第2章雷达原理

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,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,1/127,本章主要内容,雷达发射机的任务、基本组成,主振放大式发射机的特点、组成,固态发射机特点、组合方式和应用,脉冲调制器的作用、组成和工作原理,2/ 127,本章知识点,雷达发射机的任务、分类,主振放大式发射机的组成、特点,雷达发射机的工作比、稳定度,主振式发射机特点,固态发射机组合方式、应用,脉冲调制器组成、功能、分类、工作原理,3/ 127,本章重点,雷达发射机的基本组成、各部分的作用,雷达发射机的分类、主振式发射机的特点,脉冲调制器的组成、功能、基本原理,4/ 127,作业,一部脉冲雷达，,(,a),要获得60,nmi,(,海里)的最大非模糊距离，雷达的脉冲重复频率应是多少?( 1海里=1852米),(,b),当目标处于最大非模糊距离上，则雷达信号往返的时间是多长?,(,c),如果雷达的脉冲宽度为1.5,us，,则在距离坐标上脉冲能量在空间的范围(用,m,表示)是多少？,(,d),两个相等尺寸的目标如果要被1.5,us,的脉冲宽度完全分辨出来，则二者必须相距多远(,m)?,(e),如果雷达的峰值功率为800,kW，,则平均功率是多少?(,f),这部雷达的占空因子是多少？,5/ 127,2.1 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。,6/ 127,图 2.1 单级振荡式发射机,7/ 127,图 2.2 主振放大式发射机,8/ 127,单级振荡式与主振放大式相比，最大的优点：,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。,9/ 127,2.2 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,1000,MHz,以下：,微波三、四极管；,VHF、UHF,频段；,1000,MHz,以上：,多腔磁控管、大功率速调管、行波管以及前向波管等。,10/ 127,微波电子管,工作在微波波段的真空电子器件。简称微波管。,电磁波谱中的,微波波段,通常指频率在,300,MHz,到3000,GHz,，,对应波长在,1,m0.1mm,之间的电磁波。,微波电子管主要包括,3,类原理上不同的器件，即,静电控制微波电子管：,微波三极管、微波四极管,普通微波管,：磁控管、速调管、行波管、,正交场放大管,新原理微波管,：如回旋管,微波三、四极管：,按电极结构可分为,平板电极和圆柱电极,两种。一般可以工作到,3000,兆赫,以上的频率，连续波功率在瓦级到几十瓦，脉冲功率从几百瓦到数千瓦量级。,11/127,速调管,左边是发射电子流的阴极，这个电子流通过电子枪形成个窄窄的圆柱形电子束。电子枪由产生电子的阴极，调制阳极或其他电子束控制电极组成。控制电极提供调制电子束,v,使之通或断的手段产生脉冲。在阴极左面上的电子发射密度比电子束所需要的小，所以要使用面积大的阴极，且使发射的电子会聚成一个高电子密度的窄窄的电子束。对应于常规低频放大器的,Ic,谐振电路的多射频腔位于阳极电位。电子不像在其他一些管子中那样有意地由阳极收集；而是在电子束将其射频能量转让给输出射频腔以后，由集电极来收集(如右边所示)。,12/127,在第腔的相互作用间隙上加上射频输入信号。在输入信号电压最大(正弦波的峰)时到达间隙的那些电子所受的电压，大于在输入信号电压最小(正弦波的波谷)时到达间隙的那些电子所受的电压。因此，碰上正弦波波峰的电子加速而碰上波谷的电子减速。这种,某些电子加速而某些电子减速的过程叫速度调制,。在漂移空间，在一个周期的峰上加速的电子赶上前一个周期减速的那些电子。结果就是速度调制后的电子束的电子，在通过漂移空间以后聚成一束一束的或者密度被调制。通常，速调管有一个或多个适当定位的中间腔以加强电子束的聚会，提高了它的增益。如果输出腔的相互作用间隙位于最大聚会点上的话，就可以从密度调制的电子束中提取能量。在同步调谐(所有腔体都调到相同频率上)时，速调管的增益每级,可达,15,20,dB,。,以至于四腔,(3,级,),速调管增益可达,50,dB,。,13/127,行波管和速调管都,用速度调制的原理使电子束电流周期性地聚合(密度调制),。电子束通过慢波结构或周期延迟线的射频相互作用电路。射频信号的传播速度通过周期延迟线减慢，以至于使它几乎等于电子束的速度。这就是行波管中使用的螺旋线和其他微波电路被称作,慢波结构,的原因。