雷達(dá)發(fā)射機(jī)教學(xué)內(nèi)容

1、Radar principles雷達(dá)發(fā)射機(jī)Radar principles為雷達(dá)提供一個(gè)載波受到調(diào)制的大功率射頻信號(hào)，經(jīng)饋線和收發(fā)開(kāi)關(guān)由天線輻射出去。發(fā)射機(jī)的任務(wù)發(fā)射機(jī)的任務(wù) 高頻、高壓、大功率。 雷達(dá)系統(tǒng)中最大、最重和最昂貴的部分。 發(fā)射機(jī)的特點(diǎn)：發(fā)射機(jī)的特點(diǎn)：Radar principles發(fā)射機(jī)的分類與組成發(fā)射機(jī)的分類與組成按調(diào)制方式： 連續(xù)波發(fā)射機(jī)、脈沖發(fā)射機(jī)；按工作波段：短波、米波、分米波、厘米波、毫米波；按功率放大使用器件： 真空管發(fā)射機(jī)、固態(tài)發(fā)射機(jī)；按產(chǎn)生信號(hào)方式 ：?jiǎn)渭?jí)振蕩式、主振放大式；Radar principles發(fā)射機(jī)的分類與組成發(fā)射機(jī)的分類與組成單級(jí)振蕩式脈沖調(diào)制器大

2、功率射頻振蕩器電 源定時(shí)信號(hào)至天線TrTrTr定時(shí)器：定時(shí)器：提供以Tr為間隔的脈沖觸發(fā)信號(hào)。脈沖調(diào)制器：脈沖調(diào)制器：在觸發(fā)脈沖信號(hào)激勵(lì)下產(chǎn)生脈寬為的脈沖信號(hào)。大功率射頻振蕩器：大功率射頻振蕩器：產(chǎn)生大功率射頻信號(hào)。優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：簡(jiǎn)單、廉價(jià)、高效；缺點(diǎn)：缺點(diǎn)：難以產(chǎn)生復(fù)雜調(diào)制，頻率穩(wěn)定性差，脈沖間不相干；Radar principles主振放大式發(fā)射機(jī)的分類與組成發(fā)射機(jī)的分類與組成固 體微波源中間射頻功率放大器輸出射頻功率放大器脈沖調(diào)制器脈沖調(diào)制器脈沖調(diào)制器定時(shí)器主控振蕩器射頻放大鏈電 源觸發(fā)脈沖至天線定時(shí)器：定時(shí)器：給脈沖調(diào)制器提供不同時(shí)間、不同寬度的觸發(fā)脈沖信號(hào)。固體微波源：固體微波源：是高

3、穩(wěn)定度的連續(xù)波振蕩器。中間放大器：中間放大器：在微波源脈沖到達(dá)后很短時(shí)間內(nèi)處于放大狀態(tài)，在微波脈沖結(jié)束后退出放大狀態(tài)，受脈沖調(diào)制器控制。輸出功率放大器：輸出功率放大器：產(chǎn)生大功率的脈沖射頻信號(hào)，受脈沖調(diào)制器控制。優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：復(fù)雜波形，穩(wěn)定度高，相干處理缺點(diǎn)：缺點(diǎn)：系統(tǒng)復(fù)雜、昂貴Radar principles發(fā)射機(jī)的主要質(zhì)量指標(biāo)發(fā)射機(jī)的主要質(zhì)量指標(biāo)u工作頻率或波段u輸出功率u總效率u信號(hào)形式u信號(hào)穩(wěn)定度Radar principlesu 工作頻率或波段雷達(dá)的工作頻率或波段是按照雷達(dá)的用途確定的。工作頻率或波段的不同影響對(duì)發(fā)射機(jī)的設(shè)計(jì)。發(fā)射管選擇1000MHz以下：微波三、四極管； 1000MH

4、z以上：多腔磁控管、 大功率速調(diào)管、 行波管以及前向波管等；Radar principles發(fā)射功率發(fā)射功率物理尺寸物理尺寸 或或 波束寬度波束寬度大氣衰減大氣衰減f123451010010000.11110100100010 000平均功率/kW功率 / MW0.010.10.11.0101001324PF 265微波管邊界1.010100頻率/GHz頻率/GHz(a)(b)螺線行波管耦合腔行波管速調(diào)管行波速調(diào)管速調(diào)管0.1110100100010 000110100帶寬( % )峰值功率/kW(c)微波發(fā)射管功率與帶寬能力現(xiàn)狀 O型管型管M型管型管O型管型管Radar principles

