行波管电路设计论文

【摘要】反射功率过大会造成功率放大器件的损坏，解决该问题的最佳方法是采用低损耗的保护电路。本文提出了一种适用于轻小型宽带雷达发射机的驻波保护电路，该保护电路使用了双向定耦，具有电路简单、体积小、可靠性高、稳定性强等优点。下面是小编整理的《行波管电路设计论文 (精选3篇)》，仅供参考，大家一起来看看吧。

行波管电路设计论文 篇1：

一种新型宽脉冲调制器的设计

摘要：介绍一种宽脉冲调制器，给出了电路设计。

关键词：脉冲调制器;发射机;场效应管

引言

脉冲调制器是脉冲雷达发射机的重要组成部分，它产生一定宽度和重复频率的脉冲去驱动行波管栅极，用来控制行波管的工作，以产生大功率微波脉冲。一般的雷达发射机，脉冲调制器产生的脉冲宽度为几微妙到几十微秒，采用典型的浮动板调制器电路较易实现，但随着制导技术发展的要求，需要脉冲调制器的脉冲宽度为几毫秒到几十毫秒。此时需要设计一种宽脉冲调制器，本文设计的的调制器能输出宽度不受限制的调制脉冲，可以广泛应用在多种型号的雷达发射机中。

宽脉冲调制器

一般调制器是将雷达信号处理机定时器产生的脉冲通过脉冲隔离变压器耦合到高压端的电路后再与行波管栅极相连。当要求输出脉冲的宽度很宽时，脉冲在变压器初次级之间的传递会非常困难，脉冲隔离变压器制作的难度很大以致不可能实现。通常对于宽脉冲的隔离可以采用光耦合的方法，但是采用此方法时对发射机射频输出频谱影响很大。因此该调制器不能采用光耦合的方法来实现脉冲的隔离。本文采用将宽脉冲在低压端进行调制，加一个频率很高的载频，以利于信号在脉冲隔离变压器初次级绕组间的耦合传递，经变压器耦合到高压端后再进行解调。这样可以使脉冲隔离变压器的设计与制作变得简单。

该调制器的主要技术参数如下：

正偏压300V

负偏压-350V

脉冲宽度lms～40ms连续可调

重复频率0～100Hz

脉冲前沿≤1OOns

脉冲后沿≤1OOns

宽脉冲调制器的原理框图如图1所示。定时脉冲由定时器给出，分别提供给脉冲调制电路和切尾脉冲形成电路。

脉冲调制电路输出与定时脉冲等宽的脉冲串。切尾脉冲形成电路是一个由单稳态触发器构成的电路，利用定时脉冲后沿在宽脉冲结束的时候产生一个窄脉冲信号。两者经放大后加在脉冲隔离变压器初级，脉冲串耦合到高压端后由脉冲解调电路解调后加到高速开启管的栅极，开启管导通，这时行波管栅极电压由-350V迅速跃升至300V，由于脉冲解调电路的存在以及开启管本身的特性，此电压将会持续几十微秒甚至上百微秒的时间，在此过程尚未结束时，脉冲串中的后续脉冲又来到，开启管将持续导通。当此脉冲串结束时，切尾脉冲加到高速切尾管的栅极，切尾管导通。同时该窄脉冲也加到高速开启管栅极的控制电路，使开启管快速截止，这样行波管栅极的电压又从300V迅速降至-350V，行波管停止发射电子束。这就是该调制器的工作过程。图1中的高速开启管和切尾管均为高耐压的功率场效应管。

电路设计

脉冲调翻电路

我们采用555时基电路来设计脉冲调制电路，由555构成的占空比可调的多谐振荡器产生周期远小于定时脉冲的一串脉冲，改变脉冲串中脉冲的占空比可以让脉冲驱动放大与耦合电路工作在合适的状态。为使脉冲串与定时脉冲等宽，要将定时脉冲加在555振荡器的使能端，再让定时脉冲和555振荡器相与后输出，其电路如图2所示。图3为定时脉冲宽度为2毫秒时输出脉冲串的仿真波形。

脉冲驱动放大与耦合电路

对于脉冲串及切尾脉冲可以采用如图4的电路来增强脉冲的驱动能力，这样做可以使脉冲变压器的绕制更加简单，同时也增强了信号的抗干扰能力。该电路类似单端正激变换电路，利用了场效应管的电流放大能力。脉冲隔离变压器TXl的初级电流等于V1导通时的漏极电流，这样脉冲隔离变压器TXl的次级具有较强的带负载能力。脉冲隔离变压器TXl要考虑初次级高低压电位隔离，采用窄脉冲传输时变压器匝数要求不高，一般10匝左右即可。为保证耦合波形良好，变压器采用了高B值和高u值的超微晶磁芯。

