雷达固态调制器（精选4篇）
雷达固态调制器 篇1
1 引言
随着科学技术的发展, 气象雷达接收机故障问题明显减少, 现如今, 雷达故障问题主要集中在发射机部分, 而固态调制器是发射机中十分重要的组成部分, 因此, 对固态调制器故障问题及检修技术进行详细探究至关重要。
2 CINRAD/CC雷达发射系统
CINRAD/CC雷达发射系统结构示意图如图1所示, 其是由十个构件所组成的, 主要包括固态调制器、磁场电源分机Ⅰ、磁场电源分机Ⅱ、速调管功率放大器、高压电源分机、固态放大器等等。
在系统实际运行过程中, 发射配电电路能够将电源合理分配给各个构件。有些分机和设备需要输入大功率, 对此, 可以在供电线路上设置相应的保护设备。发射监控分机的主要作用是使得本系统能够与全机的其他系统实现信号定时, 加强工作状态控制, 并收集故障信号。固态调制器能够在放大触发脉冲的控制下, 由脉冲变压器向速调管阴极提供调制脉冲。冲旁路器能够与脉冲变压器以及速调管建立联系, 从而构成管体电流通路。在充电触发脉冲的控制下, 高压电源分机能够为固态调制器提供稳定电源。
3 CINRAD/CC雷达调制器
固态调制器由线性稳压电源、触发驱动电路、变压器、均压电路、可控硅、充电元件、人工线 (CPFN;Pulse Form Network) 及反峰保护电路等组成如图2所示。
调制器的充电形式为回扫充电, 其工作模式为调制脉冲略宽于射频脉冲的嵌套形式。充电变压器一旦受到充电触发脉冲触发, 就会有电流通过, 并开始储能, 此时V1截止, PFN没有被充电。随着充电电流的不断上升, 充电变压器储能越来越多, 当达到规定值时, 电路断开, V1正偏导通, PFN被充电。当来自发射监控分机的放电触发脉冲到来时, 可控硅开关管V2~V7同时导通, PFN放电, 在速调管阴极调制脉冲顶部位置, 射频输入信号不断放大。调制器放电开关组件是由6个可控硅串联而成的, 当高压电源出现2次充电时, PFN的充电电压将达到7000V以上, 就电流而言, 这时放电开关组件的正常峰值工作电流约为400A。
4 雷达发射机调制器故障诊断方法
4.1 调制器故障测量
在对雷达发射机调制器进行检修过程中, 故障诊断至关重要, 为了提高故障诊断效率, 首先需要提供故障诊断测量的准确性。通过对调制器进行故障诊断测量, 能够获得多项测量数据, 包括调制器设计参数、监测测量值、调制器维修参数、自动测试系统所得测量数据、调整值、故障性能退化测量数据等等。在实际测量过程中, 容易受到多种因素干扰, 导致测量数据与实际值出现偏差, 包括测量设备灵敏度、频带宽度调整不当、测量设备灵敏度较低等等。通过对故障设备进行连续测量, 就能够确定某项故障或者性能问题。
4.2 调制器故障诊断
4.2.1 故障分析
如果发现调制器出现故障问题, 则应该送至修理方进行检修, 由送修方重现故障问题, 避免由于故障问题描述不准确而对故障诊断和分析产生不良影响。在对故障现象进行观测时, 如果故障问题具有重现性特征, 则说明这一故障问题比较稳定, 则比较容易排除和分析。
4.2.2 故障隔离
故障隔离指的是对设备的故障问题进行检查、定位和分析判断, 故障隔离是一个过程, 在此过程中, 需要对故障问题产生原因以及故障范围进行反复分析和定位。在对调制器故障进行检修过程中, 需要逐步深入分析故障问题, 并进一步缩小故障范围, 这样才能准确定位故障发生部位。
4.2.3 检测与调试
在对调制器故障问题进行排查和分析后, 即可对故障问题进行检修, 检修完成后, 还需要通电检查, 确保调制器各项应用功能能够恢复正常, 并且还需要对其进行性能检测。
5 CINRAD/CC雷达固态调制器常见故障及检修
5.1 可控硅故障
2011年6月17日9:50丽江雷达报真空度、反峰、可控硅、pin开关短路故障, 复位不能排除故障, 经过排查发现第三枚可控硅击穿损坏, 另对其散热的风扇也损坏, 更换可控硅和风扇, 故障排除。
