雷达基本原理第二章-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：)(1)1000(mlg10)(mWWXdBmp)(1)(lg10)(WWXdBWp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BasebandSignal(Information:Data,Voice,Video)AnalogInformationDigitalInformationCWCarrierAMFMPMASKFSKPSKCombination(QAM,CAP,…)AnalogModulationDigitalModulation1: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:•AM•FM•PMPM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:•ASK•FSK•PSK•OOK1: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①定时器提供以为间隔的脉冲触发信号。②脉冲调制器：在触发脉冲信号激励下产生脉宽为τ的大功率视频脉冲信号。③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，－。rT410510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；RFf1Lf2LfCOHOfrfCLKf1:雷达发射机的任务和基本组成①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。②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。③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。④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：rTTrtt(a)Tr(b)＋－＋＋＋＋－＋＋＋＋－＋＋＋0(c)tttt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Wt上升时间tr下降时间tf占空比：TtqW/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相对振幅Tr1fsinff0－1f0f0＋1由图可知：主瓣宽度2/τ，随τ↑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－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)042: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：寄生谱的最大功率信号谱的最大功率主副比lg10分布型寄生谱：信号功率内功率处单边带距主频谱纯度*lg10)(maxBBffLm•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）。15.0101015003tavppD•脉冲重复周期（间隔）是msT1.01010131msT0333.01030132•由此smsTD151.015.011smsTD50333.015.022JPEtP15.0101510106311JPEtP05.010510106322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10-4—10-5）；•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）组成脉冲调制器大功率射频振荡器电源定时信号rT至天线rTrT1.基本结构3、单级振荡式和主振放大式发射机电源、控制、保护电路预调器调制器振荡器定时器显示器接收机天线开关天线控制系统天线发射机(a)(b)(c)(d)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Trtttt(a)(b)(c)(d)0000触发脉冲预调脉冲调制脉冲射频脉冲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电源定时器触发脉冲主控振荡器射频放大链至天线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2～3级射频功率放大器级联而成