2雷达发射机2

1气象雷达原理与系统—发射机部分教材42页参考文献：《雷达发射设备》王振耀著2提纲提纲•发射机简介•发射机系统•发射机主要参数•组件介绍—速调管、脉冲调制器、电源•固态发射机简介•发射机测试3一一发射机分类发射机分类……•按工作方式分单级振荡式发射机主振放大式发射机发射机的主要技术参数1：工作频率或波段——由雷达用途决定•工作频率或波段的不同，对发射机的设计影响很大，特别是发射管。大功率发射管：•1000MHz以下，主要采用微波三、四极管；•1000MHz以上，多用多腔磁控管、大功率速调管、行波管、前向波管等。例如:2、脉冲重复频率01002003004005006007008009001000-4-3-2-1012345a雷达脉冲射频信号波形是一种理想的波形，脉冲包络为理想的矩形。3、脉冲波形及脉冲宽度实际发射脉冲波形及脉冲宽度•发射机产生的射频脉冲信号的包络并不是理想的矩形，而是如图(a)所示的近似矩形，那么实际信号波形如（b）（a）（b）•脉冲宽度：调制脉冲的持续时间称为脉冲宽度，记为τ或σ。•发射宽脉冲时，信号包含能量较多，回波能量强。对于增大雷达的探测距离是有利的。输出功率:直接影响雷达的威力与抗干扰能力,是指雷达发射机送致电天线输入端的功率.峰值功率Pt：脉冲期间射频振荡的平均功率。平均功率Pav：脉冲重复周期内输出功率的平均值。DPTPPttav==τ4：输出功率•单级振荡式发射机的输出功率取决于振荡管的功率容量•主振放大式发射机则取决于输出级发射管的功率容量。•通常由于考虑到器件的耐压、大功率击穿等问题，在发射机中，常是提高平均功率，而不过分增大发射机的峰值功率。发射机输出功率与其输入总功率之比。发射机的效率越高，对提高其整体性能有重大意义。•发射机的效率由电源效率（一般0.9）、振荡管的效率（一般0.3—0.6）、调制器的效率（一般0.7—0.8）共同来决定，总体在0.2-0.5之间。5：发射机总效率波形调制类型工作比D(%)简单脉冲矩形振幅调制0.01~1脉冲压缩线性调频0.1~10脉内相位编码高工作比多普勒矩形调幅30~50调频连续波线性调频100正弦调频相位编码连续波100CUITCUIT6：发射机信号形式01002003004005006007008009001000-4-3-2-1012345CUITCUIT典型脉冲天气雷达信号波形01002003004005006007008009001000-4-3-2-1012345CUITCUIT脉冲雷达线性调频信号波形050100150200250300350400450500-4-3-2-1012345CUITCUIT脉冲雷达相位调制信号波形CUITCUITz信号的稳定度是指信号的各项参数是否随时间作不应有的变化。z这些参数包括：信号的振幅、频率、相位、脉冲宽度、脉冲重复频率等。z表达方式：7:信号的稳定度或频谱纯度ff/Δ02040608010012000.511.50204060801001200246810理想的单脉冲信号频谱理想的单脉冲信号频谱理想的周期脉冲信号频谱1/Tr理想的脉冲雷达信号频谱理想的脉冲雷达信号频谱21四四组成组成两种基本形式：1.单级振荡式发射机只由一级大功率振荡器产生发射信号2.主振放大式发射机先由高稳固体微波源产生，再经级联的放大电路，形成满足功率要求的发射信号22z单级振荡式发射机的性能特点：1.简单；经济；轻便2.质量技术指标低3.产生简单发射波形z主振放大式发射机的性能特点：1.复杂；昂贵；笨重2.质量技术指标高3.