可控硅是一种软开关构件, 是固态调制器中十分重要的组成部分, 具有单向导通性能, 其通断电压和导通电流受控制极控制。可控硅故障问题主要是当调制器电源不稳定时, 会出现掉高压现象, 故障发生起初, 软件能够复位, 但是, 如果故障问题发生比较频繁, 则软件无法复位。对于可控硅故障, 可以采用以下处理办法: (1) 当发射机调制器没有通电时, 可以采用万用表, 对各个可控硅的正向电阻和反向电阻进行检测, 在正常情况下, 阻抗值应该在200~300kΩ之间; (2) 对雷达全机通电, 并逐渐加高电压, 采用示波器对可控硅的驱动波进行检测, 在正常情况下, 波形幅度应该在15~20V之间; (3) 对可控硅触发信号进行检测, 同时对低压电源进行检测, 如果电源开始发热, 则还需要对驱动电路进行检测。
通常情况下, 如果调制器电压稳定性较差, 或者脉冲形成网络的充电电压过高, 则容易引发可控硅故障问题。CINRAD/CC雷达固态调制器放电开关组件为固态器件可控硅 (SCR) , 并且由6个型号相同的可控硅串联而成, 当电流流过充电变压器时, 脉冲形成网络能够对负载进行放电, 从而形成调制脉冲, 并且加至速调管, 速调管阴极调制脉冲顶部平坦位置的射频输入信号不断放大。如果高压电源二次充电, 则可控硅电压为7k V, 电流为400A, 可控硅正反向阻断电压为1400V, 6个相同型号的可控硅串联, 能够承受8.4k V阻断电压, 平均通态电流200A, 在窄脉冲、低工作比的情况下应用固态器件可控硅, 其能够承受较大电流。因此, 在CINRAD/CC雷达固态调制器中应用6个相同型号的可控硅串联安全可靠。如果电源电压稳定性较差, 则可控硅可能会瞬间加电, 或者突然断电, 在这种情况下容易形成尖峰电压, 从而对可控硅造成破坏, 如图3所示, 在这种情况下, 需要对可控硅运行参数进行测试, 并排查故障范围和故障发生位置。由此可见, 为了保障可控硅正常运行, 必须保障电源运行稳定性, 必须保证良好的散热措施。
5.2 人工线 (PFN) 过压故障及其它故障
通常情况下, 对于人工线过压故障问题, 无法通过软件复位, 因此, 一旦出现故障问题, 就需要进行故障排查和检修。导致人工线出现故障问题的主要原因在于在对其进行二次充电时, 人工线电压无法及时泄放, 对此, 可以采用以下检测方法: (1) 对可控硅放电主开关进行检查, 判断是否有触发信号; (2) 对调制器负载进行检查, 判断是否有开路; (3) 对高压电源进行检查, 判断是否有二次充电或者闭环失控问题。
另外, 在固态调制器中, 风机故障、充电过荷故障以及反峰过荷故障也较为常见。其中, 风机故障一般是由于固态器件可控硅放电开关组件底部2只轴流风机发生了故障问题;充电过荷故障主要是由固态器件可控硅放电开关组件断路或者没有关断所造成的。另外, 充电硅堆短路还会造成反峰过荷故障, 如果出现反峰过荷故障, 则可以对调制器负载进行检查, 判断是否出现断路或者打火问题。
6 结语
综上所述, 雷达发射机是雷达中的核心构件, 脉冲调制器构成十分复杂, 在实际应用中, 调制器元件容易发生故障问题, 常见故障有可控硅故障、人工线过压故障、散热系统故障等等。对于脉冲固态调制器, 应该加强日常检查和维护, 并结合实际情况选用故障检测以及维修办法, 这样才能提高发射机调制器故障排查诊断水平, 保障雷达发射机正常运行。
摘要：CINRAD/CC指的是一种全相参脉冲多普勒天气雷达, 主要作用是对突发性天气以及灾害性天气进行监测、预警。本文首先对气象雷达系统的组成以及常见分类进行了介绍, 然后结合丽江天气雷达固态调制器故障实例进行分析, 总结常用故障排查办法, 并对CINRAD/CC雷达固态调制器的常见故障进行了详细探究。
关键词：CINRAD/CC雷达,雷达固态调制器,检修
参考文献
[1]吴仁彪, 胡鹏举, 卢晓光.机载气象雷达回波信号仿真系统[J].中国民航大学学报, 2012, 30 (2) :1~5.