脉冲解调电路

脉冲解调电路一般采用半波整流电路，产生的检波脉冲使开启管导通，为使开启管在切尾管导通时快速截止，可在开启管的栅极和源极之间接一个开关三极管，利用切尾脉冲使开关三极管导通，加速开启管的截止。而切尾管可直接利用切尾脉冲来驱动工作。最终可在行波管栅极得到符合工作要求的调制脉冲。

结语

通过实验证明，该调制器的设计是可行的，该调制器工作稳定可靠，具有较强的抗高压打火能力，即将应用于某型雷达发射机。

作者：成　斌

行波管电路设计论文 篇2：

一种宽带雷达发射机大功率微波器件驻波保护电路

【摘要】反射功率过大会造成功率放大器件的损坏，解决该问题的最佳方法是采用低损耗的保护电路。本文提出了一种适用于轻小型宽带雷达发射机的驻波保护电路，该保护电路使用了双向定耦，具有电路简单、体积小、可靠性高、稳定性强等优点。

【关键词】雷达发射机;驻波保护;双向定向耦合器;插入损耗

引言

大功率微波放大器件(如速调管、行波管TWT)广泛应用于雷达、精确制导等电子装备中，是其大功率发射机的关键部件，成本昂贵。功率器件损坏的重要原因之一是驻波过大，如果微波通道上发生阻抗不匹配等问题，驻波就可能会产生，驻波会导致信号一直放大，产生大电压或者大功率，功率器件由于过电压或者过功率而损坏。

在雷达发射机领域虽然目前已有多种驻波保护方法(如常规的基于隔离器的驻波保护电路和基于环形器的驻波保护电路等)，由于受到电子器件、微波工艺发展的影响，大都存在可靠性低，稳定性差或者体积过大的缺点，例如，在较低的频段范围内，分布参数的环行器尺寸会很大，不适合用于集成电路中;另外在功率器件输出功率很高的情况下，环行器必须能够承受很高的功率，并且要求环行器具有很低的插入损耗，此时基于环形器的驻波保护电路成本就很高。另外，在一些频段，比如在太赫兹频段，并没有现成的环行器可供使用，定制或者进行研发需要很高的成本和较长的时间。常规的驻波保护电路就远远不能满足系统设计的指标要求了。

本文在综合分析了一些常规的基于隔离器的驻波保护电路和基于环形器的驻波保护电路等的基础上，设计了一种可应用于轻小型宽带连续波雷达系统的基于双向定耦的驻波保护电路，该驻波保护电路具有电路简单、体积小、可靠性高、稳定性强等优点。

1.传统雷达发射机的驻波保护电路比较

1.1 基于隔离器的雷达发射机驻波保护电路

作为最早出现的一种雷达发射机驻波保护电路，基于隔离器的发射机大功率器件驻波保护电路的设计思路是：通过隔离器隔离输入和输出，使得驻波反射的能量不能回馈至微波功率器件，而是被隔离器吸收，起到保护大功率微波器件的作用。基于隔离器的雷达发射机大功率器件驻波保护电路的原理框图如图1所示。

图1 基于隔离器的雷达发射机功率器件驻波保护电路

该电路的缺点是：隔离器在长时间工作后会过热而损坏。另外这种方法无法将驻波能量的大小检测出来。

1.2 基于环形器的雷达发射机驻波保护电路

基于环形器的雷达发射机驻波保护电路的原理框图如图2所示。

雷达微波功率器件行波管的输出信号经由定向耦合器到环形器以后，由其端口2传递给天线/稳定平台系统，驻波产生的反射放大信号通过环形器以后再由环形器的3端口进入负载，从而被吸收，而不会进入微波器件TWT，但是该电路如果长时间反射的能量过大同样也会造成环形器损坏，另外其反射能量大小是无法估计的。

图2 基于环行器的雷达发射机驻波保护电路(收发共用天线)

1.3 基于环形器和单向定向耦合器的雷达发射机驻波保护电路

雷达微波功率器件的输出信号经由环形器后，由环形器的端口2传递至负载，驻波引起的反射能量经由环形器的端口3后，通过单向定向耦合器后把反射信号分离出来，再经检波、放大后与预定的电压基准进行比较，最后输出的逻辑电平去控制正向通道的PIN开关。这样如果驻波过大，能及时的将正向通道关闭，起到保护微波功率器件的目的。基于环行器和单向定向耦合器的驻波保护电路原理图如图3所示。

通过对以上电路的分析我们知道前两种保护电路，无论是隔离器还是环形器都是通过将反射信号进行隔离，阻止反射功率损坏微波功率器件，从而起到保护微波功率器件的目的。

但是这两种方法不能衡量出驻波的大小，并且长时间大功率反射也会将隔离器或者环形器热损坏;第3种方法虽然有所改进，能衡量出驻波保护时反射功率的大小，但是在工程实际中，如果微波功率器件輸出失配，会出现反射功率没有超过允许的功率值，但是反射功率却超过了正向通道的功率，这也是不允许的。另外由于环形器的存在，使得系统的体积无法满足日益要求的电子系统的小型化。为此本文提出一种基于双向定耦的宽带雷达发射机驻波保护电路，可更好的对发射机大功率微波器件起到驻波保护作用。

