中心論題：
- 脈沖調(diào)制器的基本組成和工作原理
- 電路設(shè)計(jì)
- 波形分析和實(shí)驗(yàn)測(cè)試
解決方案：
- 利用方波發(fā)生器4060和觸發(fā)單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器74LS123產(chǎn)生脈寬可調(diào)的脈沖周期信號(hào)
- 脈沖變換及調(diào)制脈沖產(chǎn)生
隨著毫米波固態(tài)器件的發(fā)展，毫米波近程探測(cè)器逐漸從Ka波段轉(zhuǎn)向W波段。本文的應(yīng)用背景就是一部W波段的主被動(dòng)復(fù)合探測(cè)器系統(tǒng)，它是通過主動(dòng)毫米波雷達(dá)和被動(dòng)毫米波輻射計(jì)進(jìn)行復(fù)合工作，對(duì)目標(biāo)進(jìn)行測(cè)距、定位和目標(biāo)識(shí)別的微小型探測(cè)器。
脈沖調(diào)制器是本系統(tǒng)中的重要組成部分，它除了調(diào)制射頻功率源外，還為系統(tǒng)的測(cè)距電路和信號(hào)處理電路提供基準(zhǔn)信號(hào)和觸發(fā)信號(hào)。本系統(tǒng)的射頻功率源由雪崩二極管振蕩器產(chǎn)生，它與體效應(yīng)管振蕩器相比，工作頻率高、功率大，但對(duì)脈沖調(diào)制器的瞬態(tài)驅(qū)動(dòng)電流要求也高。具體的指標(biāo)要求是：瞬態(tài)脈沖電流不小于15A，此時(shí)電源電壓不高于25V，脈沖寬度不大于100ns，脈沖占空比小于二百分之一，另外上升沿和下降沿時(shí)間為10ns左右，頂部的壓降率不超過10%。本文的重點(diǎn)就是研究如何產(chǎn)生這樣的脈沖來達(dá)到系統(tǒng)的要求。
脈沖調(diào)制器的基本組成和工作原理
脈沖調(diào)制器主要由調(diào)制開關(guān)、儲(chǔ)能元件、充電及隔離元件、旁通元件等四部分組成，如圖1所示。
各部分的功能作用如下：
充電及隔離元件有電阻和電感兩種。其作用是：對(duì)儲(chǔ)能元件按一定方式進(jìn)行充電，把高壓電源同調(diào)制開關(guān)隔開，避免在調(diào)制開關(guān)接通時(shí)高壓電源過載。
儲(chǔ)能元件一般為耐壓值和容值較大的電容。其作用是：在較長(zhǎng)的脈沖間歇期間從高壓電源獲取能量并不斷儲(chǔ)存起來，而在極短的脈沖工作期間把能量轉(zhuǎn)交給振蕩器。這樣，高壓電源的功率容量和體積大為減小。
旁通元件一般為電阻或電感。其作用是：構(gòu)成儲(chǔ)能元件的充電回路，在儲(chǔ)能元件放電時(shí)，它所呈現(xiàn)的阻抗比振蕩器阻抗大得多，對(duì)放電電流基本上沒有影響，而且還可以改善調(diào)制脈沖后沿波形。
調(diào)制開關(guān)采用MOS功率場(chǎng)效應(yīng)管。它的作用是：在外來脈沖觸發(fā)的短暫時(shí)間內(nèi)接通儲(chǔ)能元件的放電回路，以形成納秒級(jí)的調(diào)制脈沖，在外來脈沖間歇期間它是斷開的，以使儲(chǔ)能元件充電。由于放棄了真空開關(guān)管等器件，使由于真空器件失效而產(chǎn)生的失效率降為零，從而提高了探測(cè)器的可靠性，同時(shí)還能使探測(cè)器的體積大幅度減小。
通過以上各部分功能的描述，可清楚地看出脈沖調(diào)制器的工作原理就是利用具有一定脈沖寬度和重復(fù)周期的脈沖，通過控制調(diào)制開關(guān)的通斷來控制儲(chǔ)能元件的充放電，從而形成符合要求的高壓脈沖，驅(qū)動(dòng)振蕩器工作。它實(shí)質(zhì)上是一個(gè)功率轉(zhuǎn)換器，即將平均功率較小的直流電源轉(zhuǎn)換成脈沖功率較大的窄脈沖源。假設(shè)在整個(gè)脈沖間歇期內(nèi)儲(chǔ)能元件儲(chǔ)存的能量為Wc，則Wc=Pe•（T-τ)•ηc (1)
式中，Pe為電源供給的平均功率；ηc為充電效率； T為脈沖重復(fù)周期；τ為脈沖寬度。