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[3]黄军, 戴广明, 田为, 等.几种全固态刚管调制器的对比[J].现代雷达, 2010, 32 (3) :80~83.
新体制固态航海雷达及其运用 篇2
调制器发出的调制脉冲被传送进入磁控管, 并引发磁控管产生大功率超高频率的脉冲波, 这种射频脉冲波经过天线发射, 在遇到目标物体后, 有目标物体弹回的反射波会再次被天线接收, 最后接收机通过反射波的信息, 进过处理, 将信号以视屏信号的方式显现出来, 这就是传统的脉冲磁控管雷达。脉冲磁控管雷达中最主要的部分就是磁控管, 而新型的固态雷达却没有磁控管, 取而代之的是固态器件。信号的发射和传统的雷达一样, 接收后的信号不仅要进过接收器的处理还需要有脉冲压缩器的处理, 之后才能将信息呈现在显示屏上。
传统的脉冲磁控管雷达发射的是大功率的脉冲波, 而新型的固态雷达发射的确实低功率的射频脉冲, 一般情况下固态雷达发射的射频脉冲的最大功率低至200W左右, 但是却拥有较高的占空率。发射的信号经过接收机和脉冲压缩器的处理, 可以高倍数的压缩信号, 这就可以与传统雷达所发射的大功率高频率的射频信号想媲美, 而固态雷达还具有较高的占空比, 所以固态雷达在远距离的探测中更占有优势地位。
雷达探测的距离可分为近、中、远三种不同的距离, 不同的探测距离的要求是不一样的, 固态雷达发射出特定的射频脉冲来满足这些要求, 这种特定次序的脉冲中包括短脉冲, 中脉冲和长脉冲三种不同的脉冲波。同时, 为了使脉冲容易被压缩, 常常采用脉冲宽度和编码混合的方法, 这样可以保证每次发射的脉冲在长度和编码上都是与众不同的。处理和比较就收会的脉冲信号, 就可以判断目标的存在状况。而数字脉冲压缩器的作用就是压缩脉冲, 这样就可以利用中脉冲和长脉冲来有效地确定距离, 按照IMO的规定, 雷达性能标准距离可以观察到40m。新体制的固态雷达与传统的脉冲磁控管雷达有巨大的改善, 它使用了脉冲多普新勒技术, 这项技术的使用时的航海雷达得到了更好地发展。固态雷达可以检测出雷达与目标之间的相对速度, 将接受的反射波以特定的方式处理后, 能够十分有效的将回波中的杂波剔除出去, 这种滤波技术使得雷达能够在海浪和雨雪等恶劣情况下, 对移动中的小目标进行精确地探测, 这比起传统雷达的效果要好的多。通过对比, 可以更加具体的说明两种雷达在有外界干扰的情况下探测性能的高低, 新体制的固态雷达在雨雪天气可以清晰的扑捉到移动中的小目标, 有效地派出了雨雪杂波的干扰;而传统的雷达对雨雪杂波的过滤效果不尽如意, 即使后期通过其他手段抑制雨雪杂波的影响, 取得的效果也不如固态雷达的效果好。
2 典型技术介绍
2.1 多普勒效应
声源和接受物体的相对运动而发生声源的频率发生改变 (频移) 称为多普勒效应。将多普勒效应使用在雷达中, 这样可以提高雷达在有外界杂波的干扰下清晰观察到移动中的小目标能力。移动中的小目标与雷达之间沿径向有相对的速度或者是两者之间的距离变化时, 这种多普勒雷达发射出的脉冲信号经过目标的反射后, 雷达接收的收回波的频率和原来的发射的脉冲的频率有变化, 根据这种频率偏移, 我们就可以知道小目标的运动情况。雷达发射的脉冲信号和接受会的信号进过的路程是目标和雷达之间路程的两倍。多普勒雷达可以有效地减少杂波的干扰, 使得目标情况可以清晰的显示出来。
