾脈衝的放大；所述脈衝隔離變壓器由單初級與雙次級構成，所述厚膜高 壓開關電路由開啟管Q2和截尾管Q3及其輔助電路組成，開啟脈衝串和截尾脈衝經隔離變 壓器傳輸到厚膜高壓開關電路，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，形成調製脈衝。由於所述採用了將極寬 脈衝調製成脈衝串的方案，迴避了脈衝隔離變壓器時寬_幅度積的限制，實現了對極寬和 窄脈衝的兼容。 本發明的厚膜高壓開關電路的輔助電路由二極體V1-V6，三極體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體，Ql和Vl組成快速放電電 路，用以縮短Q2在開啟脈衝串結束後的放電時間，從而有利於減小調製器的功率損耗和發 熱量。V2，V4為TVS(瞬態電壓抑制器)，用於保護開啟管Q2和截尾管Q3的柵極免受過壓 脈衝的損壞；V5, V6為高壓二極體，用於消除調製脈衝的頂部和底部過衝；高壓氣體放電管 SGl在行波管發生打火故障時，用於保護開啟管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採用厚膜 集成工藝組件取代分立器件實現高壓調製開關，使整個浮動板調製器結構緊湊、易於散熱。
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 端穩壓器Ul與倍壓整流濾波器構成，為厚膜高壓開關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的一個次級產生的電壓經倍壓整 流濾波後產生負偏壓，另外一個次級產生的電壓經倍壓整流濾波後輸入三端穩壓器U1，經 三端穩壓器Ul穩壓輸出極低電壓紋波的正偏壓；高頻功率變壓器T2次級的輸出電壓經過 倍壓整流後，向三端穩壓器Ul的調節端提供電壓；T3為反饋變壓器，對變壓器T2的輸出進 行採樣，採樣信號後與高頻逆變器M2的基準電平進行比較，對高頻逆變器M2輸出波形的幅 度進行調節，使得三端穩壓器Ul調節端的電壓發生改變，完成對穩壓三端輸出得調節。本發明與現有的浮動板調製器比較，具有以下特點1、該調製器能夠同時兼容極寬和窄脈衝。由於採用了將極寬脈衝調製成高頻脈衝 串的方法，迴避了脈衝變壓器幅度-時間積受到限制的問題，使得該調製器無論是在輸出 寬脈衝或窄脈衝時都具有輸出波形前後沿陡，頂降小等特點。2、該通用型脈衝浮動板調製中開啟/截尾脈衝電路首次採用了可編程邏輯器 件FPGA，可通過軟體語言完成開啟/截尾脈衝各個參數的調節，與此前同類產品多採用 ⑶4098，SE555，5400等集成電路加電阻、電容等分立元件實現該項功能相比，具有靈活性 高，電路結構簡單等優點。3、該調製器中僅採用了單個脈衝變壓器，相對於同類已有產品減少了變壓器的使 用數量，降低了設備成本。該調製器中脈衝變壓器採用高壓航空線和非晶鐵芯繞制，相對於 已有調製中採用的漆包線繞制，環氧樹脂灌封的變壓器，具有體積小，絕緣性能好，設計加 工簡單等特點。4、該調製器的高壓開關部分採用厚膜工藝，在BaO陶瓷基板上絲印電路，使用漿 料刷制功率電阻並經雷射校準。相對於採用普通印製板、碳膜或水泥無感電阻，採用厚膜電 路的調製器具有體積小、重量輕、散熱性好等特點。5、該調製器的正偏壓通過低壓側高頻逆變器中的基準電平進行調節。只需改變高 頻逆變器的基準電平，就可實現調製器正偏壓在低壓側控制區連續可調，使得調製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，該調製器的正偏壓還可在行 波管放大器工作過程中進行靈活調節。與已有產品相比，具有通用性強、互換性好等特點。


圖1是本發明厚膜型浮動板調製器的組成框2是開啟/截尾脈衝波形示意3是脈衝驅動及其脈衝隔離變壓器電路原理4是厚膜高壓開關電路原理5是懸浮電源組成框圖