沿着这种慢波结构传播的电磁波与在螺旋线中传播的直流电子束之间的同步，导致积累性的相互作用。它转换来自电子束的直流能量，增加射频波的能量，使波放大。,14/127,15/127,16/127,17/127,18/127,图 2.3 微波发射管功率与带宽能力现状,以动态控制原理为基础迅速发展的微波管，大体上分成两大类，即,O,型器件和,M,型器件,。,O,型器件和,M,型器件名称的来源取自法文,TPO(Tubes propagation des,ondes,),及,TPOM(Tubes propagation des,ondes,a champs,rnagnetique,),的字母,O,和,M，,原意是行波管及磁控的行波管，是行波管的分类，后来这个词被推广，将速调管也包括进,O,型管,，磁控管等称为,M,型管,。,19/127,直线电子注管(“,O”,型管)是动态控制微波管的一种，其持点是：电子注运动轨轨迹呈直线状(除周期性聚集系统中电子注会出现不大的径向波动以及反射速调管中电子运动轨迹外)，管内的直流电场和直流磁场与电子注相平行；直流磁场的作用是防止电子注在渡越过程中散焦，它不参与能量交换。属于“,O,型管的有速调管、行波管和返波管等。尽管他们在结构上有很大差异，但仍有下列共同点：,相互作用空间内存在的轴向直流磁场与电子的能量转换过程无关，只是为了保持电子注不发散，电子注的形状为柱状、管状等，所以叫直线注(,O,型)微波管;,电子注首先在电子枪中被加速到某一直流速度，然后通过相互作用区，在这之后，失掉部分动能的电子注以较低的平均速度离开相互作用区，与进入相互作用区时的速度差异说明电子注在微波电路中产生了高频功率，把它的动能转变为高频能量是它的主要特征。,20/127,M,型(正交场型)微波管，与上述,O,型管的两个主要特征有着显著的差别。,M,型微波管显然也是利用电子注与高频场相互作用进行能量交换来获取微波放大或振荡的。但有以下两点特征：,(一)管内的直流磁场方向总是与管内直流电场的方向相互垂直，并参与电子运动和能量交换。,(二)在能量交换机理上，磁场的存在使电子在正交电磁场中运动，沿直流等位线横穿直流电场飞行，达到同步以后，电子注的速度不需增加很多就能通过直流电场，把电子的位能转变成高频能量，失掉能量的电子以近似于同步的速度打到管子的阳极(或收集板)上。,M,型微波管通常分为振荡管和放大管。振荡管主要有磁控管和,M,型反波管；磁控管分脉冲磁控管、连续波磁控管、电压调谐磁控管等；放大管中主要有分布发射式和注入式两类。,21/127,22/127,2. 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。,输出功率：,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。,23/127,脉冲宽度,：为脉冲上升沿幅度的0.,9,处至脉冲下降沿幅度0.,9,A,处之间的脉冲持续时间；,脉冲前沿,：脉冲上升沿幅度的0.1,A,处至0.9,A,处之间的持续时间；,脉冲后沿,：脉冲下降沿幅度的0.9,A,处至0.1处之间的持续时间；,顶部波动,：脉冲顶部振铃波形的幅度 与脉冲幅度,A,之比；,脉冲顶降,：即顶部倾斜它为脉冲顶部倾斜幅度 与脉冲,幅度,A,之比。,24/127,脉冲雷达发射机：,峰值功率,P,t,平均功率,P,av,峰值功率,P,t：,脉冲期间射频振荡的平均功率。,平均功率,P,av,：,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,脉冲重复,周期为,T,r,则有,25/127,式中的,f,r,=1/,T,r,是,脉冲重复频率,。,/,T,r,=,f,r,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。,26/127,3. 总效率,输出功率与输入总功率之比。,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。,27/127,4. 信号形式(调制形式),表,2.1,雷达的常用信号形式,28/127,雷达为了增加作用距离和提高距离分辨率，广泛地采用了脉冲压缩放术,。脉冲压缩概念是第二次世界大战后德国的考尔提出的其基本原理是：雷达发射一脉冲宽度,t,非常大的线性调频或相位编码的信号，如图，其 与信号带宽宽,B,的乘积是远大于1的射频信号。接收时，通过接收机内,脉冲压缩滤波器,将信号压缩成窄脉冲，其宽度为,tn=t/t,称为,脉冲压缩比,；,t,近似为信号带宽的例数1/,B，,相应地幅度增大,，,所以时间带宽乘积又称脉冲比缩比；,29/127,脉冲压缩雷达按其用途不同可,分成两大类,一类为,增加作用距离,、克服高峰值功率的限制而采用长脉冲宽度,即几十微秒至几毫秒，但这时信号瞬时带宽不宽，一般为几兆赫；另一类是为了获得,高距离分辨率,，提高目标特性的识别率。