雷达原理第三版丁鹭飞第2章

1、第 2 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 单级振荡和主振放大式发射机 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,雷达是利用物体反射电磁波的特性来发现目标并确定目标的距离、方位、高度和速度等参数的。因此, 雷达工作时要求发射一种特定的大功率无线电信号。发射机在雷达中就是起这一作用的, 也就是说, 它为雷达提供一个载波受到调制的大功率射频信号, 经馈线和收发开关由天线辐射出去。,图 2.1 单级振荡式发射机,图 2.2 主振放大式发射机,单级振荡式发射机与主振放大式发射机相比，最大的优点是简单、经

2、济, 也比较轻便。实践表明, 同样的功率电平, 单级振荡式发射机大约只有主振放大式重量的1/3。因此, 只要有可能, 还是尽量优先采用单级振荡式方案。但是, 当整机对发射机有较高要求时, 单级振荡式发射机往往无法满足而必须采用主振放大式发射机。,2.2 雷达发射机的主要质量指标,1. 工作频率或波段 雷达的工作频率或波段是按照雷达的用途确定的。为了提高雷达系统的工作性能和抗干扰能力, 有时还要求它能在几个频率上跳变工作或同时工作。工作频率或波段的不同对发射机的设计影响很大, 它首先牵涉到发射管种类的选择, 例如目前在1000MHz以下主要采用微波三、四极管, 在1 000 MHz以上则有多腔磁

3、控管、 大功率速调管、行波管以及前向波管等。目前各类发射管所能提供的射频功率与带宽能力如图2.3所示。,2. 输出功率 发射机的输出功率直接影响雷达的威力和抗干扰能力。 通常规定发射机送至天线输入端的功率为发射机的输出功率。 有时为了测量方便, 也可以规定在指定负载上(馈线上一定的电压驻波比)的功率为发射机的输出功率。如果是波段工作的发射机，则还应规定在整个波段中输出功率的最低值, 或者规定在波段内输出功率的变化不得大于多少分贝。,图 2.3 微波发射管功率与带宽能力现状,脉冲雷达发射机的输出功率又可分为峰值功率Pt和平均功率Pav。Pt是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

4、最大瞬功率相混淆)。Pav是指脉冲重复周期内输出功率的平均值。如果发射波形是简单的矩形脉冲列, 脉冲宽度为, 脉冲重复周期为Tr, 则有,式中的fr=1/Tr是脉冲重复频率。/Tr=fr称作雷达的工作比D。 常规的脉冲雷达工作比的典型值为D=0.001, 但脉冲多卜勒雷达的工作比可达10-2数量级, 甚至达10-1数量级。显然, 连续波雷达的D=1。,3. 总效率 发射机的总效率是指发射机的输出功率与它的输入总功率之比。 因为发射机通常在整机中是最耗电和最需要冷却的部分, 有高的总效率, 不仅可以省电, 而且对于减轻整机的体积重量也很有意义。对于主振放大式发射机, 要提高总效率, 特别要注意改

5、善输出级的效率。,4. 信号形式(调制形式),表 2.1 雷达的常用信号形式,图 2.4 三种典型雷达信号和调制波形,5 . 信号的稳定度或频谱纯度 信号的稳定度是指信号的各项参数, 例如信号的振幅、 频率(或相位)、 脉冲宽度及脉冲重复频率等是否随时间作不应有的变化。后面将会分析到, 雷达信号的任何不稳定都会给雷达整机性能带来不利的影响。例如对动目标显示雷达, 它会造成不应有的系统对消剩余, 在脉冲压缩系统中会造成目标的距离旁瓣以及在脉冲多卜勒系统中会造成假目标等。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

