雷达原理第二章-雷达发射机

第二章雷达发射机,提纲,1.雷达发射机的任务和基本组成2.雷达发射机的主要质量指标3.单级振荡式和主振放大式发射机4.固态发射机5.脉冲调制器：提供合适的视频调制脉冲,1:雷达发射机的任务和基本组成,一、发射机的任务二、发射机的分类与组,一、发射机的任务产生大功率的特定调制的电磁振荡即射频信号。对于常见的脉冲雷达，要求发射机产生具有一定宽度、一定重复频率、一定波形的大功率射频脉冲列。,1:雷达发射机的任务和基本组成,射频信号_补充1,射频（RadioFrequency，RF）：是指该频率的载波功率能通过天线发射出去，以交变的电磁场形式在自由空间以光速传播，碰到不同介质时传播速率发生变化，也会发生电磁波反射、折射、绕射、穿透等，引起各种损耗。,噪声系数：一般定义为输出信噪比与输入信噪比的比值，实际使用中化为分贝来计算。单位用dB。耦合度：耦合端口与输入端口的功率比,单位用dB。隔离度：本振或信号泄露到其他端口的功率与原有功率之比，单位dB。,1:雷达发射机的任务和基本组成,天线增益（dB）：指天线将发射功率往某一指定方向集中辐射的能力。一般把天线的最大辐射方向上的场强E与理想各向同性天线均匀辐射场场强E0相比，以功率密度增加的倍数定义为增益。Ga=E2/E02天线方向图：是天线辐射出的电磁波在自由空间存在的范围。方向图宽度一般是指主瓣宽度即从最大值下降一半时两点所张的夹角。E面方向图指与电场平行的平面内辐射方向图；H面方向图指与磁场平行的平面内辐射方向图。一般是方向图越宽，增益越低；方向图越窄，增益越高。,1:雷达发射机的任务和基本组成,功率单位简介_补充2,绝对功率的dB表示射频信号的绝对功率常用dBm、dBW表示，它与mW、W的换算关系如下：例如：信号功率为xW，利用dBm表示时其大小为：,例如：1W等于30dBm，等于0dBW。,1:雷达发射机的任务和基本组成,相对功率的dB表示射频信号的相对功率常用dB和dBc两种形式表示，其区别在于：dB是任意两个功率的比值的对数表示形式，而dBc是某一频点输出功率和载频输出功率的比值的对数表示形式。,1:雷达发射机的任务和基本组成,天线传播相关单位简介_补充3,天线增益天线增益一般由dBi或dBd表示。dBi是指天线相对于无方向天线的功率能量密度之比，dBd是指相对于半波振子Dipole的功率能量密度之比，半波振子的增益为2.15dBi，因此0dBd=2.15dBi。,1:雷达发射机的任务和基本组成,信号调制_补充4,什么叫调制?调制是将需要传输的信息编码和处理，使其适合传输的过程。一般的调制过程是指将基带信号搬移到更高的频带内。为什么需要调制?（1）基带信号一般不适合直接传输，需要将其移至适合在传输媒介传输和频带范围内。（2）提高频率利用效率。（3）利用较高的频带传输信号可有效降低接收和发送天线的尺寸。,1:雷达发射机的任务和基本组成,1:雷达发射机的任务和基本组成,模拟调制：被调制信号为模拟信号.分为:幅度调制(AM)，频率调制(FM)和相位调制(PM)数字调制：被调制信号为数字信号。分为：振幅键控(ASK)，频移键控(FSK)，相移键控(QSK)，开关键控调制(OOK)以及ASK与PSK的组合调制如(DPSK，QPSK，8PSK等),1:雷达发射机的任务和基本组成,模拟调制:AMFMPMPM其实也是频率调制，只是调制时对频率的控制精度更高,调制电路也较为复杂。,1:雷达发射机的任务和基本组成,数字调制:ASKFSKPSKOOK,1:雷达发射机的任务和基本组成,单级振荡式发射机主振放大式发射机,1:雷达发射机的任务和基本组成,二、发射机的分类与组成,1:雷达发射机的任务和基本组成,单级振荡式：大功率电磁振荡产生与调制同时完成（一个器件）,单级振荡式发射机,1:雷达发射机的任务和基本组成,定时器提供以为间隔的脉冲触发信号。