第4讲-雷达技术与系统-雷达发射机

第4讲雷达发射机（一）延迟符延迟符第2章雷达的基本组成2.1雷达发射机2.2雷达接收机2.3雷达天线2.4雷达显示器2.1雷达发射机延迟符2.1.1雷达发射机的基本功能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,它为雷达系统提供符合要求的射频线信号,将低频交流能量转换成射频能力，经馈线系统传输到天线，并辐射到空间的设备。2.1.1雷达发射机的基本功能发射机分类：连续波发射机和脉冲发射机，最常用的为脉冲发射机。发射机发射电磁波的特点：1）载波受到调制。2）具备一定的功率。雷达发射技术是对雷达频率源产生小功率射频信号进行放大或直接自激振荡产生大功率雷达发射信号的一种综合技术，主要包括功率放大技术、电源和调制技术、控制保护和冷却技术。高性能雷达对发射机的要求：1.在恶劣环境下发现目标并准确地测量所发现目标的各项参数。采用的技术：动目标显示（MTI）或脉冲多普勒（PD）滤波技术。MTI技术采用“延时相消”的时域处理方法。PD技术采用频域内的相参处理。为降低杂波，对发射信号的基本要求:一是发射信号必须是相参的，二是发射信号脉冲间是高稳定的。2.1.1雷达发射机的基本功能高性能雷达对发射机的要求：2.能输出复杂的发射信号。雷达诸多性能与信号形式有关，主要表现在以下4个方面：1）在一定虚警概率下，雷达探测能力与信号能量成正比。2）雷达测距精度和测速精度也随发射信号能量的增加而提高，同时测距精度还随信号频带宽度的加大而提高，测速精度随信号脉冲宽度增加而提高。3）雷达的距离分辨力和速度分辨力分别与信号的有效带宽和脉冲带宽成正比。4）雷达对某些杂波和人工干扰的对抗能力也和发射信号的形式有关。2.1.1雷达发射机的基本功能2.1.2雷达发射机的主要质量指标1.雷达的工作频率或波段是按照雷达的用途确定的。为了提高雷达系统的工作性能和抗干扰能力,有时还要求它能在几个频率上跳变工作或同时工作。雷达频率的确定极其重要，一定要根据用途和实际需要，一旦确定，即成为整个系统的基础，不能轻易动摇。工作频率或波段的不同对发射机的设计影响很大,它首先牵涉到发射管种类的选择,例如目前在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。2.1.2雷达发射机的主要质量指标（1）雷达采用的最佳频率取决于想要完成的任务，频率的选择意味着对几项因素进行权衡。1）物理尺寸2）发射频率3）波束宽度雷达天线波束的宽度正比于波长和天线宽度之比。4）大气衰减通过空气时，无线电波由由于吸收和散射这两种机理而衰减。5）环境噪声外部噪声和宇宙北京噪声6）多普勒频移和目标雷达的径向速度、频率成正比。2.1.2雷达发射机的主要质量指标（2）雷达频率的选择受到几项因素的影响：雷达想要完成的任务、使用雷达的环境、雷达工作平台物理条件的限制，以及成本等。为了说明这一点，需要考虑几种典型的应用：1）陆基应用2）舰载应用3）机载应用2.1.2雷达发射机的主要质量指标多径传播示意图2.1.2雷达发射机的主要质量指标E-2C上的AN/APS-145雷达2.1.2雷达发射机的主要质量指标2.信号波形雷达有两大类型：连续波（CW）型和脉冲型。脉冲雷达分两大类：一类能测量多普勒频率，称为脉冲多普勒雷达；一类不能测量多普勒频率，直接称为脉冲雷达。除了多普勒导航仪、高度计和变时近爆引信以外，大多雷达都采用脉冲工作形式。主要原因是，脉冲工作方式可以避免发射机干扰接收的问题。脉冲雷达的无线电波波形（发射信号）称为发射波形。它有四个基本参数：载频、脉冲宽度、脉内调制方式、脉冲重复频率。2.1.2雷达发射机的主要质量指标（1）载频发射机产生波形的频率。（2）脉冲宽度（PW）脉冲宽度就是脉冲的持续时间。用τ表示。（3）脉内调制最小脉冲长度对距离分辨力的限制可以用调制的办法克服。