此时，虽然发射信号脉冲宽度不很宽，但信号瞬时带宽很宽，为几百兆赫至上千兆赫。,在脉冲压缩雷达中，目前应用较多的信号形式主义有,两,种:,线性调频,信号，即在脉冲宽度时间内频率呈线什变化；,相位编码,信号，信号被分成若十个子脉冲，子脉冲宽度相等、相位不同。,30/127,图 2.4 三种典型雷达信号和调制波形,31/127,5 . 信号的稳定度或频谱纯度,信号稳定度：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。,信号参数不稳定：规律性的与随机性的两类。,规律性不稳定：电源滤波不良、机械震动等原因引起的；,随机性,不稳定：发射管的噪声和调制脉冲的随机起伏所引起的。,32/127,图 2.5 矩形射频脉冲列的理想频谱,33/127,图 2.6 实际发射信号的频谱,34/127,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,f,m,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,f,m,的分布是不均匀的, 所以,信号频谱纯度,是,f,m,的函数, 通常用,L,(,f,m,),表示。假如测量设备的有效带宽不是1,Hz,而是,B,Hz,那么所测得的分贝值与,L,(,f,m,),的关系可近似认为等于,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-80,dB。,为了满足信号频谱纯度的要求, 发射机需要精心,的设计。,35/127,2.3 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,36/127,图 2.8 单级振荡式发射机各级波形,37/127,2.3.2 主振放大式发射机的特点,1.,具有很高的频率稳定度,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。,38/127,2. 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。,39/127,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。,40/127,图 2.9 采用频率,合成技术的主振放大式发射机,41/127,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,f,0,=,N,i,F,+,MF,)、,稳定本振电压(频率,f,L,=,N,i,F,)、,相参振荡电压(频率,f,c,=,MF,),和定时器的触发脉冲(重复频率,f,r,=,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。,42/127,4. 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,43/127,2.3.3 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。,当雷达工作频率在,1000,MHz,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。 表2.2：高功率脉冲,O,型管和分布发射式,M,型管在同一频段、同样峰值功率和平均功率电平下各项主要性能进行了比较。,在1000,MHz,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。,44/127,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,45/127,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,46/127,表,2.3,微波三、四极管的主要电性能,47/127,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1000,MHz,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。