脉冲调制器：在触发脉冲信号激励下产生脉宽为的大功率视频脉冲信号。大功率射频振荡器：产生大功率射频信号。特点：简单，廉价，高效，难以产生复杂调制，频率稳定性差，。,1:雷达发射机的任务和基本组成,主振放大式发射机,主振放大式（主控振荡器加上射频放大链）：先产生小功率的CW（ContinuousWave）振荡，再分多级进行调制和放大。,固体微波源产生如下五种频率：1、射频发射信号频率；2、本振信号频率；3、中频相干振荡频率；4、定时触发脉冲频率；5、时钟频率；,1:雷达发射机的任务和基本组成,定时器：给三个脉冲调制器提供不同时间，不同宽度的触发脉冲信号。固体微波源：是高稳定度的CW振荡器，在脉冲调制下形成输出脉冲。中间放大器：在微波源脉冲到达后很短时间处于放大状态，在微波脉冲结束后退出放大状态，受脉冲控制。输出功率放大器：产生大功率的脉冲射频信号。特点：调制准确，能够适应多种复杂调制，系统复杂，昂贵，效率低。,一、工作频率或频段二、输出功率三、总效率四、信号形式五、信号的稳定度或频谱纯度,2:雷达发射机的主要质量指标,工作频率,与器件的关系,1GHZ以下：微波三极管，微波四极管，晶体管。1GHZ以上：磁控管，行波管，速调管，晶体管。,与功率的关系,与系统的关系,频率越高，功率越低。,频率越高，天线尺寸越小，大气衰减越大。,输出信号频率,一、工作频率或频段,2:雷达发射机的主要质量指标,发射机送入天线输入端的功率,平均功率,峰值功率,单位时间内发出的功率能量Pav，脉冲重复周期内的输出平均功率。,脉冲发出时间点的功率Pt，脉冲期间射频振荡的平均功率。,三、总效率,输入发射机的总平均功率,输出和输入的功率比,工作比，占空比,二、输出功率,2:雷达发射机的主要质量指标,四、信号形式,发射信号的形式,雷达的常用信号形式,2:雷达发射机的主要质量指标,工作比：,2:雷达发射机的主要质量指标,三种典型雷达信号形式和调制波形,固定载频矩形脉冲调制信号,线性调频信号,相位编码信号,子脉冲宽度,2:雷达发射机的主要质量指标,五、脉冲波形,脉冲：瞬间突然变化、作用时间极短的电压或电流称为脉冲信号，简称为脉冲。,常见的几种脉冲波形：,矩形脉冲信号的获取方法有两种：,产生：不用信号源，加上电源自激振荡，直接产生波形。,整形：输入信号源进行整形。,脉冲产生电路：多谐振荡器,脉冲整形（变换）电路：施密特触发器、单稳态触发器,2:雷达发射机的主要质量指标,脉冲周期T,脉冲幅度Vm,脉冲宽度,上升时间tr,下降时间tf,占空比：,2:雷达发射机的主要质量指标,1.信号的稳定度信号各项参数（如信号的振幅、频率、相位、脉冲宽度和脉冲重复频率等）是否随时间作不应有的变化。2.信号的频谱纯度雷达信号在应有信号频谱之外的寄生输出。频谱纯度为稳定度在频域中的表示。,2:雷达发射机的主要质量指标,六、信号的稳定度或频谱纯度,信号参数的不稳定可分为规律性的与随机性的两类,规律性的不稳定往往是由电源滤波不良、机械震动等原因引起的,而随机性的不稳定则是由发射管的噪声和调制脉冲的随机起伏所引起的。,矩形射频脉冲列的理想频谱,由图可知：主瓣宽度2/，随而。主要能量集中在主瓣。,2:雷达发射机的主要质量指标,实际发射信号的频谱,2:雷达发射机的主要质量指标,从图中可以看出，存在两种类型的寄生输出：一类是离散的；另一类是分布寄生输出，前者相应于信号的规律性不稳定，后者相应于信号的随机性不稳定。,2:雷达发射机的主要质量指标,对于离散型寄生输出,对于分布型寄生输出,离散型寄生谱：,分布型寄生谱：,例1：某型机载脉冲雷达的峰值功率Pt=10kW,使用两种PRF,fr1=10kHz,fr1=30kHz,如果平均发射功率Pav为常数并等于1500W时，每种PRF的脉冲宽度是多少？