6、由发射管的噪声和调制脉冲的随机起伏所引起的。,图 2.5 矩形射频脉冲列的理想频谱,图 2.6 实际发射信号的频谱,对于分布性的寄生输出则以偏离载频若干赫的傅里叶频率(以fm表之)上每单位频带的单边带功率与信号功率之比来衡量, 其单位以dB/Hz计。由于分布性寄生输出对于fm的分布是不均匀的, 所以信号频谱纯度是fm的函数, 通常用L(fm)表示。假如测量设备的有效带宽不是1 Hz而是BHz, 那么所测得的分贝值与L(fm)的关系可近似认为等于,现代雷达对信号的频谱纯度提出了很高的要求, 例如对于脉冲多卜勒雷达一个典型的要求是-80 dB。为了满足信号频谱纯度的要求, 发射机需要精心的设计。,

7、2.3 单级振荡和主振放大式发射机,2.3.1 单级振荡式发射机,图 2.7 单级振荡式发射机组成方框图,图 2.8 单级振荡式发射机各级波形,2.3.2 主振放大式发射机的特点 1. 具有很高的频率稳定度 在雷达整机要求有很高的频率稳定度的情况下, 必须采用主振放大式发射机。 因为在单级振荡式发射机中, 信号的载频直接由大功率振荡器决定。由于振荡管的预热漂移、温度漂移、 负载变化引起的频率拖曳效应、 电子频移、 调谐游移以及校准误差等原因, 单级振荡式发射机难于达到高的频率精度和稳定度。 在主振放大式发射机中, 如前所述, 载频的精度和稳定度在低电平级决定, 较易采取各种稳频措施, 例如恒温

8、、防震、稳压以及采用晶体滤波、注入稳频及锁相稳频等措施, 所以能够得到很高的频率稳定度。,2. 发射相位相参信号 在要求发射相位相参信号的雷达系统(例如脉冲多卜勒雷达等)中, 必须采用主振放大式发射机。所谓相位相参性，是指两个信号的相位之间存在着确定的关系。 对于单级振荡式发射机, 由于脉冲调制器直接控制振荡器的工作, 每个射频脉冲的起始射频相位是由振荡器的噪声决定的, 因而相继脉冲的射频相位是随机的, 或者说, 这种受脉冲调制的振荡器输出的射频信号相位是不相参的。 所以, 有时把单级振荡式发射机称为非相参发射机。,在主振放大式发射机中, 主控振荡器提供的是连续波信号, 射频脉冲的形成是通过脉

9、冲调制器控制射频功率放大器达到的。 因此， 相继射频脉冲之间就具有固定的相位关系。只要主控振荡器有良好的频率稳定度, 射频放大器有足够的相位稳定度, 发射信号就可以具有良好的相位相参性。为此, 常把主振放大式发射机称为相参发射机。还需指出, 如果雷达系统的发射信号、 本振电压、相参振荡电压和定时器的触发脉冲均由同一基准信号提供, 那么所有这些信号之间均保持相位相参性, 通常把这种系统称为全相参系统。,图 2.9 采用频率合成技术的主振放大式发射机,图2.9是采用频率合成技术的主振放大式发射机的原理方框图, 图中基准频率振荡器输出的基准信号频率为F。在这里, 发射信号(频率f0=NiF+MF)、

10、稳定本振电压(频率fL=NiF)、相参振荡电压(频率fc=MF)和定时器的触发脉冲(重复频率fr=F/n)均由基准信号F经过倍频、分频及频率合成而产生, 它们之间有确定的相位相参性, 所以这是一个全相参系统。,4. 能产生复杂波形,图 2.10 能产生复杂波形的主振放大式发射机,2.3.3 射频放大链的性能与组成 主振放大式发射机采用多级射频放大链, 它的设计质量与射频放大管的选择关系密切。关于各种微波放大管的工作原理已经在“微波电子线路”课程中讨论过, 在此仅从微波管对发射机性能影响的角度出发讨论微波管的选用问题。前面已经提到, 当雷达工作频率在1000MHz以上时, 通常选用直线电子注微波

