雷达原理与系统 第六讲 雷达发射机主要部件与应用

Posted 2023-05-29 920259020

雷达学报——雷达原理与系统 第六讲 雷达发射机主要部件与应用

雷达原理与系统 第六讲 雷达发射机主要部件与应用

根据雷达体制，对雷达发射机提出了不同的要求。雷达发射机分类（概述）——

1. 按照射频信号产生方式分类，雷达发射机可以分为：

A. 单级振荡式发射机；

B. 主振放大式发射机。

2. 按照信号的形式分类，雷达发射机可以分为：

A. 连续波发射机；

B. 脉冲发射机；

3. 按照产生射频信号的器件分类，雷达发射机可以分为：

A. 电真空器件发射机；

B. 全固态发射机。

本文主要介绍——

1). 发射机的主要部件；

2). 介绍几种典型发射机的应用。

 

1. 发射机的第一类部件：射频功率放大器，可分为2类——

1). 射频大功率振荡放大器；

A. 单级振荡式发射机（又称为：自激振荡式发射机），使用主要器件：真空三极管\\四级管、磁控管振荡器。

B. 低频的VHF, UHF频段发射机一般采用：真空三极管\\四级管；高频L~K波段(1~40GHz)多采用磁控管振荡器。

C. 特点：频率稳定度无要求、相位稳定度无要求、频谱纯度无要求。

D. 早期地面警戒雷达、火控雷达、气象雷达，都采用单级振荡式发射机。

E. 单级振荡式发射机优/缺点——

a. 结构简单；

b. 成本低；

c. 频率稳定性差，只能达到$10^-4~10^-5$量级；

d. 不能产生复杂波形；

e. 不能产生相参信号；

f. 不能满足现在脉冲多普勒（或脉冲压缩体制）雷达的要求。

2). 射频放大链路。

A. 这种功率放大器多适用主振放大式发射机。

B. 峰值功率在1MW以内的发射机，通常采用一级固态功率放大器，驱动一级电真空放大器组成的链路。

C. 多采用：行波管、速调管放大器。

D. 也有采用高增益的行波管组合的行波放大链路，组合后有较大的带宽，可以用较少的放大技术实现较大的增益→会在一些移动性比较高的场合、机载场合应用较多。

E. 峰值功率大于1MW的行波管、速调管发射机（或者峰值功率100KW以上的前向微波管放大机）由：一级固态（前向）放大器+一台中功率（中间）放大器+高功率（末级）放大器组成。

F. 如果雷达整机有很高频率稳定度的需求，必须采用主振放大式发射机。

a. 因为单级振荡式发射机，载频直接由大功率振荡器产生→误差包括：预热漂移、温度漂移负载变化引起的频率拖拽效应、电阻的平移、调节的游移、校正误差。

b. 单级振荡式发射机——很难达到很高的平均度/稳定度。

c. 主振放大式发射机——精度/稳定度在较低的电平级（基准频率振荡器）决定的，容易采用稳频的措施，包括：恒温、防振、稳压、晶体滤波、锁相稳频等技术措施，能够让基准频率振荡器达到很高的频率稳定度。