产生各种复杂发射波形两种方式的比较两种方式的比较二者共性：都需要脉冲调制器为其提供大功率的脉冲波23图单级振荡式发射机脉冲调制器大功率射频振荡器电源定时信号至天线TrTrTr收发开关接收机控制、测试及保护电路单级振荡式单级振荡式24图2.2主振放大式发射机主振放大式主振放大式25某X波段雷达发射机某某SS波段雷达发射机波段雷达发射机26高频激励器高频脉冲形成器可变衰减器速调管放大器电弧/反射保护组件钛泵电源灯丝变压器聚焦线圈磁埸电源灯丝中间变压器灯丝电源调制组件充电开关组件整流组件后充电校平器触发器电容组件低压电源聚焦线圈风机电磁滤波器监控电路机柜风机高压脉冲变压器速调管风机充电变压器发射机框图高频输入高频输出交流电输入1414所所XX波段全相参多普勒天气雷达波段全相参多普勒天气雷达CC主要分系统简介6.2发射机固态激励衰减器调制器速调管发射监控BITE自监控系统高压电源自频率源磁场电源触发器灯丝电源耦合器发射功率测量KLY输入功率测量谐波滤波器、环行器等去发射通道定时触发脉冲变压器38/55简化射频放大部件信号流图发射机结构发射机背面转接板布局示意图发射机风冷控保布局示意图发射机冷却风路示意图发射机中机柜及右机柜主要可更换单元速调管及聚焦线圈装拆示意图之一速调管与聚焦线回装拆示意图之二速调管与聚焦线圈装拆示意图之三38主要组成部分简介主要组成部分简介•1.发射管•雷达发射机中射频振荡器用的振荡管和射频放大器用的放大管，通常称为发射管，发射机的高频功率由它产生。因此发射管是发射机的心脏，有了发射管才有发射机。391.1.大功率管大功率管•针对气象雷达常用的两种功率管介绍•磁控管•速调管磁控管•磁控管是一种用来产生微波能的电真空器件。实质上是一个置于恒定磁场中的二极管。管内电子在相互垂直的恒定磁场和恒定电场的控制下，与高频电磁场发生相互作用，把从恒定电场中获得能量转变成微波能量，从而达到产生微波能的目的。41大功率射频振荡器大功率射频振荡器——磁控管磁控管工作原理BasicMagnetronOperationAswhenallvelocity-modulatedtubestheelectroniceventsattheproductionmicrowavefrequenciesataMagnetroncanbesubdividedintofourphasestoo:•phase1:Productionandaccelerationofanelectronbeam•phase2:Velocity-modulationoftheelectronbeam•phase3:Formingofa„Space-ChargeWheel”•phase4:Dispenseenergytotheacfield从阴极发射出的电子在正交电磁场作用下作轮摆线运动。磁控管振荡频率的计算磁控管振荡频率的计算⎪⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎪⎨⎧−−==−=−−−)(481型振荡型号腔数极间电容腔等效电容腔等效电感πωnnNKACoCpLpLpCpp()NnoCosCpCpsfππω21212−+=有振荡频率固47射频放大管射频放大管•直到20世纪70年代中期，雷达发射机只采用这种或那种真空管产生微波功率。•如前所述，早期的发射机都使用磁控管，而放大链系统的发展则不得不等待合适的大功率脉冲放大管的开发。尽管开发了各种管子，但成功的种类是速调管、行波管和正交场管，三极管和四极管在低于600MHz的雷达中也得到应用。481.1.大功率射频放大器大功率射频放大器——速调管速调管XX波段全相参多普勒天气雷达波段全相参多普勒天气雷达速调管及高压脉冲变压器前级分机50速调管模型及内部原理图速调管模型及内部原理图5152阿普尔盖特图阿普尔盖特图KLY温度异常•电源相序不对，110°温度继电器坏•原因：•在雷达速调管收集极装有一个温度继电器，该继电器正常时为常闭状态，当雷达速调管收集极的温度超过110℃时，该继电器断开，雷达发射机报KLY温度异常故障，发射机高压自动去掉。