雷達(dá)原理(第三版)__丁鷺飛第2章

1、第 2 章 雷 達(dá) 發(fā) 射 機(jī) 第 2 章 雷 達(dá) 發(fā) 射 機(jī) 2.1 雷達(dá)發(fā)射機(jī)的任務(wù)和基本組成雷達(dá)發(fā)射機(jī)的任務(wù)和基本組成 2.2 雷達(dá)發(fā)射機(jī)的主要質(zhì)量指標(biāo)雷達(dá)發(fā)射機(jī)的主要質(zhì)量指標(biāo) 2.3 單級(jí)振蕩和主振放大式發(fā)射機(jī)單級(jí)振蕩和主振放大式發(fā)射機(jī) 2.4 固態(tài)發(fā)射機(jī)固態(tài)發(fā)射機(jī) 2.5 脈沖調(diào)制器脈沖調(diào)制器 第 2 章 雷 達(dá) 發(fā) 射 機(jī) 2.1 雷達(dá)發(fā)射機(jī)的任務(wù)和基本組成雷達(dá)發(fā)射機(jī)的任務(wù)和基本組成 雷達(dá)是利用物體反射電磁波的特性來(lái)發(fā)現(xiàn)目標(biāo)并確定目標(biāo)的距離、方位、高度和速度等參數(shù)的。因此, 雷達(dá)工作時(shí)要求發(fā)射一種特定的大功率無(wú)線電信號(hào)。發(fā)射機(jī)在雷達(dá)中就是起這一作用的, 也就是說(shuō), 它為雷達(dá)提供一個(gè)

2、載波受到調(diào)制的大功率射頻信號(hào), 經(jīng)饋線和收發(fā)開關(guān)由天線輻射出去。 第 2 章 雷 達(dá) 發(fā) 射 機(jī) 圖 2.1 單級(jí)振蕩式發(fā)射機(jī) 脈沖調(diào)制器大功率射頻振蕩器電 源定時(shí)信號(hào)至天線TrTrTr第 2 章 雷 達(dá) 發(fā) 射 機(jī) 圖 2.2 主振放大式發(fā)射機(jī) 固 體微波源中間射頻功率放大器輸出射頻功率放大器脈沖調(diào)制器脈沖調(diào)制器脈沖調(diào)制器定時(shí)器主控振蕩器射頻放大鏈電 源觸發(fā)脈沖至天線第 2 章 雷 達(dá) 發(fā) 射 機(jī) 單級(jí)振蕩式發(fā)射機(jī)與主振放大式發(fā)射機(jī)相比，最大的優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì), 也比較輕便。實(shí)踐表明, 同樣的功率電平, 單級(jí)振蕩式發(fā)射機(jī)大約只有主振放大式重量的1/3。因此, 只要有可能, 還是盡量?jī)?yōu)先采用單

3、級(jí)振蕩式方案。但是, 當(dāng)整機(jī)對(duì)發(fā)射機(jī)有較高要求時(shí), 單級(jí)振蕩式發(fā)射機(jī)往往無(wú)法滿足而必須采用主振放大式發(fā)射機(jī)。 第 2 章 雷 達(dá) 發(fā) 射 機(jī) 2.2 雷達(dá)發(fā)射機(jī)的主要質(zhì)量指標(biāo)雷達(dá)發(fā)射機(jī)的主要質(zhì)量指標(biāo) 1. 工作頻率或波段工作頻率或波段 雷達(dá)的工作頻率或波段是按照雷達(dá)的用途確定的。為了提高雷達(dá)系統(tǒng)的工作性能和抗干擾能力, 有時(shí)還要求它能在幾個(gè)頻率上跳變工作或同時(shí)工作。工作頻率或波段的不同對(duì)發(fā)射機(jī)的設(shè)計(jì)影響很大, 它首先牽涉到發(fā)射管種類的選擇, 例如目前在1000MHz以下主要采用微波三、四極管, 在1 000 MHz以上則有多腔磁控管、 大功率速調(diào)管、行波管以及前向波管等。目前各類發(fā)射管所能提供

4、的射頻功率與帶寬能力如圖2.3所示。第 2 章 雷 達(dá) 發(fā) 射 機(jī) 2. 輸出功率輸出功率 發(fā)射機(jī)的輸出功率直接影響雷達(dá)的威力和抗干擾能力。 通常規(guī)定發(fā)射機(jī)送至天線輸入端的功率為發(fā)射機(jī)的輸出功率。 有時(shí)為了測(cè)量方便, 也可以規(guī)定在指定負(fù)載上(饋線上一定的電壓駐波比)的功率為發(fā)射機(jī)的輸出功率。如果是波段工作的發(fā)射機(jī)，則還應(yīng)規(guī)定在整個(gè)波段中輸出功率的最低值, 或者規(guī)定在波段內(nèi)輸出功率的變化不得大于多少分貝。 第 2 章 雷 達(dá) 發(fā) 射 機(jī) 圖 2.3 微波發(fā)射管功率與帶寬能力現(xiàn)狀 123451010010000.11110100100010 000平均功率/kW功率 / MW0.010.10.11

5、.0101001324PF 265微波管邊界1.010100頻率/GHz頻率/GHz(a)(b)螺線行波管耦合腔行波管速調(diào)管行波速調(diào)管速調(diào)管0.1110100100010 000110100帶寬( % )峰值功率/kW(c)第 2 章 雷 達(dá) 發(fā) 射 機(jī) 脈沖雷達(dá)發(fā)射機(jī)的輸出功率又可分為峰值功率Pt和平均功率Pav。Pt是指脈沖期間射頻振蕩的平均功率(注意不要與射頻正弦振蕩的最大瞬功率相混淆)。Pav是指脈沖重復(fù)周期內(nèi)輸出功率的平均值。如果發(fā)射波形是簡(jiǎn)單的矩形脈沖列, 脈沖寬度為, 脈沖重復(fù)周期為Tr, 則有 rtrtavfPTPP式中的fr=1/Tr是脈沖重復(fù)頻率。/Tr=fr稱作雷達(dá)的工作

