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.
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.
1
1
2
3
н
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 U - напряжение управляющего импульса; i - ток в первичной обмотке трансформаторов тока; i - токи во вторичных обмотках трансформаторов тока; U - напряжение на затворах полевых транзисторов ячеек столба; i - ток нагрузки выходного прибора.
1
N
огр
нак
Высоковольтный импульсный модулятор содержит столб из последовательно соединенных ключевых ячеек 1 А…А, RC-цепь, состоящую из ограничительного резистора R 3, подключенного к высоковольтному источнику питания 11, и накопительного конденсатора С 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.
1
n
1
n
1
n
1
n
пит
max
1
n
max
1
n
n
1
n
1
n
1
n
1
n
1
n
1
n
∗
Каждая из ячеек 1 A…A содержит полевой транзистор 2 VT…VT, и ограничитель напряжения 7 VD…VD соответственно. Количество ячеек 1 A…A выбирается из соотношения N≥U/U, где N - количество последовательно соединенных в столб ячеек A…A, U - максимально допустимое для транзисторов 2 VT…VT напряжение. При нечетном количестве транзисторов-ячеек, четная ячейка A  заменяется эквивалентной нагрузкой вместо полевого транзистора, например RC-цепочкой, для одинакового распределения нагрузки между трансформаторами тока ТТ. Ограничители напряжения 7 VD…VD, обеспечивающие защиту транзисторов 2 VT…VT от перегрузки по напряжению, катодами подключены к стокам, а анодами - к истокам соответствующих транзисторов 2 VT…VT и первым выводам вторичных обмоток соответствующих трансформаторов 4 TT…TT. Другие выводы вторичных обмоток трансформаторов 4 TT…TT соединены с с затворами транзисторов 2 VT…VT.
огр
нак
1
1
1
n
2
1
n
3
пор
1
n
нак
огр
1
n
нак
н
ф
1
1
n
3
1
n
сп
2
1
n
ф
сп
Работа высоковольтного импульсного модулятора осуществляется следующим образом. От высоковольтного источника питания 11 через ограничительный резистор R 3 происходит постоянный подзаряд конденсатора С 9. При поступлении на вход модулятора управляющего сигнала (U и i на фиг.1) во всех вторичных обмотках трансформаторов 4 TT…TT одновременно начинает протекать импульс тока i. При этом происходит заряд емкостей затворов транзисторов 2 VT…VT, и на затворах транзисторов 2 появляется напряжение U, в момент достижения которым порогового значения U транзисторы 2 VT…VT открываются. При этом по цепи первая обкладка С R, VT…VT - общая шина - выходной прибор - вторая обкладка С будет протекать ток i, нарастающий за время τ формирования фронта до максимальной величины Iн. По окончании импульса напряжения U происходит разряд емкостей затворов транзисторов VT…VT Напряжение U падает до нуля, транзисторы VT…VT закрываются, и за время τ происходит спад Импульса тока iн. Поскольку мгновенные значения токов i одинаковы во всех ячейках, запирание и отпирание транзисторов 2 VT…VT происходит одновременно, обеспечивая тем самым равномерное распределение мгновенных значений мощностей потерь между всеми ячейками столба, а также высокую крутизну фронта (τ) и спада (τ) импульса тока iн.
п
пит
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 τ в пределах от 0,3 до 0,6 мкс. Проверка осуществлялась при напряжении питания U=4,8 кВ, импульсном токе в нагрузке Iн=5 А, скважности в пределах 3…1000.
М
На фиг.2 изображены эпюры, иллюстрирующие формирование импульсов тока магнетрона i, полученные в результате экспериментальной проверки работоспособности схемы высоковольтного импульсного модулятора в соответствии с заявленным решением.
ф
п
сп
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 (τ, τ и τ 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)