雷达发射机

RadarprinciplesRadarprinciples内容提要：任务和基本组成发射机的主要质量指标单级振荡式和主振放大式发射机固态发射机Radarprinciples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。发射机的任务•高频、高压、大功率。•雷达系统中最大、最重和最昂贵的部分。发射机的特点：Radarprinciples发射机的分类与组成按调制方式：连续波发射机、脉冲发射机；按工作波段：短波、米波、分米波、厘米波、毫米波；按功率放大使用器件：真空管发射机、固态发射机；按产生信号方式：单级振荡式、主振放大式；Radarprinciples发射机的分类与组成①单级振荡式脉冲调制器大功率射频振荡器电源定时信号至天线TrTrTr①定时器：提供以Tr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的脉冲信号。③大功率射频振荡器：产生大功率射频信号。优点：简单、廉价、高效；缺点：难以产生复杂调制，频率稳定性差，脉冲间不相干；Radarprinciples②主振放大式发射机的分类与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定时器主控振荡器射频放大链电源触发脉冲至天线①定时器：给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：是高稳定度的连续波振荡器。③中间放大器：在微波源脉冲到达后很短时间内处于放大状态，在微波脉冲结束后退出放大状态，受脉冲调制器控制。④输出功率放大器：产生大功率的脉冲射频信号，受脉冲调制器控制。优点：复杂波形，稳定度高，相干处理缺点：系统复杂、昂贵Radarprinciples发射机的主要质量指标工作频率或波段输出功率总效率信号形式信号稳定度Radarprinciples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。工作频率或波段的不同影响对发射机的设计。发射管选择1000MHz以下：微波三、四极管；1000MHz以上：多腔磁控管、大功率速调管、行波管以及前向波管等；Radarprinciples发射功率↓物理尺寸↓或波束宽度↓大气衰减↑f↑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)微波发射管功率与带宽能力现状O型管M型管O型管Radarprinciples输出功率定义：发射机送入天线输入端的功率1.占空比(Dutycycle)：脉冲宽度与脉冲重复周期的比。2.峰值功率(Peakpower)：脉冲期间射频振荡的平均功率。3.平均功率(Averagepower)：脉冲重复周期内的输出平均功率。avttrrPPPfT作用距离抗干扰能力某一机载脉冲雷达的峰值功率Pt=10KW，采用两种PRF:10KHz和30KHz。若要求两种PRF工作方式下的平均功率都为1500W，则脉冲宽度分别取值为多少，并计算脉冲能量。Radarprinciples总效率定义：发射机输出总功率和输入总功率之比。=avspp省电散热要求低（体积小）故障率低寿命长Radarprinciples信号形式（调制形式）常用信号形式波形设计是一个重要的研究领域Radarprinciples三种典型雷达信号和调制波形Trtt(a)Tr(b)＋－＋＋＋＋－＋＋＋＋－＋＋＋0(c)ttttRadarprinciples信号的稳定度或频谱纯度信号的各项参数，如信号的振幅、频率(或相位)、脉冲宽度、脉冲重复频率等是否随时间作不应有的变化。定义：信号不稳定对动目标显示雷达、脉冲压缩雷达、脉冲多普勒雷达的影响……随机性：发射管噪声、调制脉冲的随机起伏引起信号参数的不稳定规律性：电源滤波不良、机械震动引起Radarprinciples衡量信号不稳定的指标时域频域信号某项参数的方差，如振幅方差、相位方差等。雷达信号在应有的信号频谱之外的寄生输出。信号的频谱纯度Radarprinciples相对振幅Tr1fsinff0－1f0f0＋1－20－40－60－80－1000123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()10lgdBmLf离散谱单边带功率信号功率信号的规律性不稳定信号的随机性不稳定()10lgdB/HzmBLfB带宽内的单边带功率信号功率Radarprinciples频谱纯度的计算()10lgdB/HzmBLfB带宽内的单边带功率信号功率()10lgdBmLf离散谱单边带功率信号功率离散型寄生谱分布型寄生谱Radarprinciples理想发射机提供大功率产生任意波形提供稳定信号提供需要的信号带宽并且带宽可调高效率高可靠性尺寸和重量适中经济Compromiseisnecessary!Radarprinciples单级振荡式发射机优点：简单、经济、轻便缺点：频率稳定度差，难以形成复杂波形，相继射频脉冲之间不相参非相参发射机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Radarprinciples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定时器主控振荡器射频放大链至天线触发脉冲Radarprinciples主振放大式发射机的特点具有很高的频率稳定度发射相位相参信号，相参发射机适用于频率捷变雷达能够产生复杂波形Radarprinciples相参雷达：1.