11、管(O型管)和正交场型微波管(M型管)作为发射机的射频放大管。 在表2.2中我们对高功率脉冲工作的O型管和分布发射式的M型管在同一频段、同样峰值功率和平均功率电平下的各项主要性能进行了比较。在1000 MHz以下用得较多的是微波三、 四极管(栅控管), 在表2.3中列出了它们的主要性能。,表2.2 高功率脉冲工作的O型管和分布发射式M型管的性能比较,表2.2 高功率脉冲工作的O型管和分布发射式M型管的性能比较,表 2.3 微波三、四极管的主要电性能,根据以上的比较可以知道, 选用什么微波管组成放大链要按实际情况具体考虑, 不存在对于一切场合都是最佳的放大链。 从现有的使用情况看, 在1000

12、MHz以下选用微波三、四极管组成的放大链, 它具有体积小、重量轻、工作电压低、 相位稳定性和相位特性线性度好、成本低和对负载失配容限大等优点。 但是它的单级增益较低, 往往要求的级数较多(为提高增益，通常让前级工作在A类, 这样做对放大链的总效率影响不大)。它的频带也不易做得宽(新型的将电路元件和管子结合在一起封装于真空壳内的所谓同轴管放大器以及将一系列管子结合在一起组成分布放大器的四极管链，则具有10 %以上乃至几个倍频程的带宽)。 这种放大链较多用于地面远程雷达和相控阵雷达中。,在1000 MHz以上放大链通常有行波管-行波管、 行波管-速调管和行波管-前向波管等几种组成方式: 1) 行波

13、管-行波管式放大链 这种放大链具有较宽的频带, 可用较少的级数提供高的增益, 因而结构较为简单。 但是它的输出功率往往不大, 效率也不是很高, 常应用于机载雷达及要求轻便的雷达系统中。,2) 行波管-速调管放大链 它的特点是可以提供较大的功率, 在增益和效率方面的性能也比较好, 但是它的频带较窄, 速调管本身以及要求的附属设备(如聚焦磁场及冷却和防护设备等), 使放大链较为笨重, 所以这种放大链多用于地面雷达。 3) 行波管-前向波管放大链 这是一种比较好的折衷方案。 行波管虽然效率低, 用在前级对整个放大链影响较小, 但可以发挥其高增益的优点。由于行波管提供了足够的增益, 使得后级可以采用增

14、益较低的前向波管, 而前向波管的高效率特点提高了整个放大链的效率, 彼此取长补短。 这种放大链频带较宽, 体积重量相对不大, 因而在地面的机动雷达、相控阵雷达(末级通常采用多管输出)以及某些空载雷达中应用日趋增多。,2.3.4 射频放大链应用举例 某精密跟踪雷达用的发射机, 工作在C波段, 要求输出脉冲功率为2.5 MW, 1 dB带宽为1 %, 射频脉冲宽度为0.8s(前沿宽度不大于0.10.5s, 后沿宽度不大于0.150.2s), 脉冲重复频率可在600800 Hz的范围内以三种不同的值跳变。 由于此雷达要求对所跟踪的目标进行多卜勒测速, 所以必须用主振放大式发射机, 其主振器(固体微波

15、源)的输出功率为20 mW、 脉冲宽度为4 s的射频脉冲。,根据输入和输出功率的要求, 微波放大链的功率增益至少应为,显然, 这样高的功率增益单靠一级是无法达到的。根据微波管产生的具体情况, 选用三级级联组成。为避免各级之间的相互影响, 级间必须用铁氧体环流器隔离。考虑到级间损耗, 微波放大链的实际增益应在83 dB以上。由于要求的输出功率大, 功率增益高, 但带宽并不大, 且该雷达系固定式的地面雷达, 所以可以选用行波管-速调管式放大链。,末级选四腔大功率速调管, 它的前三腔采用参差调谐, 输出腔为复合腔, 以保证瞬时通频带大于1 %。 速调管的饱和增益为32 dB。放大链的前级由两级行波管