5、u 輸出功率定義：發(fā)射機(jī)送入天線輸入端的功率1. 占空比(Duty cycle)：脈沖寬度與脈沖重復(fù)周期的比。2. 峰值功率(Peak power)：脈沖期間射頻振蕩的平均功率。3. 平均功率(Average power) ：脈沖重復(fù)周期內(nèi)的輸出平均功率。avttrrPPP fT作用距離作用距離抗干擾能力某一機(jī)載脈沖雷達(dá)的峰值功率某一機(jī)載脈沖雷達(dá)的峰值功率Pt=10KW ， 采用兩種采用兩種PRF: 10KHz和和30KHz。若。若要求兩種要求兩種PRF工作方式下的平均功率都為工作方式下的平均功率都為1500W，則脈沖寬度分別取值為多少，則脈沖寬度分別取值為多少，并計(jì)算脈沖能量。并計(jì)算脈沖能量

6、。Radar principlesu 總效率定義：發(fā)射機(jī)輸出總功率和輸入總功率之比。 省電 散熱要求低（體積小） 故障率低 壽命長(zhǎng)Radar principlesu 信號(hào)形式（調(diào)制形式）常用信號(hào)形式Radar principlesTrtt(a)Tr(b)0(c)ttttRadar principlesu 信號(hào)的穩(wěn)定度或頻譜純度信號(hào)的各項(xiàng)參數(shù)，如信號(hào)的振幅、頻率(或 相位)、脈沖寬度、脈沖重復(fù)頻率等是否隨時(shí)間作不應(yīng)有的變化。定義：信號(hào)不穩(wěn)定對(duì)動(dòng)目標(biāo)顯示雷達(dá)、脈沖壓縮雷達(dá)、脈沖多普勒雷達(dá)的影響隨機(jī)性：發(fā)射管噪聲、調(diào)制脈沖的隨機(jī)起伏引起信號(hào)參數(shù)的不穩(wěn)定規(guī)律性：電源濾波不良、機(jī)械震動(dòng)引起Radar p

7、rinciples衡量信號(hào)不穩(wěn)定的指標(biāo)時(shí)域頻域信號(hào)某項(xiàng)參數(shù)的方差，如振幅方差、相位方差等。雷達(dá)信號(hào)在應(yīng)有的信號(hào)頻譜之外的寄生輸出。信號(hào)的頻譜純度Radar principles相對(duì)振幅Tr1fsinff01f0f01204060801000123信號(hào)的第一譜線離 散 型寄生輸出分布型寄生輸出fm / kHz /(dB/Hz)04()10lgdBmL f離散譜單邊帶功率信號(hào)功率信號(hào)的規(guī)律信號(hào)的規(guī)律性不穩(wěn)定性不穩(wěn)定信號(hào)的隨機(jī)信號(hào)的隨機(jī)性不穩(wěn)定性不穩(wěn)定()10lgdB/HzmBL fB 帶寬內(nèi)的單邊帶功率信號(hào)功率Radar principles頻譜純度的計(jì)算()10lgdB/HzmBL fB 帶寬內(nèi)

8、的單邊帶功率信號(hào)功率()10lgdBmL f離散譜單邊帶功率信號(hào)功率離散型寄生譜分布型寄生譜Radar principlesCompromise is necessary!Radar principles優(yōu)點(diǎn)：簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)、輕便缺點(diǎn)：頻率穩(wěn)定度差，難以形成復(fù)雜波形， 相繼射頻脈沖之間不相參非相參發(fā)射機(jī)預(yù)調(diào)器調(diào)制器振蕩器發(fā)射機(jī)定時(shí)器顯示器接收機(jī)天線開(kāi)關(guān)天線控制系統(tǒng)電源、控制、保護(hù)電路(b)(c)(a)(d)天線Radar principles固體微波源中間射頻功率放大器輸出射頻功率放大器脈沖調(diào)制器脈沖調(diào)制器定時(shí)器主控振蕩器射頻放大鏈至天線觸發(fā)脈沖Radar principles主振放大式發(fā)射機(jī)的特

