PatentDe  


Dokumentenidentifikation DE3852943T2 22.06.1995
EP-Veröffentlichungsnummer 0328814
Titel Mikrowellen-Röhrenmodulator.
Anmelder Sierra Technologies, Inc., New York, N.Y., US
Erfinder Ehrenhalt, Dan, Buffalo New York 14216, US;
Giles, George Rodney, Getzville New York 14221, US
Vertreter Moll, W., Dipl.-Phys. Dr.rer.nat.; Glawe, U., Dipl.-Phys. Dr.rer.nat., 80538 München; Delfs, K., Dipl.-Ing.; Mengdehl, U., Dipl.-Chem. Dr.rer.nat.; Niebuhr, H., Dipl.-Phys. Dr.phil.habil., 20148 Hamburg; Merkau, B., Dipl.-Phys., Pat.-Anwälte, 80538 München
DE-Aktenzeichen 3852943
Vertragsstaaten BE, DE, FR, GB, IT, NL, SE
Sprache des Dokument En
EP-Anmeldetag 01.11.1988
EP-Aktenzeichen 883102816
EP-Offenlegungsdatum 23.08.1989
EP date of grant 01.02.1995
Veröffentlichungstag im Patentblatt 22.06.1995
IPC-Hauptklasse H03C 1/28
IPC-Nebenklasse H03K 5/02   

Beschreibung[de]

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Mikrowellenröhren- Modulator.

Es ist eine Anzahl von Vorrichtungen konstruiert worden, um Impulse für die Verwendung bei Mikrowellen-Modulationsanwendungen zu erzeugen. Einige von diesen verwenden Feldeffekttransistoren (FET's), die parallel verbunden sind, und konventionelle Konstruktionen verwenden parallele FET's, die in einem Aufbau mit gemeinsamer Quelle verbunden sind. Ein solcher Aufbau setzt beträchtliche Grenzen bezüglich der höchsten Spannungen, die an Mikrowellenröhren-Modulatorausgängen zur Verfügung stehen und minimalisiert nicht die Wirkungen der Senke-zu-Gatter(Miller)-Kapazität, die die FET-Schaltgeschwindigkeiten ungünstig beeinflußt. Siehe z.B. die US-Patente mit den Nummern:

3 374 406; 3 374 407; 3 426 255; 3 509 567; 3 525 861; 3 544 399; 3 652 672; 3 582 975; 3 828 324; 3 914 555; 3 967 217; 3 995 178; 4 010 450; 4 071 777; 4 095 251; 4 143 387; 4 221 044; 4 235 010; 4 247 903; 4 262 296; 4 304 042; 4 328 470; 4 409 594; 4 425 527; 4 662 058; 4 679 050; 4 679 299; 4 683 387 und 4 689 802.

Auch EP-A-0 174 164 offenbart einen Mikrowellenröhren-Modulator, der einen Eingangsanschluß zum Empfangen elektrischer Eingangssignale, eine Verstärkeranordnung, die erste und zweite Verstärker und eine erste Kopplungseinrichtung zum Koppeln eines Ausgangssignals des ersten Verstärkers zum Eingang des zweiten Verstärkers aufweist, und eine Speichereinrichtung aufweist, die wenigstens einen Kondensator zum Speichern elektrischer Energie enthält, der so angeordnet ist, daß er elektrische Energie zu einem der Verstärker koppelt, wobei jeder Verstärker eine Vielzahl von Feldeffekttransistoren aufweist, die jeweils Quellen-, Gatter- und Senkenanschlüsse aufweisen.