图3 基于环行器和单向定向耦合器的驻波保护电路原理框图

1.4 本文提出的基于双向定耦的驻波保护电路

雷达发射机行波管的输出信号进入双向定向耦合器，然后入射信号、反射信号被分离，其中反射信号被分成两路，一路在经检波、放大后与预定的电压基准进行比较，最后输出的逻辑电平去控制正向通道的PIN开关，实现了反射功率过大的保护;把入射信号经检波、放大后与另一路反射信号进行比较，输出逻辑电平亦去控制正向通道的PIN开关，实现了检测出微波功率器件输出端是否失配，进而起到保护微波功率器件行波管的功能。这样如果驻波过大，能及时的将正向通道关闭，起到保护微波功率器件的目的。

其原理图如图4所示。

图4 基于双向定向耦合器的驻波保护电路原理框图

该电路响应速度很快，反射信号可以进入行波管，但是依然可以很好的保护它。同时该电路可以检测出反射功率过大，和行波管输出失配的状态。

2.基于双向定向耦合器的驻波保护电路设计方法

这里本文设计了两种保护，一种是纯粹的反射功率过大保护;另外一种是在微波功率器件输出失配情况下，反射功率超过入射功率的保护。下面主要介绍耦合度及失配保护的设计。

2.1 耦合度设计

耦合度的设计是系统设计的关键。下面介绍耦合度的推导。推导前有两个前提：

1)双向定向耦合器的耦合度是任意可调的;

2)检波器的特性是理想状态。

设：输入定耦的最大功率为Pomax;

允许的最大反射功率为Prmax;

允许通过检波器的最大正向功率Pomax′;允许通过检波器的最大反射功率Prmax′;双向定向耦合器正向端的耦合度为Co;

双向定向耦合器反射端的耦合度为Cr。

则有通过双向定耦的损耗

IL=Pomax-Prmax。

由图5，可以得出：Co=Pomax-Pomax′ ;Cr=Prmax-Prmax′

设当Prmax′> Pomax′时电路保护。那么其临界条件为Prmax′= Pomax′，此时由上面两个式子可以得出：Co-Cr= Pomax-Prmax=IL

根据检波器的最大承受功率，综合Co-Cr= IL选定合适的Cr、Co。

2.2 微波功率器件输出失配保护设计

设：功率器件的输出功率为Po;从负载向功率器件方向的反射功率为Pr;通过检波器的正向功率Po′;通過检波器的反射功率Pr′。

由图5可得：Pr′=Pr-Cr;Po′=Po-Co

由上面导出的Cr、Co可以得出Pr′和Po′。

设Po′和Pr′的检波电压分别为Vo和Vr，以Vo为基准，Vr为变量在比较器中比较，在Vr>Vo时比较器的输出V为高电平，V控制微波开关关断微波功率器件的激励，起到保护微波功率器件的作用。

图5 功率器件输出失配保护电路设计

3.几种雷达发射机驻波保护电路比较

表1 几种雷达发射机驻波保护电路的比较

插入损耗(dB) 体积 重量 可靠性 稳定性

隔离器 0.5-0.8 较大 重 一般 较高

环形器 0.4-0.6 大 较重 较高 较高

环形器+单向定耦 0.5-0.7 大 重 高 高

双向定耦 0.2-0.4 小 轻 高 高

4.结论

反射功率过大会造成功率放大器件的损坏，解决该问题的最佳方法是采用低损耗的保护电路。针对轻小型宽带连续波雷达发射机，本文提出了一种的基于双向定耦的驻波保护电路。该保护电路使用了双向定耦器件，具有电路简单、体积小、可靠性高、稳定性强等优点，并且电路原理简明易懂、硬件电路实现方便，可以满足轻小型宽带雷达发射机驻波保护的技术要求，适用于工程实际。

参考文献

[1]Popovic Z B，Weikle R M，Kim M，et al.A 100-MESFET planar grid oscillator[J].IEEE Transaction on software，1991，39(2)：193-199.

[2]姜书俭，黄书万.电阻器[M].成都：电子科技大学出版社，1991.

[3]姚德淼，毛钧杰.微波技术基础[M].北京：电子工业出版社，1989.

[4]章秀银，胡斌杰.一种取代环行器的电路[J].电子工程师，2005，31(7)：5-10.