9、點(diǎn)u具有很高的頻率穩(wěn)定度u發(fā)射相位相參信號(hào)，相參發(fā)射機(jī)u適用于頻率捷變雷達(dá)u能夠產(chǎn)生復(fù)雜波形Radar principles相參雷達(dá)： 相繼兩個(gè)發(fā)射脈沖信號(hào)的相位連續(xù)；2. 前一個(gè)脈沖結(jié)束時(shí)的等相波前和下一個(gè)脈沖開(kāi)始 時(shí)的等相波前之間相距整數(shù)倍波長(zhǎng)；3. 能夠準(zhǔn)確的測(cè)量接收信號(hào)相位；相參有關(guān)概念Radar principles調(diào)制器多級(jí)放大鏈上變頻混頻器倍頻器基準(zhǔn)頻率振蕩器諧波產(chǎn)生器控制器分頻器n1N F2N F3N FkN FFFFMMFiNFLifNF穩(wěn)定本振電壓CfMF0()ifNM F觸發(fā)脈沖/rfF n相參振蕩電壓發(fā)射信號(hào)至天線采用頻率合成技術(shù)的采用頻率合成技術(shù)的主振放大式發(fā)射機(jī)主振

10、放大式發(fā)射機(jī)全相參系統(tǒng) 雷達(dá)系統(tǒng)的發(fā)射信號(hào)、本振電壓、相參振蕩電壓和定時(shí)器的觸發(fā)脈沖均由同一基準(zhǔn)信號(hào)提供。Radar principles固態(tài)發(fā)射機(jī)固態(tài)電子器件：固態(tài)電子器件：利用固體內(nèi)部電子運(yùn)動(dòng)原理制成的利用固體內(nèi)部電子運(yùn)動(dòng)原理制成的具有一定功能的電子器件。固體一般可分為絕緣體具有一定功能的電子器件。固體一般可分為絕緣體 、半導(dǎo)體和導(dǎo)體。絕大部分的固態(tài)電子器件用半導(dǎo)體半導(dǎo)體和導(dǎo)體。絕大部分的固態(tài)電子器件用半導(dǎo)體材料制成。材料制成。發(fā)射機(jī)發(fā)射機(jī)真空管發(fā)射機(jī)真空管發(fā)射機(jī)固態(tài)發(fā)射機(jī)固態(tài)發(fā)射機(jī)電子管電子管(真空管真空管) 是一種在氣密性封閉容器（一般為玻是一種在氣密性封閉容器（一般為玻璃管）中產(chǎn)生電

11、流傳導(dǎo)，利用電場(chǎng)對(duì)真空中的電子流璃管）中產(chǎn)生電流傳導(dǎo)，利用電場(chǎng)對(duì)真空中的電子流的作用以獲得信號(hào)放大或振蕩的電子器件。的作用以獲得信號(hào)放大或振蕩的電子器件。Radar principles固態(tài)發(fā)射機(jī)的優(yōu)點(diǎn)u不需要陰極加熱、壽命長(zhǎng)u具有很高的可靠性u(píng)體積小、重量輕u工作頻帶寬、效率高u系統(tǒng)設(shè)計(jì)和運(yùn)用靈活維護(hù)方便，成本較低Radar principles表表 2.4 應(yīng)用于雷達(dá)系統(tǒng)中的各種固態(tài)發(fā)射機(jī)的特性應(yīng)用于雷達(dá)系統(tǒng)中的各種固態(tài)發(fā)射機(jī)的特性 Radar principles固態(tài)發(fā)射機(jī)的基本組成單元晶體管特性大功率微波晶體管硅雙極晶體管(S波段以下)砷化鎵場(chǎng)效應(yīng)管(S波段以上)Radar princ

12、iplesBipolar PH3135-90S Pulsed Power Transistor3.1-3.5 GHz, 90 WUF28150J MOSFET Power Transistor100-500 MHz, 150 WRadar principles固態(tài)高功率放大器模塊應(yīng)用先進(jìn)的集成電路工藝和微波網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，將多個(gè)微波大功率晶體管的輸出功率并行組合，制成固態(tài)高功率放大器模塊。兩種典型的輸出功率組合方式： 空間合成的輸出結(jié)構(gòu) 集中合成的輸出結(jié)構(gòu)Radar principles(a)11: n12 n1n1:11: n2132 n2輸入P n2AA空間合成方式功率分配器功率分配器功率合成器