Der Mikrowellenröhren-Modulator der vorliegenden Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß die Feldeffekttransistoren des ersten Verstärkers in einem Aufbau mit gemeinsamer Quelle verbunden sind, wobei der Eingangsanschluß mit ihren Gatteranschlüssen verbunden ist, daß die Feldeffekttransistoren des zweiten Verstärkers in einem Aufbau gemeinsamen Gatters verbunden sind, wobei die erste Kopplungseinrichtung einen Transformator mit Primär- und Sekundärwicklungen aufweist, wobei die Primärwicklung in Reihe zwischen der Speichereinrichtung und den Senkenanschlüssen der Feldeffekttransistoren des ersten Verstärkers verbunden ist, um elektrische Energie von der Speichereinrichtung zum ersten Verstärker zu koppeln, und wobei die Sekundärwindung mit den Quellenanschlüssen der Feldeffekttransistoren des zweiten Verstärkers verbunden sind, und daß eine zweite Kopplungseinrichtung angeordnet ist, um einen Rückkopplungsstrom, der repräsentativ für das Ausgangssignal des ersten Verstärkers ist, zu den Feldeffekttransistoren des ersten Verstärkers zu koppeln.

Modulatoren entsprechend der vorliegenden Erfindung sind imstande, Hochspannungsimpulse mit kurzen Anstiegs- und Abfallzeiten an die Primärwicklungen geeignet ausgewählter Transformatoren zu liefern, die mit einer großen Anzahl von unterschiedlichen Mikrowellensenderöhren wie Magnetrons, Impulshohlraumoszillatoren, Querfeldverstärkern und Wanderwellenröhren verbunden sind.

Die bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Modulators weist eine erste Stufe auf, die eine Anzahl von parallelen Feldeffekttransistoren (FET's) verwendet, die in einem Aufbau mit gemeinsamer Quelle verbunden sind, um Eingangsimpulse zum Treiben einer zweiten Stufe zu verstärken, die eine Anzahl von parallelen FET's verwendet, die in einem Aufbau mit gemeinsamen Gatter verbunden sind, um einen Mikrowellensenderöhren-Transformator zu betreiben.

Die bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfaßt auch fehlersichere Mittel, um das Überleben und den fortgesetzten Betrieb des Modulators in dem Falle sicherzustellen, daß einer oder mehrere FET's versagen: dies ist ein äußerst vorteilhaftes Merkmal, wenn die Ausführungsform entfernt angeordneten Anlagen oder Luftverkehrsanlagen verwendet werden soll.

Erfindungsgemäße Modulatoren sind zu einer verhältnismäßig hohen Schaltgeschwindigkeit fähig.

Erfindungsgemäße Modulatoren benötigen eine verhältnismäßig niedrige Betriebsspannung.

Erfindungsgemäße Modulatoren können unter Verwendung geeigneter Ausgangstransformatoren an eine große Anzahl von Mikrowellensenderröhren angepaßt werden.

Erfindungsgemäße Modulatoren können Hochspannungsimpulse mit unterschiedlichen Impulsbreiten liefern.

Erfindungsgemäße Modulatoren können verhältnismäßig klein gemacht werden.

Erfindungsgemäße Modulatoren sind leicht herzustellen und zu warten.

In den Zeichnungen sind entsprechende Teile in allen Figuren mit gleichen Bezugszeichen versehen. Es zeigen:

Fig. 1 schematisch den Mikrowellenröhren-Modulator; und

Fig. 2 schematisch eine bevorzugte Kombination von Mikrowellenröhren-Modulatoreinheiten, die verbunden sind, um Hochleistungsimpulse an die Primärschaltung eines Transformators zu liefern, der mit einer Mikrowellensenderröhre verbunden ist.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM DER ERFINDUNG

Es wird auf Fig. 1 Bezug genommen. Dort ist eine schematische Darstellung eines Mikrowellenröhren-Modulators mit einer ersten oder Treiberstufe 10 und einer zweiten oder Primärschaltungsstufe 12 gezeigt. Ein Eingangstransformator 14 verbindet induktiv eine Impulsquelle (nicht gezeigt) zur ersten Stufe 10 des Modulators, und ein Kopplungstransformator 16 verbindet den Ausgang der ersten Stufe 10 induktiv mit der zweiten Stufe 12.

