一种最大占空比100%的行波管调制器电路的制作方法

一种最大占空比100％的行波管调制器电路
技术领域
1.本发明涉及行波管高压电源技术，特别是一种最大占空比100％的行波管调制器电路。


背景技术：

2.行波管是利用电子注与高频行波场相互作用时进行能量的交换，完成射频信号放大的一种电真空器件，目前广泛应用于电子对抗、雷达等领域。由于行波管器件自身特性，其内部必须建立高压电场对电子束进行聚束、加速、回收等，栅极控制的行波管通过控制栅极电压的开通与关断实现行波管输出功率的开启与关断，行波管调制器就是根据调制信号产生调制的栅极电压给行波管供电。
3.目前，常见的调制器设计方案通过将低压侧输入的调制信号进行前后沿分离，生成前沿脉冲、后沿脉冲，然后经过脉冲隔离变压器传输至高压侧，用以驱动调制器电路。该方案中高压侧的调制器驱动信号是由前沿与后沿脉冲生成的，其固有的缺陷就是无法适应脉宽较大的调制信号或者占空比达100％的信号，所以其基本上是使用在占空比较低的，脉宽较小的脉冲式行波管场合。某些场合下需要行波管工作在连续波或者脉宽较大的调制状态下，该方案就无法胜任。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提出一种最大占空比100％的行波管调制器电路。
5.实现本发明目的的技术解决方案为：一种最大占空比100％的行波管调制器电路，包括：信号高频调制单元、隔离驱动变压器、驱动生成单元、高压调制电路，其中：信号高频调制单元接收输入的调制信号及使能信号，进行逻辑运算，产生呈逻辑非关系的两种信号，并将运算后的信号高频调制化，得到高频调制脉冲信号1和高频调制脉冲信号2，分别对应于调制信号中高电平部分和低电平部分；信号高频调制单元的输出送至隔离驱动变压器，实现信号由低压侧向高压侧的传输；驱动生成单元将隔离驱动变压器送出的信号还原成与低压侧的调制信号相同信息的驱动信号，用以控制高压调制器电路，高压调制器电路通过驱动开关管的开通与关断实现栅极电压在正栅电压和负栅电压切换。
6.进一步的，经高频调制化后得到的高频调制脉冲信号1和高频调制脉冲信号2，其高频脉冲部分的脉冲重频为1mhz～2mhz，脉宽为80ns～120ns。
7.进一步的，所述信号高频调制单元包括第一与非门、第二与非门、第三与非门、第四与非门、第五与非门、第六与非门、第一二极管、第二二极管、第一电阻、第二电阻、第三电阻、第四电阻、第一电容、第二电容，其中：
8.输入调制信号与使能信号同时分别输入第一与非门的第一输入端和第二输入端，第一与非门的输出接第二与非门的第一输入端和第二输入端，同时第一与非门的输出还接入与第三非门的第一输入端，第一电容的第一端接第三与非门的第二输入端，且与第二电阻的第一端、第一二极管的阳极相接，第一电容的第二端接地，第二电的第二端与第三与非
门的输出相接，且与第一电阻的第二端相接，第一二极管的阴极与第一电阻的第一端相接；第二与非门的输出端接第四与非门的第一输入端相接，第二电容的第一端接第四与非门的第二输入端，且与第四电阻的第一端、第二二极管的阳极相接，第二电容的第二端接地，第四电阻的第二端与第四与非门的输出相接，且与第三电阻的第二端相接，第二二极管的阴极与第三电阻的第一端相接；第三与非门的输出同时接入与第五与非门的第一输入端、第二输入端，第四与非门的输出同时接入与第六与非门的第一输入端、第二输入端，第五与非门的输出信号即为高频调制脉冲信号2，第六与非门的输出信号即为高频调制脉冲信号1。
9.更进一步的，所述第一二极管、第二二极管采用锗二极管或者肖特基二极管。
10.更进一步的，所述第三与非门、第四与非门采用带斯密特触发的与非门。
11.进一步的，所述隔离驱动变压器包括第一隔离变压器、第二隔离变压器，第一隔离变压器的第一输入端1接高频脉冲调制信号1，第一变压器的第二输入端2接地；第二隔离变压器的第一输入端1接高频脉冲调制信号2，第二变压器的第二输入端2接地。
