新雷达原理2雷达发射机

第二章学习提示掌握雷达发射机的基本类型掌握雷达发射机的设计参考指标掌握各种雷达射频管和放大链的特点掌握脉冲调制器的基本原理雷达发射机简介雷达发射机伴随着二次世界大战初出现的第一批搜索雷达的应用而诞生。(真空三极管发射机，工作频率限于VHF和UHF)在随后的年代相继出现了速调管（美国人Varian兄弟发明），磁控管（英国人Radall和Boot发明），行波管(RudolphKompfiner博士发明）等微波电子管，并付之实用。促使雷达发射机在微波频段获得大发展。第二章雷达发射机2.1雷达发射机的任务和基本组成发射机的任务？在┻控制下产生周期性大功率微波脉冲振荡，作为雷达发射信号。发射机的特点：体积大重量重成本高消耗功率大为何发射机功率如此之大？雷达距离4次方与功率、天线孔径面积成正比。是否可以通过增加天线孔径面积来提高作用距离？天线与发射功率综合考虑。为何采用脉冲方式？成本增加？如象广播电台那样，只用连续波方式可以大大降低发射机成本？连续波雷达需要两个天线，会带来探测距离的3dB的损失。调制方式：振幅调制①CW②pulsewidth，repeatfrequency频率调制①fixedfreq②频率分集③freqcoded④LFM⑤频率捷变相位调制①随机相位②相位相参③相位编码基本组成(1)主振放大式fsfs主控振荡器中间射频功放末级射频功放脉冲调制器定时器电源fs(2)单级振荡式至天线定时器脉冲调制器大功率射频振荡器电源2.2、主要技术指标根据雷达用途使用性能是雷达发射机电路设计、制作的依据。1.工作波段(发射管的选择？)频率与什么有关系？λ或fs直接影响作用距离抗干扰(雨雪、海浪)性能分辨率微波三、四极管UHF，VHFUHF，L、S、C、X磁控管、行波管、速调管、正交场放大管X波段以下目前可以用晶体管器件实现雷达发射机的瞬时带宽只针对主振放大发射机在不进行任何调整时工作频率的可变化范围，其输出功率值的变化小于1dB瞬时带宽大于所放大信号带宽瞬时带宽的大小决定了放大管的类型目标识别，成像2.发射脉冲功率Pt：τ内射频振荡的功率（KW）Pt↑→rmax↑电路、结构复杂，可靠性↓，造价↑3.脉冲宽度τ：射频振荡持续的时间。（μs）τ↓→距离分辨率↑盲区↓τ↑→Pt·τ↑→rmax↑近量程窄τ高分辨率0.05～0.1μs远量程宽τ作用距离远0.5～1.2μs中量程中τ兼顾上述两者0.2～o.4μs4.脉冲重复频率F：每秒钟发射的次数（Hz）F↑→回波脉冲积累数个→rmax↑F与测距关系F=400~4000Hz5总效率：发射机的输出功率与输入总功率之比6信号的稳定度或者频谱纯度：信号的各项参数，例如信号的振幅、频率（或相位）、脉冲宽度及重复频率是否随时间变化。影响频谱纯度的两个因素？相位噪声相位噪声是指单位Hz的噪声密度与信号总功率之比,表现为载波相位的随机漂移,是评价频率源(振荡器)频谱纯度的重要指标寄生干扰真空电子管雷达发射机设计方法方案考虑（1）确定发射机类型主振放大信噪比40dB以上单极振荡信噪比30dB以下大功率锁相技术（2）确定发射机组成形式1射频系统峰值功率在1MW以内的行波管或速调管放大链一级固体功率放大器驱动一级真空管放大器5MW一级固体功率放大器驱动二级真空管放大器2.3单级振荡和主振放大式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)天线触发脉冲0Trt(a)t预调脉冲0(b)调制脉冲(c)射频脉冲tt00(d)分频器基准频率振荡器倍频器混频器调制器功率放大器天线开关接收机显示器FFFF/nMMF谐波产生器NF（N＋M）F频率捷变的主振放大发射机分频器÷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速调管行波管正交场放大器各种射频管的比较速调管：增益高，带宽窄，造价较高，重量大行波管：增益较高，带宽较宽，造价高，重量大正交场放大管：增益低，带宽较宽，造价低，重量轻。射频放大链：行波管－行波管这种放大链具有较宽的频带,可用较少的级数提供较高的增益,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。行波管－速调管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。行波－前向波管这种放大链频带较宽,增益较低。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2.5MW,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。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。dBG811020105.2lg1036第一级行波管第二级行波管定向耦合器速测管20mW32dB＞16W24dB＞4kW自固体微波源0.8s环流器环流器稳压电源1.3s240V0稳压电源磁场电源调制器定时器1.3s50V调制器01.2s50V0预调器1.2s01.0s调制器预调器磁调压器高压电源－18kV磁场电源0.7s01.4s－120kV低压电源中压电源0.7s50V05V0由测距机来的定时脉冲4s0.8s0.8s钛泵电源32dB0.8s2.5W至天线2.4固态发射机固体器件具有优势，但替代真空器件过程缓慢具有优势：（1）不用阴极加热，寿命长。不存在预热延时和灯丝功率浪费，使用寿命几乎无限。（2）工作电压低，可靠性高。固态电路工作电压是伏特级（3）平均无故障时间长。