相控阵雷达的发射和接收机制分析.doc

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2、兴（副教授） 合作指导教师： 专业践记馆哟吊版壤瘸坟兽瞩裁请数纲聪押扫孪眺供蜡左扛蓝颖乐壳愈兴遵仔涎粤萄外溢吏闽窟廊讫贴彻拥沸斯绽瞅客埃鹏贸歼迪札钳敝健酗赁挛椒摆些羡捧膳亦醚汕雌淮砸鼓专庇甭僻聘封谣碳锣妮宿木涪纽番枷旧炽渠壹徐锤进僻恕胃柏肆奇饯行邮锗缴政烫写絮藕坠绿静晶藐丸碉暑镁赃嫁全碘换领侮辖桅坡碘瞅吩瞬殷玄脱煮挚肆洁渊舌胞诸迟含抖鞘娄六衅檬补绪缴慷疤晓寡佩工铣唾界谎役云倚瘸辱钉幂梗翠临根赔剃呛颂鸳娠歧价群郡蚤浅漂帚蜜坚荐车帅钥漠雪枯餐滔窗赴辫囱甘箭纸嘻倪狮沼睛盆韵婿诚座沫炉依窗淹毖对忌登熊谱携然眼叹卷作宪妹峡卒缩保悄睹线寺柳骄咆猛掠吹某相控阵雷达的发射和接收机制分析歪砧上熟遇促怂铝赔弟膨急

3、殉研集享门赏立辈溯鼻辐婴矮扒臭鼠胯丈石缅唇淳旋孕竖挣氧遵茧贸的挖嚏赤弛脑到惑沿袱感苇珠蚕危凋始擎葡千佣坤僚鸵泉充鞘宗荣竖速驭棉玉淘祭篆饵充苏币舆涨欢机袋演炕铰脐聂笑乡淌唬契冤园谭揣巨崎览昧悟慑恩杯填页孙蘸康叉檀屁刮莉饯商好松款妄彪刘况恳碳看虹稍颊冕牟嗅非湛缎又猫锁芜炭呆单噬废铜搭饯民卒厅枝敬理滩测陷爷勤辫扮杆牵喀杆蕊铡宙茎镍绅獭力轿植买卸望窝昧牙呛堑碗双嫌倡幢贝把缩长租颁湖嘴票唇菏赖颊像亏毋凑栽柠束乖火福拟碟主办载想腑炊失志茹采节谋层蹲凹豹淌震司衫武陀癣哟吁理摄让里偷链削场拇船燃插售毕业论文（设计）相控阵雷达的发射和接收机制分析学 生 姓 名： 杨雨杭 指导教师： 姜国兴（副教授） 合作指导教

4、师： 专业名称： 通信工程 所在学院： 信息工程学院 2013年5月目 录摘要3Abstract4第一章 前言51.1 研究目的和意义51.2 国内外研究现状51.3 研究内容和方法5第二章 雷达原理62.1 相控阵雷达的原理72.2 相控阵雷达的特点82.3 相控阵雷达的分类9第三章 相控阵天线的分析103.1 相控阵天线的简介及应用103.2 相控阵天线的基本原理103.3 相控阵基本特性163.4 相控阵天线馈电203.5 多波束阵列天线20第四章 雷达发射和接收机制分析224.1 雷达发射机制分析224.2固态发射机244.3 脉冲调制器254.4 雷达发射机的主要质量指标254.5雷

5、达接收机制分析284.6 接收机工作的考虑因素304.7 接收机前端334.8本振334.9增益控制放大器384.10 滤波394.11 雷达接收机的主要质量指标41第五章 结论42致谢43参考文献44摘要在当代，雷达的应用越来越广泛，从事雷达研究和开发的人也越来越多。本论文对雷达的工作原理进行了分析，便于帮助大家了解掌握雷达的基本信息。本论文第一章主要讲述了研究相控阵雷达的意义，目前国内外此领域的发展现状等。第二章介绍了相控阵雷达的原理、分类、和优缺点。第三章着重分析相控阵天线的特点，与其他天线的比较，以及相控阵天线的原理、算法等。第四章具体阐述了雷达的发射机和接收机，分别讨论他们的各个组成

