雷达原理(第三版)第 2 章雷达发射机

1、第二章雷达发射机，2.1雷达发射机的任务和基本组成，2.2雷达发射机的主要质量指标，2.3单级振荡和主振荡放大发射机，2.4固态发射机，2.5脉冲调制器，2.1雷达发射机的任务和基本组成。雷达利用物体反射电磁波的特性来寻找目标，并确定它们的距离、方位、高度和速度。因此，当雷达工作时，需要发射特定的高功率无线电信号。发射机在雷达中起着这个作用，也就是说，它为雷达提供一个大功率的射频信号，该信号带有调制载波，由天线通过馈线和收发开关进行辐射。图2.1单级振荡变送器和图2.2主振动放大变送器。与主振动放大发射机相比，单级振荡发射机最大的优点是简单、经济、轻便。实践表明，在相同的功率水平下，单级振荡器

2、发射机的重量仅为主振荡器放大器的1/3左右。因此，只要有可能，单级振荡方案是尽可能优选的。但是，当整机对发射机要求较高时，单级振荡发射机往往不能满足要求，必须采用主振荡放大发射机。雷达发射机主要质量指标1。工作频率或波段雷达的工作频率或波段是根据雷达的用途确定的。为了提高雷达系统的工作性能和抗干扰能力，有时需要在几个频率上跳跃或同时工作。不同的工作频率或频带对发射机的设计有很大的影响，这首先涉及到发射机类型的选择。例如，微波三极管和四极管主要用于1 000兆赫以下，多腔磁控管、大功率速调管、行波管和前向波管用于1000兆赫以上。目前，各种发射管提供的射频功率和带宽能力如图2.3所示。2.输出功

3、率发射机的输出功率直接影响雷达的功率和抗干扰能力。通常，发射机发送到天线输入端的功率是发射机的输出功率。有时，为了测量方便，指定负载的功率(馈线上的某个电压驻波比)可以指定为变送器的输出功率。如果是在一个频段工作的发射机，还应指定整个频段的最低输出功率值，或者指定该频段的输出功率变化不超过多少分贝。图2.3微波发射机功率和带宽能力的现状。脉冲雷达发射机的输出功率可分为峰值功率Pt和平均功率Pav。Pt指脉冲期间射频振荡的平均功率(注意不要与射频正弦振荡的最大瞬时功率混淆)。Pav指脉冲重复周期内输出功率的平均值。如果传输波形是脉冲宽度为tr的简单矩形脉冲序列，则fr=1/Tr为脉冲重复频率。/

4、Tr=fr称为雷达占空比.常规脉冲雷达的典型占空比为D=0.001，但脉冲多普勒雷达的占空比可以达到10-2甚至10-1的数量级。显然，对于连续波雷达，D=1。总效率变送器的总效率是指变送器的输出功率与其总输入功率之比。由于变送器通常是整机中最耗电、最散热的部件，所以它具有较高的总效率，不仅可以省电，还可以减小整机的体积和重量。对于主振荡器放大器发射机，有必要提高整体效率，尤其是输出级的效率。4。信号形式(调制形式)，表2.1雷达的常见信号形式，图2.4三种典型的雷达信号和调制波形，5。信号稳定性或频谱纯度信号稳定性是指信号的各种参数，如振幅、频率(或相位)、脉冲宽度和脉冲重复频率，是否会在任

5、何时候发生不必要的变化。正如后面将要分析的，雷达信号的任何不稳定都会给整个雷达的性能带来不利影响。例如，显示运动目标的雷达会造成不必要的系统抵消盈余，造成脉冲压缩系统中目标的距离旁瓣和脉冲多普勒系统中的假目标。信号参数的不稳定性可分为两类：规律性和随机性。规律性不稳定通常是由不良的功率滤波和机械振动引起的，随机性不稳定是由发射管的噪声和调制脉冲的随机波动引起的。图2.5矩形射频脉冲串的理想频谱，图2.6实际发射信号的频谱。对于分布式寄生输出，它是通过在远离载波频率几赫兹的傅立叶频率(用fm表示)下，单位频带的单边带功率与信号功率之比来测量的，单位为分贝/赫兹。由于调频的分布寄生输出分布不均匀，

