《雷达发射机》PPT课件

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 。 S波 段 全 固 态 发 射 机 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 Tr Tr Tr 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 。 频 率 捷 变 频 率 分 集 ： 提 高 雷 达 系 统 的 工 作 性 能 和 抗 干 扰 能 力 。 工 作 频 率 或 波 段 的 不 同 对 发 射 机 的 设 计 影 响 很 大 。1000MHz以 下 主 要 采 用 微 波 三 、 四 极 管 ,1000 MHz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 。 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 123 4 5 10 100 1000 0.1 1 1 10 100 1000 10 000 平 均 功 率 /kW 功 率 / M W 0.010.1 0.1 1.0 10 100 1 3 2 4 PF 2 6 5 微波管 边界 1.0 10 100 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 0.1 1 10 100 1000 10 000 1 10 100 带 宽 ( % ) 峰 值 功 率 /kW (c) 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 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。rtrtav fPTPP 式 中 的 f r=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。 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 Tr tt(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 。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 ： 规 律 性 、 随 机 性 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 fsinff01 f0 f0 1 第 2 章 雷 达 发 射 机 图 2.6 实 际 发 射 信 号 的 频 谱 204060801000 1 2 3 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) 0 4 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 0 Tr t (a) t 预 调 脉 冲 0 (b) 调 制 脉 冲 (c) 射 频 脉 冲 t t 0 0 (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 。2. 发 射 相 位 相 参 信 号 脉 冲 多 普 勒 （ PD） 雷 达3. 适 用 于 频 率 捷 变 雷 达 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N2FN3FNkF NiF 发 射 信 号 至 天 线f0(NiM)F 触 发 脉 冲 frF/n F F MF F 相 参 振 荡 电 压 fCMF 稳 定 本 振 电 压 fLNiF 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 。 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 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 。 在 1000 MHz以 下 选 用 微 波 三 、 四 极 管 组 成 的 放 大 链优 点 ： 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 。缺 点 ： 单 级 增 益 较 低 , 频 带 也 不 易 做 得 宽多 用 于 地 面 远 程 雷 达 和 相 控 阵 雷 达 中 。 第 2 章 雷 达 发 射 机 在 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 管 -行 波 管 式 放 大 链 优 点 ： 频 带 宽 、 增 益 高 、 结 构 较 为 简 单 。缺 点 : 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 2.5 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 源 )的 输 出 功 率 为 20 mW、 脉 冲 宽 度 为 4 s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 dBG 811020 105.2lg10 36 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 。 第 2 章 雷 达 发 射 机 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 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 。 第 2 章 雷 达 发 射 机 图 2.11 发 射 机 的 组 成 方 框 图 第 一 级行 波 管 第 二 级行 波 管 定 向耦 合 器 速 测 管20 mW 32 dB 16 W 24 dB 4 kW自 固 体 微 波 源 0.8 s 环 流 器 环 流 器稳 压电 源 1.3 s 240 V0 稳 压电 源 磁 场电 源调 制 器定 时 器1.3 s 50 V 调 制 器0 1.2 s 50 V0 预 调 器 1.2 s01.0 s 调 制 器预 调 器磁 调压 器 高 压电 源18 kV 磁 场电 源0.7 s0 1.4 s120 kV低 压电 源中 压电 源 0.7 s 50 V05 V0 由 测 距 机 来的 定 时 脉 冲4 s 0.8 s 0.8 s 钛 泵 电 源32 dB 0.8 s2.5 W至 天 线 第 2 章 雷 达 发 射 机 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 :(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 。 