CN109686637B

CN109686637B - 一种聚焦极控制行波管阴极脉冲调制装置及方法

Info

Publication number: CN109686637B
Application number: CN201811378578.5A
Authority: CN
Inventors: 王一农; 陈永浩; 徐晓荣
Original assignee: CETC 38 Research Institute
Current assignee: CETC 38 Research Institute
Priority date: 2018-11-19
Filing date: 2018-11-19
Publication date: 2020-09-11
Anticipated expiration: 2038-11-19
Also published as: CN109686637A

Abstract

本发明公开了一种聚焦极控制行波管阴极脉冲调制装置及方法，其装置包括高压电源、截尾开关管电路和开启开关管电路；高压电源具有两个输出端口A和B，输出端A连接截尾开关管电路的输入端，输出端B连接开启开关管电路的输出端和行波管的聚焦极；截尾开关管电路输出端与开启开关管电路的输入端以及行波管的阴极连接形成公共端C。其调制方法为将聚焦极始终维持在同步电位，通过使得阴极在截止正偏压和同步电位间摆动控制电子束电流的通断。行波管截止电压为正偏压,无需独立偏置电源控制聚焦极行波管电子注通断，电路简单使用器件少，降低了成本，使得电源的体积减小，大大提高了整个行波管发射机的可靠性和功率密度。

Description

一种聚焦极控制行波管阴极脉冲调制装置及方法

技术领域

本发明涉及雷达发射机技术领域，尤其涉及的是一种聚焦极控制行波管阴极脉冲调制装置及方法。

背景技术

行波管广泛应用于雷达、电子对抗、卫星通讯等领域，是一种常用的微波功率放大的核心器件，一般具有多个电极，如灯丝、阴极、收集极、聚焦极和阳极等，当行波管的各个电极加上合适的电源电压后，其将输入微波信号进行有效放大。

脉冲行波管在雷达、通信、电子对抗等应用中，都需要对行波管进行电子注调制。电子注调制用来在脉冲间歇期截止电子注，以减少功率损耗及减轻冷却要求。在单天线雷达系统中，在脉冲间歇期必须截止电子注，防止来自行波管的热噪声进入接收通道。

行波管聚焦极控制阴极周围的电场，把电子聚焦成一个直径很细的电子注，使它进入慢波结构。当聚焦极电位置于或接近于阴极电位，则电子注导通；聚焦极电位相对阴极为负值，则电子注切断。

一般的行波管控制采用聚焦极调制的方法，使阴极电位始终在同步电位上，而聚焦极电位在截止负偏压和同步电位间摆动，从而控制电子束电流的通断。同步电压和负偏压必须为两个独立电源。独立的负偏压电源浮动在阴极电位上。在加电顺序上必须遵循先加负偏压，后加阴极同步电压的顺序，确保行波管不散焦。这种方案的缺点在于，首先是由于采用独立的电源供电，其体积较大，增加了成本和重量。其次，因为负偏压电源浮动在阴极高压上，是行波管放大器(发射机)的工作可靠性环节的一个薄弱点。在对发射机的体积、重量和可靠性有严格限制的情况下，例如机载雷达，采用这种调制方式有其局限性。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于：常用行波管聚焦极调制方法存在电源品种多、成本高、可靠性差、体积和重量大等缺点，不能满足发射机系统的要求，提供了一种聚焦极控制行波管阴极脉冲调制装置及方法。

本发明是通过以下技术方案解决上述技术问题的，本发明包括高压电源、截尾开关管电路和开启开关管电路；所述高压电源具有两个输出端A和B，所述输出端A连接截尾开关管电路的输入端，所述输出端B分别连接开启开关管电路的输出端与行波管的聚焦极；所述截尾开关管电路输出端、开启开关管电路的输入端、行波管的阴极连接形成公共端C。

