雷达原理第二章课件

单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,第二章,雷达发射机,1,第二章雷达发射机 1,2.1 概 述,一、任务及基本组成,1.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。（从,T/R、,馈线送天线辐射出击）,2.基本组成,有二种类型：,(1)主振放大式,至天线,f,s,f,s,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,f,s,(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,船用雷达用第,(2)种,2,2.1 概 述 一、任务及基本组成 1.任务,二、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,：s、c、x、Ka,=10cm 5cm 3cm 08cm,船用雷达用10,cm,(,s,波段,),、3,cm,(,x,波段,),.,或,f,s,直接影响,作用距离,G,A,、,抗干扰,(,雨雪、海浪,),性能,2.发射脉冲功率,P,t,：,内射频振荡的功率（,KW）,P,t,r,max,电路、结构复杂，可靠性，造价,磁控管可选？,目前：,P,t,=,几几+,KW,P,c,=,几几+,W,精度,t,、,分辨率,、,3,二、主要技术指标 根 据 雷达用途 使用性能 是雷达发,3.脉冲宽度,：,射频振荡持续的时间。（,s）,t,距离分辨率,盲区,测距精度,P,t,r,max,P,t,r,max,：,近量程 窄,高分辨率 0.05,0.1,s,远量程 宽,作用距离远 0.5 1.2,s,中量程 中,兼顾上述三者 0.2,o.4,s,4.脉冲重复频率,F：,每秒钟发射的次数（,Hz）,要保证最大量程的正常探测,F,回波脉冲积累数个,r,max,F=4004000,Hz,F,随量程而变：,近量程 高,F,远量程 低,F,中量程 中,F,为 何？,4,3.脉冲宽度：射频振荡持续的时间。（s）t ,2.2 磁控管振荡器,一、多腔磁控管的结构及特点,是用来产生厘米波大功率微波振荡的器件。,1.结构,特殊结构的必要性:,引线是感;,分布电容;,电子在管内的渡越时间.,特殊结构的“二极管”+强磁场,1）阴极,内装螺旋灯丝，加热阴热。,旁热式;,发射系数5100,A/cm,2;,限制普通,L、C,振荡器振荡频率,的因素：,5,2.2 磁控管振荡器 一、多腔磁控管的结构及特,2）阳极,园柱形铜块，四周挖有814个对称园洞，每洞有缝隙，构成振荡腔体。,（壁等效,L；,缝等效,C）,两侧有盖极.,各腔高频场有磁交连，缝口构成直交流能量交换的作用空间。,6,2）阳极 园柱形铜块，四周挖有814个对称园洞，每洞有缝隙,3）磁 铁,用永久磁铁恒定磁场，方向/阴极轴线，均匀通过作用区。,fs ,要求磁场,=3,cm,B,=5000,高斯;,4）输出装置,要求,管线匹配；,密封（管内抽真空）；,有足够功率和场强容量。,振荡能量输出装置,同轴线,=3.10cm,时用,波导型,1,cm,时用,2.结构特点：,1）管、路合一；,2）有阴、阳极，形同二极管；但阴极上有腔体，其尺寸决定了分布电感，分布电容值，从而决定固有,f,s,；,3）加有磁场，电子受正交电、磁场双重控制、故称“磁控管”。,=1,cm,B,=,10000高斯,7,3）磁 铁 用永久磁铁恒定磁场，方向/阴极轴线，均匀通,二、磁控管振荡器工作原理,为何起振？,为何获得能量补充而维持等幅振荡？(为何满足相位、幅度平衡条件？),1.起振,高频电磁场的初步形成。,灯丝通电加热阴极,阴极加 阴极放射电子并诱起腔体内微弱的高频振荡。高频交变电磁场见图6。,2.