第 2 章 雷 达 发 射 机 表 2.4 应 用 于 雷 达 系 统 中 的 各 种 固 态 发 射 机 的 特 性 第 2 章 雷 达 发 射 机 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 。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 。 第 2 章 雷 达 发 射 机 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 第 2 章 雷 达 发 射 机 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 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 。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 。 第 2 章 雷 达 发 射 机 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 (a)11: n1 2 n1 n1:1 1: n2 132 n2输 入 Pn2A A 第 2 章 雷 达 发 射 机 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 11: n1 2 n1 n1:1 1: n2 132 n2输 入 n2:1 Pn2A 损 耗(b) A 第 2 章 雷 达 发 射 机 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 1: n1 1 n1: 12 n1 12 n21: n2 n2: 13C逻 辑SW输 入 集 电 极 电 压 输 出(c) 第 2 章 雷 达 发 射 机 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 。 第 2 章 雷 达 发 射 机 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 、 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 。 第 2 章 雷 达 发 射 机 图 2.13 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 A A A偏 置 控 制 A A A T/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 第 2 章 雷 达 发 射 机 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 。 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 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 。 第 2 章 雷 达 发 射 机 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 第 2 章 雷 达 发 射 机 (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 。 第 2 章 雷 达 发 射 机 2.4.4 固 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 。 第 2 章 雷 达 发 射 机 图 2.14 典 型 的 L波 段 相 控 阵 发 射 /接 收 模 块 1 2 3 4 5 6 7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 1 2 (T/R) 2 (T/R) 1控 制 信 号 假 负 载 Pt=1kw=10usNf=3dB4档 移 向 第 2 章 雷 达 发 射 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 150 W转 换开 关 转 换开 关 65 66 (1)组合器1:8 (8)组合器 1 2 64150 W1:8 (8)组合器8:1150 W150 W (1)组合器8:1至 控 制 器 面 板 至 监 控 器8 kW射 频 输 出射 频输 入 增 益 (损 耗 )电 平 0.7 dB33.5 32.8 19.2 dB52.0 19.2 dB32.8 19 dB69.80.93 dB68.5(dBmW) 第 2 章 雷 达 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 1.25 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 20 dB、 带 宽 为 200 MHz、 效 率为 33 %; (2) 采 用 高 性 能 的 1 8功 率 分 配 器 和 8 1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 。 第 2 章 雷 达 发 射 机 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 320 W144144个 发 射 模 块 320 W144144个 发 射 模 块末 前 级 激 励2320 W功 率18 路 输 出1.8 kW 1.8 kW6 个 模 块 6 个 模 块激 励 级320 W功 率 2592320 W 第 2 章 雷 达 发 射 机 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 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 。 第 2 章 雷 达 发 射 机 表 2.7 典 型 的 固 态 发 射 模 块 的 性 能 参 数 第 2 章 雷 达 发 射 机 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 第 2 章 雷 达 发 射 机 2.5 脉 冲 调 制 器 图 2.17 脉 冲 调 制 器 的 组 成 方 框 充 电 元 件 储 能 元 件(电 容 器 或人 工 线 ) 耦 合 元 件(脉 冲 变 压 器 )调 制 开 关(刚 性 的 或软 性 的 )电 源部 分 射 频发 生 器 第 2 章 雷 达 发 射 机 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 。 第 2 章 雷 达 发 射 机 1. 阴 极 脉 冲 调 制 器 刚 性 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 。 