雷达原理(第三版)第2章雷达发射机

第2章雷达发射机第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脉冲调制器第2章雷达发射机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。第2章雷达发射机图2.1单级振荡式发射机脉冲调制器大功率射频振荡器电源定时信号至天线TrTrTr第2章雷达发射机图2.2主振放大式发射机固体微波源中间射频功率放大器输出射频功率放大器脉冲调制器脉冲调制器脉冲调制器定时器主控振荡器射频放大链电源触发脉冲至天线第2章雷达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。第2章雷达发射机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,1000MHz以下主要采用微波三、四极管,在1000MHz以上则有多腔磁控管、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。第2章雷达发射机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。第2章雷达发射机图2.3微波发射管功率与带宽能力现状123451010010000.11110100100010000平均功率/kW功率/MW0.010.10.11.0101001324PF265微波管边界1.010100频率/GHz频率/GHz(a)(b)螺线行波管耦合腔行波管速调管行波速调管速调管0.1110100100010000110100带宽(%)峰值功率/kW(c)第2章雷达发射机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τ,脉冲重复周期为Tr,则有rtrtavfPTPP式中的fr=1/Tr是脉冲重复频率。τ/Tr=τfr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。第2章雷达发射机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,特别要注意改善输出级的效率。第2章雷达发射机4.信号形式(调制形式)表2.1雷达的常用信号形式第2章雷达发射机图2.4三种典型雷达信号和调制波形Trtt(a)Tr(b)＋－＋＋＋＋－＋＋＋＋－＋＋＋0(c)tttt第2章雷达发射机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由发射管的噪声和调制脉冲的随机起伏所引起的。第2章雷达发射机图2.5矩形射频脉冲列的理想频谱相对振幅Tr1fsinff0－1f0f0＋1第2章雷达发射机图2.6实际发射信号的频谱－20－40－60－80－1000123信号的第一谱线离散型寄生输出分布型寄生输出fm/kHz/(dB/Hz)04第2章雷达发射机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1Hz而是ΔBHz,那么所测得的分贝值与L(fm)的关系可近似认为等于HzdBBBfLm/lg10lg10)(信号功率带宽内的单边带功率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-80dB。为了满足信号频谱纯度的要求,发射机需要精心的设计。第2章雷达发射机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预调器调制器振荡器发射机定时器显示器接收机天线开关天线控制系统电源、控制、保护电路(b)(c)(a)(d)天线第2章雷达发射机图2.8单级振荡式发射机各级波形触发脉冲0Trt(a)t预调脉冲0(b)调制脉冲(c)射频脉冲tt00(d)第2章雷达发射机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、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。第2章雷达发射机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。第2章雷达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。第2章雷达发射机图2.9采用频率合成技术的主振放大式发射机分频器÷n调制器多级放大链基准频率振荡器倍频器×M上变频混频器谐波产生器N1F控制器N2FN3F…NkFNiF发射信号至天线f0＝(Ni＋M)F触发脉冲fr＝F/nFFMFF相参振荡电压fC＝MF稳定本振电压fL＝NiF第2章雷达发射机图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)、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。第2章雷达发射机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波形产生器主振放大式发射机收发开关控制与定时器稳频振荡器信号处理器接收机复杂波形发射机输出天线第2章雷达发射机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1000MHz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。第2章雷达发射机表2.2高功率脉冲工作的O型管和分布发射式M型管的性能比较第2章雷达发射机表2.2高功率脉冲工作的O型管和分布发射式M型管的性能比较第2章雷达发射机表2.3微波三、四极管的主要电性能第2章雷达发射机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1000MHz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。第2章雷达发射机在1000MHz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。第2章雷达发射机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。第2章雷达发射机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2.5MW,1dB带宽为1%,射频脉冲宽度为0.8μs(前沿宽度不大于0.1~0.5μs,后沿宽度不大于0.15~0.2μs),脉冲重复频率可在600~800Hz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(固体微波源)的输出功率为20mW、脉冲宽度为4μs的射频脉冲。第2章雷达发射机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dBG811020105.2lg1036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