6、信号的频谱纯度是调频的函数，通常用L(fm)表示。如果测量设备的有效带宽不是1 Hz而是BHz，那么测量的分贝值和L(fm)之间的关系可以近似地认为等于。现代雷达对信号的频谱纯度要求很高，例如脉冲多普勒雷达的典型要求是-80 dB。为了满足信号频谱纯度的要求，发射机需要精心设计。2.3单级振荡器和主振荡器放大器发射器，2.3.1单级振荡器发射器，图2.7单级振荡器发射器框图，图2.8各级单级振荡器发射器波形，2.3.2主振荡器放大器发射器特性1。高频稳定度当整个雷达要求高频稳定度时，必须采用主振荡放大器发射机。因为在单级振荡发射机中，信号的载波频率直接由高功率振荡器决定。由于预热漂移、温度漂移

7、、负载变化引起的频率拖曳效应、电子频移、调谐漂移和校准误差，单级振荡发射机很难实现高频率精度和稳定性。在主振荡放大器发射机中，如上所述，载频的精度和稳定性是在低水平上确定的，因此很容易采取各种稳频措施，如恒温、防震、稳压、晶体滤波、注入稳频和锁相稳频等。因此可以获得高频率稳定性。2.在雷达系统(如脉冲多普勒雷达等)中传输相位相干信号。)要求发射相位相干信号，必须采用主振动放大器发射机。相位相干意味着两个信号的相位之间有确定的关系。对于单级振荡器发射器，由于脉冲调制器直接控制振荡器的操作，每个射频脉冲的初始射频相位由振荡器的噪声决定，因此连续脉冲的射频相位是随机的，或者由该脉冲调制振荡器输出的射

8、频信号的相位是不相干的。因此，单级振荡发射机有时被称为非相干发射机。在主振荡器放大发射机中，主振荡器提供连续波信号，射频脉冲的形成是通过脉冲调制器控制射频功率放大器来实现的。因此，连续射频脉冲之间存在固定的相位关系。只要主振荡器具有良好的频率稳定性，并且射频放大器具有足够的相位稳定性，发射信号就可以具有良好的相位相干性。因此，主振动放大器发射机通常被称为相干发射机。还应指出的是，如果雷达系统的发射信号、本振电压、相干振荡器电压和定时器触发脉冲都由同一参考信号提供，那么这些信号都是相位相干的，这种系统通常称为全相干系统。图2.9是采用频率合成技术的主振荡放大器发射机的原理框图，其中基准频率振荡器

9、输出的基准信号频率为F。发射信号(频率f0=NiF MF)、稳定的本振电压(频率fL=NiF)、相干振荡电压(频率fc=MF)和定时器触发脉冲(重复频率fr=F/n)都是通过基准信号F的倍频、分频和频率合成产生的，它们具有一定的相位相干性，因此这是一个完全相干的系统。4。它可以产生复杂的波形。图2.10可以产生复杂波形的主振荡器放大器发射器。2.3.3射频放大链的性能和组成主振荡放大发射机采用多级射频放大链，其设计质量在“微波电子电路”课程中讨论了各种微波放大管的工作原理，微波放大管的选择只从微波放大管对发射机性能影响的角度进行讨论。如前所述，当雷达工作频率在1000兆赫以上时，线性电子束微波

10、管(O形管)和正交场微波管(M形管)通常用作发射机的射频放大管。在表2.2中，我们比较了在相同频带、相同峰值功率和平均功率水平下，高功率脉冲运行的O型管和分布发射的M型管的主要性能。微波三极管和四极管(栅控管)在1000兆赫以下广泛使用，其主要性能见表2.3。表2.2大功率脉冲工作的0型管和分布发射型M型管的性能比较，表2.2大功率脉冲工作的0型管和分布发射型M型管的性能比较，表2.3微波三极管和四极管的主要电气性能。根据以上比较可知，形成放大链的微波管的选择应根据实际情况考虑，并没有适合所有场合的最佳放大链。根据现有用途，由1000 MHz以下微波三极管和四极管组成的放大链具有体积小、重量轻

11、、工作电压低、相位稳定性和相位特性线性度好、成本低、负载失配容差大的优点。然而，其单级增益较低，通常需要更多级(为了提高增益，前级通常工作在A级，这对放大器链的总效率影响很小)。它的频带也不容易变宽(一种新型的所谓同轴管放大器，它把电路元件和管子结合起来，把它们封装在一个真空外壳里，还有一个四极链，它把一系列管子结合起来，形成一个分布式放大器，带宽超过10%，甚至几个八度)。这种放大器链主要用于陆基远程雷达和相控阵雷达。1000兆赫以上的放大链通常由行波管、速调管和FWT管等组成。1)行波管-行波管放大链具有较宽的频带，可以用较少的级数提供较高的增益，因此结构相对简单。然而，它的输出功率通常很

