W波段雪崩管窄脉冲调制器的研究

中心论题：

• 脉冲调制器的基本组成和工作原理
• 电路设计
• 波形分析和实验测试

解决方案：

• 利用方波发生器4060和触发单稳态触发器74LS123产生脉宽可调的脉冲周期信号　　
• 脉冲变换及调制脉冲产生

随着毫米波固态器件的发展，毫米波近程探测器逐渐从Ka波段转向W波段。本文的应用背景就是一部W波段的主被动复合探测器系统，它是通过主动毫米波雷达和被动毫米波辐射计进行复合工作，对目标进行测距、定位和目标识别的微小型探测器。
　　
脉冲调制器是本系统中的重要组成部分，它除了调制射频功率源外，还为系统的测距电路和信号处理电路提供基准信号和触发信号。本系统的射频功率源由雪崩二极管振荡器产生，它与体效应管振荡器相比，工作频率高、功率大，但对脉冲调制器的瞬态驱动电流要求也高。具体的指标要求是：瞬态脉冲电流不小于15A，此时电源电压不高于25V，脉冲宽度不大于100ns，脉冲占空比小于二百分之一，另外上升沿和下降沿时间为10ns左右，顶部的压降率不超过10%。本文的重点就是研究如何产生这样的脉冲来达到系统的要求。

脉冲调制器的基本组成和工作原理
脉冲调制器主要由调制开关、储能元件、充电及隔离元件、旁通元件等四部分组成，如图1所示。

各部分的功能作用如下：
　　
充电及隔离元件有电阻和电感两种。其作用是：对储能元件按一定方式进行充电，把高压电源同调制开关隔开，避免在调制开关接通时高压电源过载。
　　
储能元件一般为耐压值和容值较大的电容。其作用是：在较长的脉冲间歇期间从高压电源获取能量并不断储存起来，而在极短的脉冲工作期间把能量转交给振荡器。这样，高压电源的功率容量和体积大为减小。
　　
旁通元件一般为电阻或电感。其作用是：构成储能元件的充电回路，在储能元件放电时，它所呈现的阻抗比振荡器阻抗大得多，对放电电流基本上没有影响，而且还可以改善调制脉冲后沿波形。
　　
调制开关采用MOS功率场效应管。它的作用是：在外来脉冲触发的短暂时间内接通储能元件的放电回路，以形成纳秒级的调制脉冲，在外来脉冲间歇期间它是断开的，以使储能元件充电。由于放弃了真空开关管等器件，使由于真空器件失效而产生的失效率降为零，从而提高了探测器的可靠性，同时还能使探测器的体积大幅度减小。
　　
通过以上各部分功能的描述，可清楚地看出脉冲调制器的工作原理就是利用具有一定脉冲宽度和重复周期的脉冲，通过控制调制开关的通断来控制储能元件的充放电，从而形成符合要求的高压脉冲，驱动振荡器工作。它实质上是一个功率转换器，即将平均功率较小的直流电源转换成脉冲功率较大的窄脉冲源。假设在整个脉冲间歇期内储能元件储存的能量为Wc，则Wc=Pe•（T-τ)•ηc　(1)
　　
式中，Pe为电源供给的平均功率；ηc为充电效率； T为脉冲重复周期；τ为脉冲宽度。
　　
在本系统中，T>>τ，故T-τ≈T，则Wc≈Pe•T•ηc (2)
　　
在脉冲期τ内，调制开关导通，储能元件通过放电回路向振荡器负载放电从而形成调制脉冲。显然，振荡器在脉冲期τ内得到的功率即脉冲调制器的输出脉冲功率Pτ为：

　　 　　
式中：ηd为放电效率；ηm=ηc•ηd为调制器的效率，一般在60%～80%。
　　
由公式（4）可以看出：调制器输出的脉冲功率远大于电源供给调制器的平均功率，电源能量得到比较充分的利用。

电路设计
a.脉冲控制信号产生
利用数字电路产生周期脉冲信号的方法有很多，本文采用的是利用方波发生器4060产生周期为20μs的方波信号，然后触发单稳态触发器74LS123产生脉宽为50ns～150ns可调的脉冲周期信号。电路原理图如图2所示。

4060是一种内含振荡器的14位并行二进制计数器，计数器在时钟的下降沿到来时计数，内部含有的时钟产生电路通过外接RC元件或晶体即可组成RC振荡器或晶体振荡器，输出的方波信号可作为内部计数器的时钟信号。
　　
74LS123是一种常用的单稳态触发器，它可以有多种触发方式，可利用脉冲信号的上升沿或下降沿触发产生所需的正脉冲或负脉冲，脉冲宽度由外部RC的值来决定。

b.脉冲变换及调制脉冲产生
由于数字电路输出的TTL电平脉冲信号驱动能力很弱，无法直接驱动大功率的MOS管，所以要先对弱脉冲信号进行放大，才能驱动后面的MOS管。放大电路如图3所示。

弱脉冲放大电路的输出脉冲通过控制MOS管的通断控制电容的充放电，从而形成符合要求的调制脉冲，驱动振荡器工作。调制脉冲产生电路如图4所示。

波形分析和实验测试
在理想情况下，脉冲调制器输出的脉冲应为矩形，矩形脉冲顶部平坦，脉冲持续期间雪崩管振荡器的功率和频率稳定。但实际上，由于脉冲调制器中不可避免地存在有寄生参量，例如分布电容、引线电感等，而其上的电压、电流又是不能突变的，这就使得脉冲调制器不可能输出理想的矩形调制脉冲，一般脉冲波形如图5所示。
　　
图中τr表示脉冲上升沿时间，τf表示脉冲下降沿时间，τ表示脉冲宽度，脉冲顶部变化率为：

　　
 

在实验中，用1Ω纯电阻作为等效负载，外接25V直流稳压电源，用示波器观察输出脉冲波形。示波器上得到的输出脉冲波形如图6所示。图中横坐标为时间，单位是100ns/大格；纵坐标为幅度，单位是5V/大格。从图6中可以看出脉冲宽度小于100ns，上升沿时间小于10ns，下降沿时间略大于10ns ,顶部比较平坦。由于采用1Ω纯电阻作为等效负载，该波形也可以看作是脉冲电流波形，从该波形可以看出瞬态脉冲电流超过了15A。
　　
本文研制的窄脉冲调制器接上雪崩二极管振荡器，能够使振荡器振荡，在93.7GHz的输出脉冲下测得的平均功率为9dBmW，这说明本文研制的脉冲调制器是可行的。本调制器还可用于驱动Ka波段体效应管振荡器，也可用于脉冲体制的毫米波雷达等的发射机中。

 

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