G. 主振放大式发射机，主控放大器提供连续波信号，射频脉冲的形成是通过脉冲调制器控制射频功率放大器实现的，因此射频脉冲之间具有固定的相位关系；

H. 只要主控放大器有很高的频率稳定度，射频放大器有足够高的相位稳定度，那么发射出的信号可以具有良好的相位相参性。

I. 主振放大式发射机也称为相参发射机。

J. 如果雷达系统发射信号、本振信号、相参振荡电压、定时器的脉冲触发都由同一个基准信号提供，那么所有信号之间，均保持相位的相参性→称为“全相参系统”。

K. 主振放大式发射机特点——

a. 有很高频率稳定度；

b. 发射的信号是相位相参信号（相位相参信号经常应用于→脉冲多普勒雷达、脉冲压缩体制雷达→必须采用主振放大式发射机）；

c. 能产生复杂波形（例如，能产生：线性调频、非线性调频、相位编码信号）。

L. 为了实现大的时间带宽基（目的：解决测距、测速的矛盾），大多采用复杂调制的脉冲压缩信号。

射频功率放大器——

1). 射频功率放大器是发射机中，用于射频功率放大的器件。

2). 发射机的前级电路中，调制振荡器（或调制电路）产生的射频功率信号是比较小的，需要放大获得足够高的射频功率。

3). 放大的过程一般分为多级：前级、中间级（或缓冲级）、末级。

4). 经过放大之后的射频信号才能送到天线，然后辐射到空间去。

5). 为了获得足够高的射频输出功率，必须采用射频功率放大器。

6). 调制器产生射频信号之后，射频已经调制的信号，经由射频功率放大器，放大到足够高的功率，经过匹配网络，由天线辐射到空间。

2. 发射机的第二类部件：调制器、电源、冷却系统

1). 分类——

A. 脉冲调制器：线性调制器、有源开关调制器、调制阳极脉冲调制器。

B. 高压电源：多相整流低频电源、高稳定逆变电源。

C. 冷却系统：强迫风冷、液体冷却、蒸发冷却。

3. 发射机的第三部件：射频器件

1). 收发开关

A. 为什么要用收发开关？

a. 因为，脉冲雷达天线、大多收发共用。

b. 当雷达发射信号时，收发开关使天线与雷达发射机接通，与接收机断开；避免高功率的发射信号进入接收机把接收机的高放、混频器烧毁。

c. 当雷达接收信号时，收发开关使天线与雷达接收机接通，与发射机断开；避免发射机的旁瓣是接收机微弱信号受到损失。

2). 环形器

3). 定向耦合器——用于信号的隔离、分离、混合，将微波信号按照一定比例，进行功率分配。

4). 移相器——对电磁波相位进行调整。

5). 隔离器——改进型的环形器，通过单个端口匹配阻抗的方式进行段接；工作原理：雷达输入端，将发射信号/接收信号进行隔离，保护敏感的雷达接收电路，。

6). 衰减器——在指定的频率范围内，引入一定衰减，分为：

A. 无源衰减器

a. 分类：

i. 固定衰减器——由电阻组成，不影响信号频率特性

ii. 可调衰减器

B. 有源衰减器

a. 与一些热敏元件配合，可以组合成可变的衰减器。

b. 用于：自动增益控制、斜率控制的电路。

4. 典型发射机

 主要介绍几种电真空式发射机，包括——

1). 自激振荡式发射机（也称为：单级振荡式发射机），前文已详细介绍；

2). 高功率速调管发射机；

A. 采用高功率高增益阴极调制单柱速调管。

B. 特点：功率大、效率高、易冷却、电路简单、寿命长、费用低。

C. 适用场景：输出功率高、脉冲宽度变化小、重复频率PRF变化小、瞬时带宽要求不高（窄带）的场合（比如地面固定雷达、远程预警雷达、精密跟踪雷达等）。

D. 缺点：放大链路笨重；因此适用地基雷达。

3). 宽带高增益前向微波管/行波管发射机；

A. 优点：增益高、带宽大、体积小、重量轻、成本低，适用于机载。

B. 适用场景：脉冲宽度变化大、PRF变化大、瞬时带宽大、效率高、可靠性要求高。

C. 目前大部分机载雷达工作在X, Ku波段，发射机峰值功率为几kW~几十kW，平均功率为几百W~几kW，大多采用宽带高增益前向微波管/行波管发射机。

D. 更早期机载雷达采用磁控管发射机；最新机载雷达也有采用全固态的发射机。

4). 宽带大功率行波管-前向波管发射机

A. 适用场景：宽带宽、高增益、大功率、高效率。

B. 设计：使用中功率的行波管→推动→大功率的前向波管的放大电路。

C. 应用：车载测控雷达、机载预警雷达、星载雷达（要求：重量轻、体积小、寿命长、效率高）。

D. 相控阵雷达可以采用行波管放大器，可以采用固态发射机或固态功率放大器模块，也可以选用微波功率模块、行波管、前向波管放大器。

E. 一些成像雷达、高功率毫米波雷达，要求发射机具有高功率、宽带宽，多采用毫米波回xxx管放大器；如果功率要求不高，也可采用毫米波行波管放大器。

5. 发射机应用

1). 各种不同类型发射机广泛应用于：通信、广播、电子对抗、遥感等。

2). 对不同发射机和微波功率器件简单介绍一下——

A. 真空管类发射机；

B. 微波功率晶体管类发射机；

3). 微波功率器件大体分为——三极管、四级管、磁控管、速调管、行波管、前向波管、二极管、场效应管（砷化镓、氮化镓）、固态功率放大器件。

 

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无源雷达

无源雷达是一种不用发射机发射能量而靠接受温热物体或他源反射的微波能量探测目标的雷达，有天线和灵敏度极高的接收装置。无源雷达鉴别目标的能力，主要取决于目标之间的表面温差和目标的反射系数，天线波束与目标之间的入射余角，无线极化和波束宽度与接收机的最小可检测电子等。

本机不辐射电磁信号，对干扰源或辐射源目标进行定位、测角或测频的工作方式。

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