6、比D。 常規(guī)的脈沖雷達(dá)工作比的典型值為D=0.001, 但脈沖多卜勒雷達(dá)的工作比可達(dá)10-2數(shù)量級(jí), 甚至達(dá)10-1數(shù)量級(jí)。顯然, 連續(xù)波雷達(dá)的D=1。 第 2 章 雷 達(dá) 發(fā) 射 機(jī) 3. 總效率總效率 發(fā)射機(jī)的總效率是指發(fā)射機(jī)的輸出功率與它的輸入總功率之比。 因?yàn)榘l(fā)射機(jī)通常在整機(jī)中是最耗電和最需要冷卻的部分, 有高的總效率, 不僅可以省電, 而且對(duì)于減輕整機(jī)的體積重量也很有意義。對(duì)于主振放大式發(fā)射機(jī), 要提高總效率, 特別要注意改善輸出級(jí)的效率。 第 2 章 雷 達(dá) 發(fā) 射 機(jī) 4. 信號(hào)形式信號(hào)形式(調(diào)制形式調(diào)制形式) 表表 2.1 雷達(dá)的常用信號(hào)形式雷達(dá)的常用信號(hào)形式 第 2 章 雷

7、達(dá) 發(fā) 射 機(jī) 圖 2.4 三種典型雷達(dá)信號(hào)和調(diào)制波形 Trtt(a)Tr(b)0(c)tttt第 2 章 雷 達(dá) 發(fā) 射 機(jī) 5 . 信號(hào)的穩(wěn)定度或頻譜純度信號(hào)的穩(wěn)定度或頻譜純度 信號(hào)的穩(wěn)定度是指信號(hào)的各項(xiàng)參數(shù), 例如信號(hào)的振幅、 頻率(或相位)、 脈沖寬度及脈沖重復(fù)頻率等是否隨時(shí)間作不應(yīng)有的變化。后面將會(huì)分析到, 雷達(dá)信號(hào)的任何不穩(wěn)定都會(huì)給雷達(dá)整機(jī)性能帶來(lái)不利的影響。例如對(duì)動(dòng)目標(biāo)顯示雷達(dá), 它會(huì)造成不應(yīng)有的系統(tǒng)對(duì)消剩余, 在脈沖壓縮系統(tǒng)中會(huì)造成目標(biāo)的距離旁瓣以及在脈沖多卜勒系統(tǒng)中會(huì)造成假目標(biāo)等。信號(hào)參數(shù)的不穩(wěn)定可分為規(guī)律性的與隨機(jī)性的兩類, 規(guī)律性的不穩(wěn)定往往是由電源濾波不良、機(jī)械震動(dòng)等原

8、因引起的, 而隨機(jī)性的不穩(wěn)定則是由發(fā)射管的噪聲和調(diào)制脈沖的隨機(jī)起伏所引起的。 第 2 章 雷 達(dá) 發(fā) 射 機(jī) 圖 2.5 矩形射頻脈沖列的理想頻譜 相對(duì)振幅Tr1fsinff01f0f01第 2 章 雷 達(dá) 發(fā) 射 機(jī) 圖 2.6 實(shí)際發(fā)射信號(hào)的頻譜 204060801000123信號(hào)的第一譜線離 散 型寄生輸出分布型寄生輸出fm / kHz /(dB/Hz)04第 2 章 雷 達(dá) 發(fā) 射 機(jī) 對(duì)于分布性的寄生輸出則以偏離載頻若干赫的傅里葉頻率(以fm表之)上每單位頻帶的單邊帶功率與信號(hào)功率之比來(lái)衡量, 其單位以dB/Hz計(jì)。由于分布性寄生輸出對(duì)于fm的分布是不均勻的, 所以信號(hào)頻譜純度是fm

9、的函數(shù), 通常用L(fm)表示。假如測(cè)量設(shè)備的有效帶寬不是1 Hz而是BHz, 那么所測(cè)得的分貝值與L(fm)的關(guān)系可近似認(rèn)為等于 HzdBBBfLm/lg10lg10)(信號(hào)功率帶寬內(nèi)的單邊帶功率現(xiàn)代雷達(dá)對(duì)信號(hào)的頻譜純度提出了很高的要求, 例如對(duì)于脈沖多卜勒雷達(dá)一個(gè)典型的要求是-80 dB。為了滿足信號(hào)頻譜純度的要求, 發(fā)射機(jī)需要精心的設(shè)計(jì)。 第 2 章 雷 達(dá) 發(fā) 射 機(jī) 2.3 單級(jí)振蕩和主振放大式發(fā)射機(jī)單級(jí)振蕩和主振放大式發(fā)射機(jī) 2.3.1 單級(jí)振蕩式發(fā)射機(jī)單級(jí)振蕩式發(fā)射機(jī) 圖 2.7 單級(jí)振蕩式發(fā)射機(jī)組成方框圖 預(yù)調(diào)器調(diào)制器振蕩器發(fā)射機(jī)定時(shí)器顯示器接收機(jī)天線開關(guān)天線控制系統(tǒng)電源、控制

10、、保護(hù)電路(b)(c)(a)(d)天線第 2 章 雷 達(dá) 發(fā) 射 機(jī) 圖 2.8 單級(jí)振蕩式發(fā)射機(jī)各級(jí)波形 觸發(fā)脈沖0Trt(a)t預(yù)調(diào)脈沖0(b)調(diào)制脈沖(c)射頻脈沖tt00(d)第 2 章 雷 達(dá) 發(fā) 射 機(jī) 2.3.2 主振放大式發(fā)射機(jī)的特點(diǎn)主振放大式發(fā)射機(jī)的特點(diǎn) 1. 具有很高的頻率穩(wěn)定度具有很高的頻率穩(wěn)定度 在雷達(dá)整機(jī)要求有很高的頻率穩(wěn)定度的情況下, 必須采用主振放大式發(fā)射機(jī)。 因?yàn)樵趩渭?jí)振蕩式發(fā)射機(jī)中, 信號(hào)的載頻直接由大功率振蕩器決定。由于振蕩管的預(yù)熱漂移、溫度漂移、 負(fù)載變化引起的頻率拖曳效應(yīng)、 電子頻移、 調(diào)諧游移以及校準(zhǔn)誤差等原因, 單級(jí)振蕩式發(fā)射機(jī)難于達(dá)到高的頻率精度和

