電源波紋對(duì)PD雷達(dá)性能的影響

1、電源波紋對(duì)PD雷達(dá)性能的影響1997年8月現(xiàn)代雷達(dá)第4期電源波紋對(duì)PD雷達(dá)性能的影響'【摘要】敘述了產(chǎn)生電源波紋的原因,定量地評(píng)估了電源波紋對(duì)PD雷達(dá)發(fā)射雜波的影響,提【關(guān)鍵詞】皂塑墊塾,發(fā)射雜波,調(diào)幅靈敏度?調(diào)相靈敏度TheEffectsofPowerSupplyRippleOnPDRadarPerformance糠:忪善嘲'己.WangPeijin(NaniingResearchInstituteElectronicsTechnologyNaniing210o3/.f)'.AbstractThecausesforthegenerationofpowersupplyr

2、ippleBl-edescribedinthispaper?TheeectofpowersupplyrippletoPDradartransmittedclutterisevaluated?andthenaneffectivemethedprovidestoimprovethedetectionperformanceofPDradar.Finally,severalrelationcurvesaregiven?Keywordspowersupplyripple,tran.mlttedclutter,AMsensitivity,PMsensitivity1引言典型的雷達(dá)雜波來(lái)自地面,海面,雨滴或

3、其他空中沉積物,箔條,鳥(niǎo)類(lèi),昆蟲(chóng)和極光等.通常,脈沖多普勒雷達(dá)設(shè)計(jì)師感興趣的是如何抑制這些不需要的回渡,從而對(duì)雷達(dá)進(jìn)行有效設(shè)計(jì).實(shí)際上,雷達(dá)雜波內(nèi)還應(yīng)包括一種可能對(duì)PD雷達(dá)檢測(cè)性能產(chǎn)生嚴(yán)重影口自的不容忽視的發(fā)射雜波如何通過(guò)抑制發(fā)射雜渡來(lái)改善PD雷達(dá)的檢測(cè)性能,同樣是PD雷達(dá)設(shè)計(jì)師應(yīng)完成的任務(wù).電源渡紋可以說(shuō)是發(fā)射雜波的主"源"頭,因此改善電源波紋成了抑制發(fā)射雜渡的主要途徑.2電源波紋的影響直流電壓中包含許多不必要且有害的信號(hào),因此要對(duì)直流電壓進(jìn)行幅度調(diào)制,我們通常把這種直流電壓的幅度調(diào)制信號(hào)稱(chēng)為電源波紋電壓.當(dāng)渡紋電壓加到雷達(dá)發(fā)射機(jī)的微波放大器上時(shí),對(duì)放大器輸出的微渡信號(hào)會(huì)

4、產(chǎn)生有害作用,即產(chǎn)生幅度調(diào)制,(AM),相位調(diào)制(PM)和頻率調(diào)制(FM)經(jīng)電源波紋幅度調(diào)制,相位調(diào)制和頻率調(diào)制的發(fā)射信號(hào)遇到目標(biāo)后,以同樣的調(diào)制返回到雷達(dá)接收端.在接收機(jī)輸出端重現(xiàn)這些調(diào)制邊帶.這些邊帶偏離載渡的頻率正好等于電源波紋頻率它們對(duì)稱(chēng)地分布在載渡頻率的兩側(cè).例如,電源的渡紋電壓頻率為40kHz,則所產(chǎn)生的本文1997年1月9日收到.現(xiàn)代雷選19卷不必要的調(diào)制邊帶分布在+40kHz處.我們把這些不必要的調(diào)制邊帶稱(chēng)為"剩余邊帶".在接收機(jī)中檢測(cè)到的由"剩余邊帶"形成的雜渡稱(chēng)為發(fā)射雜波.對(duì)于PD雷達(dá)來(lái)說(shuō),剩余邊帶可能進(jìn)入目標(biāo)多普勒濾波器成為虛假目標(biāo)

