【设想】脉冲磁控管驱动电路
GiroPetrenko 2021-1-24原创 雷达电子战高电压技术
中文摘要
脉冲磁控管驱动电路的设想以及线性脉冲调制器的设计。

【背景】在很久之前收了一对X波段的脉冲磁控管,苦于当时未曾找到合适的驱动方法逐放弃。现在手痒又收了一只CKM-30型S波段捷变频脉冲磁控管(脉冲磁控管不罕见,但是捷变频的的确是第一次在闲鱼上见到),现在想要DIY一套电路驱动。

image.png

(磁控管图,希望灯丝是完好的。)

第一个问题是此磁控管是“非包装式”的,指的是不包括磁铁。幸好这个型号的国标能在网上查到,并且在附录中收录了磁场-电压-电流图。

image.png

1500-2100奥斯特的磁场并不难达到,尤其是不考虑高温性能。使用(50mm*30mm)的钕磁铁能很好地完成任务。

最大的问题就是脉冲高压驱动了。一个较为正经的尝试是使用E形脉冲网络与脉冲变压器。该磁控管需要20kV的阳极高压与20A的瞬间电流,脉冲宽度为1uS。

自打磁控管问世以来已经近一个世纪过去了,很多落后设计也没有保密的必要。以下公式与图片来自于电子工业出版社的《雷达发射机技术》。

image.png

上面那些并联的电容与电感为E型脉冲网络,阻抗与放电时间可以用以下的公式计算。(PS此电路的正名叫做线性脉冲调制器)

image.png

上图是脉冲形成网络的简化模型。当时间t=0时,开关(火花隙)闭合(击穿),网络向负载RL放电。此时电流走向如蓝色虚线所示,负载RL上的电压时“负”的。此时有一个入射波能量向着PFN的终端输送,表示形式如下:

$$I_L=\frac{U_{in}}{ρ_r}$$

$ρ_r$为脉冲形成网络的特征阻抗, 通过下式计算。

$$ρ_r=\sqrt{\frac{L_N}{C_N}}$$

而L和C为脉冲形成网络的总电感量,C为总电容量。值得注意的是在此种脉冲形成网络上每只电容和电感的值应该是相等的。

对于脉冲上升时间是有要求的,因此网络的节数可以用一下的公式求出。

$$n \geq 0.4 \frac{t}{t_r}$$

t 为放电时间,tr为上升时间,n必须为正整数。

这几个公式都是套娃出来的,每个电容容值取值如下。

$$C=\frac{C_N}{n}=\frac{t}{2nρ_r}$$

一般要求电容无感,以免影响脉冲形成网络的正常工作。

据书中所属,由于受到分布参数的影响,线性脉冲仿真比较困难。下图是一个粗略的仿真尝试。

image.png

image.png

650Ω的负载电阻不是我编出来的,是国标中做脉冲测试时使用的负载电阻。可以看出顶部平整,效果尚可。


(有不小几率咕咕咕)








[修改于 1 个月前 - 2021-01-25 10:47:21]

GiroPetrenko 作者
1个月6天前
1楼

更新了脉冲形成网络简化模型以及仿真。在研究脉冲变压器时遇到了不小的问题。。。

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GiroPetrenko作者
1个月5天前
2楼

二更。

image.png

这是经过脉冲变压器的负载波形,实际上非常不好。上升沿的缓慢放电和下降沿的硬关断(这里仿真使用的是理想开关,到时间一定会被关掉。这里没有火花隙的模型。)是不被需要的。

image.png

若加上一个较为轻的负载,除了左侧的振荡以外基本脉冲形状是理想的。看来这个网络“带不动”磁控管负载。

image.png

接回原负载,反观脉冲形成网络各个电容两段的波形,看样子是没有放干净。这应该是匹配出了问题。



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虎哥
1个月5天前
3楼

磁场要均匀,大了小了都不行,要看管子的说明。简单的办法是用电磁铁,可以调。

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GiroPetrenko作者
1个月5天前
4楼
引用虎哥发表于3楼的内容
磁场要均匀,大了小了都不行,要看管子的说明。简单的办法是用电磁铁,可以调。

磁场大小以及哪面是N级管子都给出了,但是没有给出磁铁具体放置的位置。。。看一些很古旧(WWII)的相似磁控管是直接把巨型马蹄磁铁放置于腔体平面上(写着CKM-30那个面),姑且也这么办吧。

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RodTech
1个月5天前
5楼

巨型马蹄铁 不是随随便便买个就行的。yoke设计有讲究,简单的话就用面积更大的,只用中间部分

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GiroPetrenko作者
1个月5天前
6楼
引用RodTech发表于5楼的内容
巨型马蹄铁 不是随随便便买个就行的。yoke设计有讲究,简单的话就用面积更大的,只用中间部分

想请教一下:两片不连通的大片磁铁(直径大于腔体保证均匀“线性”?),在磁场强度计算可行下能不能使用?(摆放参考汉堡)

主要是巨型马蹄铁不太好买。。。想咕咕咕了

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RodTech
1个月5天前
7楼
引用GiroPetrenko发表于6楼的内容
想请教一下:两片不连通的大片磁铁(直径大于腔体保证均匀“线性”?),在磁场强度计算可行下能不能使用?...

这个问题 稍微看5分钟书就能自行解答。

两大片,要在外围用半圈C形铁给回路,不然用空气回路可用面积非常小,需要大许多倍的磁铁

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rb-sama
27天11时前 修改于 27天11时前
8楼

这个有意思,关注了。

之前看闸流管/调制管资料的时候看过类似的线路,

这个脉冲成型对磁控管驱动是必须的吗,utube上有人用这种东西脉冲调制当微波炉用

ps:如果不考虑便携,弄个调制管TM90,直接满足要求


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nkh0472
27天11时前
9楼

可以做一下磁-电耦合有限元分析。Comsol、ANSYS Maxwell、Matlab都可以实现,难度逐级提高。

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GiroPetrenko作者
27天8时前
10楼
引用rb-sama发表于8楼的内容
这个有意思,关注了。之前看闸流管/调制管资料的时候看过类似的线路,这个脉冲成型对磁控管驱动是必须的吗...

作为雷达是必须的。若是脉冲不是平顶(几kV的变化),磁控管有可能在奇怪的频率下震荡(moding)或者停震。TM90的确是个好方法,不过后期被闸流管取代了。

项目已经咕咕咕了。。。闲鱼上还有一只同型号的,您若是感兴趣可以去看看。

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GiroPetrenko作者
24天22时前
11楼

研究方向错了。。。吐了

使用固态开关不应该是线性调制器,而是“刚管调制器”。商业海事雷达的电路图也印证了这一点。

image.png

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GiroPetrenko作者
24天22时前 修改于 24天22时前
12楼

一定有办法让脉冲磁控管连续波工作的吧。。。。各种各样的脉冲磁控管都有相应的连续波数据。。。(逐渐错乱)

原来是算出来的。。。

image.png

image.png

attachment icon GB11487-1989捷变频脉冲磁控管电性能测试方法.pdf 1.24MB PDF 3次下载 预览


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