11、穩(wěn)定度。 在主振放大式發(fā)射機(jī)中, 如前所述, 載頻的精度和穩(wěn)定度在低電平級(jí)決定, 較易采取各種穩(wěn)頻措施, 例如恒溫、防震、穩(wěn)壓以及采用晶體濾波、注入穩(wěn)頻及鎖相穩(wěn)頻等措施, 所以能夠得到很高的頻率穩(wěn)定度。 第 2 章 雷 達(dá) 發(fā) 射 機(jī) 2. 發(fā)射相位相參信號(hào)發(fā)射相位相參信號(hào) 在要求發(fā)射相位相參信號(hào)的雷達(dá)系統(tǒng)(例如脈沖多卜勒雷達(dá)等)中, 必須采用主振放大式發(fā)射機(jī)。所謂相位相參性，是指兩個(gè)信號(hào)的相位之間存在著確定的關(guān)系。 對(duì)于單級(jí)振蕩式發(fā)射機(jī), 由于脈沖調(diào)制器直接控制振蕩器的工作, 每個(gè)射頻脈沖的起始射頻相位是由振蕩器的噪聲決定的, 因而相繼脈沖的射頻相位是隨機(jī)的, 或者說(shuō), 這種受脈沖調(diào)制的振蕩

12、器輸出的射頻信號(hào)相位是不相參的。 所以, 有時(shí)把單級(jí)振蕩式發(fā)射機(jī)稱為非相參發(fā)射機(jī)。 第 2 章 雷 達(dá) 發(fā) 射 機(jī) 在主振放大式發(fā)射機(jī)中, 主控振蕩器提供的是連續(xù)波信號(hào), 射頻脈沖的形成是通過(guò)脈沖調(diào)制器控制射頻功率放大器達(dá)到的。 因此， 相繼射頻脈沖之間就具有固定的相位關(guān)系。只要主控振蕩器有良好的頻率穩(wěn)定度, 射頻放大器有足夠的相位穩(wěn)定度, 發(fā)射信號(hào)就可以具有良好的相位相參性。為此, 常把主振放大式發(fā)射機(jī)稱為相參發(fā)射機(jī)。還需指出, 如果雷達(dá)系統(tǒng)的發(fā)射信號(hào)、 本振電壓、相參振蕩電壓和定時(shí)器的觸發(fā)脈沖均由同一基準(zhǔn)信號(hào)提供, 那么所有這些信號(hào)之間均保持相位相參性, 通常把這種系統(tǒng)稱為全相參系統(tǒng)。 第

13、 2 章 雷 達(dá) 發(fā) 射 機(jī) 圖 2.9 采用頻率合成技術(shù)的主振放大式發(fā)射機(jī) 分頻器 n調(diào)制器多 級(jí)放大鏈基準(zhǔn)頻率振 蕩 器倍頻器M上變頻混頻器諧 波產(chǎn)生器N1F控制器N2FN3FNkFNiF發(fā)射信號(hào)至天線f0( Ni M)F觸發(fā)脈沖fr F/nFFMFF相參振蕩電壓fC MF穩(wěn)定本振電壓fL NiF第 2 章 雷 達(dá) 發(fā) 射 機(jī) 圖2.9是采用頻率合成技術(shù)的主振放大式發(fā)射機(jī)的原理方框圖, 圖中基準(zhǔn)頻率振蕩器輸出的基準(zhǔn)信號(hào)頻率為F。在這里, 發(fā)射信號(hào)(頻率f0=NiF+MF)、穩(wěn)定本振電壓(頻率fL=NiF)、相參振蕩電壓(頻率fc=MF)和定時(shí)器的觸發(fā)脈沖(重復(fù)頻率fr=F/n)均由基準(zhǔn)信號(hào)

14、F經(jīng)過(guò)倍頻、分頻及頻率合成而產(chǎn)生, 它們之間有確定的相位相參性, 所以這是一個(gè)全相參系統(tǒng)。 第 2 章 雷 達(dá) 發(fā) 射 機(jī) 4. 能產(chǎn)生復(fù)雜波形能產(chǎn)生復(fù)雜波形 圖 2.10 能產(chǎn)生復(fù)雜波形的主振放大式發(fā)射機(jī) 波 形產(chǎn)生器主振放大式發(fā)射機(jī)收發(fā)開關(guān)控制與定時(shí)器穩(wěn) 頻振蕩器信 號(hào)處理器接收機(jī)復(fù)雜波形發(fā)射機(jī)輸出天線第 2 章 雷 達(dá) 發(fā) 射 機(jī) 2.3.3 射頻放大鏈的性能與組成射頻放大鏈的性能與組成 主振放大式發(fā)射機(jī)采用多級(jí)射頻放大鏈, 它的設(shè)計(jì)質(zhì)量與射頻放大管的選擇關(guān)系密切。關(guān)于各種微波放大管的工作原理已經(jīng)在“微波電子線路”課程中討論過(guò), 在此僅從微波管對(duì)發(fā)射機(jī)性能影響的角度出發(fā)討論微波管的選用問(wèn)

15、題。前面已經(jīng)提到, 當(dāng)雷達(dá)工作頻率在1000MHz以上時(shí), 通常選用直線電子注微波管(O型管)和正交場(chǎng)型微波管(M型管)作為發(fā)射機(jī)的射頻放大管。 在表2.2中我們對(duì)高功率脈沖工作的O型管和分布發(fā)射式的M型管在同一頻段、同樣峰值功率和平均功率電平下的各項(xiàng)主要性能進(jìn)行了比較。在1000 MHz以下用得較多的是微波三、 四極管(柵控管), 在表2.3中列出了它們的主要性能。 第 2 章 雷 達(dá) 發(fā) 射 機(jī) 表表2.2 高功率脈沖工作的高功率脈沖工作的O型管和分布發(fā)射式型管和分布發(fā)射式M型管的性能比較型管的性能比較 第 2 章 雷 達(dá) 發(fā) 射 機(jī) 表表2.2 高功率脈沖工作的高功率脈沖工作的O型管和分

