《新雷达原理2雷达发射机课件》由会员分享，可在线阅读，更多相关《新雷达原理2雷达发射机课件（76页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、雷达原理,四川大学电子信息学院 杨晓庆,第二章学习提示,掌握雷达发射机的基本类型 掌握雷达发射机的设计参考指标 掌握各种雷达射频管和放大链的特点 掌握脉冲调制器的基本原理,雷达发射机简介,雷达发射机伴随着二次世界大战初出现的第一批搜索雷达的应用而诞生。(真空三极管发射机，工作频率限于VHF和UHF) 在随后的年代相继出现了速调管（美国人Varian兄弟发明），磁控管（英国人Radall和Boot发明），行波管(Rudolph Kompfiner博士发明）等微波电子管，并付之实用。促使雷达发射机在微波频段获得大发展。,第二章 雷达发射机,2.1 雷达发射机的任务和基本组成 发射机的任务？ 在控制
2、下产生周期性大功率微波脉冲振荡，作为雷达发射信号。 发射机的特点： 体积大 重量重 成本高 消耗功率大 为何发射机功率如此之大？ 雷达距离4次方与功率、天线孔径面积成正比。 是否可以通过增加天线孔径面积来提高作用距离？ 天线与发射功率综合考虑。,为何采用脉冲方式？ 成本增加？ 如象广播电台那样，只用连续波方式可以大大降低发射机成本？ 连续波雷达需要两个天线，会带来探测距离的3dB的损失。,调制方式： 振幅调制 CW pulse width，repeat frequency 频率调制 fixed freq 频率分集 freq coded LFM 频率捷变 相位调制 随机相位 相位相参 相位编码,
3、基本组成,(1) 主振放大式,fs,fs,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,fs,(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,2.2、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。,工作波段(发射管的选择？) 频率与什么有关系？,或 fs 直接影响,作用距离,抗干扰(雨雪、海浪) 性能,分辨率,微波三、四极管,UHF，VHF,UHF，L、S、C、X,磁控管、行波管、速调管、正交场放大管,X波段以下目前可以用晶体管器件实现,雷达发射机的瞬时带宽 只针对主振放大发射机 在不进行任何调整时工作频率的可变化范围，
4、其输出功率值的变化小于1dB 瞬时带宽大于所放大信号带宽 瞬时带宽的大小决定了放大管的类型 目标识别，成像,2. 发射脉冲功率Pt：内射频振荡的功率（KW）,Pt ,rmax,电路、结构复杂，可靠性，造价,3. 脉冲宽度：射频振荡持续的时间。（s）, ,距离分辨率,盲区,Ptrmax,近量程 窄 高分辨率 0.05 0.1s,远量程 宽 作用距离远 0.5 1.2s,中量程 中 兼顾上述两者 0.2 o.4 s,4. 脉冲重复频率F：每秒钟发射的次数（Hz）,F回波脉冲积累数个rmax F与测距关系,F=4004000Hz,5总效率： 发射机的输出功率与输入总功率之比 6信号的稳定度或者频谱纯
5、度： 信号的各项参数，例如信号的振幅、频率（或相位）、脉冲宽度及重复频率是否随时间变化。,影响频谱纯度的两个因素？ 相位噪声 相位噪声是指单位Hz的噪声密度与信号总功率之比,表现为载波相位的随机漂移,是评价频率源(振荡器)频谱纯度的重要指标 寄生干扰,真空电子管雷达发射机设计方法,方案考虑 （1）确定发射机类型 主振放大 信噪比40dB以上 单极振荡 信噪比30dB以下 大功率锁相技术,（2）确定发射机组成形式 1射频系统 峰值功率在1MW以内的行波管或速调管放大链 一级固体功率放大器驱动一级真空管放大器 5MW 一级固体功率放大器驱动二级真空管放大器,2.3单级振荡和主振放大式发射机,频率捷
6、变的主振放大发射机,速调管,行波管,正交场放大器,各种射频管的比较,速调管： 增益高，带宽窄，造价较高，重量大 行波管： 增益较高，带宽较宽，造价高，重量大 正交场放大管： 增益低，带宽较宽，造价低，重量轻。,射频放大链： 行波管行波管 这种放大链具有较宽的频带, 可用较少的级数提供较高的增益, 因而结构较为简单。 但是它的输出功率往往不大, 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。 行波管速调管 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
7、大链多用于地面雷达。 行波前向波管 这种放大链频带较宽, 增益较低。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。 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。,2.4固态发射机,固体器件具有优势，但替代真空器件过程
8、缓慢 具有优势： （1）不用阴极加热，寿命长。 不存在预热延时和灯丝功率浪费，使用寿命几乎无限。 （2）工作电压低，可靠性高。 固态电路工作电压是伏特级 （3）平均无故障时间长。 固态电路MTBF大于10万小时 （4）不需要脉冲调制器，效率高。 固态雷达发射机通常工作于C类，它的射频的开和关是自触发的。 （5）模块故障时，系统具有故障弱化功能。 出现模块故障，功率下降20lgr，r为工作放大器与总数之比。 （6）可以获得很宽的带宽。 真空电子管带宽为1020。固态发射模块为50以上。,表 2.4 应用于雷达系统中的各种固态发射机的特性,固态微波功率的产生 微波晶体管： 在较低频率成为微波真空管