12、小，效率也不是很高，所以它经常用于机载雷达和需要便携性的雷达系统。2)TWT-速调管放大器链的特点是提供大功率和良好的增益和效率性能，但其频带较窄，而且速调管本身和所需的辅助设备(如聚焦磁场和冷却及保护设备等)也不一样。)使放大器链变重，所以这种放大器链主要用于地面雷达。3)行波管-FWT放大器链，这是一个很好的折衷方案。虽然行波管的效率较低，但用于前级时对整个放大链影响不大，但可以充分发挥其高增益的优势。由于行波管提供了足够的增益，后级可以采用增益较低的前向波管，前向波管的高效率提高了整个放大链的效率。这种放大器链具有较宽的频带和相对较小的体积和重量，因此越来越多地用于地面移动雷达、相控阵雷

13、达(末级通常采用多管输出)和一些机载雷达。2.3.4射频放大链应用实例精密跟踪雷达中使用的发射机工作在c波段，要求输出脉冲功率为2.5毫瓦，1%带宽为1分贝，射频脉冲宽度为0.8秒(前沿宽度不大于0.10.5秒，后沿宽度不大于0.150.2秒)， 脉冲重复频率可在600800赫兹范围内设置为三个不同的值。由于该雷达需要对被跟踪目标进行多普勒速度测量，因此需要使用主振荡器放大发射机，其主振荡器(固体微波源)的输出功率为20 mW，脉冲宽度为4秒。根据输入和输出功率的要求，微波放大链的功率增益应至少为。 显然，如此高的功率增益不能仅通过一个级来实现。根据微波管的具体情况，选择三级级联。为了避免级之

14、间的相互影响，这些级必须用铁氧体环行器隔离。考虑级间损耗，微波放大链的实际增益应在83 dB以上。由于所需输出功率大，功率增益高，但带宽不大，而且雷达是固定地面雷达，因此可以选择行波管-速调管放大器链。最后，选择了一个四腔大功率速调管。速调管的前三个腔是交错调谐的，输出腔是复合腔，以保证瞬时通带大于1%。速调管的饱和增益为32 dB。放大链的前级由两级行波管组成，第一级低功率行波管是封装的周期永磁聚焦栅控行波管，最大增益为32 dB，带宽为1dB7%。第二级是中等功率行波管，饱和增益大于24 dB，3 dB带宽为2.5%。由于工艺的限制，中功率行波管和大功率速调管没有栅极或调制阳极，所以只采用

15、阴极脉冲调制。图2.11发射机组成框图，2.4固态发射机，2.4.1发展概况及特点。与微波管发射机相比，固态发射机具有以下优点：不需要阴极加热，使用寿命长。(2)可靠性高。(3)体积小，重量轻。(4)工作频率宽，效率高。(5)灵活的系统设计和应用。(6)维护简单，成本低。表2.4雷达系统中使用的各种固态发射机的特性，2.4.2固态高功率放大器模块1。大功率微波晶体管大功率微波晶体管的快速发展对固态发射机模块的性能和应用起到了重要的推动作用。在S波段以下，通常使用硅双极晶体管。表2.5列出了某些雷达固态发射模块中使用的大功率晶体管的特性。砷化镓场效应晶体管(GaAs场效应晶体管)广泛用于S波段以

16、上。目前，它们的输出功率在810千兆赫时可以达到20瓦，但在12千兆赫以上只有几瓦。表2.5某些雷达固态发射模块中使用的大功率晶体管的特性；2.固态大功率放大器模块，可利用先进的集成电路技术和微波网络技术，将多个大功率晶体管的输出功率并联在一起制成。输出功率并联组合的主要要求是高功率和高效率。根据使用要求，主要有两种典型的输出功率组合。图2.12(a)是空间合成的输出结构，主要用于相控阵雷达。由于微波功率合成网络没有插入损耗，所以输出功率的效率很高。图2.12固态功率放大器的输出功率组合模式(一)空间合成模式；集中综合产出结构；(3)集中合成输出结构的固态高效率模块，图2.12固态功率放大器的输出功率组合模式(1)空间合成模式；集中综合产出结构；(3)集中合成输出结构的固态高效率模块，图2.12固态功率放大器的输出功率组合模式(1)空间合成模式；集中综合产出结构；(3)集成输出结构的固态高效率模块，2.4.3微波单片集成电路(MMIC)收发模块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新的模块化设计方法，其中有源器件(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(电阻器、电容器、电感器、二极管和传输线