能量补充,等幅高频脉冲振荡的形成,直流能量 交流能量靠电子流为“媒体”,管内电子受三种场作用,直流电场（,AK,间）,恒定磁场,腔体上高变电磁场,阴极放射的电子流怎样充当将直流能量转换成微波振荡交流能量的媒介作用？,1)电子在正交恒定电磁场中的运动旋转电子云的形成,电子在恒定电场中受电场力,运动电子在恒磁场中受各仑磁力,电子在正交恒定电磁场中的运动轨迹摆线。,8,二、磁控管振荡器工作原理 为何起振？为何获得能量补充而维持,B,不同,电子运动轨迹不同:,u,a,一定时：,1,B,=0,ia,max,2,BBc,i,a,=0,选择,B,略临界,Bc,下工作，则从阴极飞出的电子将掠过阳极表面再返回阴极，大量电子参与这一运动，便形成“旋转电子云”。,2）旋转电子云与高频场的相应作用动态能量交换,型、8腔、振荡后在“相互作用区”的能量交换示意图.,d,c,a,u,a,b,+,_,9,B不同,电子运动轨迹不同:ua一定时：1B=0,5.波形与频谱,前沿,t,r,（0.10.2）,后沿,t,f,（0.20.4）,顶部波动,u/0.020.0.5,波形失真影响,距离分辨率,工作稳定性,频谱：,可见，主瓣宽度2/,，,随,而。主要能量集中在主瓣。,6.总效率,磁控管,1,60%,测距精度,f,调制器,2,40%,总效率,t,30%,10,5.波形与频谱 前沿 tr（0.10.2）,高频场：,切向向量,供能=耗能 形成等幅振荡,法向向量,“车幅状”电子群旋转运动，每,Ts/2,转过一个腔缝口，即“同步条件”：,V,t,有益电子切向平均速度,V,e,电子平均移动速度,S,邻缝间距,可见,E,fs,B,fs,a,类电子供能，而,b,类电子耗能,使电子群聚到最有利交换能量的位置“群聚”。,11,高频场：切向向量 供能=耗能 形成等幅,可见，影响,f,s,的因素有：,腔尺寸因有振荡频率,E.B （,高压,E？B？),负载 （匹配？）,12,可见，影响 fs 的因素有：腔尺寸因有振荡频率 E.,三、使用维护,1外部工作条件,1）灯丝电压,要求,C,分,；,耐高压；,大小合适（1）太低打火；（2）太高寿命；,开高压后，减少或取消。,2）阳极特高压,阳极接地原因,与磁铁靠近，难绝缘；,阳极块大，,C,分,大；,阳极与波导近、接地安全。,2磁控管电流测量,测的磁控管电流,i,a,是充放电平均电流。,3维护,1）低压开35,min,后开高压(发射)；,2）“老炼”(去管内残存气体)；,3）冷却风扇，俣环境温度；,4）存放 离铁磁物质10,cm；,两管间距20,cm,；,5）负载要匹配；,6）防微波辐射。,电流表,R,C,灯丝电压,13,三、使用维护 1外部工作条件 1）灯丝电压 要求C分；,23 脉冲调制器,一、任务、特点,任务：在 控制下产生负极性特高压、矩形调制脉冲。,T,特性：,周期性 脉冲工作比,脉冲孔度比,由高压电源,Ea,和快速开关,K,组成产生负极性特高压矩形调制脉冲方案。,电源利用率很低。,可否采用“水库式”工作？,磁控管,+,_,Ea,K,I,ao,14,23 脉冲调制器 一、任务、特点 任务：在,二、组成分类,1.并联电路方案之一,储能元件与振荡器“并联，限制器兼作充电限流元件。,K “1”,充电储能,Wc PcT,K“2”,放电、放能,W,=Pt,若无损耗，则,Wc=W,可得,K“1”：,电源以“细水长流”方式。如同水库平时储水；,以小功率，长时间储能在“储能元件”内；,K“2”；,以大功率，矩时间放能到负载（磁控管）“振荡器”；,以“长时间”换取大功率，所得增益为,S,。,2.串联电路方案之二,储能元件与振荡器“串联”；限制器还防止,K,闭合时电源被短路。,15,二、组成分类 1.并联电路方案之一 储能元件与振荡器,脉冲调制器构成主要器件：,储能元件：电容、电感、仿真线（由电感电容构成）；,限制器：限流电阻、抢流圈；,限制器：限流电阻、抢流圈；,调制开关：电子管、闸流管、磁开关、可控硅,刚性开关 软件开关 固态开关,船用雷达常用三种脉冲调制器：,（1）电容储能、部分放电式刚性管脉冲调制器；,（2）仿真线储能、完全放电式软性管脉冲调制器；,（3）电容/仿真线储能、完全放电式，因态开关脉冲调制器。