（4）脉冲重复频率脉冲重复频率是雷达发射脉冲的速率，也就是每秒钟发射的脉冲数，用fr表示。从一个脉冲起始到下一个脉冲起始的时间间隔，称为脉冲重复周期或脉冲重复间隔，用Tr表示。（5）相参性信号相参是指发射信号与雷达频率源的信号存在固有相位关系。对于脉冲信号而言，所谓相参性意味着从一个脉冲到下一个脉冲的相位具有一致性或者连续性。rrfT12.1.2雷达发射机的主要质量指标三种典型雷达信号和调制波形Trtt(a)Tr(b)＋－＋＋＋＋－＋＋＋＋－＋＋＋0(c)tttt调幅调频调相3.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。脉冲雷达发射机的输出功率的两种描述形式：峰值功率Pt和平均功率Pav。Pt是指脉冲期间射频振荡的平均功率。Pav是指脉冲重复周期内输出功率的平均值。2.1.2雷达发射机的主要质量指标2.1.2雷达发射机的主要质量指标如果发射波形是简单的矩形脉冲列,脉冲宽度为τ,脉冲重复周期为Tr，则有rtrtavfPTPP定义雷达的工作比或占空比用D表示。式中，fr=1/Tr是脉冲重复频率。2.1.2雷达发射机的主要质量指标它表示雷达发射时间占总工作时间之比。常规的脉冲雷达工作比的典型值为D=0.001,但脉冲多普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。平均功率的重要性，首先在于它是决定雷达潜在探测距离的一个关键因素。在给定的时间内，雷达发射的总能量等于平均功率乘以时间长度。因此，为了得到最大探测距离，可以用三种方法之一增大平均功率：增大脉冲宽度、增大峰值功率、增大脉冲重复频率。2.1.2雷达发射机的主要质量指标4.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。2.1.2雷达发射机的主要质量指标5.信号的稳定度或频谱纯度功率与信号功率之比。2.1.3雷达发射机基本形式雷达发射机一般分为单级振荡式（自激励振荡式）发射机和主振放大式发射机（放大链发射机）两大类。1.单级振荡式发射机单级振荡式发射机又分为两种：一种是初期雷达使用的三极管、四机关振荡式发射机;另一种是磁控管振荡式发射机。2.1.3雷达发射机基本形式在定时脉冲信号的激励下，产生脉宽为τ的射频脉冲信号产生大功率射频信号单级振荡式发射机原理框图2.1.3雷达发射机基本形式2.主振放大式发射机主振放大式发射机由主控振荡器、功率放大器、脉冲调制器等构成，特点由多级组成。从各级功能来看，第一级用来产生射频信号，称为主控振荡器；第二级用来放大射频信号，称为射频放大链。至天线主振放大式发射机简化示意图2.1.3雷达发射机基本形式主振荡器，在脉冲调制下形成脉冲功放推动级；在脉冲有效期处于放大状态，脉冲结束后关断。末级功放；产生大功率的脉冲射频信号提供不同时间、不同宽度的控制脉冲信号主振放大式发射机原理框图2.1.3雷达发射机基本形式主（1）具有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。因为在单级振荡式发射机中,信号的载频直接由大功率振荡器决定。由于振荡管的预热漂移、温度漂移、负载变化引起的频率拖曳效应、电子频移、调谐游移以及校准误差等原因,单级振荡式发射机难于达到高的频率精度和稳定度。在主振放大式发射机中载频的精度和稳定度在低电平级较易采取稳频措施,所以能够得到很高的频率稳定度。2.1.3雷达发射机基本形式（2）发射相位相参信号在要求发射相位相参信号的雷达系统(例如脉冲多普勒雷达等)中,必须采用主振放大式发射机。所谓相位相参性，是指两个信号的相位之间存在着确定的关系。对于单级振荡式发射机,由于脉冲调制器直接控制振荡器的工作,每个射频脉冲的起始射频相位是由振荡器的噪声决定的,因而相继脉冲的射频相位是随机的,或者说,这种受脉冲调制的振荡器输出的射频信号相位是不相参的。