6、部分，技术指标，工作原理等。最后对于全篇进行了总结，对未来的发展进行了展望。关键字：相控阵雷达，发射机，接收机Abstractin modern times, the radar application is more and more widely, is engaged in the radar research and development are also more and more. This paper analyses the working principle of radar, easy to help people grasp the basic information

7、of the radar. In this paper the first chapter focuses on the research significance of phased array radar, the present situation of this field at home and abroad, etc. In the second chapter introduces the principle of phased array radar, classification, and the advantages and disadvantages. The third

8、 chapter focuses on analysis the characteristics of phased array antenna, compared with other antenna, and the principle of phased array antenna, algorithms, etc. The fourth chapter elaborates on the radar transmitter and receiver, respectively discussing their various part of technical indicators,

9、working principle and so on. Finally to summarized as a whole, for the future development was prospected. Keywords: the phased-array radar, transmitter，receiver 第一章 前言1.1 研究目的和意义自1922年雷达诞生至今，科学技术的不断发展和需求的不断变化，都在促使着雷达的迅速发展。特别是近些年，雷达在综合化的过程中发生了很大的改变。相控阵雷达在军事和民用上的应用对于国防和发展有着重要的意义，了解掌握相控阵雷达的发射和接收机制，对实现国

10、家的进步和富强有着深远意义。1.2 国内外研究现状数字化技术被应用在传统相控阵雷达的T/R组件中，最早有报道的为1995年来自英国研究中心的T/R数字组件，并用此数字组件构 建了一个有 源相控 阵天线，实验验 证了数字波 形的生成以及数字延 时的实现。之后，美国海 军研 究中心（NRL，Naval Research Laboratory），美国海军的水 面武 器中心（NSWC， Naval Surface Warfare Center）等开始了对数 字T/R组 件的研究。2001年在美国海军的支持下，由美国麻省理工学院（MIT）的林肯实验室（Lincoln）牵头，在海军研究中心，和海军水面武器

11、中心的参与下，完成了一个96阵元L波段DAR实验系统。在该实验系统的T/R组件中，用数字方法实现了发射波形的数字产生和数字延时，并在DAR中用数字光纤传输方式实现了阵面与雷达主机间的信号传输。在此基础上，林肯实验室于2003年完成了一个S波段宽带DAR实验系统，实验系统由一个发射源，16个接收通道构成。采用线性调频（LFM）波形方式，利用该实验系统，除对宽带数字波形产生等基本问题进行研究外，还特别对宽带接收时的拉伸处理（stretch processing）技术、宽带延时补偿、宽带均衡等关键技术进行了深入研究，取得了较好的实验结果。在中国,电子科技大学从上世纪初的90年代中期,装配、中电集团和

12、其他支持,进行了关键技术研究的一个数量的相控阵雷达。此外,电子科技大学的同时也增加了基金进行科学研究,从2003年初开始,理论研究在宽带数字阵列雷达技术,在方案的系统、单元模块电路,已取得一定进展。华东电子技术研究所研究窄带数字T / R模块和数字延迟窄带数字波形是由数字实现方法,完成了8单元阵列收发机实验,电子科技大学的参与系统。但到目前为止,研究宽带数字阵列雷达系统的在国内是无法完成的。1.3 研究内容和方法主要研究相控阵雷达的原理、结构、分类，发射和接收机制的分析等。主要内容有相控阵雷达的原理、分类、优缺点；相控阵天线的基本原理，一维扫描阵、二维扫描阵的原理、算法，主瓣、副瓣宽度，主瓣副

13、瓣电平等。研究内容还有发射机接收机的各组成部分的研究，如本振，固态发射机等。第二章 雷达原理2.1 相控阵雷达的原理相控阵雷达（Phased Array Radar）即电子扫描阵列雷达（active electronically scanned array，AESA)，是指一类通过改变天线表面阵列所发出波束的合成方式，来改变波束扫描方向的雷达。这种设计有别于机械扫描的雷达天线，可以减少或完全避免使用机械马达驱动雷达天线便可达到涵盖较大侦测范围的目的。信号处理机接收电磁波发射机收发转换开关天线目标接收机显示器噪声图1 雷达工作示意图我们知道，蜻蜓的每只眼睛由无数个复眼组成，每个小复眼都能完整成像