所述高压电源包括变换器、多输出绕组高压变压器和两路整流滤波电路；其中变换器输出端接多输出绕组高压变压器原边，多输出绕组高压变压器的副边连接两路整流滤波电路输入端；电源信号从变换器输入，经多输出绕组高压变压器变压后，送至副边两路整流滤波电路输出供电。

所述高压电源输出正偏置电压、同步电压以及其它行波管需要的供电；所述高压电源从输出端A和输出端B之间输出相对于阴极的正偏置电压；所述高压电源的输出端B为行波管聚焦极提供同步电压。

所述截尾开关管电路包括n个截尾开关管、n个充电电阻R1～Rn和限流电阻Rn+1；所述截尾开关管S1～Sn与限流电阻Rn+1串联，充电电阻R1～Rn分别与每个截尾开关管并联；截尾开关管可根据需要选择MOSFET或IGBT管；截尾开关管电路的输入端接正偏电压输出，输出端接开启开关管电路的输入端和行波管的阴极。

所述截尾开关管个数n与偏置电压的数值相匹配，其串联耐压值至少为偏置电压的两倍；

所述开启开关管电路包括n个开启开关管和限流电阻Rn+2；所述开启开关管Sn+1～S2n+1与限流电阻Rn+2串联；开启开关管可根据需要选择MOSFET或IGBT管。

所述开启开关管个数n取决于偏置电压的数值，其串联耐压大于偏置电压的两倍。

所述截尾开关管个数与开启开关管个数相同。

所述装置将行波管聚焦极维持在同步电位，通过所述截尾开关电路和所述开启开关管电路的调制使得阴极在截止正偏压和同步电位间摆动，从而控制电子束电流的通断；电子注截止的条件为阴极相对聚焦极电位为截止正偏压。

本发明相比现有技术具有以下优点：本发明提出了一种聚焦极行波管阴极脉冲调制的装置和及方法，截止电压为正偏压,无需独立偏置电源控制聚焦极行波管电子注通断，电路简单，使用器件少，降低了成本，使得电源的体积减小，大大提高了整个行波管发射机的可靠性和功率密度。高压电源向行波管供电时，由于开启和截尾开关管关断，阴极电子束电流没有通路，因此不会产生电子注散焦。

附图说明

图1是本发明的系统电路框图；

图2是本发明的高压电源电路的电路原理图；

图3是本发明的截尾开关管电路的电路原理图；

图4是本发明的开启开关管电路的电路原理图。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

如图1所示，所述装置包括高压电源1、截尾开关管电路2和开启开关管电路3；高压电源1具有两个输出端A和B，所述输出端A连接截尾开关管电路2的输入端，所述输出端B分别连接开启开关管电路3的输出端与行波管的聚焦极；所述截尾开关管电路2输出端、开启开关管电路3的输入端、行波管的阴极连接形成公共端C。

当初始状态时，截尾开关管和开启开关管因没有驱动信号都处于关断状态，正偏电源通过充电电阻R1～Rn及行波管的阴极、聚焦极形成回路。由于截尾开关管的关断电阻远大于R1～Rn的和值,所以阴极对聚焦极分布电容上的电压约等于正偏电源的输出电压，从而得到所需的正偏电压，行波管截止。当开启驱动脉冲加至开启开关管电路3时，开启开关管电路3开通，阴极对聚焦极分布电容上的电压通过开启开关管电路3形成放电回路，最终放电为零，行波管导通。当截尾驱动脉冲加至截尾开关管时，截尾开关管导通，正偏电源通过截尾开关管及阴极、聚焦极形成回路，阴极对聚焦极分布电容上的电压再次充电至正偏电源的输出电压，行波管截止。如此，就可得到所需的阴极调制脉冲。限流电阻Rn+1、Rn+2起限流等保护作用。为了保证截尾开关管和开启开关管不连通，截尾驱动脉冲需要落后调制驱动脉冲一段时间，因此，最后得到的调制脉宽略大于外来触发脉宽，一般展宽约100～200nS。