5、而被檢測(cè).理想情況下,在目標(biāo)檢測(cè)區(qū)應(yīng)是純凈即沒(méi)有噪聲和邊帶的,但事實(shí)上目標(biāo)檢測(cè)區(qū)既存在系統(tǒng)噪聲.也存在各種有害的調(diào)制邊帶為了使這些有害的調(diào)制邊帶不成為虛假目標(biāo)信號(hào).我們希望這些有害的調(diào)制邊帶淹沒(méi)在噪聲電平之下,因此對(duì)PD雷達(dá)發(fā)射雜波提出了相當(dāng)苛刻的要求.最嚴(yán)格的要求是依賴(lài)于主波束雜波上產(chǎn)生的調(diào)制邊帶分量,即主波束雜波與系統(tǒng)噪聲之比一雜噪比C/N這個(gè)數(shù)字一般為7O90dB.也就是說(shuō),剩余調(diào)制邊帶的幅度要比載波的幅度小7O90dB.這對(duì)電源波紋提出了相當(dāng)嚴(yán)格的要求.剩余調(diào)制邊帶與電源波紋之間的關(guān)系'是通過(guò)微波大器的某些特性聯(lián)系起來(lái)的,這些特性包括調(diào)幅靈敏度,調(diào)相靈敏度度和調(diào)頻靈敏度.-.圖

6、I是一種行波管用的開(kāi)關(guān)電源原理框圖.行波管所用的各極直流電壓先以400Hz交流電壓進(jìn)行整流和濾波,然后把這種未經(jīng)穩(wěn)壓的直流電壓變換成50kHz的開(kāi)關(guān)電壓加到一個(gè)升壓變壓器的輸入端,對(duì)變壓器輸出端的信號(hào)再進(jìn)行整流和濾波,最后加到行波管的各電極上.此時(shí)直流電源輸出端波紋電壓的頻率為:基波400Hz及其各次諧波;開(kāi)關(guān)頻率50kHz及其各次諧波;高壓輸出濾波器的自然諧振頻率10-20Mnz.所有這些不必要的波紋電壓構(gòu)成了行波管直流電源電壓的波紋.磷1宙1行波管用的開(kāi)關(guān)電源原理框圖3剩余調(diào)制邊帶的評(píng)估根據(jù)調(diào)制理論,剩余調(diào)制邊帶都可以表示為剩余調(diào)制邊帶=詈用dB表示為:_廠(chǎng)_I一一(1)l?)第4期汪培進(jìn)

7、:電源波紋對(duì)PD雷達(dá)性能的影響81剩余調(diào)制邊帶(dB)一201g(2)式中m為調(diào)制指數(shù).當(dāng)載波受到調(diào)幅時(shí),一A,稱(chēng)為調(diào)幅指數(shù).A/A為剩余調(diào)制邊帶幅度與載波.-V幅度之比.當(dāng)載波受到調(diào)相時(shí),m=m一,m稱(chēng)為調(diào)相指數(shù),是載波輸出相位相對(duì)載波輸入相位的偏移量.當(dāng)載波受到調(diào)額時(shí),m=mf一,m,稱(chēng)為調(diào)頻指數(shù);,是輸出載波額率相對(duì)于輸入載波額率的偏移量;是調(diào)制頻率.因此,(2)式可以寫(xiě)成如下三種形式:剩余調(diào)幅邊帶(dB)一20l箬(3)剩余調(diào)相邊帶(dB)一201g(4),剩余調(diào)頻邊帶(dB)一201g(5)在微波放大器件的技術(shù)規(guī)范中,一般都給出調(diào)幅靈敏度(dB/V),調(diào)相靈敏度(度/V).但在有的文