,48/127,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,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；,输出功率不大, 效率不,高, 常应用于机载雷达及要求轻便的雷达系统中。,49/127,2) 行波管-速调管放大链,提供,较大功率,增益和效率,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,高增益,优点。,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。,51/127,2.3.4 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0.8,s(,前沿宽度不大于0.10.5,s,后沿宽度不大于0.150.2,s),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。,52/127,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,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,。,53/127,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。,注：,规划相对带宽(以%表示,) ，,绝对带宽， 中心频率,54/127,图 2.11 发射机的组成方框图,55/127,2.4 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:,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。,56/127,表,2.4,应用于雷达系统中的各种固态发射机的特性,57/127,2.4.2 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。,表2.5列出了在某些雷达固态发射模块中应用的大功率晶体管的特性。,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。,58/127,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,59/127,2. 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。图 2.12(,a),是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。,60/127,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,61/127,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,62/127,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,63/127,2.4.3 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),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。,64/127,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。,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,。,65/127,图 2.13 用于相控阵雷达的单片集成收发模,块组成框图,66/127,表,2.6,用于相控阵雷达,从,L,波段至,X,波段,的几种单片集成收发模块性能参数,67/127,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。,68/127,(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。如表2.6所示,L,波段的单片集成收发模块的尺寸为67.2,cm,2,重量仅,为4盎司 (即0.113,kg)。,69/127,2.4.4 固态发射机的应用,1. 在相控阵雷达中的应用,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。,70/127,图 2.14 典型的,L,波段相控阵发射/接收模块,71/127,在发射状态：逻辑控制电路发出指令, 使移相器收发开关处于发射方式(即保证移相器与预放大器接通)。