阴极调制过程和聚焦极调制过程一样，调制电压的摆幅和前后沿是决定管子是否散焦的唯一因素。阴极调制过程和聚焦极调制过程的差别在于聚焦极电压摆动还是阴极电压摆动，两种调制电路的负载相同(极间分布电容)，充放电回路相同，因此阴极调制和聚焦极调制的脉冲摆幅和前后沿是一样的，不会引起行波管散焦。

当高压电源1首次加电时，截尾开关管和开启开关管处于关断状态。假定最恶劣情况，同步电压已经加上，而截止正偏电压没有，行波管完全导通。行波管完全导通后，阴极电流I为数百毫安，阴极电流会通过开启开关管分布电容流回变压器绕组，同时对阴极与聚焦极间分布电容充电，偏置电压上升到截止电压，行波管截止。散焦时间t计算公式如下：

其中C为阴极与聚焦极间总分布电容，U为正偏电压值，I为阴极电流。根据聚焦极控制行波管典型参数，散焦时间通常为1uS左右，行波管可以承受。

如图2所示，所述高压电源1包括变换器5、多输出绕组高压变压器7和两路整流滤波电路6；其中变换器5输出端接多输出绕组高压变压器7原边，多输出绕组高压变压器7的副边连接两路整流滤波电路6输入端；电源信号从变换器输入，经多输出绕组高压变压器7变压后，送至副边两路整流滤波电路6输出供电。

所述高压电源1输出正偏置电压、同步电压以及其它行波管需要的供电；所述高压电源1从输出端A和输出端B之间输出相对于阴极的正偏置电压；所述高压电源1的输出端B为行波管聚焦极提供同步电压。

当行波管截止时，截尾开关管导通，开启开关管关断。正偏电源向行波管阴极和聚焦极之间的分布电容充电，这时正偏电源的功率主要耗散在电容充电过程。当行波管导通时，开启开关管导通，截尾开关管关断。这时正偏电源的功率主要耗散在电阻R1～Rn上。阴极和聚焦极之间的总分布电容应包括行波管的阴极和聚焦极之间的分布电容、开关管的输出电容及引线、高压元件的分布电容等。一般阴极和聚焦极之间的分布电容约50～100pF，开关管电容则随具体选用管子的不同而不同，分布电容更直接与布置方式有关。正偏电源功率计算如下：

其中C为阴极和聚焦极之间的总分布电容，U为正偏电压，f为调制脉冲重复频率，δ为调制脉冲占空比，R1～Rn为充电电阻值，Pout为正偏电源输出功率。

如图3所示，所述截尾开关管电路2包括n个截尾开关管、n个充电电阻R1～Rn和限流电阻Rn+1；所述截尾开关管S1～Sn与限流电阻Rn+1串联，充电电阻R1～Rn分别与每个截尾开关管并联；截尾开关管可根据需要选择MOSFET或IGBT管；截尾开关管电路2的输入端接正偏电压输出，输出端接开启开关管电路3的输入端和行波管的阴极。

截尾开关管在截尾驱动信号的驱动下，迅速导通，正偏电压迅速向行波管阴极与聚焦极间分布电容充电，使行波管阴极与聚焦极间达到电子注截止电压。充电电阻在电路没有截尾驱动信号时，正偏电压可通过充电电阻向阴极与聚焦极间分布电容充电，达到截止电压。限流电阻的作用是防止截尾开关管和开启开关管直通，导致电流过大损坏开关管。