,二、刚性脉冲调制器,1.典型电路,16,脉冲调制器构成主要器件：储能元件：电容、电感、仿真线（,1.电路说明：,G,1,真空管 调制管,G2,磁控管,R1,限流电阻,C3,储能电容,R2,充电电阻,Co,分布电容,2.真空管(电子管),刚性开关特点：,耐高压、大电流、寿命短（几十,KV,几十几百,A）；,导通内阻小(几十,),放,高；,通断利爽，“刚性”波形好；,休止期截止免损耗；,需小功率预调脉冲，要求波形好。,2.工作概述,1)工作过程,+,E,a,经,R,1,、L,对,C,3,充电至,U,C3max,+E,a,C,3,经,G,1,向,G,2,放电，产生,来 ：使,u,g,使,G,1,通，“,K”,闭合,结束：,G,1,又止，,C,3,又由+,E,a,充电。,无 入：一,E,g,使,G,1,止,17,1.电路说明：G1 真空管 调制管 G2,注 意：,在,m,内，,C,3,只放部分电荷。,U,Cmin,+U,Cmax,称“部分放电式”,。,2)电路分析要点,分析思路：,画充放电等效电路 列微分议程 按初始条件简化方程，得充放电流、电压表达式画曲线、分析 结论。,（1）,C,3,充电,C,0,C,3,D,内阻,R,1,可略,R,1,i,c,C,3,C,R1,+,E,a,U,C3,输出 的,m,、F,及波形取决于,U,g,，,但幅度大增，故实为倒相大功率脉冲放大器。,进一步分析表明：,所需电源：,部分放电时，,E,a,U,c3min,极近于,U,c3max,!,完全放电时，,E,a,1.6U,c3max,充电效率:,部分放电时，,c,100%,完全放电时，,c,50%,结论：,从所需电源高低及充电效率高低看，均采用部分放电较有利，只有对于更大功率雷达，要,U,a,、I,ao,很大，,C,3,、G,1,承受不了，才不得不用完全放电式。,18,注 意：在m内，C3只放部分电荷。UCmin+,（2）,C,3,放电,等效电路：,R,i1,G,1,内阻,R,i2,G,2,内阻,R,D,二极管,D,内阻,C,3,储能电容,(3)峰化电感,L,及削反峰二极管,D,作用,L,与,C,o,构成振荡电路,t=,放电结束时，,L,上感应上正、下负电压加速脉冲后沿（,t,f,)；,正向振荡用,D,削去。,19,（2）C3放电 等效电路：Ri1G1内阻 Ri2G2内,三、软性脉冲调制器,1.典型电路,1）电路说明 图14,L,充电电感,D,隔离二极管,G,1,闸流管（软性开关管）,X,由电感、电容接成的仿真线,B,脉冲变压器,G,2,磙控管,D,1、,R,2,X,过压保护元件；,2）闸流管特点,内部充氢，有电离和消电离时间，开关通断不利爽，称“软性管”；,单向控制，零偏压，正启动特性；,通：前沿要陡，幅度低，预调器简单；,断：,U,a,降到100150,V,时，,I,a,Z,C,正失配,U,RL,为衰减阶梯形放电,E/2,E/2,U,RL,R,L,Zc,U,RL,t,t,R,L,Zc,R,L,ZC 正失配 URL 为衰减阶梯形放电 E/2,磁控管打火时，,D,L,R,C,仿真线上出现反向充电，并和下周期仿真线充电电压叠加、打火继续，仿真线上电压越积累越高，甚至达6,E,a，,接,D,1,、R,2,可放掉仿真线上反极性电压。,(2)预调器保护电路低通滤波器,低通滤波器可消除闸流管起燃时，在闸流管控制栅极上出现的高电压脉冲，以免预调器被击穿。,2)消肩峰电路,C,2,、R,3,磁控管未振荡(,C,a,E,C,，,正失配，出现起始肩峰，接入,C,2,、R,3,因前沿时,低通滤波器,200,H,680,680,3.保护电路及消肩峰电路,1)保护电路,(1)仿真线保护电路,D,1,、R,2,D,1,、R,2,是仿真线保护电路，以免仿真线、闸流管过压受损。仿真线过压成因：,26,磁控管打火时，D LR C仿真线上出现反向充电，并和下周期,