在本系統(tǒng)中，T>>τ，故T-τ≈T，則Wc≈Pe•T•ηc (2)
在脈沖期τ內(nèi)，調(diào)制開關(guān)導(dǎo)通，儲(chǔ)能元件通過放電回路向振蕩器負(fù)載放電從而形成調(diào)制脈沖。顯然，振蕩器在脈沖期τ內(nèi)得到的功率即脈沖調(diào)制器的輸出脈沖功率Pτ為：
式中：ηd為放電效率；ηm=ηc•ηd為調(diào)制器的效率，一般在60%～80%。
由公式（4）可以看出：調(diào)制器輸出的脈沖功率遠(yuǎn)大于電源供給調(diào)制器的平均功率，電源能量得到比較充分的利用。
電路設(shè)計(jì)
a.脈沖控制信號(hào)產(chǎn)生
利用數(shù)字電路產(chǎn)生周期脈沖信號(hào)的方法有很多，本文采用的是利用方波發(fā)生器4060產(chǎn)生周期為20μs的方波信號(hào)，然后觸發(fā)單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器74LS123產(chǎn)生脈寬為50ns～150ns可調(diào)的脈沖周期信號(hào)。電路原理圖如圖2所示。
4060是一種內(nèi)含振蕩器的14位并行二進(jìn)制計(jì)數(shù)器，計(jì)數(shù)器在時(shí)鐘的下降沿到來時(shí)計(jì)數(shù)，內(nèi)部含有的時(shí)鐘產(chǎn)生電路通過外接RC元件或晶體即可組成RC振蕩器或晶體振蕩器，輸出的方波信號(hào)可作為內(nèi)部計(jì)數(shù)器的時(shí)鐘信號(hào)。
74LS123是一種常用的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器，它可以有多種觸發(fā)方式，可利用脈沖信號(hào)的上升沿或下降沿觸發(fā)產(chǎn)生所需的正脈沖或負(fù)脈沖，脈沖寬度由外部RC的值來決定。
b.脈沖變換及調(diào)制脈沖產(chǎn)生
由于數(shù)字電路輸出的TTL電平脈沖信號(hào)驅(qū)動(dòng)能力很弱，無法直接驅(qū)動(dòng)大功率的MOS管，所以要先對(duì)弱脈沖信號(hào)進(jìn)行放大，才能驅(qū)動(dòng)后面的MOS管。放大電路如圖3所示。
弱脈沖放大電路的輸出脈沖通過控制MOS管的通斷控制電容的充放電，從而形成符合要求的調(diào)制脈沖，驅(qū)動(dòng)振蕩器工作。調(diào)制脈沖產(chǎn)生電路如圖4所示。
波形分析和實(shí)驗(yàn)測(cè)試
在理想情況下，脈沖調(diào)制器輸出的脈沖應(yīng)為矩形，矩形脈沖頂部平坦，脈沖持續(xù)期間雪崩管振蕩器的功率和頻率穩(wěn)定。但實(shí)際上，由于脈沖調(diào)制器中不可避免地存在有寄生參量，例如分布電容、引線電感等，而其上的電壓、電流又是不能突變的，這就使得脈沖調(diào)制器不可能輸出理想的矩形調(diào)制脈沖，一般脈沖波形如圖5所示。
圖中τr表示脈沖上升沿時(shí)間，τf表示脈沖下降沿時(shí)間，τ表示脈沖寬度，脈沖頂部變化率為：
在實(shí)驗(yàn)中，用1Ω純電阻作為等效負(fù)載，外接25V直流穩(wěn)壓電源，用示波器觀察輸出脈沖波形。示波器上得到的輸出脈沖波形如圖6所示。圖中橫坐標(biāo)為時(shí)間，單位是100ns/大格；縱坐標(biāo)為幅度，單位是5V/大格。從圖6中可以看出脈沖寬度小于100ns，上升沿時(shí)間小于10ns，下降沿時(shí)間略大于10ns ,頂部比較平坦。由于采用1Ω純電阻作為等效負(fù)載，該波形也可以看作是脈沖電流波形，從該波形可以看出瞬態(tài)脈沖電流超過了15A。
本文研制的窄脈沖調(diào)制器接上雪崩二極管振蕩器，能夠使振蕩器振蕩，在93.7GHz的輸出脈沖下測(cè)得的平均功率為9dBmW，這說明本文研制的脈沖調(diào)制器是可行的。本調(diào)制器還可用于驅(qū)動(dòng)Ka波段體效應(yīng)管振蕩器，也可用于脈沖體制的毫米波雷達(dá)等的發(fā)射機(jī)中。