开关管串联时需确保耐压，开关管实际工作时的耐压一般取其额定值的50％，则需要串联的MOSFET或IGBT开关个数至少为：

其中U为正偏电压，VCES为开关管额定电压，Ns为开关管串联个数。

考虑充电电阻分压尽可能小，同时兼顾电阻损耗。充电电阻一般选择为开关管关断阻抗的1/10，充电电阻阻值为：

其中VCES为开关管额定电压，ICES为漏电流，RC为充电电阻阻值。

如图4所示，所述开启开关管电路3包括n个开启开关管和限流电阻Rn+2；所述开启开关管Sn+1～S2n+1与限流电阻Rn+2串联；开启开关管可根据需要选择MOSFET或IGBT管。开启开关管个数与截尾开关管个数相同。开关管串联确保耐压。开关管在开启驱动信号的驱动下，迅速导通，行波管阴极与聚焦极间分布电容迅速放电，使行波管阴极与聚焦极间达到电子注导通电压。限流电阻的作用是防止截尾开关管和开启开关管直通，导致电流过大损坏开关管。开启开关管电路3的输入端接截尾开关电路的输出端和行波管阴极，输出端接高压电源1的同步电压输出端和行波管聚焦极。

限流电阻Rn+1、Rn+2的取值要考虑到指标对脉冲上升/下降时间小于限定值的要求。假定开关管是理想开关，则限流电阻值为：

其中C为阴极与聚焦极间总分布电容，t为限定的脉冲上升沿时间，R为限流电阻Rn+1、Rn+2的和。

综上所述，本发明实现了聚焦极控制行波管电源的简单化、小型化，提高整个电源的功率密度和可靠性。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种聚焦极控制行波管阴极脉冲调制装置，其特征在于：包括高压电源、截尾开关管电路和开启开关管电路；所述高压电源具有两个输出端A和B，所述输出端A连接截尾开关管电路的输入端，所述输出端B分别连接开启开关管电路的输出端与行波管的聚焦极；所述截尾开关管电路输出端、开启开关管电路的输入端、行波管的阴极连接形成公共端C；

所述高压电源输出正偏置电压和同步电压；所述高压电源从输出端A和输出端B之间输出相对于阴极的正偏置电压；所述高压电源的输出端B为行波管聚焦极提供同步电压。

2.根据权利要求1所述的一种聚焦极控制行波管阴极脉冲调制装置，其特征在于：所述高压电源包括变换器、多输出绕组高压变压器和两路整流滤波电路；其中变换器输出端接多输出绕组高压变压器原边，多输出绕组高压变压器的副边连接两路整流滤波电路输入端；电源信号从变换器输入，经多输出绕组高压变压器变压后，送至副边两路整流滤波电路输出供电。

3.根据权利要求1所述的一种聚焦极控制行波管阴极脉冲调制装置，其特征在于：所述截尾开关管电路包括n个截尾开关管、n个充电电阻R1～Rn和限流电阻Rn+1；所述截尾开关管S1～Sn与限流电阻Rn+1串联，充电电阻R1～Rn分别与每个截尾开关管并联；截尾开关管为MOSFET或IGBT管；截尾开关管电路的输入端接正偏电压输出，输出端接开启开关管电路的输入端和行波管的阴极。

4.根据权利要求3所述的一种聚焦极控制行波管阴极脉冲调制装置，其特征在于：所述截尾开关管个数n与偏置电压的数值相匹配，其串联耐压值至少为偏置电压的两倍。

5.根据权利要求1所述的一种聚焦极控制行波管阴极脉冲调制装置，其特征在于：所述开启开关管电路包括n个开启开关管和限流电阻Rn+2；所述开启开关管Sn+1～S2n+1与限流电阻Rn+2串联；开启开关管为MOSFET或IGBT管。

6.根据权利要求5所述的一种聚焦极控制行波管阴极脉冲调制装置，其特征在于：所述开启开关管个数n与偏置电压的数值相匹配，其串联耐压大于偏置电压的两倍。

7.一种使用如权利要求1～6任一项所述的聚焦极控制行波管阴极脉冲调制装置进行调制的方法，其特征在于：所述装置将行波管聚焦极维持在同步电位，通过所述截尾开关管电路和所述开启开关管电路的调制使得阴极在截止正偏压和同步电位间摆动，从而控制电子束电流的通断；电子注截止的条件为阴极相对聚焦极电位为截止正偏压。