16、布發(fā)射式型管和分布發(fā)射式M型管的性能比較型管的性能比較 第 2 章 雷 達(dá) 發(fā) 射 機(jī) 表表 2.3 微波三、四極管的主要電性能微波三、四極管的主要電性能 第 2 章 雷 達(dá) 發(fā) 射 機(jī) 根據(jù)以上的比較可以知道, 選用什么微波管組成放大鏈要按實(shí)際情況具體考慮, 不存在對(duì)于一切場(chǎng)合都是最佳的放大鏈。 從現(xiàn)有的使用情況看, 在1000 MHz以下選用微波三、四極管組成的放大鏈, 它具有體積小、重量輕、工作電壓低、 相位穩(wěn)定性和相位特性線性度好、成本低和對(duì)負(fù)載失配容限大等優(yōu)點(diǎn)。 但是它的單級(jí)增益較低, 往往要求的級(jí)數(shù)較多(為提高增益，通常讓前級(jí)工作在A類, 這樣做對(duì)放大鏈的總效率影響不大)。它的頻帶

17、也不易做得寬(新型的將電路元件和管子結(jié)合在一起封裝于真空殼內(nèi)的所謂同軸管放大器以及將一系列管子結(jié)合在一起組成分布放大器的四極管鏈，則具有10 %以上乃至幾個(gè)倍頻程的帶寬)。 這種放大鏈較多用于地面遠(yuǎn)程雷達(dá)和相控陣?yán)走_(dá)中。 第 2 章 雷 達(dá) 發(fā) 射 機(jī) 在1000 MHz以上放大鏈通常有行波管-行波管、 行波管-速調(diào)管和行波管-前向波管等幾種組成方式: 1) 行波管-行波管式放大鏈 這種放大鏈具有較寬的頻帶, 可用較少的級(jí)數(shù)提供高的增益, 因而結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單。 但是它的輸出功率往往不大, 效率也不是很高, 常應(yīng)用于機(jī)載雷達(dá)及要求輕便的雷達(dá)系統(tǒng)中。 第 2 章 雷 達(dá) 發(fā) 射 機(jī) 2) 行波管-速

18、調(diào)管放大鏈 它的特點(diǎn)是可以提供較大的功率, 在增益和效率方面的性能也比較好, 但是它的頻帶較窄, 速調(diào)管本身以及要求的附屬設(shè)備(如聚焦磁場(chǎng)及冷卻和防護(hù)設(shè)備等), 使放大鏈較為笨重, 所以這種放大鏈多用于地面雷達(dá)。 3) 行波管-前向波管放大鏈 這是一種比較好的折衷方案。 行波管雖然效率低, 用在前級(jí)對(duì)整個(gè)放大鏈影響較小, 但可以發(fā)揮其高增益的優(yōu)點(diǎn)。由于行波管提供了足夠的增益, 使得后級(jí)可以采用增益較低的前向波管, 而前向波管的高效率特點(diǎn)提高了整個(gè)放大鏈的效率, 彼此取長(zhǎng)補(bǔ)短。 這種放大鏈頻帶較寬, 體積重量相對(duì)不大, 因而在地面的機(jī)動(dòng)雷達(dá)、相控陣?yán)走_(dá)(末級(jí)通常采用多管輸出)以及某些空載雷達(dá)中應(yīng)

19、用日趨增多。 第 2 章 雷 達(dá) 發(fā) 射 機(jī) 2.3.4 射頻放大鏈應(yīng)用舉例射頻放大鏈應(yīng)用舉例 某精密跟蹤雷達(dá)用的發(fā)射機(jī), 工作在C波段, 要求輸出脈沖功率為2.5 MW, 1 dB帶寬為1 %, 射頻脈沖寬度為0.8s(前沿寬度不大于0.10.5s, 后沿寬度不大于0.150.2s), 脈沖重復(fù)頻率可在600800 Hz的范圍內(nèi)以三種不同的值跳變。 由于此雷達(dá)要求對(duì)所跟蹤的目標(biāo)進(jìn)行多卜勒測(cè)速, 所以必須用主振放大式發(fā)射機(jī), 其主振器(固體微波源)的輸出功率為20 mW、 脈沖寬度為4 s的射頻脈沖。第 2 章 雷 達(dá) 發(fā) 射 機(jī) 根據(jù)輸入和輸出功率的要求, 微波放大鏈的功率增益至少應(yīng)為 dB

20、G811020105 . 2lg1036顯然, 這樣高的功率增益單靠一級(jí)是無(wú)法達(dá)到的。根據(jù)微波管產(chǎn)生的具體情況, 選用三級(jí)級(jí)聯(lián)組成。為避免各級(jí)之間的相互影響, 級(jí)間必須用鐵氧體環(huán)流器隔離?？紤]到級(jí)間損耗, 微波放大鏈的實(shí)際增益應(yīng)在83 dB以上。由于要求的輸出功率大, 功率增益高, 但帶寬并不大, 且該雷達(dá)系固定式的地面雷達(dá), 所以可以選用行波管-速調(diào)管式放大鏈。第 2 章 雷 達(dá) 發(fā) 射 機(jī) 末級(jí)選四腔大功率速調(diào)管, 它的前三腔采用參差調(diào)諧, 輸出腔為復(fù)合腔, 以保證瞬時(shí)通頻帶大于1 %。 速調(diào)管的飽和增益為32 dB。放大鏈的前級(jí)由兩級(jí)行波管組成, 第一級(jí)小功率行波管為包裝式結(jié)構(gòu)的周期性永

21、磁聚焦柵控行波管, 其最大增益為32 dB, 1 dB帶寬為7 %。 第二級(jí)是中功率行波管, 其飽和增益大于24 dB, 3 dB帶寬為2.5 %。由于工藝的限制, 中功率行波管和大功率速調(diào)管沒(méi)有柵極或調(diào)制陽(yáng)級(jí), 因此只有采用陰極脈沖調(diào)制。 第 2 章 雷 達(dá) 發(fā) 射 機(jī) 圖 2.11 發(fā)射機(jī)的組成方框圖 第一級(jí)行波管第二級(jí)行波管定 向耦合器速測(cè)管20 mW32 dB16 W24 dB4 kW自固體微波源0.8 s環(huán)流器環(huán)流器穩(wěn)壓電源1.3 s240 V0穩(wěn)壓電源磁場(chǎng)電源調(diào)制器定時(shí)器1.3 s50 V調(diào)制器01.2 s50 V0預(yù)調(diào)器1.2 s01.0 s調(diào)制器預(yù)調(diào)器磁調(diào)壓器高壓電源18 kV