射频信号经过移相器加到由硅双极晶体管组成的预放大器和功率放大器上, 再经过环行器后直接激励相控阵天线中的某个阵元。,在接收状态：逻辑控制电路使移相器收发开关处于接收方式(即保证低噪声放大器与移相器接通), 由天线阵元接收到的射频回波信号经环行器和限幅器收发开关后加至低噪声放大器, 然后再经过移相器送至射频综合网络。 射频综合网络合成从各个阵元的发射/接收组件返回的射频回波信号, 最后,送至由计算机控制的相控阵雷达信号处理机。,72/127,2. 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,73/127,2. 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18功率分配器和81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。,74/127,3. 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,75/127,图2.16示出一种用于连续波体制对空监视雷达系统的固态发射机的组成框图。这,个连续波对空监视雷达提供高空卫星及其它空中目标的检测和跟踪数据,工作频率为217,MHz。,为了提高雷达系统的性能, 用固态发射机直接代替了原来体积庞大, 效率较低的电子管发射机。整个天线阵面由2592个相控阵偶极子辐射器组成。每个辐射器直接由一个平均功率为320,W,的固态发射模块驱动。由于固态发射模块与偶极子辐射器采用了一体化结构, 与电子管发射机相比, 功率传输效率提高了1,dB。2592,个固态发射模块输出的总平均功率为830,kW,当考虑天线阵,面的增益时, 在空中合成的有效辐射功率高达98,dBW,。,76/127,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。,77/127,表,2.7,典型的固态发射模块的性能参数,78/127,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,79/127,常规脉冲雷达所使用的探测信号大都是一串等宽、等幅和一定重复频率的高频振荡。为得到这样的探测信号，就必须使雷达发射机中高频功率源（例如磁控管振荡器）的工作受 所示）所控到等宽、等幅和一定重复频率的矩形脉冲。,这种用特定的脉冲波形去控制高频振荡的过程称为,脉冲调制,，这种特定的脉冲称为调制脉冲，用来产生调制脉冲的设备称为,脉冲调制器,。,2.5 脉 冲 调 制 器,79/127,图 2.17 脉冲调制器的组成方框,8/127,脉冲调制器可以采用不同型式的储能元件和开关元件，因而,有各种不同型式的线路。常见的调制器线路有：,刚性调制器、线型调制器以及磁调制器,等。,刚性调制器,是一种采用真空管（脉冲调制管）作为开关元件、,电容器作为储能元件、工作在部分放电状态的脉冲调制器。它的主要特点是：形成的调制脉冲波形良好，工作灵活性好，工作稳定，但效率低、电压高、线路复杂。因此，它通常应用于对波形要求严格而功率又不是很大的雷达发射机中。,81/127,2.5.1 刚性开关脉冲调制器,根据负载的不同, 可分为：,阴极脉冲调制器,调制阳极脉冲调制器,栅极脉冲调制器。,阴极脉冲调制器：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：要求,的调制电压要小得多, 可以采用低压元件和技术。,82/127,图 2.18 刚性开关阴极调制器的典型线路,刚性开关,储能,负载磁控管,充电,充电通路,83/127,2. 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。,84/127,图 2.21 浮动板调制器,85/127,线路工作原理,:,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,。,86/127,当接通管,V,1,受到激励而进入,导通,状态时：调制阳极的分布电容,C,0,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。,87/127,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。,88/127,图 2.22 接通管和截尾管电压.电流波形,89/127,浮动板调制器基本特点:, 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,C,0,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,C,0,中的储能和脉冲重复频率,f,r,。