一种宽脉冲调制器顶部跌落补偿方法研究

唐荣成 金新民

(北京交通大学电气工程学院 北京 100000)

摘 要:由于受储能电容容量的限制,随着脉冲宽度的增加,脉冲调制器在对微波电子管放电时,会在调制脉冲顶部形成较大的顶部跌落,影响发射机系统输出微波质量,降低雷达系统测距和测速精度。本文提出一种基于LC串联谐振的脉冲调制器顶部跌落补偿方法,并用PSPICE进行仿真,给出详细的仿真结果,验证该补偿方法的有效性。关键词:雷达 脉冲调制器 宽脉冲顶部跌落补偿 LC串联谐振电路中图分类号:TP2文献标识码:A文章编号:1674-098X(2012)08(a)-0012-02

脉冲宽度也就是雷达系统辐射出去用来探测目标的微波包络脉冲宽度。现代雷达通常采用线性调频脉冲压缩技术,从而同时获得距离维和速度维两维高测量精度和高分辨力[1]。脉冲宽度的增加给发射机系统高压电源和调制器的设计带来了多方面的影响。在脉冲放电期间,为了获得较好的顶部跌落,在高压电源的输出端往往需要并联大容量的储能电容,储能电容容量的增加给发射机系统的保护带来挑战,给微波电子管的可靠工作带来了安全隐患。本文提出一种脉冲顶部补偿电路,旨在降低高压电源储能电容的容量,改善脉冲调制器输出脉冲顶部跌落。

发生倾斜。

分布电容充电结束时,脉冲电压上升到最大值,电路转入形成脉冲顶部阶段。在这个阶段,由于储能电容器上的电压逐渐下降,所以脉冲顶部也是逐渐下降的。驱动脉冲消失后,串联的IGBT同时关断并处于截止状态,分布电容通过速调管放电,形成脉冲后沿。于此同时,高压电源开始给储能电容充电,补充储能电容器在脉冲期间的能量损失,直到驱动脉冲再次输入时,储能电容再次放电。如此周而复始,调制器就输出一系列的调制脉冲,加到速调管的两端。

从上面的计算可以看出,上述容值的储能电容器在体积、重量和造价上是昂贵的,同时在速调管打火时,储存于储能电容器中巨大的能量对速调管的安全工作带来严重的威胁。

3 Bouncer脉冲调制器

3.1Bouncer调制器工作原理

Bouncer调制器的工作原理图如图2所示[4][5]。Bouncer调制器由高压电源E1,调制开关K1,储能电容器组和Bouncer调制电路组成。在开始时,调制开关K1,Bouncer调制开关K2和放电开关K3都不导通,此时,高压电源E1通过电阻R6给储能电容C1和谐振电容Cr充电,由于电阻R2远大于,所以,然后可以认为谐振电容Cr上的电压为零。调制开关K1导通,储能电容C1通过限流电阻R1向负载RL放电,在负载RL两端形成脉冲高压,随着放电时间的加长,储能电容两端的电压产生跌落,负载RL两端的脉冲电压也产生跌落,形成顶降。Bouncer调制开关导通,电源E2通过限流电阻R7、谐振电感Lr和Bouncer调制开关K2给谐振电容充电,谐振电容两端的电压上升,由电路的叠加原理可知,储能电容C1两端的电压上升,从而弥补负载脉冲顶部跌落,当调制开关此后,K1关断,在负载RL上形成脉冲后沿。Bouncer调制开关K2关断,电源E2停止向

R1调制开关1 2 储能电容计算

假设脉冲变压器T1为理想脉冲变压器,在调制脉冲顶部期间,不考虑励磁电感的影响,脉冲调制器可以等效为电容器对电阻放电电路。由电路相关知识可知,在放电时间不是很长的情况下,储能电容两端电压对电阻负载放电可以看成是线性下降的。很显然,对于某一特定系统,放电时间t和负载RL固定,此时,所需储能电容器的电容量就只与所要求的顶部跌落有关。

速调管工作电压为30kV,脉冲电流为40A,则速调管的等效电阻RL为750Ω,速调管工作时所允许的顶部跌落为±0.5%,工作脉冲宽度为2.0mS,则要求高压电源储能电容容量为C267F。