第 2 章 雷 达 发 射 机 图 2.18 刚 性 开 关 阴 极 调 制 器 的 典 型 线 路 E R1 CV1 L V3 C0 V2Eg 第 2 章 雷 达 发 射 机 图 2.19 用 脉 冲 变 压 器 耦 合 的 阴 极 脉 冲 调 制 器 高 压电 源 R1 L1 CV 第 2 章 雷 达 发 射 机 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 2.20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 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 。 第 2 章 雷 达 发 射 机 图 2.20 串 联 式 阴 极 脉 冲 调 制 器 高 压电 源 C 第 2 章 雷 达 发 射 机 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 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 。 第 2 章 雷 达 发 射 机 图 2.21 浮 动 板 调 制 器 偏 压 与激 励 电 路 偏 压偏 压 与激 励 电 路 V2 R V1 E前 沿 触 发00 后 沿 触 发0 后 沿 触 发 浮 动 板 C0 第 2 章 雷 达 发 射 机 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 C 0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 。 第 2 章 雷 达 发 射 机 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 部 电 子 注 电 压 , 但 要 求 流 过 它 的 电流 较 小 , 主 要 是 在 脉 冲 前 后 沿 期 内 给 分 布 电 容 C0提 供 充 放 电 电流 , 因 而 调 制 管 的 功 率 损 耗 主 要 也 就 取 决 于 分 布 电 容 C0中 的 储能 和 脉 冲 重 复 频 率 f r。 其 表 达 式 为 式 中 , Pa为 调 制 管 的 功 率 损 耗 ; u为 电 子 注 电 压 ; fr为 脉 冲 重 复 频率 。 ra fuCP 2021 第 2 章 雷 达 发 射 机 浮 动 板 调 制 器 形 成 的 调 制 脉 冲 , 其 前 沿 和 后 沿 按 速 率du/dt=I0/C线 性 变 化 , 此 速 率 取 决 于 接 通 管 和 截 尾 管 的 电 流 I 0, 与 脉 冲 宽 度 的 大 小 无 关 , 故 适 合 于 宽 脉 冲 和 高 工 作 比 。 浮 动 板 调 制 器 形 成 的 脉 冲 具 有 比 较 平 坦 的 平 顶 , 不 存 在顶 峰 , 因 为 O型 管 接 通 时 直 接 跨 在 电 子 注 电 源 的 两 端 , 并 且 接 通管 处 在 饱 和 开 关 状 态 , 只 有 很 小 的 管 压 降 , 其 栅 极 激 励 电 压 的 变化 对 O型 管 的 电 子 注 电 流 只 有 二 阶 的 影 响 。 第 2 章 雷 达 发 射 机 接 通 管 和 截 尾 管 都 处 于 高 电 位 上 , 故 增 加 了 对 它 们 激 励的 困 难 。 解 决 的 基 本 办 法 是 使 定 时 器 来 的 使 接 通 管 导 通 的 脉 冲开 始 触 发 信 号 和 使 接 通 管 截 止 、 截 尾 管 导 通 的 脉 冲 开 始 触 发 信号 ， 分 别 通 过 隔 离 高 电 位 的 耦 合 方 式 耦 合 到 浮 动 的 高 电 位 上 去 。 常 用 的 耦 合 方 式 有 电 容 耦 合 、 变 压 器 耦 合 、 射 频 耦 合 和 光 耦 合等 , 其 中 光 耦 合 是 一 种 新 颖 技 术 , 它 的 性 能 较 好 。 第 2 章 雷 达 发 射 机 空 载 波 形 1 有 载 波 形 ug1 0 i接 0 i载 0 O型 管 脉 宽 t t t 2图 2.22 接 通 管 和 截 尾 管 电 压 .电 流 波 形 第 2 章 雷 达 发 射 机 2.5.2 软 性 开 关 脉 冲 调 制 器 为 了 提 高 充 电 效 率 , 在 软 性 开 关 调 制 器 中 广 泛 采 用 电 感 作 为充 电 元 件 。 通 常 设 计 得 使 充 电 回 路 的 自 然 谐 振 周 期 是 仿 真 线 的 静 电 容 )等 于 脉 冲 重 复 周 期 Tr的 两 倍 , 即 0CLT chr 0CLT chr 这 种 充 电 方 式 称 为 直 流 谐 振 充 电 。 在 忽 略 充 电 电 路 的 损 耗 时 , 仿真 线 在 充 电 结 束 时 的 电 压 应 为 电 源 电 压 的 两 倍 。 直 流 谐 振 充 电的 缺 点 是 脉 冲 重 复 频 率 必 须 是 固 定 的 , 因 此 为 了 适 应 雷 达 工 作 于多 种 重 复 频 率 的 要 求 , 可 在 充 电 电 路 中 串 入 一 只 二 极 管 , 称 为 充电 二 极 管 或 保 持 二 极 管 , 如 图 2.23中 VD1所 示 。 第 2 章 雷 达 发 射 机 图 2.23 软 性 开 关 脉 冲 调 制 器 的 典 型 线 路 VD2R1VD1Lch V1 PFNR2C2 V2 第 2 章 雷 达 发 射 机 与 刚 性 开 关 脉 冲 调 制 器 相 比 , 软 性 开 关 调 制 器 的 优 点 是 : 转 换 功 率 大 , 线 路 效 率 高 。 这 是 因 为 软 性 开 关 导 通 时 内阻 小 , 可 以 通 过 的 电 流 大 。 例 如 , 国 产 氢 闸 流 管 的 定 型 产 品 转 换功 率 可 达 10 MW以 上 , 电 流 达 1000 A。 它 要 求 的 触 发 脉 冲 振 幅 小 , 功 率 低 , 对 波 形 的 要 求 不 严 格 , 因 此 预 调 器 比 较 简 单 。 第 2 章 雷 达 发 射 机 它 的 主 要 缺 点 是 : 脉 冲 波 形 一 般 不 如 刚 性 开 关 调 制 器 好 , 因 为 人 工 线 的 不理 想 和 脉 冲 变 压 器 的 分 布 参 数 都 会 使 脉 冲 波 形 的 前 后 沿 拖 长 , 顶部 产 生 脉 动 。 对 负 载 阻 抗 的 适 应 性 差 , 因 为 它 在 正 常 工 作 时 要 求 人 工线 的 特 性 阻 抗 与 负 载 阻 抗 匹 配 。 对 波 形 的 适 应 性 也 差 , 因 为 改 变 脉 冲 宽 度 时 必 须 在 高 压电 路 中 变 换 人 工 线 。 如 果 是 高 工 作 比 工 作 , 由 于 软 性 开 关 恢 复时 间 的 限 制 , 往 往 更 难 做 到 。 由 此 可 见 , 软 性 开 关 调 制 器 适 宜 应 用 在 精 度 要 求 不 高 , 波 形要 求 不 严 而 功 率 要 求 较 大 的 雷 达 发 射 机 中 , 例 如 远 程 警 戒 雷 达 中 。