Die erste oder Treiberstufe 10 des Modulators hat in der gezeigten Ausführungsform drei Feldeffekttransistoren (FET's) 18, 19 und 20, die parallel in einem Aufbau mit gemeinsamer Quelle verbunden sind. Der Quellenanschluß jedes der drei Treiberstufentransistoren 18, 19 und 20 ist über einen von drei verknüpften Widerständen 22, 23 bzw. 24 mit dem gemeinsamen oder Masseanschluß 26 verbunden und geerdet. Jeder der Widerstände 22, 23 und 24 ist ein Sicherungs- oder Schmelzwiderstand und wird die Quellenschaltung des mit ihm verknüpften FET öffnen, wenn dieser Transistor versagt und übermäßig Strom zieht. Diese Wirkung wird wirksam den fehlerhaften Transistor von der Modulatorschaltung entfernen, wobei die gesamte Schaltung immer noch mit reduzierter Leistung, sonst aber in verhältnismäßig normaler Weise arbeitet.

Die Sekundärwindung des Eingangstransformators 14 ist elektrisch mit einem Widerstand 27 als Nebenschluß versehen, von dem ein Ende mit dem gemeinsamen oder Masseanschluß 26 verbunden und geerdet ist. Impulse, die in der Sekundärwicklung des Eingangstransformators 14 induziert werden, werden durch die Widerstände 28, 29 und 30 an die Gatteranschlüsse der drei Treiberstufen-FET's 18, 19 bwz. 20 angelegt. Die Gatteranschlüsse der FET's 18, 19 und 20 sind durch Widerstände 32, 33 bzw. 34 mit einem Ende einer Rückkopplungswicklung 36 des Kopplungstransformators 16 verbunden, wobei das andere Ende der Wicklung 36 mit Erde verbunden ist. Die Senkenanschlüsse der FET's 18, 19 und 20 sind direkt mit einem Ende der Primärwicklung 38 des Kopplungstransformators 16 verbunden, und das andere Ende der Primärwicklung 38 ist mit einer Quelle positiver Spannung (wie bei 40), und zwar 300 Volt in der gezeigten Ausführungsform verbunden.

Die zweite oder Primärstufe 12 des Modulators hat in der gezeigten Ausführungsform zwölf Leistungs-FET's (die mit aufeinanderfolgenden Bezugsziffern 44 bis 55 bezeichnet sind), die in einem Aufbau mit gemeinsamen Gatter parallel geschaltet sind. Die Sekundärwicklung 42 des Kopplungstransformators 16 ist an einem Ende mit dem Masseanschluß 26 verbunden und geerdet. Impulse, die in der Sekundärwicklung 42 des Transformators 16 induziert werden, werden an den Quellenanschluß jedes der zwölf Primärstufentransistoren (die durch aufeinanderfolgende Bezugsziffern 44 bis 55 bezeichnet sind) durch zwölf damit verknüpfte Widerstände (die durch aufeinanderfolgende Bezugsziffern 56 bis 67 bezeichnet sind) angelegt. Jeder der Widerstände 56 bis 67 ist ein Schmelz- oder Sicherungswiderstand und wird die Quellenschaltung seines damit verknüpften FET öffnen, falls dieser Transistor versagt und übermäßigen Strom zieht. Diese Wirkung wird auf wirksame Weise den fehlerhaften Transistor aus der Modulatorschaltung entfernen, wobei die gesamte Schaltung aber immer noch mit reduzierter Leistung, sonst aber in verhältnismäßig normaler Weise arbeitet.