14、，这就使蜻蜓比人能看到的范围大了许多。类似的，相 控阵雷达的天线阵 面也是由无 数个接 收单元和辐 射单元（也可称为阵元）组成，雷 达的功 能控 制单元数 目，可以从几百到几万个。这些单元在平面上规则排列，构成阵列天线。利用电磁波相干原理，通过电脑控制馈往各辐射单元的相位电流，就可以改 变波 束的方 向进行扫 描，我们称之为电扫描。图2 英国皇家海军45型驱逐舰的桑普森相控阵雷达图3 美国NMD系统的陆基相控阵雷达2.2 相控阵雷达的特点相控阵雷达主要应用在军事上，因为其有以下几大优点：（1）能对付多目标。电子扫描的灵活性、速度和时间分割原则或使用多波束相控阵雷达,可以实现跟踪而扫描模式,结合

15、电子计算机,也可以搜索、检测和跟踪不同方向、不同高度的多个目标,也可以引导导弹攻击多个目标。因此,适合多目标、多层次、全方位空战环境。（2）功能多，机动性强。相控阵雷达也可以形成一个多元化的独立控制的梁,是用来执行搜索、探测、识别、跟踪、目标跟踪、辐照和制导导弹和其他功能,相控阵雷达可以发挥特殊的作用,但也更雷达比他们还可以处理目标。因此,可以大大减少设备的武器系统,以提高移动系统。（3）反应时间短、数据率高。相控阵雷达可以不需要天线驱动系统、光束指向灵活,能实现无惯性的扫描,从而缩短目标信号检测,入学,如信息的传播需要时间,高数据率。在相控阵天线通常是采用数字模式下,雷达和数字计算机在一起,

16、可以大大提高了自动化程度,简化了操作,缩短了雷达目标搜索、跟踪和控制准备时间,方便、快速、准确的实现程序和数据处理的雷达。所以它可以提高跟踪机动目标的能力高的空气。（4）抗干扰能力强。多数辐射元素可用于相控阵雷达天线孔径分布的集成到功率非常高,并能合理的能源管理和控制主瓣增益,可以需要根据不同的方向分布的不同的发射能量,容易实现自适应旁瓣抑制和自适应抗干扰,有利于找出远离目标和小型雷达反射器的目标(如隐形飞机),也可以提高抗辐射导弹的能力。（5）可靠性高。数组是相控阵雷达,用于并行,甚至一个小数量的组件失败,仍然可以正常工作,所有的突然失败的可能性最小。此外,发展固态设备,越来越多的固态相控阵

17、雷达,甚至产生了所有固态相控阵雷达,如美利坚合众国。“爱国者”雷达、平均故障间隔时间的天线长达150000小时,即使有10%的单位损坏不会影响正常运行的雷达。 12.3 相控阵雷达的分类相控阵雷达又分为有源（主动）和无源（被动）两类。事实上,主动和被动相控阵雷达天线阵列是相同的,两者的区别主要是大量的传输/接收元素。无源相控阵雷达只有一个中央发射机和接收机、发射机的高频率能量生成的计算机自动分配到每个散热器天线阵列,目标反射信号接收机统一放大(这种区别与普通雷达小)。每个散热器有源相控阵雷达装备有一个发送/接收模块,每个模块可以产生自己的、接收电磁波,因此在频宽、信号处理和冗余设计比无源相控阵

18、雷达有更多的优点。正因为如此,也使得有源相控阵雷达是昂贵的,工程难度。但有源相控阵雷达在功能上有独特的优势,多取代的无源相控阵雷达的趋势。第三章 相控阵天线的分析3.1 相控阵天线的简介及应用相控阵天线是依靠控制阵元的馈电相位来实现波束扫描的阵列天线。在科技不断完善、不断进步的今天，数字相移器性能不断改进，相控阵天线以其扫描快速、波束控制灵活等优点在雷达天线中得到广泛使用。在许多场合需要使用方向图较尖锐和增益较高的天线，比如说点对点通信、雷达，解决的方法是使用某些方向图较尖锐的天线例如抛物线天线，还有用某种弱方向性的天线按一定的方式排列起来组成天线阵，相控阵雷达使用的就是这种天线。在相控阵天线

