中心論題：

脈沖調制器的基本組成和工作原理

電路設計

波形分析和實驗測試

解決方案：

利用方波發生器4060和觸發單穩態觸發器74LS123產生脈寬可調的脈沖周期信號

脈沖變換及調制脈沖產生

隨著毫米波固態器件的發展，毫米波近程探測器逐漸從Ka波段轉向W波段。本文的應用背景就是一部W波段的主被動復合探測器系統，它是通過主動毫米波雷達和被動毫米波輻射計進行復合工作，對目標進行測距、定位和目標識別的微小型探測器。

脈沖調制器是本系統中的重要組成部分，它除了調制射頻功率源外，還為系統的測距電路和信號處理電路提供基準信號和觸發信號。本系統的射頻功率源由雪崩二極管振蕩器產生，它與體效應管振蕩器相比，工作頻率高、功率大，但對脈沖調制器的瞬態驅動電流要求也高。具體的指標要求是：瞬態脈沖電流不小于15A，此時電源電壓不高于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間為10ns左右，頂部的壓降率不超過10%。本文的重點就是研究如何產生這樣的脈沖來達到系統的要求。

脈沖調制器的基本組成和工作原理

脈沖調制器主要由調制開關、儲能元件、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：對儲能元件按一定方式進行充電，把高壓電源同調制開關隔開，避免在調制開關接通時高壓電源過載。

儲能元件一般為耐壓值和容值較大的電容。其作用是：在較長的脈沖間歇期間從高壓電源獲取能量并不斷儲存起來，而在極短的脈沖工作期間把能量轉交給振蕩器。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：構成儲能元件的充電回路，在儲能元件放電時，它所呈現的阻抗比振蕩器阻抗大得多，對放電電流基本上沒有影響，而且還可以改善調制脈沖后沿波形。

調制開關采用MOS功率場效應管。它的作用是：在外來脈沖觸發的短暫時間內接通儲能元件的放電回路，以形成納秒級的調制脈沖，在外來脈沖間歇期間它是斷開的，以使儲能元件充電。由于放棄了真空開關管等器件，使由于真空器件失效而產生的失效率降為零，從而提高了探測器的可靠性，同時還能使探測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制器的工作原理就是利用具有一定脈沖寬度和重復周期的脈沖，通過控制調制開關的通斷來控制儲能元件的充放電，從而形成符合要求的高壓脈沖，驅動振蕩器工作。它實質上是一個功率轉換器，即將平均功率較小的直流電源轉換成脈沖功率較大的窄脈沖源。假設在整個脈沖間歇期內儲能元件儲存的能量為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為脈沖重復周期；τ為脈沖寬度。

在本系統中，T》》τ，故T-τ≈T，則Wc≈Pe?T?ηc （2）

在脈沖期τ內，調制開關導通，儲能元件通過放電回路向振蕩器負載放電從而形成調制脈沖。顯然，振蕩器在脈沖期τ內得到的功率即脈沖調制器的輸出脈沖功率Pτ為：

式中：ηd為放電效率；ηm=ηc?ηd為調制器的效率，一般在60%～80%。

由公式（4）可以看出：調制器輸出的脈沖功率遠大于電源供給調制器的平均功率，電源能量得到比較充分的利用。

電路設計

a.脈沖控制信號產生

利用數字電路產生周期脈沖信號的方法有很多，本文采用的是利用方波發生器4060產生周期為20μs的方波信號，然后觸發單穩態觸發器74LS123產生脈寬為50ns～150ns可調的脈沖周期信號。電路原理圖如圖2所示。

4060是一種內含振蕩器的14位并行二進制計數器，計數器在時鐘的下降沿到來時計數，內部含有的時鐘產生電路通過外接RC元件或晶體即可組成RC振蕩器或晶體振蕩器，輸出的方波信號可作為內部計數器的時鐘信號。

74LS123是一種常用的單穩態觸發器，它可以有多種觸發方式，可利用脈沖信號的上升沿或下降沿觸發產生所需的正脈沖或負脈沖，脈沖寬度由外部RC的值來決定。

b.脈沖變換及調制脈沖產生

由于數字電路輸出的TTL電平脈沖信號驅動能力很弱，無法直接驅動大功率的MOS管，所以要先對弱脈沖信號進行放大，才能驅動后面的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制脈沖，驅動振蕩器工作。調制脈沖產生電路如圖4所示。

波形分析和實驗測試

在理想情況下，脈沖調制器輸出的脈沖應為矩形，矩形脈沖頂部平坦，脈沖持續期間雪崩管振蕩器的功率和頻率穩定。但實際上，由于脈沖調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，這就使得脈沖調制器不可能輸出理想的矩形調制脈沖，一般脈沖波形如圖5所示。

圖中τr表示脈沖上升沿時間，τf表示脈沖下降沿時間，τ表示脈沖寬度，脈沖頂部變化率為：

在實驗中，用1Ω純電阻作為等效負載，外接25V直流穩壓電源，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。圖中橫坐標為時間，單位是100ns/大格；縱坐標為幅度，單位是5V/大格。從圖6中可以看出脈沖寬度小于100ns，上升沿時間小于10ns，下降沿時間略大于10ns ，頂部比較平坦。由于采用1Ω純電阻作為等效負載，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脈沖電流超過了15A。

本文研制的窄脈沖調制器接上雪崩二極管振蕩器，能夠使振蕩器振蕩，在93.7GHz的輸出脈沖下測得的平均功率為9dBmW，這說明本文研制的脈沖調制器是可行的。本調制器還可用于驅動Ka波段體效應管振蕩器，也可用于脈沖體制的毫米波雷達等的發射機中。