计算每种情况下的脉冲能量。,2:雷达发射机的主要质量指标,解：由于Pav为常数，所有的两种PRF具有相同的占空比（因子）。,脉冲重复周期（间隔）是,由此,2:雷达发射机的主要质量指标,一、单级振荡式发射机,（一）特点（二）组成（三）波形（四）各部分电路功用,3、单级振荡式和主振放大式发射机,（一）特点,大功率射频振荡器做末级,优点：简单、经济、比较轻便。缺点：频率稳定度较差（一般10-410-5）；难以形成复杂的波形；相继射频脉冲不相参。,3、单级振荡式和主振放大式发射机,（二）组成,1.基本结构,3、单级振荡式和主振放大式发射机,2.带预调器的结构,3、单级振荡式和主振放大式发射机,（三）波形,3、单级振荡式和主振放大式发射机,（四）各部分电路功用,（1）电源：供给交、直流电能。（2）射频振荡器：把直流电源转变为射频振荡的电能（能量转换器）。米波超短波三极管；分米波微波三极管或磁控管；厘米波多腔磁控管。,3、单级振荡式和主振放大式发射机,（3）脉冲调制器：控制射频振荡器的振荡方式。实际上就是大功率脉冲产生器或脉冲功率放大器，用于产生等幅、等宽、等周期矩形脉冲，控制射频振荡器按脉冲规律工作。（4）预调器：产生小功率的预调脉冲。,3、单级振荡式和主振放大式发射机,二、主振放大式发射机,（一）特点（二）组成（三）各部分电路功用（四）应用举例,3、单级振荡式和主振放大式发射机,（一）特点,大功率射频功率放大器做末级,缺点：复杂、昂贵、笨重。优点：频率稳定度高；产生相参信号；适用于频率捷变雷达；用于形成复杂调制波形。,3、单级振荡式和主振放大式发射机,相参信号,信号的相参性两个信号相位间存在确定关系。,单级振荡式发射机：振荡器工作状态由脉冲调制器控制，每个射频脉冲起始射频相位由振荡器噪声决定具有随机性，即射频信号相位不相参。主振放大式发射机：主控振荡器提供基准连续波信号，射频脉冲通过脉冲调制器控制射频功率放大器产生。相继射频脉冲具有固定的相位关系。,3、单级振荡式和主振放大式发射机,（二）组成,3、单级振荡式和主振放大式发射机,（三）各部分电路功用,（1）主控振荡器（固态微波源）产生低电平射频振荡信号。现代雷达要求射频信号频率很稳定，用一级振荡器很难满足要求，往往是比较复杂系统。主控振荡器通常由石英晶体振荡器、多级倍频器、上变频器等固体器件组成，所以又称“固体微波源”。,3、单级振荡式和主振放大式发射机,（2）射频放大链一般由23级射频功率放大器级联而成，包括中间射频功率放大器、输出功率放大器，将固体微波源产生的低电平放大到高功率电平。当雷达工作频率在1000MHz以下时，放大管多采用微波三、四极管（栅控管）；当雷达工作频率在1000MHz以上时，放大管多采用大功率速调管、行波管和前向行波管。,3、单级振荡式和主振放大式发射机,（3）脉冲调制器产生矩形脉冲控制射频振荡器振荡。但各级射频功率放大器所需调制脉冲的参数（脉冲宽度、延迟时间等）不同。（4）定时器由于各脉冲调制器不同时工作，需要定时器协调各调制器工作时间。,3、单级振荡式和主振放大式发射机,（四）应用举例,采用频率合成技术的主振放大式发射机,3、单级振荡式和主振放大式发射机,能产生复杂波形的主振放大式发射机,3、单级振荡式和主振放大式发射机,一、发展概况和特点二、固态高功率放大器模块三、固态发射机的应用,4、固态发射机,（一）发展概况和特点,近年来，微波半导体大功率器件获得了发展。固态发射机通常由几十个-几千个固态发射模块组成，已在机载雷达、相控阵雷达等雷达中逐步代替常规微波电子管发射机。,4、固态发射机,优点：1、不需要阴极加热、寿命长；2、具有很高的可靠性；3、体积小、重量轻；4、工作频带宽、效率高；5、系统设计和运用灵活；6、维护方便，成本较低。