8、獻(xiàn)中,調(diào)相靈敏度定義為K(度)(對(duì)1E/E).下面列出幾種微器件的典型調(diào)相靈敏度值:速調(diào)管K.一10.對(duì)1警行波管K.一20.對(duì)1三,四極管K.一0.0.5.對(duì)1掣調(diào)相靈敏度(度/v)與上表列出的調(diào)相靈敏度K具有不同的定義,但它們存在下列關(guān)系:一(6)式中E是微波管上所加的電源電壓.微渡放大器一經(jīng)選定,E是已知的,根據(jù)的定義求出厶E,SE是波紋電壓的峰值而根據(jù)K定義可求出AE/E,aE/E是渡紋系數(shù).根據(jù)兩種調(diào)相靈敏度定義就可列出兩種調(diào)相指數(shù)的公式:調(diào)相指數(shù)一毋一100K口等(7)調(diào)相指數(shù)m一×E(8)以上所列公式足以就電源波紋對(duì)PD雷達(dá)性能的影響作出定量評(píng)估.綜上所述,我們提出一種

9、客觀(guān)地確定PD雷迭電源波紋要求的設(shè)計(jì)步驟:1.確定雷達(dá)系統(tǒng)要求,根據(jù)PD雷達(dá)的C/N值,確定各類(lèi)調(diào)制邊帶的極限值;2.選擇微波器件,引用微波放大器件的調(diào)幅靈敏度和調(diào)相靈敏度參數(shù);3.利用這些參數(shù),把它們變換到RF參數(shù)的極限值,把RF參數(shù)的極限值變換到電源波紋電壓(或系數(shù))的極限值;現(xiàn)代雷選4.必須考慮多極微波放大器件(如行波管)和多級(jí)級(jí)聯(lián)放大器(晶體管級(jí)聯(lián)放大器)各電極和各級(jí)電源波紋對(duì)調(diào)制邊帶的貢獻(xiàn);5.分析和調(diào)整最后的電源波紋參數(shù).電源波紋對(duì)實(shí)際教波放大器輸出信號(hào)調(diào)制邊帶的影響可以用后面列舉的四個(gè)例子來(lái)說(shuō)明.4評(píng)估實(shí)例4.1微波晶體蕾放大器L波段晶體管的相位調(diào)制靈敏度為1.6.(1AE/E)

10、.根據(jù)這一參數(shù),很容易求出集電極?電源波紋的要求.根據(jù).一一100K,p.?設(shè)PMs竽一k(,xooK,.,1一一B求得E/E一2.27×10一'但是,這種器件沒(méi)有給出調(diào)幅靈敏度,似乎這種器件對(duì)調(diào)幅邊帶可忽略.如果深入探討一下,其調(diào)幅邊帶不僅不能忽略,而且可能強(qiáng)于調(diào)相邊帶,對(duì)PD雷達(dá)的性能影響更大.晶體管有兩個(gè)顯著的特性:一是輸出電壓(集電極)大于一定值后集電極電流很少隨Uc,改變.這一特點(diǎn)決定了集電極調(diào)幅靈敏度很低;二是輸入電壓(基極)的少量變化就足以引起集電極電流相當(dāng)大的變化.這一特點(diǎn)決定了基極的調(diào)幅靈敏度相當(dāng)高.這一點(diǎn)我們可以用下列公式說(shuō)明.晶體管的集電極電流為:I一I

11、,eUuT式中:u為輸入電壓;為溫度電壓:ur一.當(dāng)溫度是一常數(shù)時(shí),u也是一個(gè)常數(shù),如.T=296.K時(shí),u一生皇要一25.5mV,則跨導(dǎo)為一藐=LeU/uT1=所以a【,一瓦由上式可以看出,晶體管輸出調(diào)幅邊帶的大小與輸入信號(hào)的振悟變化量成正比,而與工作點(diǎn)的位置無(wú)關(guān),這相當(dāng)于基極調(diào)幅電壓放大了1/UT倍(約為32dB),其前提是仍按A一20lg一一73dB求得第4期狂培進(jìn):電源波紋對(duì)PD雷達(dá)性能的影響83U雎=1.12×10()以上就單極晶體管放大器對(duì)調(diào)相和調(diào)幅邊帶的貢獻(xiàn)作了分析.實(shí)際上,對(duì)有源相控陣來(lái)說(shuō),每一路都是由若干級(jí)放大器組成的級(jí)聯(lián)放大器.因此,在設(shè)計(jì)教渡晶體管集電撅電壓的波