作者简介：蒋千(1983—)，男，山东聊城人，硕士，助理工程师，现供职于中国电子科技集团公司第三十八研究所。

作者：蒋千

行波管电路设计论文 篇3：

一种基于BUCK调压的小功率高压电源

摘要：该文设计了一种可调的小功率高压电源，其主电路拓扑包括Buck模块、逆变电路、高频变压器和倍压电路。输入的交流电源经整流滤波电路变为直流，通过BUCK预稳压电路将电压稳定，再经过半桥逆变电路将直流电压变为交流电压，然后通过一个倍压电路将电压升高，最后整流滤波输出稳定高压。研究主要内容包括BUCK电路的分析设计、半桥逆变电路分析设计、倍压电路的设计，控制电路的设计，并利用PSPICE软件进行相应各部分的仿真和参数优化。该研究实现的主要性能是：给定输入电压是交流220V，要求输出电压在范围0～15KV内大范围可调，功率为15W，输出纹波要小于1%。

关键词：直流高压;Buck;半桥逆变;倍压电路

近几年，随着电子电力技术的发展，新一代功率器件，如MOSFET，IGBT等应用，高频逆变技术的逐步成熟，出现了高压开关直流电源，同线性电源相比较高频开关电源的突出特点是：效率高、体积小、重量轻、反应快、储能少、设计、制造周期短。但由于高频高压变压器是高频高压并存，出现了新的技术难点：1)高频高压变压器体积减小，频率升高，分布容抗变小，绝缘问题异常突出;2)大的电压变化比使变压器的非线性严重化，漏感和分布电容都增加，使其必须与逆变开关隔离，否则尖峰脉冲会影响到逆变电路的正常工作，甚至会击穿功率器件;3)高频化导致变压器的趋肤效应增强，使变压器效率降低。鉴于上述情况，高频高压变压器如何设计是目前研究的一个难点和热点问题。该文的主要研究内容包括BUCK电路的分析设计、半桥逆变电路分析设计、倍压电路的设计，以及系统仿真研究。

1 主电路设计

1.1 主电路的拓扑结构

这里主要介绍了一种基于BUCK调压的小功率高压电源。该电源能实现零电流软开关(ZCS)，并能方便的调节输出电压，因为利用了高频变压器的寄生参数，从而避免了尖峰电压和电流。该电源的另一个特点是利用倍压电路代替了传统的二极管整流电路，减小了高频变压器的变比和寄生参数;尤其是主电路的控制采用了Buck电路和逆变电路的联合策略，可十分方便、灵活地进行电压调节;采用定频定宽的逆变电路可利用高频变压器的寄生参数实现谐振软开关。

1.2 BUCK电路工作原理

半桥逆变电路的优点是简单，使用器件少。其缺点是输出交流电压的幅值Um仅为1/2且直流侧需要两个电容器串联，工作时还要控制两个电容器电压的均衡。因此，半桥逆变电路常用于几KW以下的小功率逆变电源。

2 控制电路分析及总结

通过该文高压电源的设计过程，可以得到以下结论：

1)针对系统要求输出电压为0-15KV，且输出功率为15W的情况，选用BUCK调压电路与桥式逆变电路相组合得到高频脉冲电压，后经过高频变压器和倍压电路完成升压和整流作用。

2)BUCK闭环环节使用光电耦合器HCNR201进行电压采样隔离，MOSFET的隔离驱动使用HCPL4504和UCC27321共同完成，保证驱动电路工作的有效性和安全性。

3)逆变电路的控制电路由芯片SG3535和IR2110共同完成。SG3525控制器集成了过压保护、过流保护、软启动、欠电压锁定、击穿短路保护等功能保证控制信号的准确性。SG3525输出的PWM信号通过两片IR2110后驱动逆变电路的两个桥臂，这保证了驱动信号间的死去时间，防止桥臂的直通现象。

4)电路设计中摈弃传统工频变压器升压模式，而采用高频变压器和倍压电路共同完成升压作用，在减小系统体积上有突出作用。

3 调试结果

4 结束语

本文介绍的一种基于BUCK调压的小功率高压电源，其特点是：1)采用了倍压电路，减小了变压器的变比，使其在工艺和制造上成为可能，并且能够在一定条件下实现零电流软开关，从而大大减小了开关损耗;2)该电源可以工作在110V、220V不同电压下，因为开拓了国内外市场;3)该拓扑结构简单，易于实现;4)该电源利用了DSP，实现了数字PI的实时控制，因而能良好的工作且实现远程通信。

参考文献：

[1] 王兆安.电力电子技术[M].北京：机械工业出版社，2008.

[2] 郑颖楠.开关电源技术[Z].燕山大学自编教材

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[4] 李现兵.高压小体积电源的实现方法[J].电源世界，2005(8)：21-23.

[5] 李斌.应用于行波管的新一代高压电源设计[J].通信电源技术，2006，23(5)：44-49.

作者：李平　王磊