,4、固态发射机,4、固态发射机,（二）固态高功率放大模块,固态高功率放大器模块,并行组合多个大功率微波晶体管的输出功率,大功率微波晶体管,2G以下：硅双级晶体管，功率和增益较低2G以上：GaAsFET（砷化镓场效应管）,集中合成,空间合成,主要用于相控阵雷达,可用于中小功率的雷达发射机辐射源,输出功率效率高，决定于n和最后一级功率。,由于微波功率合成网络的插入损耗将固态收发模块中的有源器件和无源器件集成在一起，系统有损耗。,空间合成的输出结构,4、固态发射机,优点：1-n2个末级功率输出模块每一个与相应的辐射单元相接，从而减小了射频功率的馈线传输损失，提高了发射效率。缺点：发射不集中。,集中合成的输出结构,4、固态发射机,有损耗，由于微波功率合成网络的插入损耗将固态收发模块中的有源器件和无源器件集成在一起。,4、固态发射机,（三）微波单片集成（MMIC）收发模块,微波单片集成电路(MMIC)的最新发展,使固态收发模块在相控阵雷达中的应用达到实用阶段。微波单片集成电路采用了新的模块化设计方法,将固态收发模块中的有源器件(线性放大器、低噪声放大器、饱和放大器或有源开关等)和无源器件(电阻、电容、电感、二极管和传输线等)制作在同一块砷化镓(GaAs)基片上,从而大大提高了固态收发模块的技术性能,使成品的一致性好,尺寸小,重量轻。,典型的微波单片集成收发模块的组成框图：收发模块主要由功率放大器、低噪声放大器、宽带放大器、移相器、衰减器、限幅收发开关和环行器等部件组成,具有高集成度、高可靠性和多功能特点。,相控阵雷达的单片集成收发模块组成框图,4、固态发射机,近年来微波单片集成收发模块发展很快,并且已经成为相控阵雷达的关键部件。从超高频波段至厘米波波段,都有可供实用的微波单片集成收发模块,表列出了从L波段至X波段的几种集成收发模块的主要性能参数及其体积和重量。微波单片集成收发模块的主要优点如下:(1)成本低。因为由有源和无源器件构成的高集成度和多功能电路是用批量生产工艺制作在相同的基片上的,它不需要常规的电路焊接装配过程,所以成本低廉。(2)高可靠性。采用先进的集成电路工艺和优化的微波网络技术,没有常规分离元件电路的硬线连接和元件组装过程,因此单片集成收发模块的可靠性大大提高。,4、固态发射机,相控阵雷达的几种单片集成收发模块性能参数,4、固态发射机,(3)电路性能一致性好、成品率高。单片集成收发模块是在相同的基片上批量生产制作的,电路性能的一致性很好,成品率高,在使用维护中的替换性也很好。(4)尺寸小、重量轻。有源和无源器件制作在同一块砷化镓基片上,电路的集成度很高,它的尺寸和重量与常规的分离元件制作的收发模块相比越来越小。如表2.6所示,L波段的单片集成收发模块的尺寸为67.2cm2,重量仅为4盎司(即0.113kg)。,4、固态发射机,（三）固态发射机的应用,1、在相控阵雷达中的应用,2、在全固态化高可靠性雷达中的应用,3、在连续波体制对空监视雷达系统中的应用,4、固态发射机,1.在相控阵雷达中的应用固态模块在相控阵雷达中的应用已受到重视。相控阵天线中的每个辐射元由单个的固态收发模块组成。相控阵天线利用电扫描方式,使每个固态模块辐射的能量在空间合成为所需要的高功率输出,从而避免了采用微波网络合成功率所引起的损耗。,4、固态发射机,典型的L波段相控阵发射/接收模块,4、固态发射机,在发射状态,逻辑控制电路发出指令,使移相器收发开关处于发射方式(即保证移相器与预放大器接通)。射频信号经过移相器加到预放大器和功率放大器上,再经过环行器后直接激励相控阵天线中的某个阵元。