12、紋和在基撅輸入信號(hào)調(diào)幅度時(shí)要有一定的余度,這個(gè)余度取決于圾聯(lián)放大器的級(jí)數(shù).另外,還必須考慮基極偏置電壓的波紋,因?yàn)樗瑯訉?duì)輸入信號(hào)進(jìn)行調(diào)制.它與基撅信號(hào)的調(diào)幅度對(duì)搪出調(diào)幅邊帶的貢獻(xiàn)是類(lèi)同的.4.2金屬陶瓷微波三,四極管假定輸出信號(hào)中的調(diào)幅邊帶和調(diào)相邊帶分9為一73dB,根據(jù)一201g籌=一73dB求得'一:4-477"lA4-47X10'一百'根據(jù)PM:201g一一73dB.求得一?:4.47×10一根據(jù)腫=1o0譬(設(shè)一0.573.)求得aE/E一/l00K.=4.47×10一從計(jì)算結(jié)果可以看出,在三,四極管中,電源波紋對(duì)調(diào)相邊帶和調(diào)幅邊

13、帶的影響是十分接近的.因此在工程設(shè)計(jì)中,需要同時(shí)考慮兩種邊帶的影響.而且,還可以看出,采用三,四撅管,10量圾的波紋在工程上實(shí)現(xiàn)起來(lái)比較容易,因?yàn)槠湔{(diào)相靈敏度是低的.4.3速調(diào)管放大酷速調(diào)管放大器是一種線(xiàn)性注放大器件,有較高的調(diào)相靈敏度(置?=11.46),同樣假定速調(diào)管輸出信號(hào)的調(diào)幅邊帶和調(diào)相邊帶分別為一73dB.速調(diào)管的伏安特性符合二分之三次方定律,即IKU0/式中置是導(dǎo)流系數(shù).經(jīng)微分后整理得:齜=根據(jù)AM=201g一一73dB現(xiàn)代雷達(dá)19卷求得一AA一:一2.97×10一'一A一百J*FzA一.根據(jù)PM:20lg:一73dB求得一m一100K.警47×'

14、;.則得.aE/E一2.23×10一.從計(jì)算結(jié)果可以看出,在調(diào)相邊帶和調(diào)幅邊帶影響相同的情況下,調(diào)相邊帶比調(diào)幅邊帶對(duì)電源波紋的要求要高一個(gè)數(shù)量級(jí).換句話(huà)說(shuō),如果直流電源波紋設(shè)計(jì)滿(mǎn)足-73dB調(diào)相邊帶要求,那么在此情況下調(diào)幅邊帶要比調(diào)相邊帶小20dB因此,在速調(diào)管放大器中,調(diào)相邊帶占絕對(duì)優(yōu)勢(shì),調(diào)幅邊帶對(duì)總的邊帶影響可以忽略不計(jì).4.4行波管放大器行渡管放大器也是一種線(xiàn)性注管它的調(diào)幅靈敏度與速調(diào)管相同,但其相位調(diào)制靈敏度比速調(diào)管大得多.因此,可以確信,在這種微波管中,調(diào)相邊帶占有更大的優(yōu)勢(shì),調(diào)幅邊帶可以完全忽略不計(jì)在雷達(dá)工程設(shè)計(jì)中,只需考慮調(diào)相邊帶.行波管有若干個(gè)電極,每一個(gè)電極具有不同