12.进一步的，所述的驱动生成单元包括第一驱动器、第二驱动器、第三电容、第四电容、第十三电阻、第三二极管、第三晶体管、第十四电阻、第十五电阻、第五电容、第六电容、第十六电阻、第四二极管、第四晶体管、第十七电阻、第十八电阻，其中：第一驱动器、第二驱动器采用mc33152，第一驱动器的第二端、第四端分别接入所述高频调制脉冲信号1和高频调制脉冲信号2经隔离驱动变压器隔离之后的信号，第十三电阻和第三二极管串联后接第一驱动器的第七端和第三晶体管的收集极之间，第十五电阻和第四电容并联后接第一驱动器的第五端和第三晶体管的基极之间，第十四电阻第一端接第三晶体管的收集极，第二端接第三晶体管的发射极；第二驱动器的第二端、第四端分别接入所述高频调制脉冲信号2和高频调制脉冲信号1经隔离驱动变压器隔离之后的信号，第十六电阻和第四二极管串联后接第二驱动器的第七端和第四晶体管的收集极之间，第十八电阻和第六电容并联后接第二驱动器的第五端和第四晶体管的基极之间，第十七电阻第一端接第四晶体管的收集极，第二端接第四晶体管的发射极。
13.更进一步的，所述高压调制电路包括第一开关管、第二开关管、第十九电阻、第二十电阻、第二十一电阻、第二十二电阻，第一开关管的栅极接第三二极管的阴极，第一开关管的漏极接正栅电压( eg)；第一开关管的源极接第十九电阻的第一端，且接第二十电阻的第一端；第二十电阻的第二端接第二十一电阻的第一端；第二开关管的栅极接第四二极管的阴极；第二开关管的漏极接第二十一电阻的第二端，且接第二十二电阻的第一端；第二开关管的源极接负栅电压(-eg)，且接第二十二电阻的第二端接和第二驱动器的第三端；第十九电阻的第二端接ug，即为调制器的输出。
14.一种最大占空比100％的行波管调制方法，基于所述的行波管调制器电路实现最大占空比100％的行波管调制。
15.本发明与现有技术相比，其显著优点为：1)调制最大占空比达100％：本发明的行波管调制器电路将输入的调制信号高频化后，通过隔离驱动变压器输至高压侧，其调制最大占空比达100％。2)延时短：本发明的行波管调制器电路在低压侧的信号调制单元只需通过3级门电路处理，信号传输延时较短；调制开关管驱动器在高压侧，缩短了调制开关的上升沿和下降沿，缩短了开关延时。3)方法简单、体积小：本发明的行波管调制器电路所采用的元器件少，通过载波调制高频化后隔离驱动变压器的尺寸减小，可减少行波管调制器的
体积。
附图说明
16.图1是本发明的行波管调制器电路原理框图。
17.图2是本发明的行波管调制器电路的低压侧的信号高频调制单元原理图。
18.图3是本发明的信号高频调制单元的输入与输出信号的示意图。
19.图4是本发明的行波管调制器电路高压侧部分电路图。
具体实施方式
20.为了使本技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本技术进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本技术，并不用于限定本技术。
21.如图1所示，本发明的行波管调制器电路原理框图，包括：信号高频调制单元1、隔离驱动变压器2、驱动生成单元3、高压调制电路4。
22.所述信号高频调制单元1工作在低压侧端，将输入的调制信号及使能信号先进行逻辑运算，再进行高频调制化，然后所产生的高频调制脉冲信号送至后级隔离驱动变压器。
23.所述的隔离驱动变压器2主要是实现信号的隔离，将低压侧的高频调制脉冲信号送至高压侧的驱动生成单元。
24.所述的驱动生成单元3工作在高压侧端，将由隔离驱动变压器输出的高频调制脉冲信号转换成可以驱动高压调制电路的驱动信号。
25.所述的高压调制电路4工作在高压侧端，其受控于驱动生成单元号的驱动信号，产生满足于行波管需要的栅极电压，其占空比是对应于低压侧输入调制信号的，最高可达100％，即常开状态。
26.如图2所示，本发明中信号高频调制单元2的原理图，包括与第一非门u1、第二与非门u2、第三与非门u3、第四与非门u4、第五与非门u5、第六与非门u6、第一二极管d1、第二二极管d2、第一电阻r1、第二电阻r2、第三电阻r3、第四电阻r4、第一电容c1、第二电容c2。