16、组成, 第一级小功率行波管为包装式结构的周期性永磁聚焦栅控行波管, 其最大增益为32 dB, 1 dB带宽为7 %。 第二级是中功率行波管, 其饱和增益大于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级, 因此只有采用阴极脉冲调制。,图 2.11 发射机的组成方框图,2.4 固 态 发 射 机,2.4.1 发展概况和特点,与微波电子管发射机相比, 固态发射机具有如下优点: 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

17、低。,表 2.4 应用于雷达系统中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迅速发展, 对固态发射模块的性能和应用起到重要的推动作用。 在S波段以下, 通常采用硅双极晶体管。表2.5列出了在某些雷达固态发射模块中应用的大功率晶体管的特性。 在S波段以上则较多采用砷化镓场效应管(GaAs FET),目前它们的输出功率在810 GHz频率上可达20 W, 而在12 GHz以上时只有几瓦。,表 2.5 在某些雷达固态发射模块中应用的大功率晶体管特性,2. 固态高功率放大器模块,应用先进的集成电路工艺和微波网络技术, 将多个大功率晶体管的输出功

18、率并行组合, 即可制成固态高功率放大器模块。 输出功率并行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方式。图 2.12(a)是空间合成的输出结构, 主要用于相控阵雷达。由于没有微波功率合成网络的插入损耗, 因此输出功率的效率很高。,图 2.12 固态功率放大器输出功率组合方式 (a) 空间合成方式; (b) 集中合成输出结构; (c) 集中合成输出结构的固态高效模块,图 2.12 固态功率放大器输出功率组合方式 (a) 空间合成方式; (b) 集中合成输出结构; (c) 集中合成输出结构的固态高效模块,图 2.12 固态功率放大器输出功率组合方式 (a) 空间

19、合成方式; (b) 集中合成输出结构; (c) 集中合成输出结构的固态高效模块,2.4.3 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。,图2.13示出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

20、、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。,图 2.13 用于相控阵雷达的单片集成收发模块组成框图,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2.6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

21、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。,表 2.6 用于相控阵雷达的几种单片集成收发模块性能参数,(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67.2 cm2, 重量仅为4盎司 (即0.113 kg)。,2.4.4 固

22、态发射机的应用,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。,图 2.14 典型的L波段相控阵发射/接收模块,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由硅双极晶体管组成的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

23、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。,2. 在全固态化高可靠性雷达中的应用,图 2.15 L波段高可靠性全固态化发射机,2. 在全固态化高可靠性雷达中的应用 图2.15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8 kW、平均功率为125 kW。 它的主要特点是: (1) 功率放大级采 用64个固态放大集成组件组成, 每个集成组件峰值功率为150 W、增益为

24、20 dB、带宽为200 MHz、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。,3. 在连续波体制对空监视雷达系统中的应用,图 2.16 用于连续波对空监视雷达系统的固态发射机,图2.16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217 MHz。为了提高雷达

25、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320 W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1 dB。2592个固态发射模块输出的总平均功率为830 kW, 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98 dBW 。,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

26、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100 000 h, 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50 kW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320 W的固态模块, 直流供电电压为28 V, 使用和维护很方便。,表 2.7 典型的固态发射模块的性能参数,表2.8 连续波对空监视雷达固态发射机和电子管发射机性,2.

27、5 脉 冲 调 制 器,图 2.17 脉冲调制器的组成方框,2.5.1 刚性开关脉冲调制器 根据负载的不同, 刚性开关脉冲调制器又可分为阴极脉冲调制器、 调制阳极脉冲调制器和栅极脉冲调制器。阴极脉冲调制器是直接或通过耦合元件(脉冲变压器)去控制射频发生器的全部电子注功率的。调制阳极脉冲调制器虽然一般也要提供全部电子注电压, 但由于调制阳极截获的电流很小, 因而它主要在脉冲的起始和结束时给分布电容充电和放电提供较大的电流。栅极脉冲调制器和调制阳极脉冲调制器相似, 不过超高频管的栅极总是做成具有高放大系数的控制极, 所以要求的调制电压要小得多, 可以采用低压元件和技术。,1. 阴极脉冲调制器 刚性