15、的電壓和不同的相位調(diào)制靈敏度,因此,即使各電極在相同電源波紋系數(shù)下工作,各電極對(duì)總調(diào)相邊帶的影響是不相同的.從工程實(shí)現(xiàn)的難易程度看,對(duì)于一定的電源波紋系數(shù),低電極電壓一般來(lái)說(shuō)較易實(shí)現(xiàn),高電極電壓實(shí)現(xiàn)難度相對(duì)而言要大一些.在行波管放大器各電極電源的設(shè)計(jì)中,可供選擇的有兩種方案:第一種方案是各電極按相位調(diào)制靈敏度最大的那個(gè)電極來(lái)設(shè)計(jì)各極電源的波紋系數(shù);第二種方案是按照各電極對(duì)調(diào)相邊帶影響相等的原則進(jìn)行設(shè)計(jì).現(xiàn)舉一個(gè)行波管的例子來(lái)加以說(shuō)明,各電極的相位調(diào)制靈敏度為陰極一2o/收集極I口一0.5/收集極口一0.02./燈絲口一0.2./v聚焦電極a#/=4./v根據(jù)尸M一2olg:一77dB求得.一一

16、2.82×10一,根據(jù).=.×第4期_壓培進(jìn):電源波皺對(duì)PD雷達(dá)性能的影響求得各電極電源波紋電壓的峰值:AE一一80.79×10一(V)AE一32?3×10(V)E咭一一808×10一(v)一80?8×10-3(V)Er一一4.04×10一.(V)q我們已經(jīng)說(shuō)過(guò),在這樣的電極電源波紋電壓下,各電極對(duì)調(diào)相邊帶的影響相等.而且,各電極的波紋相干,因此,行波管總的輸出調(diào)相邊帶要比單個(gè)電極的影響提高7dB.這一點(diǎn)在工程設(shè)計(jì)中應(yīng)引起了注意,即在設(shè)計(jì)時(shí)每個(gè)電極要有7dB的余度.相反,在相同的電源波紋電壓下(it意不是波紋系數(shù)),聚焦電極

17、對(duì)調(diào)相邊帶的影響最大,因此對(duì)聚焦電極的電源波紋電壓要求最為苛刻:AEf一4.04×10(V)如果其他電極的波紋電壓都等于E,那么收集極I,收集極和燈絲電極對(duì)調(diào)相邊帶的影響可以忽略不計(jì),而明極對(duì)調(diào)相邊帶的影響比聚焦電極還要小6dB.由此可以看出,行渡管各電極電源波紋電壓相同時(shí),聚焦電極對(duì)調(diào)相邊帶的影響占絕對(duì)優(yōu)勢(shì).在這種方案中可以認(rèn)為總的調(diào)相邊帶幾乎都是聚焦電極產(chǎn)生的.通過(guò)兩種方案的比較,認(rèn)為前一種方案難度要小些,原因是每個(gè)電極電源波紋電壓無(wú)須按最苛刻聚焦電極電源波紋電壓的要求進(jìn)行設(shè)計(jì),而是按各自的調(diào)相靈敏度設(shè)計(jì).5電源波紋的測(cè)試根據(jù)PD雷達(dá)系統(tǒng)要求的特殊性,電源工程師應(yīng)該考慮放棄傳統(tǒng)電

18、源波紋的測(cè)試方法.傳統(tǒng)方法使用的儀表是示波器.在.PD雷達(dá)電源波紋測(cè)試中采用低頻頻譜分析儀顯得更為方便有效.與其說(shuō)用它來(lái)測(cè)量電源波紋,倒不如說(shuō)用它來(lái)對(duì)電源波紋進(jìn)行頻譜分析以驗(yàn)證電源的性能,而示波器卻不能完成這些淵量工作.在對(duì)電源波紋進(jìn)行頻譜分析前,我們應(yīng)對(duì)電源波紋具有一定的先驗(yàn)知識(shí),比如波紋的基波頻率及其各次諧波頻率,于是只要在這些已知頻率點(diǎn)上測(cè)試就可以了.其次,PD雷達(dá)多普勒頻譜檢淵區(qū)的范圍也是已知的,那么超出這個(gè)區(qū)域的波紋頻率點(diǎn)也不必進(jìn)行測(cè)試.此外,在一般情況下,電源渡紋的二次諧波幅度最大.如果最大二次諧波所產(chǎn)生的調(diào)相邊帶低于系統(tǒng)的技術(shù)規(guī)范要求,那么,其他各次諧波也就自然地滿(mǎn)足技術(shù)規(guī)范要求