Ebenfalls verbunden mit der Quelle der positiven Spannung 40 ist eine Seite einer Kondensatorbank 68, die dazu verwendet wird, elektrische Ladungen der Primärstufe zu speichern. Die andere Seite der Kondensatorbank 68 ist mit dem Masseanschluß 26 verbunden und geerdet. Der Gatteranschluß jedes der zwölf Primärstufen-FET's (die durch aufeinanderfolgende Bezugszeichen 44 bis 55 bezeichnet sind) ist mit einem der zwölf Widerstände (die durch aufeinanderfolgende Bezugsziffern 70 bis 81 bezeichnet sind) verbunden, deren anderes Ende mit dem Masseanschluß 26 verbunden und geerdet ist. Die Widerstände (70 bis 81) minimalisieren parasitäre Oszillationen in der Transistorgatterschaltung. Der Senkenanschluß jedes der zwölf Primärstufen-FET's (44 bis 55) ist mit einem Ausgangsanschluß 82 verbunden.

Eine Mikrowellenröhre (nicht gezeigt), die mit der Sekundärwindung eines geeigneten Ausgangstransformators (ebenfalls nicht gezeigt) verbunden ist, kann mit dem Modulator gekoppelt werden, indem die Primärwicklung des Transformators mit dem Ausgangsanschluß 82 verbunden wird.

Der gerade beschriebene Mikrowellenröhren-Modulator kann vorteilhafterweise kombiniert werden, wenn mehr Leistung erfordert wird, als durch eine einzelne Einheit geliefert werden kann. Eine typische Anordnung mit vier Einheiten (bezeichnet durch aufeinanderfolgende Bezugsziffern 84 bis 87), die parallel verbunden sind, ist in Fig. 2 gezeigt. Ihre vereinigten Ausgänge sind mit der Primärwicklung eines Ausgangstransformators 88 verbunden, der ein hohes Sekundärwicklung-zu- Primärwicklung-Windungsverhältnis hat, das so ausgewählt ist, daß eine Übereinstimmung mit den Spannungs- und Stromerfordernissen der Mikrowellenröhre besteht, die mit der Sekundärwicklung des Transformators verbunden werden soll.

Die in der gezeigten Ausführungsform verwendeten Transistoren können n-Kanal-Metalloxid-Silicium-Feldeffekttransistoren vom Anreicherungstyp sein. Ein FET vom Anreicherungstyp ist so konstruiert, daß er effektiv keinen Kanal besitzt, bis eine geeignete Gatterspannung angelegt wird. Eine Gleichstrom- Betriebsbedingung wird hergestellt, indem eine positive Spannung an die Senke angelegt wird. Wie dies gezeigt ist, wird das Substrat mit der Quelle verbunden. Beide befinden sich effektiv auf Erdpotential, und Kanalelektronen werden zur positiven Senke angezogen. Eine an das Gatter angelegte Spannung steuert den Stromfluß. Wenn eine negative Spannung an das Gatter angelegt wird, werden positiv geladene Löcher vom Substrat vom p-Typ zum Gatter angezogen, wodurch wirksam der Leitungskanal verengt und der Quellen-Senken-Strom verringert wird. Wenn eine positive Spannung an das Gatter angelegt wird, werden die positiv geladenen Löcher abgestoßen, wodurch der Leitungskanal wirksam verbreitert und der Quellen-Senken-Strom vergrößert wird.

Bevor ein Eingangssignal angelegt wird, wird die Kondensatorbank, die zwischen der Quelle der positiven Spannung 40 und Erde verbunden ist, geladen. Ein positives Eingangssignal wird durch die Widerstände 28, 29 und 30 an die Gatter der Transistoren 18, 19 und 20 angelegt, wodurch diese in bezug auf ihre damit verknüpften Quellen positiv werden und Strom durch den Stromkanal zwischen der Quelle und der Senke jedes entsprechenden Transistors fließen kann. Dies vervollständigt einen Weg, daß in der Kondensatorbank 68 gespeicherte elektrische Energie als Strom durch die Primärwicklung 38 des Kopplungstransistors 16 fließen kann. Die Rückkopplungswicklung 36 des Kopplungstransistors 16 gibt Rückkopplungsstrom durch die Widerstände 32, 33 und 34 an die entsprechenden Gatter der Transistoren 18, 19 und 20 der Treiberstufe 10 ab. Die Rückkopplung wirkt so, daß sie die Verstärkung der Treiberstufe 10 stabilisiert.

