《雷达发射机》课件.ppt

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1、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,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,图 2.1 单级振荡式发射机,图 2.2 主振放大式发射机,单级振荡式发射机与主振放大式发射机相比，最大的优

2、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。,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。,图 2.3 微波发射管功率与带宽能力现状,

3、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。,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。,式中的fr=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。,3.总

4、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。,4.信号形式(调制形式),表 2.1 雷达的常用信号形式,图 2.4 三种典型雷达信号和调制波形,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

5、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,图 2.5 矩形射频脉冲列的理想频谱,图 2.6 实际发射信号的频谱,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,图 2.8 单级振荡式发射机各级波形,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,图 2.9 采用频率合成技术的主振放大式发射机,4.能产生复杂波形,图 2.10 能产生复杂

6、波形的主振放大式发射机,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。,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,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,表 2.3 微波三、四极管的主要电性能,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。,在

7、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。,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

8、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。,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

9、波源)的输出功率为20 mW、脉冲宽度为4 s的射频脉冲。,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,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。,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

10、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。,图 2.11 发射机的组成方框图,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。,表 2.4 应用于雷达系统中的各种固态发射机的特性,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

11、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。,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,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

12、插入损耗,因此输出功率的效率很高。,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,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,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,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

13、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。,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。,图 2.13 用于相控阵雷达的单片集成收发模块组成框图,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

14、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。,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,(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

15、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。,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。,图 2.14 典型的L波段相控阵发射/接收模块,Pt=1kw=10usNf=3dB4档移向,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,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

16、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。,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,与原来的电子管发

17、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

18、为28 V,使用和维护很方便。,表 2.7 典型的固态发射模块的性能参数,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,2.5 脉 冲 调 制 器,图 2.17 脉冲调制器的组成方框,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

19、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。,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。,图 2.18 刚性开关阴极调制器的典型线路,图 2.19 用脉冲变压器耦合的阴极脉冲调制器

20、,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

21、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。,图 2.20 串联式阴极脉冲调制器,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

22、.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。,图 2.21 浮动板调制器,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

23、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C0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。,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fr。其表达式为 式中,Pa为调制管的功率损耗;u为电子注电压

24、;fr为脉冲重复频率。,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。,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

25、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。,图 2.22 接通管和截尾管电压.电流波形,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。,图 2.23 软性开关脉冲调制器的典型线路,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。,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。,