22、磁場(chǎng)電源0.7 s01.4 s120 kV低壓電源中壓電源0.7 s50 V05 V0由測(cè)距機(jī)來(lái)的定時(shí)脈沖4 s0.8 s0.8 s鈦泵電源32 dB0.8 s2.5 W至天線第 2 章 雷 達(dá) 發(fā) 射 機(jī) 2.4 固固 態(tài)態(tài) 發(fā)發(fā) 射射 機(jī)機(jī) 2.4.1 發(fā)展概況和特點(diǎn)發(fā)展概況和特點(diǎn) 與微波電子管發(fā)射機(jī)相比, 固態(tài)發(fā)射機(jī)具有如下優(yōu)點(diǎn):(1) 不需要陰極加熱、 壽命長(zhǎng)。 (2) 具有很高的可靠性。 (3) 體積小、重量輕。 (4) 工作頻帶寬、效率高。 (5) 系統(tǒng)設(shè)計(jì)和運(yùn)用靈活。 (6) 維護(hù)方便, 成本較低。 第 2 章 雷 達(dá) 發(fā) 射 機(jī) 表表 2.4 應(yīng)用于雷達(dá)系統(tǒng)中的各種固態(tài)發(fā)射機(jī)的

23、特性應(yīng)用于雷達(dá)系統(tǒng)中的各種固態(tài)發(fā)射機(jī)的特性 第 2 章 雷 達(dá) 發(fā) 射 機(jī) 2.4.2 固態(tài)高功率放大器模塊固態(tài)高功率放大器模塊 1. 大功率微波晶體管大功率微波晶體管 大功率微波晶體管的迅速發(fā)展, 對(duì)固態(tài)發(fā)射模塊的性能和應(yīng)用起到重要的推動(dòng)作用。 在S波段以下, 通常采用硅雙極晶體管。表2.5列出了在某些雷達(dá)固態(tài)發(fā)射模塊中應(yīng)用的大功率晶體管的特性。 在S波段以上則較多采用砷化鎵場(chǎng)效應(yīng)管(GaAs FET),目前它們的輸出功率在810 GHz頻率上可達(dá)20 W, 而在12 GHz以上時(shí)只有幾瓦。 第 2 章 雷 達(dá) 發(fā) 射 機(jī) 表表 2.5 在某些雷達(dá)固態(tài)發(fā)射模塊中應(yīng)用的大功率晶體管特性在某些雷

24、達(dá)固態(tài)發(fā)射模塊中應(yīng)用的大功率晶體管特性 第 2 章 雷 達(dá) 發(fā) 射 機(jī) 2. 固態(tài)高功率放大器模塊固態(tài)高功率放大器模塊 應(yīng)用先進(jìn)的集成電路工藝和微波網(wǎng)絡(luò)技術(shù), 將多個(gè)大功率晶體管的輸出功率并行組合, 即可制成固態(tài)高功率放大器模塊。 輸出功率并行組合的主要要求是高功率和高效率。根據(jù)使用要求, 主要有兩種典型的輸出功率組合方式。圖 2.12(a)是空間合成的輸出結(jié)構(gòu), 主要用于相控陣?yán)走_(dá)。由于沒(méi)有微波功率合成網(wǎng)絡(luò)的插入損耗, 因此輸出功率的效率很高。 第 2 章 雷 達(dá) 發(fā) 射 機(jī) 圖 2.12 固態(tài)功率放大器輸出功率組合方式(a) 空間合成方式; (b) 集中合成輸出結(jié)構(gòu); (c) 集中合成輸出

25、結(jié)構(gòu)的固態(tài)高效模塊 (a)11: n12 n1n1:11: n2132 n2輸入P n2AA第 2 章 雷 達(dá) 發(fā) 射 機(jī) 圖 2.12 固態(tài)功率放大器輸出功率組合方式(a) 空間合成方式; (b) 集中合成輸出結(jié)構(gòu); (c) 集中合成輸出結(jié)構(gòu)的固態(tài)高效模塊 11: n12 n1n1:11: n2132 n2輸入n2:1P n2A損耗(b)A第 2 章 雷 達(dá) 發(fā) 射 機(jī) 圖 2.12 固態(tài)功率放大器輸出功率組合方式(a) 空間合成方式; (b) 集中合成輸出結(jié)構(gòu); (c) 集中合成輸出結(jié)構(gòu)的固態(tài)高效模塊 1: n11n1: 12 n112 n21: n2n2: 13C邏輯SW輸入集電極電壓輸

26、出(c)第 2 章 雷 達(dá) 發(fā) 射 機(jī) 2.4.3 微波單片集成微波單片集成(MMIC) 收發(fā)模塊收發(fā)模塊 微波單片集成電路(MMIC)的最新發(fā)展, 使固態(tài)收發(fā)模塊在相控陣?yán)走_(dá)中的應(yīng)用達(dá)到實(shí)用階段。微波單片集成電路采用了新的模塊化設(shè)計(jì)方法, 將固態(tài)收發(fā)模塊中的有源器件(線性放大器、低噪聲放大器、飽和放大器或有源開關(guān)等)和無(wú)源器件(電阻、電容、電感、二極管和傳輸線等)制作在同一塊砷化鎵(GaAs)基片上, 從而大大提高了固態(tài)收發(fā)模塊的技術(shù)性能, 使成品的一致性好, 尺寸小, 重量輕。 第 2 章 雷 達(dá) 發(fā) 射 機(jī) 圖2.13示出典型的微波單片集成收發(fā)模塊的組成框圖。 收發(fā)模塊主要由功率放大器、

27、低噪聲放大器、寬帶放大器、移相器、衰減器、限幅收發(fā)開關(guān)和環(huán)行器等部件組成, 具有高集成度、 高可靠性和多功能特點(diǎn)。 第 2 章 雷 達(dá) 發(fā) 射 機(jī) 圖 2.13 用于相控陣?yán)走_(dá)的單片集成收發(fā)模塊組成框圖 12345T/R控制T/RT/R控制處理 A A A偏置控制 A A AT/R限幅器發(fā)射功率放大器環(huán)行器天線發(fā)射端口接收端口控制數(shù)據(jù)輸入低噪聲接收放大器第 2 章 雷 達(dá) 發(fā) 射 機(jī) 近年來(lái)微波單片集成收發(fā)模塊發(fā)展很快, 并且已經(jīng)成為相控陣?yán)走_(dá)的關(guān)鍵部件。從超高頻波段至厘米波波段, 都有可供實(shí)用的微波單片集成收發(fā)模塊, 表2.6列出了從L波段至X波段的幾種集成收發(fā)模塊的主要性能參數(shù)及其體積和重