Das Windungsverhältnis der Primärwicklung zur Sekundärwicklung ist hoch, und es wird ein großer Strom in die Sekundärwindung 42 induziert. Da die Gatter der Leistungstransistoren 44 bis 55 positiv in bezug auf ihre Quellen sind, wird der große in der Sekundärwindung induzierte Strom 42 durch den Stromkanal zwischen der Quelle und der Senke jedes entsprechenden Transistors fließen und an die Primärwicklung des in Fig. 2 gezeigten Ausgangstransformators 88 angelegt. Dieser Zyklus wird für jeden positiven Impuls, der an den Eingang des Modulators angelegt wird, wiederholt.

Während des Betriebes dieser Anordnung können die Quellenanschlüsse der Leistungs-FET's (die durch aufeinanderfolgende Bezugsziffern 44 bis 55 bezeichnet sind) auf ein Potential von ungefähr minus zwanzig Volt getrieben werden; daher können die Senkenanschlüsse der FET's auf ein Potential von null Volt getrieben werden, wodurch man 300 Volt-Impulse über die Primärwicklung des Ausgangstransformators erhält.

Typische Impulsspannungs-Erfordernisse für Mikrowellensenderöhren reichen von 15 bis 35 Kilovolt. Die Ausführungsform des Mikrowellenröhren-Modulators, die in Fig. 2 dargestellt ist, erfordert nur 300 Volt Gleichstrom für ihren Betrieb und wird einen Strom von 2600 bis 3000 Ampere an die Primärwicklung des Ausgangstransformators 88 abgeben und ausreichende Leistung liefern, um ein 250 Kilowatt-Magnetron zu betreiben.

Der Aufbau mit gemeinsamen Gatter der Leistungstransistoren in der zweiten oder Primärstufe des Modulators minimalisiert die Wirkungen von Senke-zu-Gatter(Miller)-Kapazität und erhöht dadurch die Schaltgeschwindigkeit der Leistungs-FET's über diejenige, die durch Transistoren mit einem Aufbau mit gemeinsamer Quelle erreicht werden kann. Die gezeigten Leistungs- FET's haben Schaltzeiten, die kleiner sind als 100 Nanosekunden.


Anspruch[de]

1. Mikrowellenröhren-Modulator, der einen Eingangsanschluß zum Empfangen elektrischer Eingangssignale, eine Verstärkeranordnung, die erste und zweite Verstärker (10,12) und eine erste Kopplungseinrichtung (38,42) zum Koppeln eines Ausgangssignals des ersten Verstärkers (10) an den Eingang des zweiten Verstärkers (12) aufweist, und eine Speichereinrichtung (68) aufweist, die wenigstens einen Kondensator zum Speichern elektrischer Energie enthält, der so angeordnet ist, daß er elektrische Energie zu einem der Verstärker koppelt, wobei jeder Verstärker (10,12) eine Vielzahl von Feldeffekttransistoren aufweist, die jeweils einen Quellen-, Gatter- und Senkenanschluß aufweisen, dadurch gekennzeichnet, daß die Feldeffektransistoren (18,19,20) des ersten Verstärkers (10) in einer Anordnung mit gemeinsamer Quelle verbunden sind, wobei der Eingangsanschluß mit ihren Gatteranschlüssen verbunden ist, daß die Feldeffekttransistoren (44-55) des zweiten Verstärkers (12) mit einer Anordnung mit gemeinsamen Gatter verbunden sind, daß die erste Kopplungseinrichtung (38,42) einen Transformator mit Primär- und Sekundärwicklungen aufweist, wobei die Primärwicklung (38) in Reihe zwischen der Speichereinrichtung (68) und den Senkenanschlüssen der Feldeffekttransistoren (18,19,20) des ersten Verstärkers (10) verbunden ist, um elektrische Energie von der Speichereinrichtung (68) zum ersten Verstärker (10) zu koppeln, und daß die Sekundärwicklung (42) mit den Quellenanschlüssen der Feldeffekttransistoren (44-55) des zweiten Verstärkers (12) verbunden sind, und daß eine zweite Kopplungseinrichtung (36) angeordnet ist, um einen Rückkopplungsstrom, der für das Ausgangssignal des ersten Verstärkers (10) repräsentativ ist, an die Feldeffekttransistoren (18,19,20) des ersten Verstärkers zu koppeln.