具體實施例方式參照上述附圖，對本發明的實施方式進行詳細敘述。如圖1所示，本發明的厚膜型浮動板調製器由控制器件FPGA，高速邏輯光耦、驅動 電路，脈衝隔離變壓器，厚膜高壓開關電路和懸浮電源組成。在浮動板調製器中，脈衝隔離變壓器受到脈寬_幅度積的限制，為了能夠同時兼 容窄脈衝(幾百ns)和極寬脈衝(數ms)，需要將輸入的極寬脈衝調製成一定佔空比的高 頻脈衝串，本發明利用可編程邏輯器件FPGA使用VHDL語言將輸入的極寬脈衝調製成開啟 高頻脈衝串和截尾脈衝，其調製波形見圖2。這樣的設計，使開啟高頻脈衝串和截尾脈衝的 形成沒有添加任何複雜的附加電路，不但減小了調製器的體積重量，同時增加了設計的靈 活性和調製器的通用性。高頻脈衝串通過隔離變壓器後，加至厚膜高壓開關電路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衝串的解調，從而實現 調製器輸出對極寬脈衝和窄脈衝的兼容。由於FPGA產生的脈衝幅度較低，一般情況下，需要將此信號放大後通過隔離脈衝 變壓去驅動厚膜高壓開關電路上的場效應管。為了保護主控晶片FPGA，開啟/截尾脈衝經 高速邏輯光耦6N137隔離後，在高速Mosfet柵極驅動器U2 [型號TC4424]中進行放大，脈 衝幅度可達15V。在圖3中，TC4424輸出脈衝經隔離電容C7和平衡電阻R7後直接驅動脈 衝變壓器T4，T4為單初級多次級(2個)結構。該調製器中脈衝隔離變壓器採用低Β,，高B 和高μ值的環形微晶磁芯，初級採用聚乙烯高壓線，次級採用耐壓為4KV的超細航空高壓 導線，其初次級匝數比為10 10 10。調製器的厚膜高壓開關電路如圖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電路的核心器件，它的選擇在一定程度上決定了調製器 的最高開關頻率、上升/下降沿等技術指標。選取開啟/截尾場效應管應遵循如下基本原 則①具有儘可能低的導通電阻RDS(。n)，以減小開關管的管壓降和導通損耗，有利於提高調 制器的工作頻率；②具有儘可能小的分布電容，以降低開關損耗和獲取更好的開關特性。③ 在符合前兩項要求的前提下，具有儘可能高的擊穿電壓，以提高調製器的工作可靠性。在該 調製器中，場效應管採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體，Ql和Vl組成快速放電電路，用以縮短 Q2在開啟脈衝串結束後的放電時間，從而有利於減小調製器的功率損耗和發熱量。V2，V4 為TVS，用於保護開啟/截尾開關管的柵極免受過壓脈衝的損壞。V5，V6為高壓二極體，主要用於消除調製脈衝的頂部和底部過衝。SGl為高壓氣體放電管，在行波管發生打火故障 時，用於保護開啟管Q2和截尾管Q3的源-漏極免受擊穿威脅。在本發明中，包括匹配電阻 R1，R6，功率電阻R2，R3，R4，下拉電阻R5和電路走線均採用厚膜工藝，在組分為BaO的陶瓷 基板上塗覆而成，相對於採用分立電阻器件，其具有體積下、重量輕、散熱好等優點。高壓厚膜開關的工作過程敘述如下在脈衝持續期間，FPGA產生的波形經驅動放 大電路和隔離變壓器T4送至高壓厚膜開關。脈衝隔離變壓器T4的兩個次級輸出(波形如 圖3右側所示)分別經過二極體Vl和V3分揀後，送至開啟管Q2柵-源極的為高頻脈衝 串，送至截尾管Q3柵-源極的為截尾脈衝。在高頻脈衝串持續期間，Q2導通，調製器輸出 為正偏壓。當高頻脈衝串結束時，Q2柵極分布電容上的電荷通過Ql和Vl迅速放掉，Q2關 斷；與此同時，截尾脈衝加至Q3，使其導通，調製器輸出切換為負偏壓。在脈衝間歇期，由於 下拉電阻R5的存在，調製器輸出為負偏壓。由於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 電源很難獲得極低的電壓紋波，因此在調製器中採用了易於輸出較低紋波的線性三端穩壓 器Ul進行穩壓。然而由於柵控行波管的電子注開啟電壓的離散性較大，為了使調製器具 有較強的通用性，本發明中採用了如附圖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T3，三端穩壓器Ul與倍壓整流濾波器構成，為厚膜 高壓開關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的一個次級產生的電壓經倍壓整流濾波後產生負偏壓，另外一個次級產生的 電壓經倍壓整流濾波後用於產生三端穩壓器Ul (型號LM117)的輸入1 ;T2的作用是次級輸 出經過倍壓整流後產生三端穩壓器Ul的調節端(即Ul的ADJ管腳)所要求的電壓；Τ3為 反饋變壓器，它對Τ2的輸出進行採樣，輸出經整流濾波後與高頻逆變器Μ2的基準電平進行 比較，比較產生的誤差經運放放大後，調節逆變器Μ2的輸出波形幅度，使得三端穩壓器Ul 調節端的電壓發生改變，從而完成穩壓三端輸出的調節。因此，採用圖5所示的電路只需改 變高頻逆變器的基準電平，就可實現調製器正偏壓在低壓側控制區連續可調，使得該調製 器能夠滿足不同行波管的要求，使其具有很強的通用性。由於調製器需要懸浮電源的提供 功率的較小，高頻逆變器採用經過改進的Royer變換器，儘管該變換器效率不高，但其具有 結構簡單、易於濾波、造價低廉等優點。本發明的調製器具有性能指標好，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管放大器的使用要求。