19、了.由于制造廠(chǎng)家在微波管出廠(chǎng)時(shí)所提供的各項(xiàng)調(diào)翻靈敏度都有一定的余度,因此,最終的驗(yàn)證性能總優(yōu)于設(shè)計(jì)性能.前面已經(jīng)提到,直流電源除了以50Hz或400Hz市電進(jìn)行變壓,整流和濾波撲,還具有開(kāi)關(guān)電源.如果開(kāi)關(guān)電源的開(kāi)關(guān)頻率可控而且嚴(yán)格地與系統(tǒng)的PRF同步,那么,由開(kāi)關(guān)電源波紋所產(chǎn)生的剩余調(diào)翻邊帶(在基波及其諧波頻率上)始終與發(fā)射信號(hào)的RF脈沖譜線(xiàn)f.士nPRF相重合,于是在檢測(cè)區(qū)就不存在開(kāi)關(guān)電源波紋所產(chǎn)生的調(diào)翻邊帶,這樣,調(diào)錨I邊帶的幅度再高,現(xiàn)代雷達(dá)19卷也不會(huì)形成虛假目標(biāo),因此對(duì)這樣的開(kāi)關(guān)電源的波紋不必加以限制.6電源波紋的設(shè)計(jì)為了便于進(jìn)行電源設(shè)計(jì)和估價(jià)電源波紋對(duì)發(fā)射雜波的影響,我們用圖表進(jìn)行

20、繪制,如圖2,3,4所示.縱座標(biāo)為系統(tǒng)對(duì)調(diào)制邊帶的最高限制用C/N的倒數(shù)即(-dB)表示,橫座標(biāo)為電源波紋系數(shù)E/E或波紋電壓AE(V).圖2是微波晶體管調(diào)幅邊帶與基極輸入信號(hào)調(diào)制幅度的關(guān)系曲線(xiàn);圖3比較了典型的微波三,四極管,速調(diào)管和行波管的調(diào)幅邊帶和調(diào)相邊帶;圖4是行波管以各個(gè)電極的相位調(diào)制靈敏度為參量的調(diào)相邊帶與電源波紋電壓的關(guān)系曲線(xiàn).從這三張圖上,不難得到如下結(jié)論:UaE(6E(C/N)一fdB)電源波紋幕敦圖2微波晶體管放大囂的調(diào)幅邊帶與基極轉(zhuǎn)入信圖3三,四極管,速調(diào)管和行波管的調(diào)相邊帶和調(diào)號(hào)調(diào)制幅度(或基極偏置電源波紋電壓)的關(guān)幅邊帶與電源波紋的關(guān)系'系u'1.在微波晶體管放大器中,基極輸人信號(hào)的調(diào)幅度或基極偏置電壓的波紋對(duì)輸出調(diào)幅邊?帶的影響必須引起足夠的重視;在級(jí)聯(lián)放大器設(shè)計(jì)中,各級(jí)放大器的邊帶設(shè)計(jì)要有足夠的余度.2.三,四極管微波放大器,在相同的電源波紋下,其調(diào)幅邊帶和調(diào)相邊帶的幅度很接近.因此,在設(shè)計(jì)此類(lèi)微波管的電源波紋時(shí)要有3dB的余度.3.速調(diào)管放大器中,在相同的電源波紋下,其調(diào)幅邊帶要比調(diào)相邊帶小20dB左