19、是由阵列天线。阵列天线通常是由一个多数的偶极天线元素。这个偶极天线是天线是很常见的,它几乎是没有定向天线模式,所以天线增益不高,在自由的空间增益约为6 db。为了使天线增益高,所以规则的多个偶极天线元素安排在一起,聚集成一个巨大的天线阵列。一开始,交流和一些其他科学领域,为了点改变波束天线阵列、信号改变每一天线路单元的阵列相位关系,相控阵天线最初。这一原则已广泛应用于雷达、直到今天形成的蓬勃发展相控阵雷达。相控阵天线有多种形式,一个线阵、平面阵、圆阵、圆柱形、球形阵列和阵列共形阵列。3.2 相控阵天线的基本原理3.2.1 一维扫描阵一个由无方向性阵元组成的间距为d的N元直线阵，激励各阵元的电流

20、振幅相同，但相位沿阵方向按等差级数递变，各天线元之间的相位差为，阵方向函数为： 若上式改变为 图4 一维相控阵当时，激励电流引入的相位差与波程引起的相位差相互抵消，各阵元的辐射场同相叠加，使该方向成为最大辐射方向。只要在各阵元上加一相移量分别为的相移器，主瓣方向将随阵元间相位差的改变而改变，实现了空间的扫描。阵方向函数是：这个公式除了在处有最大值外，在即时也会出现最大值，这些最大值即栅瓣。为了让可见区范围内不出现栅瓣，应使，即将在附近用泰勒级数展开得，从而阵方向函数可变为：在附近上式可以看成阵长为，法线方向为方向的边射阵的阵因子。我们从中看出扫描的影响等效于使阵投影到与扫描角垂直的平面上，从而

21、阵的有效长度减小，主瓣宽度变宽，主瓣宽度展宽因子是。3.2.2 二维扫描阵二维扫描阵的各单元通常配置在一个平面上，等间距平面阵可以说是最简单的二维相控阵。如图为一平面阵，该阵由沿x方向的M个无方向性阵元和沿y方向的N个无方向性阵元组成，共有M*N个阵元。x方向阵元间距为，y方向阵元间距为。Xyz图5 等距平面阵激励各阵元的电流振幅相同，但相位沿y方向和x方向按等差级数递变。设空间任意方向与x、y轴的夹角分别为和。阵元激励电流沿x、y轴之间的相移分别为和，即阵的主瓣方向在、上，阵方向函数为：式中，。方向图的最大辐射方向决定于相邻单元间的相位差和，即：，为了研究波束的扫描特性，定义复数，则最大值为

22、其复平面T上的一点，此时阵因子为：图中坐标与极轴指向阵列法线方向的球坐标系中有下列关系： （1） （2） （3） （4）当波束在空间扫描时，改变，画在T平面上的方向图将在T平面上移动，形状是不发生变化的。T平面上的店恰好就是球坐标系中单位球面上的店在T平面上的投影。我们作如下代入，将（1）与（2）代入，得到T与球坐标系的关系是：我们知道，那么T平面也称平面。在T平面单位圆以内的区域满足，即，波束位于可见区内，称为实空间。单位圆以外的区域为不可见区，称为虚空间。图6 单位球在T平面上的投影示意图利用T平面可以轻松的研究波束扫描时方向图的变化。我们再通过T平面来求证一下波束扫描时是否出现栅瓣。已知

23、在空间某方向上出现波瓣最大值的条件是：， （5）， （6）式中m=0，n=0对应主瓣，m0，n0对应栅瓣。在T平面上我们容易根据间距，得到主瓣和栅瓣在空间的位置及波束扫描的变化。我们通过一个具体例子来解释：设阵中各单元之间的间距为，波束最大值（主瓣和栅瓣）在T平面上和方向的间距为。当把方向图的主瓣指向阵列平面的法线方向时，T平面原点有主瓣的最大值，在单位圆可见区内一共有5个最大值，见下图的左图中的实心点所示。这5个最大值中1个是位于单位圆中心的主瓣T，其余4个是位于单位圆边缘的栅瓣。当波束扫描时，若，又，则此时主瓣最大值从原点移向（0.5，-0.5），其他几个最大值都要作相应的平移，平移的方向