在接收状态,逻辑控制电路使移相器收发开关处于接收方式(即保证低噪声放大器与移相器接通),由天线阵元接收到的射频回波信号经环行器和限幅器收发开关后加至低噪声放大器,然后再经过移相器送至射频综合网络。射频综合网络合成从各个阵元的发射/接收组件返回的射频回波信号,最后送至由计算机控制的相控阵雷达信号处理机。,4、固态发射机,2.在全固态化高可靠性雷达中的应用,L波段高可靠性全固态化发射机,4、固态发射机,图示出了一个L波段高可靠全固态化发射机的应用实例。这个固态发射机的输出峰值功率为8kW、平均功率为1.25kW。它的主要特点是:(1)功率放大级采用64个固态放大集成模块组成,每个峰值功率为150W、增益为20dB、带宽为200MHz、效率为33%;(2)采用高性能的18功率分配器和81的功率合成器,保证级间有良好的匹配和高的功率传输效率;(3)采用两套前置预放大器(组件65和66),如果一路预放大器失效,转换开关将自动接通另一路。上述三点使这个固态发射机具有高可靠性,而且体积小、重量轻、机动性好。,4、固态发射机,3.在连续波体制对空监视雷达系统中的应用,4、固态发射机,连续波对空监视雷达系统的固态发射机,图示出一种用于连续波体制对空监视雷达系统的固态发射机的组成框图。这个连续波对空监视雷达提供高空卫星及其它空中目标的检测和跟踪数据,工作频率为217MHz。为了提高雷达系统的性能,用固态发射机直接代替了原来体积庞大,效率较低的电子管发射机。整个天线阵面由2592个相控阵偶极子辐射器组成。每个辐射器直接由一个平均功率为320W的固态发射模块驱动。由于固态发射模块与偶极子辐射器采用了一体化结构,与电子管发射机相比,功率传输效率提高了1dB。2592个固态发射模块输出的总平均功率为830kW,当考虑天线阵面的增益时,在空中合成的有效辐射功率高达98dBW。,4、固态发射机,与原来的电子管发射机相比,这个固态发射机具有如下优点:(1)高效率、低损耗。由于2592个固态发射模块与对应的偶极子辐射器在结构上是一体化的,没有电子管发射机必不可少的微波功率输出分配网络带来的损耗,整个发射机的效率为52.6%,比原来电子管发射机的效率(26.4%)提高了1倍。(2)高可靠性。固态发射模块本身的平均无故障间隔时间已超过100000h,整个发射系统的可靠性为0.9998。(3)体积小、重量轻、维护方便。原来的发射机由18个输出功率为50kW的高功率电子管末级放大器组成,需要的附加安全防护设备很多,体积庞大,维修困难。固态发射机使用2592个平均功率为320W的固态模块,直流供电电压为28V,使用和维护很方便。,4、固态发射机,典型的固态发射模块的性能参数,4、固态发射机,连续波对空监视雷达固态发射机和电子管发射机性,4、固态发射机,一、任务二、组成三、基本工作原理四、典型线路,5、脉冲调制器,（一）任务,脉冲调制器解决的关键问题：尽可能降低对于电源部分的高峰值功率的要求，实现用较小功率电源产生较大峰值功率射频脉冲。,在单级振荡式和主振放大式发射机中都需要脉冲调制器。,产生等幅、等宽、等时间间隔的视频脉冲序列控制发射机输出高频脉冲序列。,5、脉冲调制器,把初级电源变换成符合要求的直流或交流电源,在脉冲间歇期存储电源送来的能量，降低对电源部分的高峰值功率的要求,平时接通电源可以储能，脉冲发射期间接通储能和负载。,5、脉冲调制器,（二）组成,（1）电源部分：把初级电源（市电）变换成符合要求直流电源。（2）能量储存部分为有效利用电源功率，采用储能元件在脉冲间歇期间把电源送来的能量储存起来，等到脉冲期间再把储存的能量放出去，交给射频发生器。常用储能元件有电容器和人工长线（或称仿真线）。,5、脉冲调制器,3）脉冲形成部分用开关控制储能元件对负载（高频振荡器）放电，以提供电压、功率、脉冲宽度及脉冲波形等都满足要求的视频脉冲。