,其表达式为,式中,P,a,为调制管的功率损耗;,u,为电子注电压;,f,r,为脉冲重复频率。,90/127, 浮动板调制器形成的调制脉冲, 其前沿和后沿按速率,d,u,/,d,t,=,I,0,/,C,线性变化, 此速率取决于接通管和截尾管的电流,I0,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,形成脉冲具有比较平坦平顶, 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。,91/127,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。,92/127,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,T,r,的两倍, 即,这种充电方式称为,直流谐振充电,。,2.5.2 软性开关脉冲调制器,93/127,图 2.23 软性开关脉冲调制器,的典型线路,94/127,调制器产生高压调制脉冲是在闸流管开关的控制下，由仿真线的充电和放电的两个阶段来完成。,触发脉冲输入前,，闸流,管处于截止状态，高压电源经充电电感,Lch,和脉冲变压器初级向仿真线充电。,在充电过程中，,仿真线两端电压,Uc,逐渐升高，如图所示。,95/127,当仿真线上电压升到最大值,Ucm,时,正触发脉冲输入，,闸流管导电，仿真线经闸流管和脉冲变压路初级,放电,。在放电期间，闸流,管相当于短路，仿真线相当于一个内阻等于其特性阻抗的电源。当脉冲变压器初级的等效负载阻抗,R,与仿真线的特性阻抗,Zo,相等,时，在脉冲变压器的初级,ad,端得到一个幅度等于仿真线电压之半，宽度等于,2,n (n,为仿真线节数)的负矩形调制脉冲,Uad,，,经脉冲变压器(1：,N),升压后在次级,bd,端得到输出脉冲，宽度不变。,96/127,仿真线放电完毕后，闸流管因阳压下降为零而截止，电源又经充电电感向仿真线充电，重复上述过程。,可见，用闸流管作调制开关时，调制脉冲的宽度由仿真线决定，重复频率由触发脉冲决定。,97/127,图 2.23 软性开关脉冲调制器,的典型线路,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,V,D1,所示。,隔离元件,调制开关,98/127,与刚性开关脉冲调制器相比,软性开关调制器优点,: 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,。 ,99/127,软性开关调制器主要缺点,: , 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。,100/127,雷达发射机举例,：,某炮瞄雷达发射机,一、主要技术参数,1.脉冲重复频率：,Fo,2.,脉冲宽度：0.6+/-0.1,us,101/127,二、组成及简要工作过程,(一)组成框图,由,刚性开关调制器、磁控管振荡器、预调器及高压电源,四部分组成典型的单级震荡式发射机。输入电源有三相工频50,Hz380V、,单相中频400,Hz220V,及+27,V,三种电源。,102/127,(二)简要工作过程,发射机工作时，由雷达的定时器组合送来重复频率为,Fo,、,脉冲宽度为1.5,us、,幅度大于14,V,的负,触发脉冲加到预调器,输入端，经延迟线,YC1,延迟后加到第一级，经,放大,、微分后送到第二级，第二级的间歇振荡器产生脉宽为0.6,us、,重复频率仍为,Fo,、,振幅为350,V,的正矩形脉冲，然后送到,功,率,放,大器,V3,矩形脉冲被放大到1200,V,再输出至,调制器,。脉冲宽度约为0.6,us。,103/127,调制器是由,TM-90,调制管组成的电容储能部分放电式刚性调制器。平时调制管,G1,被一650,V,偏压截止，储能电容,C6,由高压电源经充电电阻充电到23,kV。,当,预调器的输出脉冲加到调制管,G1,的栅极时，,G1,导电，储能电容,C6,通过磁控管,V5,放电，磁控管阴极约得21,kV,的负高压脉冲，从而产生大功率射频振荡，经馈线送到天线。,104/127,脉冲过后，调制管,G1,又被一650,V,偏压截止，在下一个脉冲到来之前，储能电容,C6,被充电，磁控管,G1,停止振荡。,预调器和调制器各级所需的阳极电压、栅偏压和帘栅压分别由-270,V、-800V、+650V、+1400V,整流器供给。