2.2 脉冲压缩技术
除了多普勒雷达外, 还有脉冲压缩雷达, 它的主要技术是脉冲压缩。脉冲压缩技术就是通过对脉冲的相位和频率进行编码的长脉冲, 将发射机发射的原有脉冲编码成远远大于相同情况下未编码的脉冲宽度。脉冲发射需要有足够的能量, 而脉冲压缩技术的最大特点就是能够在较低的峰值功率下, 有效地增大脉冲的宽度来确保脉冲顺利发射。脉冲压缩雷达还具有远距离探测能力和距离探测能力高等特点。
3 固态雷达的应用
3.1 固态雷达的运用特点
新体制固态雷达的出现, 在航海雷达的发展史上具有跨时代的意义, 多普勒技术、脉冲压缩技术等高新技术的使用, 使得固态雷达相对于传统雷达具有许多优点。固态雷达不仅在远距离探测、距离分辨、抗杂波干扰、检测移动中的目标等方向的能力大大提高, 而且因为新技术的使用, 也降低了航海雷达的使用成本, 延长了雷达的使用寿命。新的技术也是的固态雷达的工作原理发生了改变, 这使得固态雷达获得了许多优点。首先, 传统的磁控管雷达的主要工作部位磁控管, 在开启雷达后需要长达三分钟的预热时间才能正常工作, 而固态雷达却不需要时间来预热。其次, 磁控管发射出的是大功率高频率的脉冲, 这些脉冲并不稳定, 一般情况下为了获得清晰地图像, 需要对这些脉冲进行调制, 但是固态雷达解决了这一问题, 不再需要调制。再次, 传统雷达使用的大功率设施需要经常更换, 这就增加了雷达的使用成本, 而新体制的固态雷达不需要经常更换这些器件, 大大减少了成本。
3.2 固态雷达在运用中注意的问题
虽然固态雷达的性能在传统雷达的基础上有了很大的进步, 但是在使用过程中, 使用者还有一些地方需要注意, 以保证安全有效使用航海雷达。首先, 固态雷达在观测移动目标时需要目标与雷达间有径向移动, 这一确定也会使得没有径向移动的目标别误认为是杂波过滤掉。其次, 固态雷达采用的脉冲压缩技术在对杂波干扰进行过滤的时候, 也会对小目标的发射波有影响, 这样也会减弱对小目标的探测能力。所以使用者在使用固态雷达的时候, 必须注意这些细小的问题, 以免因为疏忽造成航海事故。
4 结语
航海事业的发展使得人们对于航海雷达的要求越来越高, 随着未来科学技术的不断发展, 航海雷达也会不断地改善。未来的航海雷达将在抗干扰能力、距离分辨率等方面做出巨大的突破。新体制固态雷达的出现为安全航海提供了有效地技术支持。笔者在这里对目前新体制固态雷达的现状和工作原理进行了简单的介绍, 同时提出了现代新体制固态雷达的运用中的特点及其注意的问题, 为雷达的使用者提供一份参考。
摘要：传统的航海雷达中使用最为广泛的就是脉冲磁控管雷达, 但是这种雷达技术已经无法满足现代航海的雷达技术要求。现在的航海雷达技术得到了巨大的发展同时航海状况也日益复杂, 这些使新型的雷达技术的出现成了必然的趋势。目前的航海雷达技术的研究和开放的主要方向还是以脉冲压缩技术体制、调频连续波技术体制为代表的新型雷达技术。文章通过研究和分析新型雷达技术在航海中对目标的感应能力, 来介绍新体制固态航海雷达的特点和运用。
关键词：固态雷达,多普勒效应,脉冲压缩
参考文献
[1]朱凯然.雷达信号检测与实现.西安电子科技大学硕士论文, 2009.
[2]斯科尼克 (美) .雷达手册 (第3版) [M].电子工业出版社, 2010.