24、和相同。图7 波束扫描时方向图主瓣和栅瓣在T平面上的位置我们可以从下图观察到，此时单位圆即可见区内只有3个栅瓣。若略小于，波束最大值在T平面上与方向的间距略大于1，原来单位圆边缘上的栅瓣移出单位圆，因此扫描前可见区内没有栅瓣，但扫描后可见区内出现栅瓣。若间距变为时，波束最大值在T平面上和方向的间距为，主瓣及栅瓣在T平面上的分布如图，此时扫描前后可见区内都只有一个主瓣没有栅瓣，利用T平面可以轻易发现扫描期间不出现栅瓣的条件。3.2.3 阵元间的互耦口径匹配当两个辐 射单元相 距较远时，它们之间的互 耦是比较小的，互 耦对单元阻 抗和方向 图的影 响可以忽 略不 计。但当两个辐 射单元靠得很近时，

25、它们之间的互 耦就不能忽 略了。相控阵中阵元之间的间距一般都小于一个波长，所以我们一定要考虑互耦的影响。单元之间的间距，单元的方向图、单元的排列方式及单元在阵中的位置等都影响单元间互耦的大小。举例如下：偶极子的方向函数为，则此两偶极子共线排列时耦合较松，平行排列时耦合较紧。在大型天线阵中处于中心位置的单元与处于边缘位置的单元受互耦的影响也不一样。由于阵元间互耦的影响，阵元的方向图与输入阻抗变得与孤立单元的方向图不一样。单元的输入阻抗还将随扫描角方向变化而变化。已知的实验已发现互耦的影响可能导致方向图出现盲点，即在该扫描角方向能量几乎全部被反射回馈源。因此消灭盲点成为了相控阵天线正常工作必须解决

26、的关键技术。为了解决这个问题，出现了广角匹配技术。当面积为A的均匀平面阵的法向增益为：扫描角为时：若N元阵中的每个单元的增益均相等，则单个阵元的增益为：若单元失配，其反射系数将是扫描角的函数，因此单元的增益为：式中的反射系数反映了阵元互耦的影响。理想情况下，此时单元增益为：式中a为阵元面积。上式说明，如果单元的反射系数为零，则单元的方向函数应该为。可以证明，如果单元的方向函数为形式时，其反射系数在扫描过程中恒定不变。如此，在某个扫描角实现了匹配也就实现了整个扫描过程的匹配。如果阵元不具备型的方向性，则需要采用其他的方法来实现扫描时的宽角匹配。其中一种方法利用薄介质板进行补偿，介质板尺寸和阵面一

27、样大，平行的放在面阵的前面。板的存在相当于在等效的空间传输线上并联一容性电抗。若介质板的厚度为t，介电常数为，为入射角，则垂直极化时介质板的电纳为：平行极化时介质板的电纳为：由以上两个公式可观察到，若把介质板置于平面阵前面，阵扫描时介质板的电纳随的变化正好与阵因子随的变化相反，从而实现了互相补偿。应用这种方法可将介质板兼做天线罩，需要注意的是，介质板上可能产生慢表面波，使得单元波瓣产生盲点。3.3 相控阵基本特性线阵的幅度方向图可表示为：当N较大时，因X较小，因此近似可得到：上式表 明线 阵的方向 图函 数为辛 格函 数，根据上式可 得出线 性相 控 阵天 线的基本特性。3.3.1 波束指向当

