Высоковольтный импульсный модулятор с малой скважностью модулирующих импульсов

Полезная модель относится к электронной технике, в частности к импульсной технике, и может быть использована в высоковольтных импульсных модуляторах для выходных генераторных электровакуумных приборов СВЧ импульсных передатчиков РЛС.

Задачей полезной модели - повышение надежности, создание импульсного модулятора, формирующего мощные модулирующие импульсы длительностью (0,3-0,6 мкс) при скважности порядка 3 в пачечном режиме для выходного генераторного СВЧ прибора, работающего в диапазоне частот.

Поставленная задача достигается тем, что в высоковольтном импульсном модуляторе с малой скважностью модулирующих импульсов, содержащем столб из однотипных последовательно соединенных ячеек на полевых транзисторах, RC-цепь, ограничительный резистор, трансформаторы тока, число которых соответствует числу ячеек и имеющих первичную, подключенную к выходу генератора управляющих импульсов, и вторичные обмотки, каждая из которых подключена к ячейке столба, содержащей также ограничитель напряжения, катод которого соединен со стоком, а анод - с истоком полевого транзистора, первичная и вторичная обмотки трансформатора выполнены двойными, параллельными и конструктивно отдельными, причем нечетные вторичные обмотки трансформатора подключены к первой, второй и следующей по порядку ячейкам, а четные вторичные обмотки трансформатора подключены к n, n-1 и следующей в обратном порядке ячейкам, RC-цепь состоит из зарядного резистора и накопительного конденсатора, причем один вывод ограничительного резистора, обеспечивающего установку требуемого тока выходного прибора, подключен к точке соединения зарядного резистора и накопительного конденсатора, а второй вывод подключен к стоку транзистора первой ячейки столба, введены стабилизатор напряжения питания, подключенный параллельно стабилизатору напряжения питания высоковольтный источник питания и шина первичного напряжения питания, при этом вход стабилизатора напряжения питания соединен с шиной первичного напряжения питания, первый выход с высоковольтным источником питания модулятора, второй выход стабилизатора напряжения питания соединен со вторым концом зарядного резистора.

Полезная модель относится к электронной технике, в частности к импульсной технике, и может быть использована в высоковольтных импульсных модуляторах для выходных генераторных электровакуумных приборов СВЧ импульсных передатчиков РЛС.

Широко известны импульсные модуляторы для генераторных приборов СВЧ, в частности, магнетронов, построенные по традиционной схеме с использованием в ключевых каскадах полевых транзисторов [1], [2].

К недостаткам таких модуляторов можно отнести то, что они не обеспечивают устойчивую работу передатчика при малой скважности (порядка 3) и при изменении параметров нагрузки при работе выходного генераторного СВЧ прибора в диапазоне частот.

Наиболее близким к заявляемой полезной модели является импульсный модулятор [3], содержащий столб из последовательно соединенных ячеек на полевых транзисторах, подключенный посредством RC-цепи к шинам питания и нагрузки. Для повышения надежности работы и увеличения срока службы модулятора в него дополнительно введены трансформаторы тока, число которых соответствует числу ячеек, при этом общая первичная обмотка трансформаторов подключена к генератору управляющих импульсов, а каждая из вторичных обмоток - к соответствующей ячейке столба, содержащей также ограничитель напряжения, катод которого соединен со стоком, а анод - с истоком полевого транзистора, и антизвонный резистор, подключенный к затвору полевого транзистора и первому выводу вторичной обмотки соответствующего трансформатора тока, второй вывод которой подключен к истоку полевого транзистора.

Принципиально прототип позволяет формировать импульсные модулирующие сигналы большой мощности при скважности порядка 750-1000. Однако он не обеспечивает формирование сигналов малой скважности (порядка 3) и сохранение параметров входного сигнала передатчика (длительности выходных импульсов, длительности фронта и спада выходных импульсов) при изменении параметров нагрузки при работе выходного генераторного СВЧ прибора в диапазоне частот.

Задачей полезной модели - повышение надежности, создание импульсного модулятора, формирующего мощные модулирующие импульсы длительностью (0,3-0,6 мкс) при скважности порядка 3 в пачечном режиме для выходного генераторного СВЧ прибора, работающего в диапазоне частот.