固态调制开关设计与实验 篇3
关键词：固态调制开关,模块,金属氧化物半导体场效应晶体管,串联
在雷达发射机及电子加速器等领域,经常采用大功率微波真空电子管作为微波放大器[1],并促进大功率脉冲调制技术不断向前发展。近年来固态调制器的发展以固态刚性调制器最为活跃,这得益于MOSFET及IGBT等刚性开关器件及其应用技术的进步与成熟。所形成的固态调制器电路拓扑包括直接开关式、模块叠加式及感应叠加式等,其中以直接开关式具有波形控制灵活、脉宽可实现大范围变化,且波形好等优点而备受青睐[2]。本文介绍了一种直接开关式固态调制开关的设计。
1 固态调制开关设计
本文所研究的脉冲调制器就是基于开关管串联的直接开关式固态脉冲调制器,其拓扑电路如图1 所示。
直接开关式拓扑电路虽有诸多优点,但仍存在以下难点:一般工作电压较高,需较多的固态开关器件串联,且开关设计及实现的难度较大。为解决这一难题,文中采用模块化设计方案,首先使用11 个器件串联形成调制开关模块,再利用多个模块串联构成整个固态调制开关,将难度较大的整个调制开关的设计与实现,转化为易于实现的模块设计。
1. 1 调制模块指标的确定
为研究和解决调制开关模块中每路信号及两个调制开关模块间的同步与均压问题,文中研制了两个固态调制开关模块。其模块指标如下: 工作电压为10 kV;工作电流为40 A;重复频率为≤3 kHz;脉冲宽度为2 μs连续波。
通过两个调制开关模块的串联,工作电压可达20 kV。
1. 2 调制模块的设计
1. 2. 1 主开关管选择
根据工作电压10 kV工作电流40 A的指标要求,选择IXYS公司的MOSFET作为开关管。该MOSFET主要参数如下:最大工作电压VCES=1 700 V;最大工作电流IC25=75 A;导通时间Td(on)=45 ns;关断时间Td(off)=400 ns。
每个调制开关采用11 路MOSFET串联,以开关管承受电压不超过最大工作电压60% 为原则,调制开关可承受的最高电压为1 700 × 11 × 60% = 11. 22 kV >10 kV。
1. 2. 2 均压电路设计
MOSFET串联电路中需加入直流均压和瞬态均压,其原理图如图2 所示。
图2 只列出了两只MOSFET串联电路,这种结构也适用于更多MOSFET串联。R1为直流均压元件,其取值应使流过R1的电流大于开关管的漏电流,且不超过所允许的泄放电流值IR1,一般用式(1)计算。
式中,UF为MOSFET承受的电压,取900 V,IR1取2 倍的MOSFET正向阻断时最大漏电流,因取2 mA,故R1取300 kΩ。
R2,D1和C1构成瞬态均压网络,主要是C1起着均压作用,由C1可限制最后导通、最先关断的开关两端电压上升率,以保证导通前或关断后开关两端的电压不超过其最大额定值便可[3]。一般工程设计时可按下式计算C1的值。
R2实取2 kV高压无感电阻,D1选用2 kV快恢复二极管,C1容量实取5 ~10 倍的MOSFET输出电容。
1. 2. 3 驱动信号一致性的实现
由于开关管输入电容和门限电压的差异性,驱动信号的完全一致是难以实现的,但也可控制在一定范围内[4,5,6,7,8]。为确保驱动信号的一致性,采取如下措施:
(1)触发脉冲采用电流互感器馈电的方式。每个调制开关用一个互感器传输触发脉冲,互感器初级两匝,从中心穿过;次级11 组,每组4 匝,分布在互感器上,11 路开关电路均分布在互感器周围。避免因位置布局的差异影响驱动信号的一致性。
(2)在开关电路的前端接小阻值电位器,对驱动信号的上升沿和下降沿进行微调,以减小开关管输入电容差异所造成的影响。
(3)11 路开关电路选用同型号、同规格、同厂家和同批次的器件,且必要时对器件进行筛选,以保证开关管的门限电压差异较小。
2 调制模块的调试与试验
调制模块的试验电路框图如图3 所示。
2. 1 调制模块低压实验
加低压,用示波器检测调制开关模块上的11 路驱动信号,以其中一路为基准,调节其他开关电路的电位器,使得各路驱动信号的上升沿和下降沿与基准信号的差异控制在50 ns以内,如图4 所示。
图4 中水平方向为时间,单位:1 μs/div;垂直方向为电压,单位:5 V/div。灰色为驱动信号波形,黑色为互感器初级触发电流波形。
