一種基于厚膜工藝的浮動柵極調制器

王 磊，路 宇

(中國船舶重工集團公司第七二三研究所，江蘇 揚州 225101)

0 引 言

彈載有源誘餌設備利用其電子載荷捕獲對方雷達信號，可以方便靈活地進行各種調制，產生較大的等效雷達反射面積，能夠較好地模擬保護對象的反射特性，產生逼真的假目標，是反制反艦導彈末制導雷達的一種有效手段[1]。脈沖行波管放大器由脈沖高壓電源和脈沖行波管組成，具有效率高、體積小、功率大的優點，廣泛應用于諸如機載、彈載等對效率、體積及重量要求很嚴苛的環境。脈沖行波管要求高壓電源的調制器電路具備控制行波管電子注開啟和關斷的功能[2-3]，其技術指標和應用要求均與浮動柵極調制器相關，因此要求浮動調制器具備輸出波形靈活、小型化、可靠性高等特點。

厚膜混合集成電路作為膜集成技術和半導體技術相結合的產物，實現了半導體芯片和外圍元件的再集成，是實現電子裝備微型化的一個重要途徑。通常厚膜混合集成電路的抗沖擊能力能夠達到1 500 g，工作溫度能夠達到125 ℃。

本文介紹了一種基于厚膜工藝的浮動柵極調制器，利用厚膜技術在基板上制作出功率電阻，同時基板上焊接電容、二極管等其他元器件，具備布線密度高、組裝密度大、電路尺寸小等優點；給出了調制器電路的設計方案；并對關鍵性能指標進行了測試，測試結果表明該設計方案設計的四件指標均優于指標要求。

1 浮動調制器基本原理

根據應用需求，浮動調制器原理框圖如圖1所示。

圖1 浮動調制器框圖

圖1為本文設計的行波管浮動調制器的基本原理框圖。該調制器主要由調制脈沖處理單元、隔離驅動電路、正偏壓開啟管(V1)、負偏壓開啟管(V2)、電阻網絡、懸浮在陰極電壓(kV級)之上的正偏壓電源(+Ug)、負偏壓電源(-Ug)等組成。G為調制器的輸出點，接到行波管的柵極。首先脈沖處理單元將調制脈沖進行前后沿分離，轉化成便于脈沖變壓器傳輸的脈沖信號[4]，經隔離傳輸后，將脈沖恢復整形，分時驅動開啟管和截尾管，以控制柵壓的開通/關斷。電阻網絡用于防止上下管共通和下拉電位用，起到限流作用。

2 浮動調制器電路關鍵技術設計

2.1 脈沖處理單元設計

由于浮動調制器工作參考電平為陰極，因此需要與低壓側控制電路部分保持電氣隔離，采用脈沖變壓器實現控制信號的傳輸與隔離。根據電磁感應定律：

(1)

式中：Np為變壓器匝數；Vin為傳輸信號幅值；D為傳輸信號占空比；ΔB為磁通密度變化量；Ae為磁芯截面積；f為傳輸信號頻率[5]。

從公式(1)可以看出，當頻率、磁芯尺寸一定時，脈沖寬度越寬，所需的變壓器繞組匝數越多。而匝數較多時會導致漏感增大，并且需要磁芯尺寸變大。因此，縮減傳輸脈沖寬度便于變壓器的小型化設計。采用前后沿分離電路，將調制脈沖的前沿部分和后沿部分分離出來，既包含了脈沖的寬度信息，又方便了脈沖變壓器的隔離傳輸。

脈沖處理單元從調制脈沖中提取前沿和后沿，產生包括前沿脈沖和后沿脈沖的主開關管控制信號，主開關管控制信號中的前沿脈沖和后沿脈沖通過脈沖隔離變壓器傳輸到浮動調制器的開啟管驅動電路輸入端，后沿脈沖通過脈沖隔離變壓器傳輸到浮動調制器的截尾管驅動電路輸入端。脈沖處理單元采用4路TTL與非門及驅動芯片完成電路功能，如圖2所示。

圖2 脈沖處理單元電路圖

當脈沖處理單元使能信號EN為高時，電路開始工作，脈沖信號經反向、RC網絡延遲、門電路整形等處理后，再經驅動芯片進行邏輯/電平變換以及驅動能力放大之后，輸出到脈沖隔離變壓器[6]。利用仿真軟件對電路進行仿真，調制脈沖、前沿脈沖和后沿脈沖的參考波形如圖3所示。

圖3 前后沿分離脈沖波形

根據圖3可以看出，調制信號經過延時和與非門控制之后，可以將前沿信號和后沿信號分離出來，其中前后沿信號脈沖寬度可以通過與非門輸入端的RC延時網絡的取值來調整。

2.2 脈沖恢復電路設計

控制電路將調制脈沖轉換為前后沿信號進行傳輸后，由于脈沖寬度很小(ns級)，而開關管的柵源之間存在寄生電容，如果用上升沿信號和下降沿信號直接去驅動開關管的話，不足以保證開關管在設計時間內有效導通，嚴重影響柵極調制信號的波形質量。