,105/127,脉冲雷达发射机举例,一、单级振荡式发射机,单级振荡式发射机是应用最广泛的一种雷达发射机。诸如导航雷达、气象雷达、搜索引导雷达和炮瞄雷达几乎都采用这一种程式。下面介绍一部航海导航雷达中的发射机。,某工作在,X,波段的航海导航雷达，其发射机的主要技术指标是：,工作频率,f0=937030MHz；,脉冲功率 14,kW,发射脉冲的脉冲宽度和重复频率,F,ns,相应的,Fr1=200Hz,us,相应的,Fr2=2000Hz,us,相应的,Fr3=1000Hz,106/127,该发射机由预调器、调制器和磁控管振荡器三大部分组成。,107/127,1.预调器,预调器除产生激励调制器的调制开关脉冲外，同时输出一个幅度为815,V,的正极性触发脉冲去触发显示器作为定时信号。此外还提前输出一个极性为正、幅度大于8,V,的脉冲去触发海浪抑制（时间增益控制）电路。预调器由控制脉冲形成电路、触发脉冲产生器和预调脉冲形成电路三部分组成。,108/127,控制脉冲形成电路的原理线路如图 所示。由电源变压器来的21,V、1000Hz,的交流电压对称地加至二极管,D1,和,D2,的负端，在其正端得到一个负的脉动电压，此电压经过稳压管,D3,和,D4,限幅后形成方波，它再经电容,C1,和电阻,R3,组成的微分电路变成正负相间的尖脉冲送至由,BG1,组成的限幅放大器，由于,BG1,处于零偏置的截止状态，故正极性尖脉冲不起作用，而当负尖顶脉冲输入时，它便由截止状态进入导通状态，在其集电极获得一正极性脉冲波，该脉冲一路经过电阻,R2,进入海浪抑制电路，作为该电路的触发信号；,109/127,另一路则经耦合电容,C2,和由,R5、C5,组成的积分电路变成有较长上升边的脉冲波，然后经由,BG2,组成的射极跟随器输出至触发脉冲产生器去启动可控硅,SCR,工作。积分电路,R5C5,的作用是使海浪抑制触发脉冲能提前于发射脉冲，以防止由于海浪抑制电路的接入而干扰接收机工作。继电器,J3,用来转换触发脉冲的重复频率，当雷达工作在量程为0.54浬范围内时，继电器,J3,动作，二极管,D1,和,D2,同时工作，相当于全波整流，此时重复频率为2000,Hz（,相应的脉冲宽度为80,mus,或0.25,us），,在其它量程则继电器,J3,不动作，只有二极管,D1,工作，相当于半波整流，脉冲重复频率转换为1000,Hz。,110/127,触发脉冲发生器的电路如图 所示，实质上是一个最简单的线型调制器，,SCR,作为调制开关，电容,C7,用作储能和脉冲形成，当控制极触发脉冲还没有到来时，,SCR,的控制极电流,Ig,=0，,管子处于正向阻断状态，这时电源电压,Ec,就通过电感,L1、,二极管,D5,向电容,C7,谐振充电。当控制极触发脉冲到来且达到规定的触发电平后，,SCR,就进入正向导通状态，于是电容,C7,就经,SCR、,脉冲变压器,MB,初级绕组放电。与此同时，在脉冲变压器,MB,的次级绕组感应出一个,幅度近于300,V,的正极性脉冲，它被送至下一级去触发它激式间歇振荡器工作。当放电电流减少到,SCR,的维持电流时，,SCR,恢复到正向阻断状态，重复前述过程，如此周而复始就得到一系列的脉冲串。,111/127,112/127,预调脉冲形成电路采用它激式间歇振荡器，图 画出了它的电原理图。在脉冲间歇期内，电子管,G1,因栅极接有负偏压而处于截止状态，一旦正极性的触发脉冲到来，电子管,G1,导通，电路形成间歇振荡，在脉冲变压器,MB2,或,MB3,的1、6绕组上分别输出脉宽为0.5,us、0.2us、60mus,的正极性脉冲去激励,113/127,调制器工作。电路中继电器,J1、J2、J3,是用来转换脉冲宽度和每次频率的，它们同时受显示器面板上的量程转换开关控制。在0.5、1浬量程上，继电器,J1、J2、J3,全部吸动，电容,C10,脉冲变压器,MB3,决定了间歇振荡器形成的脉冲宽度（60,mus,相应的脉冲重复频率2,kHz）。,在2、4浬量程上，继电器,J1、J2,不动作，,114/127,只有继电器,J3,动作，电容,C8、C9,和脉冲变压器,MB2,决定了间歇振荡器形成的脉冲宽度(0.2,us,其重复频率仍为2,kHz)。,在8、16、32浬量程上，继电器,J1、J2、J3,都不动作，这时间歇振荡器的脉冲宽度由电容,C9,和脉冲变压器,MB2,决定，其数值为0.5,us，,相应的重复频率为1,kHz。,电路中的由电容,C11、,电阻,R11,组成的串联网络和电感,L2,都是用来控制脉冲前沿的，,115/127,以使预调脉冲不至于有过大的上冲量和明显的顶部脉动，从而有效地防止磁控管产生频谱遗漏和寄生调频。电阻,R16,是电子管,G1,的阳极负载电阻。