2. 2 调制模块高压实验
加高压,缓步调节高压电源的电压调节按钮使高压电源缓步上升到10 kV;调节开启脉冲信号发生器的频率调节按钮,使重频从100 Hz ~3 kHz变化;调节关断脉冲信号发生器的延时按钮,使脉宽从2 μs到连续波变化,通过示波器监视电流互感器检测的调制脉冲波形。开机4 小时,调制开关模块工作正常。
3 调制模块串联的试验与测试
调制模块串联的试验框图如图5 所示。
3. 1 模块串联低压试验
加低压,用示波器检测两个调制开关模块上各路驱动信号,以其中一个模块为基准,通过调节使两个模块上各路驱动信号的延时控制在50 ns以内。
3. 2 模块串联高压试验及测试
高压实验测试两只调制开关模块串联在高重频、窄脉冲和低重频、宽脉冲下的两种工作状态。
(1)窄脉冲测试。窄脉冲状态下,重频设为3 kHz,在高压电源功率范围内,负载选用500 Ω 负载网络。通电后,缓慢调节高压电源的电压调节按钮,使高压电源逐步上升到20 kV,工作4 小时,用示波器观察检测到的调制脉冲波形,如图6 所示。
图6 中水平方向为时间,单位:1 μs/div;垂直方向的灰色波形为电压,单位:5 V/div;黑色波形为电流,单位:1 V/div。
由图6 波形得到调制器参数如下:电压20. 3 kV;电流39. 8 A;重复频率:3 kHz;上升沿182 ns;下降沿202 ns。
图6 中脉宽为2 μs。调节触发脉冲的宽度,脉宽最小可达到半宽1. 3 μs,顶宽1. 1 μs。
(2)宽脉冲测试。宽脉冲状态下,重频设为100 Hz。受限于高压电源的功率能力,负载选择120 kΩ 负载网络。此时,脉冲电流较小,用电流取样的方法检测到的波形存在较大干扰,通过电阻分压的方法来检测电压波形。通电后,缓慢调节高压电源的电压调节按钮,使高压电源逐步上升到20 kV;调节触发脉冲的宽度,从2 μs到连续波变化。脉宽100 μs时检测到的电压波形如图7 所示。
图7 中,水平方向为时间,单位:50 μs/div;垂直方向为电压,单位:5 V/div。由图7 波形得到调制器参数:电压20. 3 kV;重复频率:100 Hz;脉宽可从2 μs到连续波连续变化。
对调制开关模块进行灌封后,恢复测试,并正常工作。调制开关灌封后实物图如图8 所示。两个模块串联试验如图9 所示。
4结束语
雷达固态调制器 篇4
当今在各种通信系统和雷达系统中脉冲调制技术已被大量应用。实现脉冲调制的常用方法是将射频开关与功率放大器串联使用,用射频开关进行微波信号通断切换,而功率放大器处于连续上电工作状态,但常用电路中功放和射频开关是相互独立、分离的,电路的隔离性不够大;当射频开关断开时功率放大器仍处于工作状态,能量消耗过大,造成工作效率低;并可能有部分信号泄漏到低噪声放大器,产生宽频谱噪声干扰接收机工作。
本文中研究的微波固态功率放大器脉冲调制技术完全解决了这些问题,整个电路在没有微波信号时,放大器处于非工作状态,大大提高了电路隔离性,提高了电路工作效率,且电路工作性能良好。
2脉冲调制原理
本文中研究的微波固态功率放大器脉冲调制技术是将串联的射频开关和功率放大器的工作方式均采用脉冲调制方式工作,通过脉冲信号可以调节功放的工作状态。可通过改变脉冲信号状态改变偏置电压大小和输出端电流的大小,射频开关和放大器可以迅速地转换工作状态(工作状态和非工作状态),把这点应用到基于FET管的放大器的漏极或栅极时,可以有效地实现脉冲信号调制,迅速的改变工作状态,提高发射接收隔离度,提高放大器工作效率。文中电路采用了高速大电流低内阻的PMOS管调制,结合负压掉电保护电路使放大器能在低电压大电流的脉冲状态下工作。
2.1功率放大管调制方式的选择
功率放大管调制方式有:栅极脉冲调制和漏极脉冲调制两种方式。
栅极脉冲调制通过夹断漏极电流,让放大器处于非工作状态,通过转换栅极电压来实现从静态工作点(工作状态)到非工作条件的转换,如图1,2所示。但如果放大器工作在VDS值左右,静态工作点很低,当让栅极进入到截止区的同时就会增加VDS,很可能进入到击穿区,实际操作中栅极电压比漏极电压的要求更严格,实现起来难度大。