28、量。 微波單片集成收發(fā)模塊的主要優(yōu)點(diǎn)如下: (1) 成本低。因?yàn)橛捎性春蜔o(wú)源器件構(gòu)成的高集成度和多功能電路是用批量生產(chǎn)工藝制作在相同的基片上的, 它不需要常規(guī)的電路焊接裝配過(guò)程, 所以成本低廉。 (2) 高可靠性。采用先進(jìn)的集成電路工藝和優(yōu)化的微波網(wǎng)絡(luò)技術(shù), 沒(méi)有常規(guī)分離元件電路的硬線連接和元件組裝過(guò)程, 因此單片集成收發(fā)模塊的可靠性大大提高。 第 2 章 雷 達(dá) 發(fā) 射 機(jī) 表表 2.6 用于相控陣?yán)走_(dá)的幾種單片集成收發(fā)模塊性能參數(shù)用于相控陣?yán)走_(dá)的幾種單片集成收發(fā)模塊性能參數(shù) 第 2 章 雷 達(dá) 發(fā) 射 機(jī) (3) 電路性能一致性好、成品率高。單片集成收發(fā)模塊是在相同的基片上批量生產(chǎn)制作的,

29、 電路性能的一致性很好, 成品率高, 在使用維護(hù)中的替換性也很好。 (4) 尺寸小、重量輕。有源和無(wú)源器件制作在同一塊砷化鎵基片上, 電路的集成度很高, 它的尺寸和重量與常規(guī)的分離元件制作的收發(fā)模塊相比越來(lái)越小。如表2.6所示, L波段的單片集成收發(fā)模塊的尺寸為67.2 cm2, 重量?jī)H為4盎司 (即0.113 kg)。 第 2 章 雷 達(dá) 發(fā) 射 機(jī) 2.4.4 固態(tài)發(fā)射機(jī)的應(yīng)用固態(tài)發(fā)射機(jī)的應(yīng)用 1. 在相控陣?yán)走_(dá)中的應(yīng)用在相控陣?yán)走_(dá)中的應(yīng)用 固態(tài)模塊在相控陣?yán)走_(dá)中的應(yīng)用已受到重視。 相控陣天線中的每個(gè)輻射元由單個(gè)的固態(tài)收發(fā)模塊組成。相控陣天線利用電掃描方式, 使每個(gè)固態(tài)模塊輻射的能量在空間

30、合成為所需要的高功率輸出, 從而避免了采用微波網(wǎng)絡(luò)合成功率所引起的損耗。 第 2 章 雷 達(dá) 發(fā) 射 機(jī) 圖 2.14 典型的L波段相控陣發(fā)射/接收模塊 1 2 3 4 5 6 7移相器T/R開關(guān)低噪聲放大器限幅器T/R開關(guān)環(huán)行器至天線T/R邏輯功率放大器預(yù)放大器移相器移相邏輯射頻信號(hào)12(T/R) 2(T/R) 1控制信號(hào)假負(fù)載第 2 章 雷 達(dá) 發(fā) 射 機(jī) 在發(fā)射狀態(tài), 邏輯控制電路發(fā)出指令, 使移相器收發(fā)開關(guān)處于發(fā)射方式(即保證移相器與預(yù)放大器接通)。射頻信號(hào)經(jīng)過(guò)移相器加到由硅雙極晶體管組成的預(yù)放大器和功率放大器上, 再經(jīng)過(guò)環(huán)行器后直接激勵(lì)相控陣天線中的某個(gè)陣元。在接收狀態(tài), 邏輯控制電

31、路使移相器收發(fā)開關(guān)處于接收方式(即保證低噪聲放大器與移相器接通), 由天線陣元接收到的射頻回波信號(hào)經(jīng)環(huán)行器和限幅器收發(fā)開關(guān)后加至低噪聲放大器, 然后再經(jīng)過(guò)移相器送至射頻綜合網(wǎng)絡(luò)。 射頻綜合網(wǎng)絡(luò)合成從各個(gè)陣元的發(fā)射/接收組件返回的射頻回波信號(hào), 最后送至由計(jì)算機(jī)控制的相控陣?yán)走_(dá)信號(hào)處理機(jī)。 第 2 章 雷 達(dá) 發(fā) 射 機(jī) 2. 在全固態(tài)化高可靠性雷達(dá)中的應(yīng)用在全固態(tài)化高可靠性雷達(dá)中的應(yīng)用 圖 2.15 L波段高可靠性全固態(tài)化發(fā)射機(jī) 150 W轉(zhuǎn)換開關(guān)轉(zhuǎn)換開關(guān) 65 66(1)組合器1:8(8)組合器 1 2 64150 W1:8(8)組合器8:1150 W150 W(1)組合器8:1至控制器面板

32、至監(jiān)控器8 kW射頻輸出射頻輸入增益(損耗)電平0.7 dB33.532.819.2 dB52.019.2 dB32.819 dB69.80.93 dB68.5(dBmW)第 2 章 雷 達(dá) 發(fā) 射 機(jī) 2. 在全固態(tài)化高可靠性雷達(dá)中的應(yīng)用在全固態(tài)化高可靠性雷達(dá)中的應(yīng)用 圖2.15示出了一個(gè)L波段高可靠全固態(tài)化發(fā)射機(jī)的應(yīng)用實(shí)例。 這個(gè)固態(tài)發(fā)射機(jī)的輸出峰值功率為8 kW、平均功率為125 kW。 它的主要特點(diǎn)是: (1) 功率放大級(jí)采 用64個(gè)固態(tài)放大集成組件組成, 每個(gè)集成組件峰值功率為150 W、增益為20 dB、帶寬為200 MHz、效率為33 %; (2) 采用高性能的1 8功率分配器和