固态电路MTBF大于10万小时（4）不需要脉冲调制器，效率高。固态雷达发射机通常工作于C类，它的射频的开和关是自触发的。（5）模块故障时，系统具有故障弱化功能。出现模块故障，功率下降20lgr，r为工作放大器与总数之比。（6）可以获得很宽的带宽。真空电子管带宽为10－20％。固态发射模块为50％以上。表2.4应用于雷达系统中的各种固态发射机的特性固态微波功率的产生微波晶体管：在较低频率成为微波真空管的代替品，主要在UHF－L波段。功率输出为50－500W在L波段由单个晶体管得到的连续波功率可以达到几十瓦。微波晶体管的输出功率受到制约的因素：集电极和基极结电压的击穿值器件的热损耗器件的输入输出端的阻抗限制微波场效应管砷化钾场效应管，硅功率场效应管1－20GHz可以适用。砷化钾场效应管与硅功率场效应管最大区别？能工作在L波段以上，但是这种器件的峰值功率和平均功率都很低，而且随着频率升高而变坏。雪崩二极管和耿氏二极管300GHz以上必须使用电子碰撞半导体器件：兼有半导体和真空技术的器件。带宽大，增益高，高效率和长寿命。表一为国外典型雷达发射机一览表型号或代号国别研制年代主要技术参数类型末级功放器件工作频率输出功率408中60年代初VHF常值功率1兆瓦平均功率4KW自激振荡四级管TU-56AN/FPS-85美60年代初VHF常值1兆瓦平均400KW主振放大相控阵四级管4CX250154-Ⅱ中60年代C波段常值1兆瓦平均1KW自激振荡同轴磁控管AN/FPS-16美50年代中C波段常值1兆瓦平均640W自激振荡磁控管AN/FPS-50美60年代中ρ波段常值5兆瓦平均300KW主振放大速调管7010中70年代ρ波段常值5兆瓦平均50KW（单管）主振放大无源相控阵速调管XX1中90年代S波段常值250KW平均5KW主振放大无源相控阵多注速调管型号或代号国别研制年代主要技术参数类型末级功放器件工作频率输出功率XX0中70年代末C波段常值2.5兆瓦平均6KW主振放大速调管，双工兼异联AN/FPS-108美70年代L波段常值15.4兆瓦平均1兆瓦，96个行波管推96个子阵，空间合成主振放大相控阵行波管QKW-1723AN/TPQ-37美70年代S波段常值125KW平均5KW主振放大无源相控阵行波管1743HXX71中80年代S波段常值3.5兆瓦平均6.2兆瓦，宽带放大200MHZ主振放大栅控行波管XX73中80年代末X波段常值10KW、1KW平均200W主振放大双模栅控行波管AN/TPS-70美80年代初S波段常值3.5兆瓦平均6.2兆瓦，宽带放大200MHZ主振放大行波速调管AN/MPS-39(MOTR)美80年代中C波段常值500KW平均5KW，宽带放大500MHZ主振放大无源相控阵前向波放大管VXC-1659型号或代号国别研制年代主要技术参数类型末级功放器件工作频率输出功率172中80年代末C波段常值500KW平均大于1KW，宽带放大400MHZ主振放大前向波放大管AN/FPS-115(Pavepows)美70年代ρ波段常值582.4KW平均145KW，两个局阵有源组件主振放大有源相控阵全固态（末级功放管115W）AN/SPS-40美60年代ρ波段常值250KW平均大于4KW主振放大高功率相加全固态（末级功放管450W）AN/FPS-117美70年代L波段常值24.75KW平均大于5KW主振放大行馈相控阵全固态（末级功放管100W）XX61中70年代ρ波段常值20KW平均5KW主振放大行馈相控阵全固态（末级功放管50W）XX2中80年代初ρ波段常值40KW平均6KW集中式高功率合成全固态（末级功放管100W）型号或代号国别研制年代主要技术参数类型末级功放器件XX5中80年代L波段常值90KW平均9KW空间合成主振放大行馈相控阵全固态（末级功放管220W）XX65中80年代末S波段常值大于15KW平均1.5KW主振放大集中式高功率全固态（末级功放管100W）24K功放组件每个功率大于800WXX3中90年代初S波段常值大于60KW平均大于6KW空间合成主振放大有源相控阵全固态（末级功放管65W）24K功放组件567个功率大于110W发射机工作频率是由雷达所执行任务来确定的，选择频率要考虑大气层和各种气候对电波的影响（吸收、发射、衰减等因素），测量精度和分辨要求以及允许发射机体积、重量等。一般地面对空搜索，远程警戒雷达选用工作频率较低，精密跟踪测量雷达选用频率较高，一般在C波段（5.4GHZ-5.9GHZ）。大多数机载雷达受体积、重量、尺寸的严格限制，工作频率大都选在X波段。工作频率不同，发射机类型也不同，早期远警戒雷达发射机用真空三、四极管，工作频率在VHF、UHF，后来多腔磁控管，大功率速调管，以及行波管，正交场放大管等工作频率L波段，S波段等。在S波段以下发射机大多数选用全固态发射机，并广泛地取代原有真空管发射机。在C波段和X波段，大功率发射机仍以真空管为主，但砷化镓场效应晶体管放大器与先进有源相控阵技术相结合，在此两频段上也可实现全固态发射机。此项指标决定了发射机选用放大管的准则，对窄带发射机可选用三四级管、速调管、微波晶体管等器件。对宽带发射机可选用行波管，前向波管，多注速调管，多注速调管及固态放大器件等。固态雷达发射机功率合成集中相加式高功率固态发射机典型代表为XX2，工作在P波段，输出功率峰值大于40KW，平均大于6KW。分布式空间合成有源相控阵雷达。XX3，工作频率S波段，瞬时带宽大于300MHZ，T/R组件功放567个，功放组件输出功率峰值大于110瓦，工作比10%，空间合成功率峰值为60KW左右。固态器件不能替代真空电子微波器件主要原因？功率合成：方式：1空间合成无