漏极脉冲调制通过周期性地在两个状态之间改变漏极电压(0V和放大器工作所需的电压VDS)来实现放大器工作状态的转换,依据所需的漏极电流的大小来选择具体的电路器件,对于高功率的放大器,可通过使用大电流PMOS管作为驱动来提供脉冲调制电流。
2.2控制电路的设计
文中微波固态功率放大器工作于脉冲状态,所以采用高速大电流低内阻的PMOS管用于漏极脉冲调制偏置电路,实现微波固态功率放大器脉冲调制状态工作。
由于Ga As器件一般都是需要栅极加负偏压,漏极加正电压,上电时都是先栅极加负偏压,再漏极加正电压,断电时则相反;所以本文采用负电掉电保护和漏极调制一体化设计。脉冲调制采用漏极调制方式来实现,主要优点是能简化偏置网络,驱动功耗小,且具有宽带特性和大的功率容量,并且还能提供很高的开关速度。负电掉电保护电路主要保证了电路在没有负电的情况下,正电不会加到放大管的漏极,从而达到保护放大管器件。
具体的负电掉电保护和漏极调制一体化驱动电路如图3所示。该电路的工作原理是用比较器MAX999实现负电检测,两只三极管实现调制脉冲驱动,PMOS管IRF5305S实现漏极电源开关的作用。当负电掉电或调制脉冲为低电平时,PMOS管IRF5305S关断,停止向功放管供电,从而达到保护功放管和漏极调制的作用。
2.3漏极脉冲调制电路设计
漏极脉冲调制电路模型图如图4所示,IN为输入端,OUT为输出端,KZ为控制端。输入端增加了电荷存储电容,在实际电路中能有效减小上升沿/下降沿的宽度。当电路开始作用,即电压加到输入端时,电容开始充电,当控制端导通时这些电容都一起放电,从而加快电压的传输,达到减小上升沿/下降沿宽度的效果。为仿真效果更接近实际工作状态,在输出端接了2欧姆的模拟负载电阻。源极S端输入(即加直流电压),栅极G端加控制信号,漏极D端输出。经测试管子导通时线性工作,控制效果良好,输出电压满足要求。
3放大器选择
本次放大器设计共有两级,初级放大器选用Tri Quint公司的TGA1328-SCC芯片,芯片增益为16d B,输出功率为25d Bm,尺寸为3.4mm*2.3mm,工作电压10V,消耗电流小于300m A;末级放大器选用富士通公司的FLM-5359-4F芯片,此芯片属于内匹配功率管,增益为10.5d B,输出功率为36.5d Bm,工作电压10V,消耗电流小于1950m A,尺寸为21mm×13mm×5.2mm。射频开关选用MACOM TECH公司的MA4SW110芯片,该芯片工作频率50
从图5和图6测试可看出,漏极脉冲调制电路输出幅度为11.4V,漏极脉冲调制电路输出前后沿小于37ns,电路转换速度较快,满足设计要求。
5结论
基于上述调制电路设计了一款C波段高速微波功率放大器,放大器工作频率在5.5GHz±200MHz,输出功率为3.5W,可以通过调节控制电路的脉冲宽度以及占空比来直接控制功率放大器的工作状态。通过采用漏极脉冲调制方式控制,微波功率放大器在无微波信号时可实现低功耗工作,大大提高了工作效率,降低了工作热损耗,输出信号前后沿小于50ns,达到了设计指标。MHzto26.5GHz,隔离度最大可达-65d B,功耗小,尺寸为0.74mm×0.45mm×0.15mm。
4测试结果
通过对整个漏极脉冲调制电路进行测试,脉冲调制电路输入端加一直流电压信号,控制端输入一个上升沿和下降沿为20ns,宽度为10μs/1.5μs的脉冲信号,输出端对地加一个2Ω电阻负载,分别来测试漏极脉冲调制电路输入输出波形和输出前后沿。测试结果如图5,6所示。
摘要：本研究设计完成了一款高速微波固态功率放大器漏极脉冲调制电路,脉冲前后沿小于50ns。主要采用高速大电流低内阻的PMOS管为微波固态功率放大器设计了漏极脉冲调制控制电路,较传统电路有很大改进,固态功率放大器的工作状态可随意变换,有功率容量大、效率高、隔离性高等优点。最终基于该调制电路设计了一款C波段高速微波功率放大器,放大器工作频率在5.5GHz±200MHz,放大器实现了低功耗工作,输出信号前后沿小于50ns,降低了工作热损耗。
关键词：固态功率放大器,漏极脉冲调制,栅极脉冲调制,上升下降沿
参考文献
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