相继两个发射脉冲信号的相位连续；2.前一个脉冲结束时的等相波前和下一个脉冲开始时的等相波前之间相距整数倍波长；3.能够准确的测量接收信号相位；相参有关概念Radarprinciples调制器多级放大链上变频混频器倍频器基准频率振荡器谐波产生器控制器分频器n1NF2NF3NFkNFFFFMMFiNFLifNF稳定本振电压CfMF0()ifNMF触发脉冲/rfFn相参振荡电压发射信号至天线采用频率合成技术的主振放大式发射机全相参系统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。Radarprinciples固态发射机固态电子器件：利用固体内部电子运动原理制成的具有一定功能的电子器件。固体一般可分为绝缘体、半导体和导体。绝大部分的固态电子器件用半导体材料制成。发射机真空管发射机固态发射机电子管(真空管)是一种在气密性封闭容器（一般为玻璃管）中产生电流传导，利用电场对真空中的电子流的作用以获得信号放大或振荡的电子器件。Radarprinciples固态发射机的优点与微波电子管发射机相比,固态发射机具有如下优点: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Radarprinciples表2.4应用于雷达系统中的各种固态发射机的特性Radarprinciples固态发射机的基本组成单元晶体管特性大功率微波晶体管硅双极晶体管(S波段以下)砷化镓场效应管(S波段以上)RadarprinciplesBipolarPH3135-90SPulsedPowerTransistor3.1-3.5GHz,90WUF28150JMOSFETPowerTransistor100-500MHz,150WRadarprinciples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，将多个微波大功率晶体管的输出功率并行组合，制成固态高功率放大器模块。两种典型的输出功率组合方式：空间合成的输出结构集中合成的输出结构Radarprinciples(a)11:n12n1n1:11:n2132n2…输入P＝n2A…A空间合成方式功率分配器功率合成器大功率晶体放大管特点：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，输出功率的效率较高。Radarprinciples11:n12n1n1:11:n2132n2…输入…n2:1P＝n2A—损耗(b)A集中合成输出结构插入损耗特点：可单独用于中、小功率雷达的辐射源，也可用于相控阵雷达。由于有微波功率合成网络引入的插入损耗，输出功率的效率比空间合成方式低。Radarprinciples微波单片集成(MMIC)收发模块MMIC:Monolithicmicrowaveintegratedcircuits微波单片集成电路采用新的模块化设计方法，将固态收发模块中的有源器件和无源器件制作在同一块砷化镓基片上。大大提高了固态收发模块的技术性能,减轻了重量，减小了尺寸，提高了稳定性。Radarprinciples用于相控阵雷达的单片集成收发模块组成框图12345T/R控制T/RT/R控制处理AAA偏置控制AAAT/R限幅器发射功率放大器环行器天线发射端口接收端口控制数据输入低噪声接收放大器移相器通道开关接收机保护器Radarprinciples用于相控阵雷达的几种单片集成收发模块性能参数Radarprinciples(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,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。(3)电路性能一致性好、成品率高：在相同的基片上批量生产制作,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,因此尺寸和重量也越来越小。微波单片集成收发模块的主要优点如下:Radarprinciples固态发射机的应用1234567移相器T/R开关低噪声放大器限幅器T/R开关环行器至天线T/R逻辑功率放大器预放大器移相器移相逻辑射频信号12(T/R)2(T/R)1控制信号假负载典型的L波段相控阵发射/接收模块Radarprinciples用于连续波对空监视雷达系统的固态发射机320W×144144个发射模块…320W×144144个发射模块…末前级激励2×320W功率18路输出…1.8kW1.8kW6个模块6个模块激励级320W功率2592×320W固态发射机的应用偶极子辐射器Radarprinciples(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。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:Radarprinciples作业1.雷达发射机的分类和主要技术参数指标有哪些？2.机载多普勒雷达为什么一定要用主振放大式发射机？3.雷达系统中应用固态发射机有何特点？