雷达速调管到使用寿命•原因：•CC雷达速调管为大功率真空器件，正常使用寿命为≥5000小时（加高压时间），当速调管使用时间超过5000小时后，应当密切关注雷达于速调管相关的各项参数，如总流，管体，峰值功率，调制脉冲大小。552.2.脉冲调制器脉冲调制器•调制器是雷达发射机的重要组成部分，发射机的一些重要指标，如功率，波形，频谱，稳定度等直接取决于调制器的性能。脉冲调制器是一个功率转换器，为射频振荡管或放大管提供合乎要求的视频调制脉冲。•脉冲调制器的任务就是要给发射机的射频各级提供合适的调制脉冲。•雷达发射机广泛采用脉冲调制方式，不仅被单级振荡式发射机所采用CD(784)指标RFAmplifierTimingRelationships59脉冲调制器组成脉冲调制器组成脉冲调制器由三个部分组成：电源部分、能量储存部分和脉冲形成网络（PFN,人工线）部分。•电源部分作用是把初级电源变换成符合要求的直流电源（在某些特殊情况下也可能是变成符合要求的交流电源）。•能量储存部分的作用是为了降低电源部分的高峰值功率要求。•脉冲形成部分是利用一个开关，控制储能单元对负载（射频发射器）放电，以提供电压、功率、脉冲宽度及脉冲波形参数都满足要求的视频脉冲。调制器组成框图61‰雷达常用的脉冲调制器：（1）电容储能、部分放电式刚性管脉冲调制器；（2）仿真线储能、完全放电式软性管脉冲调制器；参考：两种多普勒天气雷达发射机脉冲调制器分析典型的实现形式典型的实现形式以真空管（电子管）作为调制开关，以电容作为充电元件。又称为电子开关调制器。这类型的开关的通断可以由栅极电压来控制，通断迅速，所以把这种调制开关称为刚性开关或主动开关。这类脉冲调制器以电容作为储能元件。通断敏捷，工作稳定。脉冲波形好，脉冲宽度基本由激励脉冲决定。不足是：内阻大，调制器效率低，输出功率小。这类雷达常用于测距精度和分辨率高的雷达中，如炮瞄雷达，跟踪雷达等（1）刚性开关脉冲调制器刚性开关脉冲调制器框图（2）软性脉冲调制器图z①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。z②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。z③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。z国产的711天气雷达和701测风雷达采用了刚性开关调制器，而国产的713天气雷达和714天气雷达则采用了软性开关调制器。软性调制器缺点是：调制器性能对比调制器充、放电等效电路图充电（charging…）放电（discharging…）XX波段全相参多普勒天气雷达波段全相参多普勒天气雷达调制器分机XX波段全相参多普勒天气雷达波段全相参多普勒天气雷达调制器分机面板调制器充、放电工作波形（1）触发产生电路•它用来将来自信号处理分系统的放电触发脉冲加以整形、展宽，输出至可控硅调制分机中的SCR管控制栅级，作为开关触发脉冲。它由触发脉冲电路和无触发保护电路两部分组成。（2）可控硅调制分机•它的功能是作为调制器的开关，通常称为调制开关，它用6只可控硅SCR1～SCR6（KG200A/1600V）串联构成，以提高正向阻断电压。故障：可控硅故障----可控硅击穿•原因：调制器6个可控硅中可能存在可控硅被击穿或阻值下降的情况•故障排除过程（1）切断发射机电源（2）将万用表选到KΩ档，分别测量可控硅相邻两个散热片之间的正向和反向阻值，正常值应该在200KΩ～300KΩ之间；（3）实际测量结果为最后一个可控硅阻值为100Ω，基本被击穿，更换可控硅后，故障排除，雷达工作正常；（若出现≤200KΩ的情况，则该可控硅可能被击穿或性能下降，需要进行更换）(3)人工线和脉宽转换开关•它由两组不同脉宽的人工线PFN1和PFN2，和一个真空继电器K1组成。人工线用来在充电时储能，放电时形成具有一定