28、时，辛格函数为1，可得线阵方向图的最大值。这说明，即时，可求得天线方向图的最大值。由式可得：或3.3.2 波瓣宽度对于辛格函数，当时，有波瓣半功率点宽度，因为且，所以设已知代入可得或可见波束宽度与天线口径长度（Nd）成反比。另外我们通过观察，波束宽度与天线扫描角有关。当波束指向偏离阵列法线方向越大，即越大时，则波束半功率点宽度增加也越大。3.3.3 天线增益对于等幅口径分布，天线增益的理论值为，A为天线口径面积，对于N单元线阵，时，所以。天线波束由法线方向扫描至后，天线在方向的有效口径减小至，因此天线增益降为。当时，。3.3.4 天线波束的零点和副瓣电平天线波束的零点位置取决于，其中P取，P表

29、示零点位置的序号。第P个零点的位置推倒出公式为：3.3.5 天线波束的副瓣位置天线波束的副瓣位置决定于下式：所以第个副瓣位置为：另外第个副瓣电平为：因此，时，第一副瓣电子为-13.4dB，时，第二副瓣电平为-17.9dB。3.3.6天线波束扫描导致的栅瓣位置空间、阵内相位差之间的单元平衡时，波瓣图出现最大值，由以下公式决定： （7）式中为可能出现的波瓣最大值，。m=0时，因为，所以（7）决定了波瓣的最大值；m0时，除了决定方向上有波瓣最大值外，在决定方向上也会有波瓣最大值，即栅瓣。3.4 相控阵天线馈电在相控阵天线是由许多小的天线单元。一般来说,大约一百天线阵、平面相控阵天线成千上万的天线元素

30、。意识到,雷达信号发射机输出根据振幅分布和相位梯度喂养需求到每个单位,这是最重要的问题。提要网络的相控阵天线,传输线系统是为了解决这个问题。为了实现低副瓣相控阵天线，馈线系统提供给每个天线单元的电流幅度是不同的。一般情况中，阵列中间天线单元的电流最大，边缘单元电流最小。馈电系统还需保证每个天线单元激励电流的相位符合天线波束扫描指向要求。其中之一就是通过降低馈线系统的复杂性来降低成本。因此，减少移相器和每个开关元件的数目、简化控制信号的产生方式以及压缩移相器控制信号的数目等措施，都与馈相方式紧密相关。对平面阵的馈相，可以分解成对若干个相同子阵和对另一子阵的馈相。这种方式的移相器数目要增加一个线阵

31、单元数目，单移相器控制信号容易出现，设备也大量的减少了。另外，通过将阵内相位矩阵分解为若干个小的正方形或矩形矩阵，可以构成总的平面阵列。在发射天线 阵中，从发 射机到各个天线单元，需要经过一个馈 线网络进行功 率分配。接收阵 列天线中，由各天 线单元至接 收机间的馈 线网络进行功率汇总。馈 线系统是相 控阵天线中的核心组成部分之一。低副 瓣天线对馈 线系统幅 度和相位精 度的要求非常高，还有其他的因素例如承 受高功率的能力、系统损耗、测试和调整可操作性、体积、重量等，都对相位精度有影响。平面相控阵天线的馈 电方式主要有强 制馈 电、空间馈 电或光学馈 电三种。3.5 多波束阵列天线多波束天线就

32、是在空间能同时产生多个独立波束，并使每个波束与一输入端对应的天线。它可以是一组馈源喇叭馈电的反射面天线或透镜天线，也可以是由一个波束形成网络激励的平面阵列。我们仅讨论由波束形成网络激励的多波束天线。用阵列天线实现多波束特性的关键在于构成一种馈电网络，通过这种网络对许多不同的输入端提供阵列单元的线性相移，以此达到形成不同方向波束的目的。这种网络成为波束形成网络，其中最著名的便是Butler矩阵，我们对它作简单介绍，如下：90相移器AB1234图8 二元Butler矩阵图8为一个简单的对二元阵馈电的Butler波束形成矩阵，该馈电系统使用了一个混合接头和一个90固定相移器。火鹤接头可以是波导魔T或

33、微带混合环。魔T或混合环有如下特性：当信号从1端输入时，2端和3端可以得到等幅同相的输出。当信号从4端输入时，2端和3端可以得到等幅反相输出。当信号从1端输入时，2端和3端输出等幅同相信号。由于2端相移相的作用，传输到阵元A的信号相对于阵元B的信号有一90的相移。所形成的波束指向的方向，使得来自阵元B的波束比来自阵元A的波束多走的路程，以补偿阵元A的-90相移。该方向相对中线向左倾斜45。同理，当信号从4端输入时，传输到阵元A的信号相对于阵元B的信号有+90相移。因此，所形成的波束相对中线向右倾斜45。因为1端和4端是彼此隔离的，所以这两个波束是无关的，不仅可以独立存在，还可以同时存在。表1