.com.cn. All Rights Reserved.固态刚性脉冲调制器的工作原理框图

如图1所示[2]。主要由储能电容器C1、脉冲变压器T1、调制开关电路和缓冲网络等组成。调制开关电路由多只IGBT串联而成,包含控制电路、驱动电路和均压网络等。

在驱动脉冲输入之前,调制开关电路处于截止状态,储能电容C1两端的电压与高压电源电压相等,当驱动脉冲加到IGBT栅极时,串联的IGBT同时导通,储能电容通过IGBT对脉冲变压器原边放电。由于脉冲变压器存在分布电容,因而调制器输出的脉冲电压只能从零开始上升,脉冲前沿

1 固态刚性脉冲调制器的工作原理

T2C2R1缓冲网络 2 高 压 - 电 源 +D1C1DT1C1R6E1R2速调管等 Bounce调制电路效负载RL 调制开关电路 控 制 电 路 驱动 护路 驱动 电路 均压 网络 均压 网络 LrBounce调 制开关KCrR52T3 灯丝供电 C4R7放电开关K3 E2图1 固态刚性脉冲调制器工作原理框图图2 Bouncer调制器工作原理图

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科技创新导报 Science and Technology Innovation Herald

研 究 报 告

谐振电容充电。然后放电开关K2导通,谐振电容Cr放电,直到电容Cr两端的电压为零,为下一个周期做准备。

实际工作时,调制开关K1滞后Bouncer调制开关K2一段时间开通,以便得到较好的脉冲顶部补偿。在脉冲期间储能电容器组上的电压跌落为10%,Bouncer调制电路把脉冲顶部跌落补偿在±0.5%范围以内。3.2Bouncer补偿电路

Bouncer补偿电路是一个LC串联谐

2012 NO.22Science and Technology Innovation Herald科技创新导报振充电电路,在仿真时取Lr2.5mH、Cr3.3谐振电容Cr初始电压对输出调制脉冲的影响

Bouncer电路是一种LC串联谐振充电电路,由大学物理知识可知,电容Uc两端初始电压不同,电容Uc两端的电压将不成正弦电压上升,电容两端的电压将出现不规律性,造成补偿失败,电容初始电压对输出调制波形的影响如图5所示。很显然,在第一个输出脉冲期间,电容初始电压为零,输出调制脉冲正常,而在第二个输出调制脉冲,由于电容初始电压不为零,造成输出调制脉冲补偿失败。

为了保证谐振电容两端的初始电压为零,在谐振电容两端并联一只放电开关

300uF,它在谐振电容Cr上产生一个周期为5.7mS的正弦电压信号。Bouncer补偿电路比主电路约提前310μS开通,利用正弦电压信号的线性部分对储能电容的顶部跌落进行补偿。图3是没有Bouncer补偿电路时调制器输出调制波形图,图4是有Bouncer补偿电路时调制器输出调制脉冲波形图,其中充电电源电压为4.5kV时,输出调制脉冲顶部起伏约为0.64%。

K3,在脉冲间歇期间对谐振电容放电,保

证在下一个调制脉冲到来时,谐振电容初始电压近似为零,增加放电开关以后调制输出波形如图6所示。

4 结语

由于受储能电容器电容量的限制,在调制脉冲宽度较宽时,会在调制脉冲顶部形成较大的跌落,对雷达测距和测速精度造成影响,本文针对该问题,提出一种宽脉冲调制器顶部跌落的补偿方法,在减少高压电源储能电容器电容量的同时,获得较好的脉冲顶部。本文在最后利用Pspice仿真软件对该方法进行了仿真,验证该方法的有效性,具有一定的工程参考价值。

图3 没有补偿电路时输出

调制脉冲波形图

图4 有补偿电路时输出调制脉冲

波形图

.com.cn. All Rights Reserved.参考文献

[1]郑新,潘厚忠,李文辉,等.雷达发射机

技术[M].北京:电子工业出版社,2006:4-7.

[2]任德龙,邹继明.IGBT串联型雷达脉冲

调制器的研究[J].哈尔滨工业大学硕士学位论文,2007:19-23.

[3]魏智.发射机高压脉冲调制器的设计与

实践[M].北京,电子工业出版社,2009:29-34.

[4]TAO Xiaoping,Stefan CHOROBA.

Simulation calculation of 24kV longpulse TESLA modulator[J].NUCLEARSCIENCE AND TECHNIQUES,2004,15(3):1-3.

[5]TAO Xiao-Ping,Stefan CHOROBA.

Design of 150kV bouncer modulator[J].NUCLEAR

SCIENCE

AND

TECHNIQUES,2003,14(4):1-4.

图5 电容初始电压不为零造成调制器输

出调制脉冲波形异常图6 增加放电开关以后调制器输出

调制脉冲波形图

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