27.其连接关系为：输入调制信号与使能信号同时分别输入第一与非门u1的第一输入端和第二输入端，第一与非门u1的输出接第二与非门u2的第一输入端和第二输入端。同时第一与非门u1的输出还接入与第三非门u3的第一输入端，第一电容c1的第一端接第三与非门u3的第二输入端，且与第二电阻r2的第一端、第一二极管d1的阳极相接，第一电容c1的第二端接地，第二电阻r2的第二端与第三与非门u3的输出相接，且与第一电阻r1的第二端相接，第一二极管d1的阴极与第一电阻r1的第一端相接。第二与非门u2的输出端接第四与非门u4的第一输入端相接，第二电容c2的第一端接第四与非门u4的第二输入端，且与第四电阻r4的第一端、第二二极管d2的阳极相接，第二电容c2的第二端接地，第四电阻r4的第二端与第四与非门u4的输出相接，且与第三电阻r3的第二端相接，第二二极管d2的阴极与第三电阻r3的第一端相接。第三与非门u3的输出同时接入与第五与非门u5的第一输入端、第二输入端，第四与非门u4的输出同时接入与第六与非门u6的第一输入端、第二输入端。第五与非门u5的输出信号即为高频调制脉冲信号2，第六与非门u6的输出信号即为高频调制脉冲信号1。
28.结合上述电路的具体连接关系，对本发明中信号高频调制单元2的工作原理进行说明：第一与非门u1和第二与非门u2对输入信号进行逻辑运算，即可得到两相位互补的信号。由二极管d1、电阻r1、电阻r2、与非门u3、电容c1即组成高频调制信号电路。参数选择依据以下所述：在该电路中二极管d1选正向导通压降较低的二极管，优选的，锗二极管效果较佳，也可选正向导通压降较低的肖特基二极管。与非门u3选带施密特触发的与非门，优选的如sn54ls132，其他型号的也可以，此处并不局限于此。电容c1参数选择1000pf左右即可。较佳的，该电路的高频载波频率设置在1.5mhz左右。根据输入信号的特征对该电路的原理介绍如下，与非门u3的第一输入端为高电平时，电容c1未充电，此时可根据逻辑关系可得与非门u3的输出为高。与非门u3的输出通过电阻r2给电容c1充电，电容c1的电压上升，即与非门u3的第二输入电压上升，当达到高电平时，由逻辑关系可知，与非门u3输出翻转为低，此时，电容c1通过二极管d1、电阻r1进行放电，即与非门u3的第二输入电压下降，当达到低电平时，与非门u3输出翻转为高，之后继续上述过程，此过程直到与非门u3的第一输入端为低电平时为止；当与非门u3的第一输入端为低电平时，无论电容c1是否充电，与非门u3的输出为高。第五与非门u5的作用是将前级信号翻转取反。
29.由二极管d2、电阻r3、电阻r4、与非门u4、与非门u6、电容c2组成的高频调制信号电路的原理同上，参数同上，工作过程在此不再叙述。
30.如图3所示，本发明的信号高频调制单元的输入与输出信号的示意图，结合以上对信号高频调制单元的原理叙述，可以轻易得到信号高频调制单元的输入与输出信号逻辑关系及其高频调制特征。
31.如图4所示，本发明提供的行波管调制器电路高压侧部分电路图，其中隔离驱动变压器包括第一隔离变压器t1、第二隔离变压器t2。其连接关系为：第一隔离变压器t1的第一输入端1接高频脉冲调制信号1，第一变压器t1的第二输入端2接地。第二隔离变压器t2的第一输入端1接高频脉冲调制信号2，第二变压器t2的第二输入端2接地。
32.驱动生成单元包括第五电阻r5、第六电阻r6、第七电阻r7、第八电阻r8、第九电阻r9、第十电阻r10、第十一电阻r11、第十二电阻r12、第一驱动芯片n1、第二驱动芯片n2，第三电容c3、第四电容c4、第十三电阻r13、第三二极管d3、第三晶体管v3、第十四电阻r14、第五电容c5、第六电容c6、第十六电阻r16、第四二极管d4、第四晶体管v3、第十八电阻r18。其连接关系为：第一隔离变压器t1的次级绕组第三输出端3接第五电阻(r5)第一端，第五电阻r5第二端接第六电阻r6的第一端，且同时接第一驱动器n1的第二端。第六电阻r6的第二端接第一隔离变压器t1的次级绕组第四输出端4，且接第一驱动器n1的第三端。第一驱动器n1的第七端接第十三电阻r13的第一端。第十三电阻r13的第二端接第三二极管d3的阳极。第二隔离变压器t2的次级绕组第三输出端3接第九电阻r9第一端，第九电阻r9第二端接第十电阻r10的第一端，且同时接第一驱动器n1的第四端。第十电阻r10的第二端接第二隔离变压器t2的次级绕组第四输出端4，且接第一驱动器n1的第三端。第一驱动器n1的第五端接第十五电阻r15的第一端，且接第四电容c4的第一端。第十五电阻r15的第二端接第四电容c4的第二端，且接第三晶体管v3的基极。第三晶体管v3的集电极接第三二极管d3的阴极，且接第十四电阻的第一端。第三晶体管v3的发射极接第十四电阻的第二端，且接第一驱动器n1的第三端。
33.第一隔离变压器t1的次级绕组第五输出端5接第七电阻r7第一端，第七电阻r7第