權利要求
一種通用厚膜型浮動板調製器，其特徵在於該調製器由控制器件FPGA，高速邏輯光耦、驅動電路，脈衝隔離變壓器，厚膜高壓開關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衝調製成開啟脈衝串和截尾脈衝；採用高速邏輯光耦隔離行波管放大器發生打火故障，保護FPGA；所述驅動電路採用MOSFET高速驅動器實現對開啟脈衝串和截尾脈衝的放大；所述脈衝隔離變壓器由單初級與雙次級構成，所述厚膜高壓開關電路由開啟管Q2和截尾管Q3及其輔助電路組成，開啟脈衝串和截尾脈衝經隔離變壓器傳輸到厚膜高壓開關電路，加至開啟管Q2和截尾管Q3的柵極 源極之間，實現極寬脈衝和窄脈衝的兼容；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.根據權利要求1所述的通用厚膜型浮動板調製器，其特徵在於所述脈衝隔離變壓 器採用低扎，高B和高μ值的環形微晶磁芯，初級採用聚乙烯高壓線製備，次級採用耐壓為 4KV的超細航空高壓導線繞制，其初級與次級匝數比為10 10 10。
3.根據權利要求1所述的通用厚膜型浮動板調製器，其特徵在於所述厚膜高壓開關 電路的輔助電路由二極體V1、V2、V3、V4、V5、V6，三極體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體，Ql和Vl組成快速放電電路，用以縮短Q2在開 啟脈衝串結束後的放電時間，V2，V4為瞬態電壓抑制器，用於保護開啟管Q2和截尾管Q3的 柵極免受過壓脈衝的損壞；V5, V6為高壓二極體，用於消除調製脈衝的頂部和底部震蕩；高 壓氣體放電管SGl在行波管發生故障時，用於保護開啟管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.根據權利要求3所述的通用厚膜型浮動板調製器，其特徵在於所述厚膜高壓開關 電路的所有電阻和電路走線均採用厚膜工藝，在組分為BaO的陶瓷基板上塗覆而成。
5.根據權利要求1所述的通用厚膜型浮動板調製器，其特徵在於所述懸浮電源由高 頻逆變器Ml和M2，高頻功率變壓器Tl、T2和Τ3，三端穩壓器Ul與倍壓整流濾波器構成，為 厚膜高壓開關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的一個次級產生的電壓經倍壓整流濾波後產生負偏壓，另外一個次級產 生的電壓經倍壓整流濾波後輸入三端穩壓器U1，經三端穩壓器Ul穩壓輸出極低電壓紋波 的正偏壓；高頻功率變壓器Τ2次級的輸出電壓經過倍壓整流後，向三端穩壓器Ul的調節端 提供電壓；Τ3為反饋變壓器，對變壓器Τ2的輸出進行採樣，採樣信號後與高頻逆變器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節，使得三端穩壓器Ul調節端 的電壓發生改變，從而完成穩壓三端輸出的調節。
全文摘要
本發明涉及通用厚膜型浮動板調製器，由控制器件FPGA，高速邏輯光耦、驅動電路，脈衝隔離變壓器，厚膜高壓開關電路和懸浮電源組成，FPGA使用VHDL語言將極寬脈衝調製成開啟脈衝串和截尾脈衝；採用高速邏輯光耦隔離行波管放大器發生打火保護FPGA；驅動電路採用高速驅動器對開啟脈衝串和截尾脈衝放大；脈衝隔離變壓器由單初級與雙次級構成，厚膜高壓開關電路由開啟管和截尾管輔助電路組成，開啟脈衝串和截尾脈衝經隔離變壓器傳輸到厚膜高壓開關電路，通過切換開啟管和截尾管的通/斷，實現極寬脈衝和窄脈衝兼容。本發明用軟體語言完成開啟/截尾脈衝的參數調節，通過低壓側高頻逆變器的基準電平調節正偏壓，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 優先權日2010年7月16日
發明者何鵬軍, 張耀, 焉偉森, 許馮華, 閆自讓, 顧光 申請人:中國兵器工業第二○六研究所