2. Mikrowellenröhren-Modulator nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Eingangskopplungseinrichtung (14), die den elektrischen Eingangsanschluß an die Gatteranschlüsse der Feldeffekttransistoren (18,19,20) des ersten Verstärkers (10) koppelt.

3. Mikrowellenröhren-Modulator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kopplungseinrichtung (14) einen elektrischen Transformator aufweist.

4. Mikrowellenröhren-Modulator nach einem vorangehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Kopplungseinrichtung (36) eine Rückkopplungswicklung an dem elektrischen Transformator der ersten Kopplungseinrichtung (38,42) aufweist.

5. Mikrowellenröhren-Modulator nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Windungsverhältnis der Primärwicklung zur Sekundärwicklung hoch ist.

6. Mikrowellenröhren-Modulator nach einem vorangehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, daß die Speichereinrichtung (68) eine Vielzahl von elektrischen Kondensatoren aufweist.

7. Mikrowellenröhren-Modulator nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Speichereinrichtung (68) die Vielzahl von elektrischen Kondensatoren aufweist, die parallel miteinander verbunden sind.

8. Mikrowellenröhren-Modulator nach einem vorangehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, daß die Feldeffekttransistoren (18-20, 44-55) n-Kanal-Metalloxid-Silicium-Feldeffekttransitoren vom Anreicherungstyp sind.

9. Mikrowellenröhren-Modulator nach einam vorangehenden Anspruch, gekennzeichnet durch eine stromempfindliche Einrichtung (22-24, 56-67), die elektrisch in Reihe mit der Quelle jedes Feldeffekttransistors verbunden ist, um den Modulator vor ubermäßigem elektrischen Stromfluß durch die Feldeffekttransistoren aufgrund der Tatsache zu schützen, daß irgendein Feldeffekttransistor einem übermäßigem Stromfluß zwischen seiner Quelle und seiner Senke ausgesetzt ist oder einen solchen bewirkt.

10. Mikrowellenröhren-Modulator nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die stromempfindliche Einrichtung (22-24, 56-67) einen Schmelz- oder Sicherungswiderstand aufweist.

11. Mikrowellenröhren-Modulator nach einem vorangehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Verstärker (10) drei Feldeffekttransistoren (18-20) aufweist, die in einer Anordnung mit gemeinsamer Quelle verbunden sind, und daß der zweite Verstärker (12) zwölf Feldeffekttransistoren (44-55) hat, die in einer Anordnung mit gemeinsamen Gatter verbunden sind.

12. Mikrowellenröhren-Modulator nach einem vorangehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, daß der Mikrowellenröhren-Modulator eine Einheit (z.B. 84) bildet, die mit wenigstens einer anderen solchen Einheit (85-87) verbunden ist, um zusammenwirkend elektrische Ausgangsleistung zu erzeugen, die den kumulativen Ausgangsleistungen der Einheiten gleich ist.







IPC
A Täglicher Lebensbedarf
B Arbeitsverfahren; Transportieren
C Chemie; Hüttenwesen
D Textilien; Papier
E Bauwesen; Erdbohren; Bergbau
F Maschinenbau; Beleuchtung; Heizung; Waffen; Sprengen
G Physik
H Elektrotechnik

Anmelder
Datum

Patentrecherche

Patent Zeichnungen (PDF)

Copyright © 2008 Patent-De Alle Rechte vorbehalten. eMail: info@patent-de.com