因此，采用脈沖恢復電路，根據前后沿脈沖到達時間，在主開關管柵源間形成與低壓側調制脈沖寬度相同的驅動信號，脈沖恢復電路如圖4所示。

圖4 脈沖恢復及調制電路

脈沖恢復電路包含主開關管驅動電路和截尾管驅動電路，調制信號的前沿信號經脈沖整形電路后，通過主開關管的柵源輸入電容保持高電平，維持開關管的導通。而調制信號的后沿脈沖控制主開關管的關斷。截尾開關管控制信號的后沿脈沖控制截尾開關管的導通，在后沿脈沖結束后關斷。上管驅動電路由脈沖整形電路和脈沖快關斷電路組成，相互串聯的二極管V1和V3構成整形電路，V2、V4、C1和R4構成脈沖快關斷電路。

當U1-U2為正脈沖時，R1、V1、V3、R3以及Q1的柵源電容形成回路(圖中實線箭頭)，使得上開關管Q1柵源之間形成高電平，脈沖消失之后，高電平僅通過R3進行放電，電路進入暫穩態過程，假設柵源電壓允許最大跌落至最高值的80%，設柵源間寄生電容為1 000 pF，R1為1 MΩ，根據：

(2)

得t=220 μs。因此主開關管Q1導通最少維持時間為220 μs。

當U1-U2為負脈沖時，C1作為加速電容，形成浪涌電流，迅速將V4基極置高以實現V4的快速導通，柵源之間的電荷通過V4、V2、R1形成回路(圖中虛線箭頭)，迅速泄放電荷，從而實現快速關斷。后沿脈沖對Q2的控制可以使調制器柵極信號的后沿變陡，顯著改善脈沖信號波形。

R5、R6為功率無感電阻，在主開關管和截尾管共通時，限制正柵壓電源和負柵壓電源之間的能量[7]。R8作為負柵壓電源的下拉電阻，在后沿脈沖作用之后，由R8提供柵極到負柵壓之間的回路。

2.3 厚膜集成設計

在浮動調制板的厚膜電路板制作中，選用材料為96%高純度AL2O3作為基板，其導熱率約15～25 W/m·K，在陶瓷載體上通過絲網印刷、干燥、燒成的方式形成一定的電路布局，配合后道工序器件貼裝、焊接、引線外連、測試、封裝工藝后，形成一個整體電路功能。生產時通常配以高精度的激光電阻修調功能來完成膜片的整體工藝生產要求。其具備以下優點：

(1) 產品尺寸更小。一般而言，完成相同電路功能，厚膜方式約為印刷電路板(PCB)方式的1/2到1/3版面面積。

(2) 產品可靠性高。厚膜靠高溫850 ℃燒成的工藝來形成導體帶，導體帶與陶瓷結合非常緊密。

(3) 產品溫度性能優。厚膜電路采用了陶瓷做載體，其散熱性能和強度能得到很好的綜合考慮。

(4) 產品功能模塊化、升級換代快。厚膜電路非常適合模塊化電路產品，同樣的電路板配合改進或換代后的厚膜模塊，可以立即帶來電路的升級。

(5) 保密性能好。部分核心電路，尤其軍品用電路，可以將其采用厚膜工藝，模仿者很難解讀電路參數，從而達到保密功能。

實際的厚膜電路實現中，圖4中防串通的電阻R5、R6，負柵壓饋電電阻R8等功率電阻通過厚膜工藝蝕刻在陶瓷基板上，開關管Q1、Q2緊貼陶瓷基板，這樣可以使調制器上熱耗相對較大的元器件得到更快更直接的散熱，有效提高電路的可靠性。整個厚膜電路設計為插針式引出腳，引出腳之間充分考慮了耐壓及方便布線的因素，整個模塊大小為25 mm×20 mm×10 mm，圖5給出了浮動調制板實物對比圖。

圖5 厚膜浮動調制板實物圖

3 測試結果

脈沖行波管放大器要求電子束能夠快速開啟和截止，減小行波管散焦，因此要求脈沖上升沿和下降沿時間盡可能短，并且盡可能地提高調制重頻，以提高信號分辨率。

圖6和圖7給出了2種典型工作條件下的調制波形，其中圖6為重頻1 kHz、脈寬10 μs，正柵壓350 V、負柵壓-350 V情況下的柵極調制波形。上升沿和下降沿時間均小于100 ns。圖7給出了高重頻下30 kHz的柵極調制波形。

圖6 重頻1 kHz的柵極調制波形

圖7 重頻30 kHz的柵極調制波形

4 結束語

調制器實測波形與要求指標對比如表1所示。

測試結果表明，根據本方案設計的柵極調制器指標均達到或優于指標要求。

本文針對小型應用平臺，設計了一種小型化高可靠的浮動調制器，采用厚膜工藝實現了浮動側電路的高度集成，并對實物進行了性能測試，均滿足指標要求。

表1 調制器參數對比