28、开关阴极脉冲调制器的典型线路如图2.18所示。图中V1是刚性开关管, C是储能电容, V2是作为调制器负载的磁控管, 电阻R1是充电元件, 电感L和二极管V3构成储能元件的充电通路并用来改善调制脉冲的下降边。把图2.18的线路与一般的视频脉冲放大器相比可以看出, 刚性开关阴极脉冲调制器本质上就是一个视频脉冲放大器, 只不过在设计上要充分注意到它在大功率下运用, 并要保证射频发生器所要求的良好波形罢了。,图 2.18 刚性开关阴极调制器的典型线路,图 2.19 用脉冲变压器耦合的阴极脉冲调制器,为了适应多种脉冲宽度和高工作比的工作, 往往采用把高压电源、调制管和负载三者串联起来的方式, 如图2.

29、20所示, 我们把它叫做串联式阴极脉冲调制器, 以与图2.18所示的高压电源、调制管和负载三者并联的并联式阴极脉冲调制器相区别。串联式调制器与并联式相比有以下优点: 第一, 串联式调制器省去了重复充电电路, 所以可适用于高重复频率工作, 特别适用于脉冲串工作, 那里可能要求串内的各脉冲间的间隔很小; 第二, 串联式调制器的储能电容就是高压电源的滤波电容器组, 只要这个电容足够大, 就可以适应各种不同的脉冲宽度工作; 第三, 一般说来, 串联式调制器的体积要比并联式的小些, 因为并联式调制器除了需要储能电容外, 高压电源输出端还需要有一个电容, 以尽量减小脉冲负载对电源的影响。此外,并联式调制器

30、还需要充电元件和旁通元件等。但是, 串联式调制器有一个最大的缺点, 就是调制管的栅极电源、帘栅电源、灯丝电源及栅极激励电路等都是处在对地有高压变动的电位上, 这样就使得结构大大复杂。因此, 一般常规雷达还是较多地采用并联式阴极脉冲调制器。,图 2.20 串联式阴极脉冲调制器,2. 调制阳极脉冲调制器 为了减小调制器的尺寸和调制功率, 对于具有调制阳极或栅极的O型管, 可以采用调制阳极调制或栅极调制。这样做还可以避免电子注电压(阴极电压)在上升与下降过程中产生寄生的模振荡。由于O型管的调制阳极与栅极所截获的电流只有电子注电流的很小一部分(约为0.1 %到1 %), 因而它对调制器呈现的是一个高欧

31、姆电阻, 同时并联着它自身的分布电容、 杂散电容以及调制器的输出电容, 也就是说， 它呈现的基本上是一个电容性负载。由于这个原因, 要采用类似上述阴极调制器的线路是不成功的, 通常采用的是一种称之为浮动板调制器的线路, 如图2.21所示。,图 2.21 浮动板调制器,线路的工作原理是: 在脉冲间歇期, 接通管和截尾管都不导电, 通过泄放电阻R使O型管调制阳板和阴极维持在负偏压上, 因此O型管的电子注电流被截止。当接通管V1受到激励而进入导通状态时, 调制阳极的分布电容C0被充电, 浮动板随之被短接到近于地电位, 形成输出脉冲前沿, 此时调制阳极与阴极之间的电位差接近于电子注电压E, O型管开始工作, 在脉冲宽度期间, 接通管保持在导通状态, 使调制阳极也继续维持在近于地电位, 形成调制脉冲平顶。当截尾管受到激励而开启时(接通管的激励电路同时使接通管断开), 分布电容C0通过偏压电源和截尾管迅速放电, 调制阳极重新回到相对于阴极为负偏压的电位差, 形成调制脉冲的后沿2, O型管也就相应地截止。,浮动板调制器与一般的阴极脉冲调制器相比, 具有以下基本特点: 要求调制管能承受全