调制开关（刚性和软性）：平时接通电源可以储能，脉冲发射期间接通储能和负载。常用的开关元件有真空三四极管，氢闸流管，半导体开关元件（可控硅元件）和具有非线性电感的磁开关等。,5、脉冲调制器,5、脉冲调制器,（三）基本工作原理,为了有效利用电源功率，采用储能元件在较长的脉冲间歇期间把电源送来的能量储存起来，等到短促的脉冲期间再把储存的能量提供放给射频发生器，已形成高功率输出脉冲。,5、脉冲调制器,（四）典型线路,1.刚性开关脉冲调制器2.软性开关脉冲调制器,5、脉冲调制器,一、任务、特点,任务：在控制下产生负极性特高压、矩形调制脉冲。,由高压电源Ea和快速开关K组成产生负极性特高压矩形调制脉冲方案。,5、脉冲调制器,二、组成分类,1.并联电路方案之一,储能元件与振荡器“并联，限制器兼作充电限流元件。,K“1”充电储能WcPcT,K“2”放电、放能W=Pt,若无损耗，则Wc=W,可得,K“1”：电源以“细水长流”方式。如同水库平时储水；以小功率，长时间储能在“储能元件”内；,K“2”；以大功率，矩时间放能到负载（磁控管）“振荡器”；以“长时间”换取大功率，所得增益为S。,2.串联电路方案之二,储能元件与振荡器“串联”；限制器还防止K闭合时电源被短路。,5、脉冲调制器,脉冲调制器构成主要器件：,储能元件：电容、电感、仿真线（由电感电容构成）；,限制器：限流电阻、抢流圈；,船用雷达常用三种脉冲调制器：,（1）电容储能、部分放电式刚性管脉冲调制器；,（2）仿真线储能、完全放电式软性管脉冲调制器；,（3）电容/仿真线储能、完全放电式，因态开关脉冲调制器。,二、刚性脉冲调制器,1.典型电路,5、脉冲调制器,1.电路说明：,2.真空管(电子管)刚性开关特点：,5、脉冲调制器,注意：,在m内，C3只放部分电荷。UCmin+UCmax称“部分放电式”。,2)电路分析要点,分析思路：画充放电等效电路列微分议程按初始条件简化方程，得充放电流、电压表达式画曲线、分析结论。,5、脉冲调制器,结论：从所需电源高低及充电效率高低看，均采用部分放电较有利，只有对于更大功率雷达，要Ua、Iao很大，C3、G1承受不了，才不得不用完全放电式。,5、脉冲调制器,（2）C3放电,(3)峰化电感L及削反峰二极管D作用,L与Co构成振荡电路,t=放电结束时，L上感应上正、下负电压加速脉冲后沿（tf)；正向振荡用D削去。,5、脉冲调制器,三、软性脉冲调制器,1.典型电路,1）电路说明图14,L充电电感,D隔离二极管,G1闸流管（软性开关管）,X由电感、电容接成的仿真线,B脉冲变压器,G2磙控管,D1、R2X过压保护元件；,2）闸流管特点,内部充氢，有电离和消电离时间，开关通断不利爽，称“软性管”；,单向控制，零偏压，正启动特性；,通：前沿要陡，幅度低，预调器简单；,断：Ua降到100150V时，IaZC正失配,URL为衰减阶梯形放电,RLZC正负正配,URL呈衰减振荡方波,实际工作在匹配或略负失配下，以得到矩形脉冲输出，因负失配而出现的反向脉冲可用D1、R2消除。,URL(0)E/2,URL(0)E/2,5、脉冲调制器,磁控管打火时，DLRC仿真线上出现反向充电，并和下周期仿真线充电电压叠加、打火继续，仿真线上电压越积累越高，甚至达6Ea，接D1、R2可放掉仿真线上反极性电压。,3.保护电路及消肩峰电路,1)保护电路,(1)仿真线保护电路D1、R2,D1、R2是仿真线保护电路，以免仿真线、闸流管过压受损。仿真线过压成因：,5、脉冲调制器,(2)预调器保护电路低通滤波器,低通滤波器可消除闸流管起燃时，在闸流管控制栅极上出现的高电压脉冲，以免预调器被击穿。,2)消肩峰电路C2、R3,磁控管未振荡(CaEC，正失配，出现起始肩峰，接入C2、R3因前沿时,5、脉冲调制器,第一章（重点）