所以,有时把单级振荡式发射机称为非相参发射机。2.1.3雷达发射机基本形式（2）发射相位相参信号在主振放大式发射机中,主控振荡器提供的是连续波信号,射频脉冲的形成是通过脉冲调制器控制射频功率放大器形成的。因此，相继射频脉冲之间就具有固定的相位关系。只要主控振荡器有良好的频率稳定度,射频放大器有足够的相位稳定度,发射信号就可以具有良好的相位相参性。为此,常把主振放大式发射机称为相参发射机。还需指出,如果雷达系统的发射信号、本振电压、相参振荡电压和定时器的触发脉冲均由同一基准信号提供,那么所有这些信号之间均保持相位相参性,通常把这种系统称为全相参系统。采用频率合成技术的主振放大式发射机分频器÷n调制器多级放大链基准频率振荡器倍频器×M上变频混频器谐波产生器N1F控制器N2FN3F…NkFNiF发射信号至天线f0＝(Ni＋M)F触发脉冲fr＝F/nFFMFF相参振荡电压fC＝MF稳定本振电压fL＝NiF2.1.3雷达发射机基本形式图中是采用频率合成技术的主振放大式发射机的原理方框图,图中基准频率振荡器输出的基准信号频率为F。在这里,发射信号(频率f0=NiF+MF)、稳定本振电压(频率fL=NiF)、相参振荡电压(频率fc=MF)和定时器的触发脉冲(重复频率fr=F/n)均由基准信号F经过倍频、分频及频率合成而产生,它们之间有确定的相位相参性,所以这是一个全相参系统。2.1.3雷达发射机基本形式2.1.3雷达发射机基本形式（3）适用于频率捷变雷达频率捷变雷达具有良好的抗干扰能力。这种雷达每个射频脉冲的载频可以在一定的频带内快速跳变，为了保证接收机能正确接收回波信号，要求接收机本振电压的频率fL能与发射信号的载频f0同步跳变。2.1.3雷达发射机基本形式（4）能产生复杂波形主振放大式发射机适用于要求复杂波形的雷达系统。单级振荡式发射机要实现复杂调制比较困难，甚至不可能。对于主振放大式发射机，各种复杂调制可在低电平的波形发生器中形成，而后接的大功率放大器只要有足够的增益和带宽即可。2.1.3雷达发射机基本形式（4）能产生复杂波形能产生复杂波形的主振放大式发射机波形产生器主振放大式发射机收发开关控制与定时器稳频振荡器信号处理器接收机复杂波形发射机输出天线2.1.4固态雷达发射机雷达发射机采用的器件主要有两类：电真空器件和半导体器件。“固态”是相对于常规的电真空器件（电子管）而言，指半导体材料（晶体管），例如“硅”、砷化镓场效应管等。“固态发射机”是由几十个甚至几千个固态发射机模块组成的雷达发射机，“固态发射模块”指多个微波功率器件和微波单片集成电路集成到一起构成一个基本的功能模块。2.1.4固态雷达发射机1.固态发射机特点与微波电子管发射机相比,固态发射机具有如下优点:(1)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。2.1.4固态雷达发射机2.固态发射机输出功率组合方式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，可以制成固态高功率放大器模块。固态发射机包括两种典型的输出功率组合方式：一种是集中相加式高功率固态发射机；另一种是分布式（空间合成）发射机。(a)11:n12n1n1:11:n2132n2…输入P＝n2A…A2.1.4固态雷达发射机空间合成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插入损耗,因此输出功率的效率很高。11:n12n1n1:11:n2132n2…输入…n2:1P＝n2A—损耗(b)A集中合成方式2.1.4固态雷达发射机集中合成的输出结构可以单独作为中、小功率雷达发射机辐射源，也可以用于相控阵雷达。由于有微波功率合成网络的插入损耗，它的效率比空间合成输出结构要低些。本节课作业：1、某雷达发射机峰值功率为800KW，脉冲宽度为3μs，脉冲重