9、的代替品，主要在UHFL波段。功率输出为50500W 在L波段由单个晶体管得到的连续波功率可以达到几十瓦。 微波晶体管的输出功率受到制约的因素： 集电极和基极结电压的击穿值 器件的热损耗 器件的输入输出端的阻抗限制 微波场效应管 砷化钾场效应管，硅功率场效应管 120GHz可以适用。 砷化钾场效应管与硅功率场效应管最大区别？ 能工作在L波段以上，但是这种器件的峰值功率和平均功率都很低，而且随着频率升高而变坏。 雪崩二极管和耿氏二极管 300GHz以上必须使用 电子碰撞半导体器件： 兼有半导体和真空技术的器件。带宽大，增益高，高效率和长寿命。,表一为国外典型雷达发射机一览表,发射机工作频率是由雷
10、达所执行任务来确定的，选择频率要考虑大气层和各种气候对电波的影响（吸收、发射、衰减等因素），测量精度和分辨要求以及允许发射机体积、重量等。 一般地面对空搜索，远程警戒雷达选用工作频率较低，精密跟踪测量雷达选用频率较高，一般在C波段（5.4GHZ-5.9GHZ）。 大多数机载雷达受体积、重量、尺寸的严格限制，工作频率大都选在X波段。 工作频率不同，发射机类型也不同，早期远警戒雷达发射机用真空三、四极管，工作频率在VHF、UHF，后来多腔磁控管，大功率速调管，以及行波管，正交场放大管等工作频率L波段，S波段等。,在S波段以下发射机大多数选用全固态发射机，并广泛地取代原有真空管发射机。 在C波段和X
11、波段，大功率发射机仍以真空管为主，但砷化镓场效应晶体管放大器与先进有源相控阵技术相结合，在此两频段上也可实现全固态发射机。 此项指标决定了发射机选用放大管的准则，对窄带发射机可选用三四级管、速调管、微波晶体管等器件。对宽带发射机可选用行波管，前向波管，多注速调管，多注速调管及固态放大器件等。,固态雷达发射机功率合成 集中相加式高功率固态发射机 典型代表为XX2，工作在P波段，输出功率峰值大于40KW，平均大于6KW。 分布式空间合成有源相控阵雷达。 XX3，工作频率S波段，瞬时带宽大于300MHZ，T/R组件功放567个，功放组件输出功率峰值大于110瓦，工作比10%，空间合成功率峰值为60K
12、W左右。,固态器件不能替代真空电子微波器件主要原因？ 功率合成： 方式：1空间合成 无损耗 主要用于相控阵雷达 2微波网络合成 有插入损耗,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)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。,用于相控阵雷达的单片集成收发模块组成框图,频
13、率高用铁氧体器件 频率低用pin二极管,典型的L波段相控阵发射/接收模块,1. 在相控阵雷达中的应用,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,3. 在连续波体制对空监视雷达系统中的应用,用于连续波对空监视雷达系统的固态发射机,25 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。,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,K“2”放电、放能,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，短时间
14、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。,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、扼流圈；,刚性开关 软性开关 固态开关,调制开关：电子管、 闸流管、 磁开关、可控硅,真空电子管等开关元件属于刚性开关，通断利索,闸流管磁开关、可控硅 ，只能控制导通，不能控制它的断开，属于软性开关。,刚性脉冲调制器（阴极调制）,工作过程,+E经R1、L对C充电至 UCmax+E,图 2.19 用脉冲变压器耦合的阴极脉冲调制器,调制管的耐压必须略
15、大于负载工作电压，而通常负载电压都很高（几十千伏），可在调制器和负载之间加上脉冲变压器进行耦合,图 串联式阴极脉冲调制器,1 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.只要电容C足够大, 就可以适应各种不同的脉冲宽度工作,2一般说来, 串联式调制器的体积要比并联式的小些.,3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。,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
16、。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。,图 浮动板调制器,V1是接通管，V2是截尾管,无脉冲时，V1和V2都截至，O型管调制阳极和阴极负偏压，电子注电流截止 有前沿脉冲时，V1导通，调制阳极与阴极正偏，电子注不截止 后沿脉冲时，V2导通，V1截止，调制阳极与阴极再次反偏，电子注截止,软性开关调制器,闸流管 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。,主要缺点： 脉冲波形一般不如刚性开关调制器好 对负载阻抗的适应性差 对波形的适应性也差 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