33、8 1的功率合成器, 保證級(jí)間有良好的匹配和高的功率傳輸效率; (3) 采用兩套前置預(yù)放大器(組件65和66), 如果一路預(yù)放大器失效, 轉(zhuǎn)換開關(guān)將自動(dòng)接通另一路。 上述三點(diǎn)使這個(gè)固態(tài)發(fā)射機(jī)具有高可靠性, 而且體積小、重量輕、 機(jī)動(dòng)性好。 第 2 章 雷 達(dá) 發(fā) 射 機(jī) 3. 在連續(xù)波體制對(duì)空監(jiān)視雷達(dá)系統(tǒng)中的應(yīng)用在連續(xù)波體制對(duì)空監(jiān)視雷達(dá)系統(tǒng)中的應(yīng)用 圖 2.16 用于連續(xù)波對(duì)空監(jiān)視雷達(dá)系統(tǒng)的固態(tài)發(fā)射機(jī) 320 W144144個(gè)發(fā)射模塊320 W144144個(gè)發(fā)射模塊末前級(jí)激勵(lì)2320 W 功率18 路輸出1.8 kW1.8 kW6 個(gè)模塊6 個(gè)模塊激勵(lì)級(jí)320 W功率2592320 W第 2

34、章 雷 達(dá) 發(fā) 射 機(jī) 圖2.16示出一種用于連續(xù)波體制對(duì)空監(jiān)視雷達(dá)系統(tǒng)的固態(tài)發(fā)射機(jī)的組成框圖。這個(gè)連續(xù)波對(duì)空監(jiān)視雷達(dá)提供高空衛(wèi)星及其它空中目標(biāo)的檢測(cè)和跟蹤數(shù)據(jù),工作頻率為217 MHz。為了提高雷達(dá)系統(tǒng)的性能, 用固態(tài)發(fā)射機(jī)直接代替了原來(lái)體積龐大, 效率較低的電子管發(fā)射機(jī)。整個(gè)天線陣面由2592個(gè)相控陣偶極子輻射器組成。每個(gè)輻射器直接由一個(gè)平均功率為320 W的固態(tài)發(fā)射模塊驅(qū)動(dòng)。由于固態(tài)發(fā)射模塊與偶極子輻射器采用了一體化結(jié)構(gòu), 與電子管發(fā)射機(jī)相比, 功率傳輸效率提高了1 dB。2592個(gè)固態(tài)發(fā)射模塊輸出的總平均功率為830 kW, 當(dāng)考慮天線陣面的增益時(shí), 在空中合成的有效輻射功率高達(dá)98

35、dBW 。 第 2 章 雷 達(dá) 發(fā) 射 機(jī) 與原來(lái)的電子管發(fā)射機(jī)相比, 這個(gè)固態(tài)發(fā)射機(jī)具有如下優(yōu)點(diǎn): (1) 高效率、低損耗。由于2592個(gè)固態(tài)發(fā)射模塊與對(duì)應(yīng)的偶極子輻射器在結(jié)構(gòu)上是一體化的, 沒(méi)有電子管發(fā)射機(jī)必不可少的微波功率輸出分配網(wǎng)絡(luò)帶來(lái)的損耗, 整個(gè)發(fā)射機(jī)的效率為52.6 %, 比原來(lái)電子管發(fā)射機(jī)的效率(26.4 %)提高了 1 倍。 (2) 高可靠性。 固態(tài)發(fā)射模塊本身的平均無(wú)故障間隔時(shí)間已超過(guò)100 000 h, 整個(gè)發(fā)射系統(tǒng)的可靠性為0.9998。 (3) 體積小、重量輕、維護(hù)方便。原來(lái)的發(fā)射機(jī)由18個(gè)輸出功率為50 kW的高功率電子管末級(jí)放大器組成, 需要的附加安全防護(hù)設(shè)備很多

36、, 體積龐大, 維修困難。固態(tài)發(fā)射機(jī)使用2592個(gè)平均功率為320 W的固態(tài)模塊, 直流供電電壓為28 V, 使用和維護(hù)很方便。 第 2 章 雷 達(dá) 發(fā) 射 機(jī) 表表 2.7 典型的固態(tài)發(fā)射模塊的性能參數(shù)典型的固態(tài)發(fā)射模塊的性能參數(shù) 第 2 章 雷 達(dá) 發(fā) 射 機(jī) 表表2.8 連續(xù)波對(duì)空監(jiān)視雷達(dá)固態(tài)發(fā)射機(jī)和電子管發(fā)射機(jī)性連續(xù)波對(duì)空監(jiān)視雷達(dá)固態(tài)發(fā)射機(jī)和電子管發(fā)射機(jī)性 第 2 章 雷 達(dá) 發(fā) 射 機(jī) 2.5 脈脈 沖沖 調(diào)調(diào) 制制 器器 圖 2.17 脈沖調(diào)制器的組成方框 充電元件儲(chǔ)能元件(電容器或人工線)耦合元件(脈沖變壓器)調(diào)制開關(guān)(剛性的或軟性的)電源部分射 頻發(fā)生器第 2 章 雷 達(dá) 發(fā)

37、射 機(jī) 2.5.1 剛性開關(guān)脈沖調(diào)制器剛性開關(guān)脈沖調(diào)制器 根據(jù)負(fù)載的不同, 剛性開關(guān)脈沖調(diào)制器又可分為陰極脈沖調(diào)制器、 調(diào)制陽(yáng)極脈沖調(diào)制器和柵極脈沖調(diào)制器。陰極脈沖調(diào)制器是直接或通過(guò)耦合元件(脈沖變壓器)去控制射頻發(fā)生器的全部電子注功率的。調(diào)制陽(yáng)極脈沖調(diào)制器雖然一般也要提供全部電子注電壓, 但由于調(diào)制陽(yáng)極截獲的電流很小, 因而它主要在脈沖的起始和結(jié)束時(shí)給分布電容充電和放電提供較大的電流。柵極脈沖調(diào)制器和調(diào)制陽(yáng)極脈沖調(diào)制器相似, 不過(guò)超高頻管的柵極總是做成具有高放大系數(shù)的控制極, 所以要求的調(diào)制電壓要小得多, 可以采用低壓元件和技術(shù)。 第 2 章 雷 達(dá) 發(fā) 射 機(jī) 1. 陰極脈沖調(diào)制器陰極脈沖