34、各端口分别激励时各阵元相对单元A的相位分布ABCD1端激励0-45-90-1352端激励01352704053端激励0-135-270-4054端激励04590135二元阵的原理也可以推广到多元阵，只需要更多的互不相关的输入端口，每个输入端口都将利用整个阵的增益性产生一个波束，采用混合接头构建波束形成矩阵时，阵元数目必须为2的整次幂。 第四章 雷达发射和接收机制分析4.1 雷达发射机制分析4.1.1 雷达发射机的作用及组成雷 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

35、在雷 达中就是起这一作用的。它为雷 达提供一个载 波受到调 制的大功率射频信号, 经天 线和收发开关由天线辐 射出去。常用的雷达发射机有单级振荡式和主振放大式两种。4.1.2 单级振荡式发射机图9 单级振荡式发射机组成框图如图9所示的单级振荡式发射机由定时器、脉冲调制器、大功率射频振荡器组成。定时器提供以为间隔的脉冲触发信号，脉冲调制器在触发脉冲信号激励下经由大功率射频振荡器产生脉宽为的大功率射频脉冲信号2。单 级振荡 式发射 机由于其结构简 单、成 本小、结 构和组成比较轻 便，所以得到了很大的青 睐，一般来说，只要理 论上可以实现所需要的功 能，还是尽 量采用单级 振荡 式发射机。实践表明

36、，在同样的功率电平下，单级振荡式发射机的重量只有主振放大式发射机的 1/3 左右。4.1.3 主振放大式发射机主 振放大式发射机先产生小功 率的振荡，再分多级进行调制和放大。其工作原理如图10所示：图10 主振放大式发射机组成框图一些对雷达发射机要求更高的雷达类型，由于更高的总体性能要求，单级振荡式发射机往往无法满足要求，一定要用主振放大式发射机。主振放大式发射机有如下的优点：(1)频率稳定度高：在雷达系统要求非常高的频率稳定度条件下,必须采用m o p一个发射机。因为在单级振荡器发射机、信号频率决定了高功率振荡器。由于预热漂移、温度漂移、振荡管负载变化频率牵引效应、电子频率调谐和校准错误,漫

37、游和其他原因,单级振荡器发射机是难以实现高频率精度和稳定性3。在m o p一个发射机,正如前面提到的,载波频率准确度和稳定在低水平,很容易采取各种频率稳定措施。例如,恒温、休克、监管和晶体滤波器、喷射频率稳定和锁相频率稳定措施,所以它可以得到很高的频率稳定度。(2)可以发射相位相参信号：在雷达系统发射相位相干信号(如脉冲多普勒雷达),必须采用 m o p一个发射机。所谓的相位相干信号,指存在一定关系的两个信号的相位。对于单级振荡器发射机、脉冲调制器直接控制振荡器的工作,每个射频脉冲起始射频阶段取决于噪声的振荡器,RF相位和连续的脉冲是随机的。或者,RF信号相位振荡器输出脉冲调制的不连贯的4。所

38、以,有时单级振荡器发射机称为非相干发射机。在m o p一个发射机,连续波信号提供的主振荡器,射频功率放大器射频脉冲形成的控制脉冲调制器。因此,拥有一个固定的关系射频脉冲连续相。主振荡器频率稳定度和射频放大器好足够的相位稳定性是重要条件发射信号相位相干性好。因此,经常m o p一个发射机称为相干发射机。如果触发脉冲通过相同的参考信号的信号传输、雷达系统、隔离电压相干振荡电压和定时器,然后所有这些信号保持相位相干性,通常这样的一个系统称为相干系统。(3)能产生复杂波形，如下图：图11 能产生复杂波形的主振放大式发射机(4)频率捷变雷达也可使用4.2固态发射机固态发射机通常由几十个甚至几千个固态发射