Поставленная задача достигается тем, что в высоковольтном импульсном модуляторе с малой скважностью модулирующих импульсов, содержащем столб из однотипных последовательно соединенных ячеек на полевых транзисторах, RC-цепь, ограничительный резистор, трансформаторы тока, число которых соответствует числу ячеек и имеющих первичную, подключенную к выходу генератора управляющих импульсов, и вторичные обмотки, каждая из которых подключена к ячейке столба, содержащей также ограничитель напряжения, катод которого соединен со стоком, а анод - с истоком полевого транзистора, первичная и вторичная обмотки трансформатора выполнены двойными, параллельными и конструктивно отдельными, причем нечетные вторичные обмотки трансформатора подключены к первой, второй и следующей по порядку ячейкам, а четные вторичные обмотки трансформатора подключены к n, n-1 и следующей в обратном порядке ячейкам, RC-цепь состоит из зарядного резистора и накопительного конденсатора, причем один вывод ограничительного резистора, обеспечивающего установку требуемого тока выходного прибора, подключен к точке соединения зарядного резистора и накопительного конденсатора, а второй вывод подключен к стоку транзистора первой ячейки столба, введены стабилизатор напряжения питания, подключенный параллельно стабилизатору напряжения питания высоковольтный источник питания и шина первичного напряжения питания, при этом вход стабилизатора напряжения питания соединен с шиной первичного напряжения питания, первый выход с высоковольтным источником питания модулятора, второй выход стабилизатора напряжения питания соединен со вторым концом зарядного резистора.

Отличительные признаки заявленного решения (в совокупности с известными признаками) обеспечивают получение указанного технического результата. Так, за счет введения трансформаторов тока, имеющих две параллельно соединенные конструктивно отдельные первичные обмотки и две вторичные обмотки, и исключения антизвонного резистора уменьшается время рассасывания заряда затвора полевого транзистора и повышается быстродействие схемы, что обеспечивает работу импульсного модулятора с режиме малой скважности импульсов. Введение ограничительного резистора и размещение его между точкой соединения зарядного резистора и накопительного конденсатора и стоком транзистора первой ячейки столба обеспечивает установку требуемого тока выходного прибора и уменьшает влияние помех, возникающих при работе модулятора. Введение стабилизатора напряжения питания обеспечивает постоянство амплитуды модулирующих импульсов при изменении нагрузки выходного прибора при работе в диапазоне частот.

На фиг.1 приведена схема электрическая высоковольтного импульсного модулятора, содержащая столб из однотипных последовательно соединенных ячеек 1 на полевых транзисторах 2, RC-цель, ограничительный резистор 3, трансформаторы тока 4, число которых соответствует числу ячеек и имеющих первичную, подключенную к выходу генератора управляющих импульсов 5, и вторичные обмотки 6, ограничитель напряжения 7. RC-цепь состоит из зарядного резистора 8 и Накопительного конденсатора 9. В схему дополнительно введены стабилизатор напряжения питания 10, высоковольтный источник питания 11 и шина первичного напряжения питания 12. На фиг.2 - эпюры напряжений и токов, поясняющие его работу, где U₁ - напряжение управляющего импульса; i₁ - ток в первичной обмотке трансформаторов тока; i₂ - токи во вторичных обмотках трансформаторов тока; U₃ - напряжение на затворах полевых транзисторов ячеек столба; i_н - ток нагрузки выходного прибора.

Высоковольтный импульсный модулятор содержит столб из последовательно соединенных ключевых ячеек 1 А₁А_N, RC-цепь, состоящую из ограничительного резистора R_огр 3, подключенного к высоковольтному источнику питания 11, и накопительного конденсатора С_нак 9, подключенного к шине выходного прибора, ограничительный резистор 3, обеспечивающий установку требуемого тока выходного прибора, один конец ограничительного резистора 3 подключен к точке соединения зарядного резистора 8 и накопительного конденсатора 9, а второй конец подключен к стоку транзистора 2 первой ячейки 1 столба, и стабилизатор напряжения питания 10, вход которого соединен с шиной первичного напряжения питания 12, а выход с высоковольтным источником питания модулятора 11, выход которого соединен со вторым концом зарядного резистора 8.

Каждая из ячеек 1 A₁A_n содержит полевой транзистор 2 VT₁VT_n, и ограничитель напряжения 7 VD₁VD_n соответственно. Количество ячеек 1 A ₁A_n выбирается из соотношения NU_пит/U_max, где N - количество последовательно соединенных в столб ячеек A₁A_n, U_max - максимально допустимое для транзисторов 2 VT₁VT_n напряжение. При нечетном количестве транзисторов-ячеек, четная ячейка A_n заменяется эквивалентной нагрузкой вместо полевого транзистора, например RC-цепочкой, для одинакового распределения нагрузки между трансформаторами тока ТТ. Ограничители напряжения 7 VD₁VD_n, обеспечивающие защиту транзисторов 2 VT ₁VT_n от перегрузки по напряжению, катодами подключены к стокам, а анодами - к истокам соответствующих транзисторов 2 VT₁VT_n и первым выводам вторичных обмоток соответствующих трансформаторов 4 TT₁TT_n. Другие выводы вторичных обмоток трансформаторов 4 TT₁TT_n соединены с с затворами транзисторов 2 VT ₁VT_n.