38、調(diào)制器 剛性開關(guān)陰極脈沖調(diào)制器的典型線路如圖2.18所示。圖中V1是剛性開關(guān)管, C是儲(chǔ)能電容, V2是作為調(diào)制器負(fù)載的磁控管, 電阻R1是充電元件, 電感L和二極管V3構(gòu)成儲(chǔ)能元件的充電通路并用來(lái)改善調(diào)制脈沖的下降邊。把圖2.18的線路與一般的視頻脈沖放大器相比可以看出, 剛性開關(guān)陰極脈沖調(diào)制器本質(zhì)上就是一個(gè)視頻脈沖放大器, 只不過(guò)在設(shè)計(jì)上要充分注意到它在大功率下運(yùn)用, 并要保證射頻發(fā)生器所要求的良好波形罷了。 第 2 章 雷 達(dá) 發(fā) 射 機(jī) 圖 2.18 剛性開關(guān)陰極調(diào)制器的典型線路 ER1CV1LV3C0V2Eg第 2 章 雷 達(dá) 發(fā) 射 機(jī) 圖 2.19 用脈沖變壓器耦合的陰極脈沖調(diào)制

39、器 高壓電源R1L1CV第 2 章 雷 達(dá) 發(fā) 射 機(jī) 為了適應(yīng)多種脈沖寬度和高工作比的工作, 往往采用把高壓電源、調(diào)制管和負(fù)載三者串聯(lián)起來(lái)的方式, 如圖2.20所示, 我們把它叫做串聯(lián)式陰極脈沖調(diào)制器, 以與圖2.18所示的高壓電源、調(diào)制管和負(fù)載三者并聯(lián)的并聯(lián)式陰極脈沖調(diào)制器相區(qū)別。串聯(lián)式調(diào)制器與并聯(lián)式相比有以下優(yōu)點(diǎn): 第一, 串聯(lián)式調(diào)制器省去了重復(fù)充電電路, 所以可適用于高重復(fù)頻率工作, 特別適用于脈沖串工作, 那里可能要求串內(nèi)的各脈沖間的間隔很小; 第二, 串聯(lián)式調(diào)制器的儲(chǔ)能電容就是高壓電源的濾波電容器組, 只要這個(gè)電容足夠大, 就可以適應(yīng)各種不同的脈沖寬度工作; 第三, 一般說(shuō)來(lái), 串

40、聯(lián)式調(diào)制器的體積要比并聯(lián)式的小些, 因?yàn)椴⒙?lián)式調(diào)制器除了需要儲(chǔ)能電容外, 高壓電源輸出端還需要有一個(gè)電容, 以盡量減小脈沖負(fù)載對(duì)電源的影響。此外,并聯(lián)式調(diào)制器還需要充電元件和旁通元件等。但是, 串聯(lián)式調(diào)制器有一個(gè)最大的缺點(diǎn), 就是調(diào)制管的柵極電源、簾柵電源、燈絲電源及柵極激勵(lì)電路等都是處在對(duì)地有高壓變動(dòng)的電位上, 這樣就使得結(jié)構(gòu)大大復(fù)雜。因此, 一般常規(guī)雷達(dá)還是較多地采用并聯(lián)式陰極脈沖調(diào)制器。 第 2 章 雷 達(dá) 發(fā) 射 機(jī) 圖 2.20 串聯(lián)式陰極脈沖調(diào)制器 高壓電源C第 2 章 雷 達(dá) 發(fā) 射 機(jī) 2. 調(diào)制陽(yáng)極脈沖調(diào)制器調(diào)制陽(yáng)極脈沖調(diào)制器 為了減小調(diào)制器的尺寸和調(diào)制功率, 對(duì)于具有調(diào)制陽(yáng)

41、極或柵極的O型管, 可以采用調(diào)制陽(yáng)極調(diào)制或柵極調(diào)制。這樣做還可以避免電子注電壓(陰極電壓)在上升與下降過(guò)程中產(chǎn)生寄生的模振蕩。由于O型管的調(diào)制陽(yáng)極與柵極所截獲的電流只有電子注電流的很小一部分(約為0.1 %到1 %), 因而它對(duì)調(diào)制器呈現(xiàn)的是一個(gè)高歐姆電阻, 同時(shí)并聯(lián)著它自身的分布電容、 雜散電容以及調(diào)制器的輸出電容, 也就是說(shuō)， 它呈現(xiàn)的基本上是一個(gè)電容性負(fù)載。由于這個(gè)原因, 要采用類似上述陰極調(diào)制器的線路是不成功的, 通常采用的是一種稱之為浮動(dòng)板調(diào)制器的線路, 如圖2.21所示。 第 2 章 雷 達(dá) 發(fā) 射 機(jī) 圖 2.21 浮動(dòng)板調(diào)制器 偏 壓 與激勵(lì)電路偏 壓偏 壓 與激勵(lì)電路V2RV

42、1E前沿觸發(fā)00后沿觸發(fā)0后沿觸發(fā)浮動(dòng)板C0第 2 章 雷 達(dá) 發(fā) 射 機(jī) 線路的工作原理是: 在脈沖間歇期, 接通管和截尾管都不導(dǎo)電, 通過(guò)泄放電阻R使O型管調(diào)制陽(yáng)板和陰極維持在負(fù)偏壓上, 因此O型管的電子注電流被截止。當(dāng)接通管V1受到激勵(lì)而進(jìn)入導(dǎo)通狀態(tài)時(shí), 調(diào)制陽(yáng)極的分布電容C0被充電, 浮動(dòng)板隨之被短接到近于地電位, 形成輸出脈沖前沿, 此時(shí)調(diào)制陽(yáng)極與陰極之間的電位差接近于電子注電壓E, O型管開始工作, 在脈沖寬度期間, 接通管保持在導(dǎo)通狀態(tài), 使調(diào)制陽(yáng)極也繼續(xù)維持在近于地電位, 形成調(diào)制脈沖平頂。當(dāng)截尾管受到激勵(lì)而開啟時(shí)(接通管的激勵(lì)電路同時(shí)使接通管斷開), 分布電容C0通過(guò)偏壓電源和截尾管迅速放電, 調(diào)制陽(yáng)極重新回到相對(duì)于陰極為負(fù)偏壓的電位差, 形成調(diào)制脈沖的后沿2,