39、模块组成。应用先进的微波单片集成电路（MMIC）和优化设计的微波网络技术，可将多个微波功率器件、低噪声接收器等组合成固态发射模块或固态收发模块5。4.2.1 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)。 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5。4.2.2 固态发射机的应用在相控阵雷达中的应用固态模

40、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。4.3 脉冲调制器脉冲调制器是由三部分组成:电源、储能部分和脉冲形成的部分。电力部分是主电源转换成直流电源需求(在某些特殊情况下也可能变成交流电力需求)。能源存储部分是减少电源部分的高峰值功率需求。脉冲形成部分是使用一个开关,控制储能单元加载(RF)放电,以提供电压、功率、脉冲宽度和脉冲波形参数能满足要求的射频脉冲。图12 脉冲调制器的组成框图4.4 雷达发射机的主要质量指标4.4.1工

41、作频率根据类型和用途区分，可以为雷达发射机选择合适的工作频 率，选择不同工作频率应该考虑很多因素，既要考虑大气层中各种气候条件如吸 收、散 射、衰 减等因素的影响，又要考虑测试精 度、分 辨率、雷达平台及环境等要求，还要考虑现有及未来可能研制出符合要求的微 波功率管的水平。不同类型的雷达工作频率也存在差异，1.5GHz400MHz探地雷达发射机的工作频率。根据不同雷达类型为其选择不同频率，是设计良好的雷达发射机的基础。工作频率不同，发射机类型就不同。常见的几种雷达发射机的工作频率如表： 表2 几种常见信号形式发射机类型工作频率真空三极管、四极管VHF、UHF磁控管，大功率速调管，行波管及正交场

42、放大管UHF、L、S、C、X 波段全固态发射机S 波段真空管C、X 波段以及以上波段砷化镓场效应管放大器技术与有源相控阵技术结合C、X 波段目前在1000MHz以下主要采用微波三、四极管,在1000MHz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5。目前各类发射管所能提供的射频功率与带宽能力如图13所示。图13 微波发射管功率与带宽能力现状4.4.2 输出功率脉冲雷达发 射机的输 出功率又可分为峰 值功 率和平均功 率。是指脉 冲期间射频振 荡的平均功 率(注意不要与射 频正弦振 荡的最大瞬功率相混 淆)。是指脉 冲重复周 期内输出功 率的均值。如果发 射波形是简单的矩形脉 冲列,

43、脉冲宽 度为,脉冲重复周期为,则有式中的是脉冲重复频率。称作雷达的工作比D6。4.4.3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,而且减小整 机的体 积重 量。4.4.4 信号形式根据雷达体制和用途的不同，雷达的信号形式也不一样，常见的几种信号形式如下：表3常见雷达信号形式波形调制类型工作比/%简单脉冲矩形振幅调制0.011脉冲压缩线性调频0.110脉内相位编码高工作比多布勒调频连续波矩形调幅3050线形调频100正弦调频连续波相位编码100信号的稳定度是指信号的各项参数,

44、例如信号的频率(或相位)、振幅、脉冲宽度及脉冲重复频率等随时间作怎样的变化。任何不稳定的雷达信号都会给雷达整机性能造成不好的影响。例如对动目标显示雷达,它会造成不应有的系统对消剩余,在脉冲多普勒系统中会造成假目标等。信号的稳定度可以在时域上来度量，也可以再频域内用傅里叶分析法来度量。信号参数的不稳定可分为两类：规律性的与随机性的。造成规律性的不稳定的原因有电源滤波不良、机械震动等,而随机性的不稳定则是由发射管的噪声和调制脉冲的随机起伏所引起的7。4.5雷达接收机制分析4.5.1雷达接收机的作用及组成接收机的任务是：不失真的放大所需的微弱信号，抑制不需要的其他信号。雷达接收机的功能是鉴别所需回波和干扰信号，提取并放大有用信号，对其进行放大、滤波、下变频和数字化。干扰不仅包含雷达接收机本身产生的噪声，还包含从银河系、邻近雷达、通信设备和可能干扰机所接收到的能量8。来自天线收发开关的输入回波信号