Работа высоковольтного импульсного модулятора осуществляется следующим образом. От высоковольтного источника питания 11 через ограничительный резистор R_огр 3 происходит постоянный подзаряд конденсатора С_нак 9. При поступлении на вход модулятора управляющего сигнала (U ₁ и i₁ на фиг.1) во всех вторичных обмотках трансформаторов 4 TT₁TT_n одновременно начинает протекать импульс тока i₂. При этом происходит заряд емкостей затворов транзисторов 2 VT₁VT_n, и на затворах транзисторов 2 появляется напряжение U₃, в момент достижения которым порогового значения U_пор транзисторы 2 VT₁VT_n открываются. При этом по цепи первая обкладка С_нак R_огр, VT₁VT_n - общая шина - выходной прибор - вторая обкладка С_нак будет протекать ток i_н, нарастающий за время _ф формирования фронта до максимальной величины Iн. По окончании импульса напряжения U₁ происходит разряд емкостей затворов транзисторов VT₁VT_n Напряжение U₃ падает до нуля, транзисторы VT₁VT_n закрываются, и за время _сп происходит спад Импульса тока iн. Поскольку мгновенные значения токов i₂ одинаковы во всех ячейках, запирание и отпирание транзисторов 2 VT₁VT_n происходит одновременно, обеспечивая тем самым равномерное распределение мгновенных значений мощностей потерь между всеми ячейками столба, а также высокую крутизну фронта (_ф) и спада (_сп) импульса тока iн.

Экспериментальная проверка работоспособности заявленного решения была проведена в лабораторных условиях на макете импульсного передатчика РЛС с высоковольтным импульсным модулятором, содержащим столб из восьми последовательно соединенных ячеек (N=8) на полевых транзисторах 2П829А, подключенных к генератору управляющих (запускающих) импульсов посредством четырех трансформаторов тока, имеющих две первичных обмотки и две вторичных обмотки. В качестве нагрузки модулятора был использован выходной прибор, работающий в диапазоне частот, имеющий импульсную мощность не менее 4 кВт, анодное напряжение 5 кВ, импульсный анодный ток в пределах от 5 до 7 А, длительность высокочастотного импульса _п в пределах от 0,3 до 0,6 мкс. Проверка осуществлялась при напряжении питания U_пит=4,8 кВ, импульсном токе в нагрузке Iн=5 А, скважности в пределах 31000.

На фиг.2 изображены эпюры, иллюстрирующие формирование импульсов тока магнетрона i_М, полученные в результате экспериментальной проверки работоспособности схемы высоковольтного импульсного модулятора в соответствии с заявленным решением.

Результаты проверки показали, что высоковольтный импульсный модулятор, выполненный в соответствии с заявленным решением, устойчив и высоконадежен в работе. При этом он, по сравнению с известными, в том числе с прототипом, имеет улучшенные характеристики выходного сигнала (_ф, _п и _сп на фиг.2), а также значительно меньшие габариты и вес.

Источники информации, принятые во внимание при составлении описания изобретения

1. Журнал "Современная электроника", 3, 2005, с.2, рис.1

2. Вопросы разработки твердотельных импульсных модуляторов для электровакуумных приборов СВЧ. Ж. "Современная электроника", 3, 2005, с.2, рис.2.

3. Патент РФ 69685, МПК Н03К 17/687 (2006.01)

Высоковольтный импульсный модулятор с малой скважностью модулирующих импульсов, содержащий столб из N однотипных последовательно соединенных ячеек на полевых транзисторах, RC-цепь, ограничительный резистор, трансформаторы тока, число которых соответствует числу ячеек и имеющих первичную, подключенную к выходу генератора управляющих импульсов, и вторичные обмотки, каждая из которых подключена к ячейке столба, содержащей также ограничитель напряжения, катод которого соединен со стоком, а анод - с истоком полевого транзистора, отличающийся тем, что первичная и вторичная обмотки трансформатора выполнены двойными, параллельными и конструктивно отдельными, причем нечетные вторичные обмотки трансформатора подключены к первой, второй и следующей по порядку ячейкам, а четные вторичные обмотки трансформатора подключены к n, n-1 и следующей в обратном порядке ячейкам, RC-цепь состоит из зарядного резистора и накопительного конденсатора, причем один вывод ограничительного резистора, обеспечивающего установку требуемого тока выходного прибора, подключен к точке соединения зарядного резистора и накопительного конденсатора, а второй вывод подключен к стоку транзистора первой ячейки столба, введены стабилизатор напряжения питания, подключенный параллельно стабилизатору напряжения питания высоковольтный источник питания и шина первичного напряжения питания, при этом вход стабилизатора напряжения питания соединен с шиной первичного напряжения питания, первый выход - с высоковольтным источником питания модулятора, второй выход стабилизатора напряжения питания соединен со вторым концом зарядного резистора.