二端接第八电阻r8的第一端，且同时接第二驱动器n2的第四端。第八电阻r8的第二端接第一隔离变压器t1的次级绕组第六输出端6，且接第二驱动器n2的第三端。第二隔离变压器t2的次级绕组第五输出端5接第十一电阻r11第一端，第十一电阻r11第二端接第十二电阻r12的第一端，且同时接第一驱动器n1的第二端。第十二电阻r12的第二端接第二隔离变压器t2的次级绕组第六输出端6，且接第二驱动器n1的第三端。第二驱动器n2的第七端接第十六电阻r16的第一端。第十六电阻r16的第二端接第四二极管d4的阳极。第二驱动器n1的第五端接第十八电阻r15的第一端，且接第六电容c6的第一端。第十八电阻r18的第二端接第六电容c6的第二端，且接第四晶体管v4的基极。第四晶体管v4的集电极接第四二极管d4的阴极，且接第十七电阻的第一端。第四晶体管v4的发射极接第十七电阻r17的第二端，且接第二驱动器n2的第三端。
34.高压调制电路包括第一开关管v1、第二开关管v2、第十九电阻r19、第二十电阻r20、第二十一电阻r21、第二十二电阻r22。其连接关系为：第一开关管v1的栅极接第三二极管d3的阴极。第一开关管v1的漏极接正栅电压( eg)。第一开关管v2的源极接第十九电阻r19的第一端，且接第二十电阻r20的第一端。第二十电阻r20的第二端接第二十一电阻r21的第一端。第二开关管v2的栅极接第四二极管d4的阴极。第二开关管v2的漏极接第二十一电阻r21的第二端，且接第二十二电阻r22的第一端。第二开关管v2的源极接负栅电压(-eg)，且接第二十二电阻r22的第二端接和第二驱动器n2的第三端。第十九电阻r19的第二端接ug，即为调制器的输出。
35.需要注意的是，在图4中已标注了第一驱动变压器t1、第二驱动变压器t2的同名端关系。第一驱动n1、第二驱动器n2，优选的如mc33152，其他型号的也可以，此处并不局限于此。
36.结合上述电路的具体连接关系，对本发明提供的行波管调制器电路高压侧部分电路图的工作原理进行说明：参见图3，高频调制脉冲信号1中高频脉冲部分对应于输入调制信号的高电平部分，高频调制脉冲信号2中高频脉冲部分对应于输入调制信号的低电平部分。驱动生成单元根据以上特征对调制信号进行还原并用以驱动高压调制器电路。电路中第一驱动器n1及其外围电路与第二驱动器n2及其外围电路所实现的功能类似，其从高频调制脉冲信号还原成驱动信号的机理是一样的。此处以第一驱动器n1及其外围电路为例解释说明电路的工作原理，行波管调制器都是浮在阴极高压电源上，高压电源引起的干扰不可避免，电阻r5与r6的作用是吸收一些毛刺干扰，驱动器n1的第七端输出经过电阻r13、电容d3、并和主开关管v1自身结电容cgs相互作用，通过对主开关管v1自身结电容cgs的充电将高频的脉冲信号整形还原为主开关管v1需要的方波驱动信号。驱动器n1的第五端输出的高频脉冲部分对应于调制信号的关断信号即低电平部分，驱动器n1的第五端输出经过电阻r15和加速电容c4作用于晶体管v3，使得在调制信号为低电平部分时，能够让主开关管v1自身结电容cgs上的电荷通过晶体管v3快速放掉，这样主开关管v1就能快速关断。为改善调制器输出的栅极电压脉冲后沿，让其后沿变陡，图4中开关管v2为截尾开关管，其同样也是由所述的高频调制脉冲信号2和高频调制脉冲信号1经隔离驱动变压器隔离之后的信号共同作用产生，当低压侧调制信号为低电平时，截尾开关管打开，提供一条让负载端栅极与阴极之间的电容快速放电的泄放回路。
37.综上所述，本发明通过信号调制单元在低压侧实现调制信号及使能信号的逻辑运
算，并将运算后的结果高频调制化，高频调制化的调制信号即可通过小体积的隔离驱动变压器传输至高压侧。在高压侧通过驱动生成单元将隔离驱动变压器送出的信号还原成与低压侧的控制信号相同信息的驱动信号，用以控制高压调制器电路。
38.以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
39.以上所述实施例仅表达了本技术的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本技术构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本技术的保护范围。因此，本技术专利的保护范围应以所附权利要求为准。