电阻,R15,二个作用，其一是构成负反馈以提高电路工作的稳定性，其二是获得与预调脉冲同步的显示器触发脉冲。电阻,R10、R12,构成了电子管,G1,的栅极馈电电路。电阻,R17,和电容,C13,则构成帘极馈电电路。,116/127,2. 调制器,该发射机采用刚性调制器，图是它的电原理图。其工作原理是：在脉冲间歇期内，由于调制管,G2,栅极上加有大于截止偏压的负偏压而处于截止状态，这时高压电源经限流电阻,R18,和截尾电阻,R22、R23,向储能电容充电。当调制管受到正极性的预调脉冲触发时，调制管导通，储能电容向磁控管放电，从而在其阴极上建立起一高压负脉冲激励起磁控管的高频振荡。,117/127,电阻,R19,可有效地抑制寄生振荡，,R21,构成负反馈，用来增进工作稳定性，电阻,R23,取样磁控管电流，电阻,R20、,电容,C16,构成帘栅极馈电电路。,调制器的高压电源由高压变压器,B1、,电容器,C14、C15、,硅堆,D6、D7,组成两倍压整流电路。电容器,C15,既是储能电容又是整流器滤波电容，两者合用一只电容器也是该电路设计的优点之一。,118/127,3. 磁控管振荡器,磁控管振荡器的线路如图 所示，磁控管,G3,是一个小型的包装式磁控管，它在调制脉冲的作用下能产生脉冲功率大于14,kW,的射频(9370,MHz),振荡。由于磁控管的阴极处于负高压电位，所以磁控管灯丝变压器必须能承受高压。电容,C17,使磁控管灯丝的两端对调制脉冲处于同电位。,119/127,二、多级主振放大式发射机,某雷达由于采用了脉冲压缩体制，所以其发射机程式为多级主振放大式。图是该发射机的组成方框图，它的高频部分由四级组成。第一级固态微波源是主振信号源，产生频率足够稳定、信号强度达几十毫瓦的高频信号，其后是三级高频放大器，将信号放大至兆瓦量级。前级放大器和第二级放大器采用中小功率的行波管放大器，每级的增益各为2030,dB，,末级功率放大器是一高功率速调管放大器，其增益也在30,dB,左右，为了防止各级之间相互影响，每一级间都加有隔离器。,120/127,各高频放大器都被矩形脉冲调制，前级和第二级都是栅极调制，末级则为阴极调制。各级调制脉冲的宽度各不相同且逐级加宽，以保证高频脉冲能够在调制脉冲的中间部分通过，同时这些调制脉冲都受定时脉冲控制，使它们的起始时间保持一定的关系。,121/127,1.级间放大器,图 表示了由行波管放大器1构成前级放大器、行波管放大器2构成第二级放大器以及插入在它们之间的连接装置。来自固态微波源的高频信号进入前级放大器，经放大后馈送至第二级放大器再行放大。其间插入有同轴线 波导转换器、隔离器、窄带滤波器和波导-同轴线转换器。,二级行波管放大器分别由灯丝电源、 偏压电源和高压电源供给各自所需的灯丝、偏压和高压。其中的高压电源、偏压电源都加有稳压措施，以保持行波管放大器的相位不变，否则会导致信号失真。激励器（栅极调制器）供给行波管放大器以栅极调制脉冲。,122/127,因为灯丝和偏压都处于负高压电位，所以栅极调制脉冲必须经过一个高电压隔离脉冲变压器或高压电容进行耦合。前级放大器采用高压电容耦合并由扼流圈,L1,隔离调制脉冲对负偏压电源的影响。第二级放大器则采用高电位隔离脉冲变压器耦合。级间的同轴线-波导、波导-同轴线转换器仅仅是为了便于相互连接。波导隔离器用来隔离后级对前级的影响。窄带滤波器将符合工作频率的信号传输给下级，而阻止其它频率的成分通过，从而可以有效地防止寄生振荡产生。,123/127,2. 末级速调管高功率放大器,末级功率放大器采用高功率的多腔速调管，其前三腔采用参差调谐，输出腔则为复合腔以保证其瞬时带宽（1,dB）,大于1%。外加磁场线圈提供管子的聚焦磁场，水冷系统保证管体、收集极和输出窗得到充分的冷却。,3. 调制方式,该发射机的各高放级都被矩形脉冲所调制。级间放大器采用的是栅极调制。栅极调制器是一低电平调制器，它类似于一般性调制器的预调器。末级功率放大器采用阴极调制，该调制器采用的是高压、大功率线型调制器。各矩形调制脉冲的脉冲宽度都大于高频脉冲的宽度，且逐级增宽，以保证高频脉冲信号得到完整的放大，此外各调制脉冲的顶部都做得相当平坦，没有明显的波动，以保证高频信号的相位不变。,124/127,作业,1.装在汽车上的雷达，用来确定在其正前方行驶的车辆的距离。雷达的工作频率为9375,MH z(X,波段)，脉冲宽度为,l0ns，,最大作用距离为500英尺。,(,a),对应于500英尺的脉冲重复频率是多少?,(,b),距离分辨力,(,m),是多少,?,2.雷达发射机按振荡器分为几类？试简要分别说明它们的特点、组成和各组成单元的功能。,3.脉冲雷达发射机输出功率的两个指标间的关系是什么？,125/127,4.在脉冲雷达中常用的调制器有哪几种？各有什么优缺点？