13、功率合成器大功率晶體放大管特點(diǎn)：主要用于相控陣?yán)走_(dá)。由于沒(méi)有微波功率合成網(wǎng)絡(luò)的插入損耗，輸出功率的效率較高。Radar principles11: n12 n1n1:11: n2132 n2輸入n2:1P n2A損耗(b)A集中合成輸出結(jié)構(gòu)插入損耗插入損耗特點(diǎn)：可單獨(dú)用于中、小功率雷達(dá)的輻射源，也可用于相控陣?yán)走_(dá)。由于有微波功率合成網(wǎng)絡(luò)引入的插入損耗插入損耗，輸出功率的效率比空間合成方式低。Radar principles微波單片集成(MMIC)收發(fā)模塊MMIC: Monolithic microwave integrated circuits 微波單片集成電路采用新的模塊化設(shè)計(jì)方法，將固態(tài)收

14、發(fā)模塊中的有源器件和無(wú)源器件制作在同一塊砷化鎵基片上。 大大提高了固態(tài)收發(fā)模塊的技術(shù)性能,減輕了重量，減小了尺寸，提高了穩(wěn)定性。Radar principles用于相控陣?yán)走_(dá)的單片集成收發(fā)模塊組成框圖 12345T/R控制T/RT/R控制處理 A A A偏置控制 A A AT/R限幅器發(fā)射功率放大器環(huán)行器天線發(fā)射端口接收端口控制數(shù)據(jù)輸入低噪聲接收放大器移相器通道開(kāi)關(guān)接收機(jī)保護(hù)器Radar principles用于相控陣?yán)走_(dá)的幾種單片集成收發(fā)模塊性能參數(shù)用于相控陣?yán)走_(dá)的幾種單片集成收發(fā)模塊性能參數(shù) Radar principles(1) 成本低：因?yàn)橛捎性春蜔o(wú)源器件構(gòu)成的高集成度和多功能電路是用

15、批量生產(chǎn)工藝制作在相同的基片上, 不需要常規(guī)的電路焊接裝配過(guò)程, 所以成本低廉。(2) 高可靠性：采用先進(jìn)的集成電路工藝和優(yōu)化的微波網(wǎng)絡(luò)技術(shù), 沒(méi)有常規(guī)分離元件電路的硬線連接和元件組裝過(guò)程, 因此單片集成收發(fā)模塊的可靠性大大提高。(3) 電路性能一致性好、成品率高：在相同的基片上批量生產(chǎn)制作, 電路性能的一致性很好, 成品率高, 在使用維護(hù)中的替換性也很好。(4) 尺寸小、重量輕：有源和無(wú)源器件制作在同一塊砷化鎵基片上, 電路的集成度很高, 因此尺寸和重量也越來(lái)越小。微波單片集成收發(fā)模塊的主要優(yōu)點(diǎn)如下微波單片集成收發(fā)模塊的主要優(yōu)點(diǎn)如下: :Radar principles固態(tài)發(fā)射機(jī)的應(yīng)用 1

16、2 3 4 5 6 7移相器T/R開(kāi)關(guān)低噪聲放大器限幅器T/R開(kāi)關(guān)環(huán)行器至天線T/R邏輯功率放大器預(yù)放大器移相器移相邏輯射頻信號(hào)12(T/R) 2(T/R) 1控制信號(hào)假負(fù)載典型的L波段相控陣發(fā)射/接收模塊 Radar principles用于連續(xù)波對(duì)空監(jiān)視雷達(dá)系統(tǒng)的固態(tài)發(fā)射機(jī) 320 W144144個(gè)發(fā)射模塊320 W144144個(gè)發(fā)射模塊末前級(jí)激勵(lì)2320 W 功率18 路輸出1.8 kW1.8 kW6 個(gè)模塊6 個(gè)模塊激勵(lì)級(jí)320 W功率2592320 W固態(tài)發(fā)射機(jī)的應(yīng)用偶極子輻射器偶極子輻射器Radar principles(1) 高效率、低損耗。由于2592個(gè)固態(tài)發(fā)射模塊與對(duì)應(yīng)的偶極

17、子輻射器在結(jié)構(gòu)上是一體化的, 沒(méi)有電子管發(fā)射機(jī)必不可少的微波功率輸出分配網(wǎng)絡(luò)帶來(lái)的損耗, 整個(gè)發(fā)射機(jī)的效率為52.6 %, 比原來(lái)電子管發(fā)射機(jī)的效率(26.4 %)提高了 1 倍。(2) 高可靠性。 固態(tài)發(fā)射模塊本身的平均無(wú)故障間隔時(shí)間已超過(guò)100 000 h, 整個(gè)發(fā)射系統(tǒng)的可靠性為0.9998。(3) 體積小、重量輕、維護(hù)方便。原來(lái)的發(fā)射機(jī)由18個(gè)輸出功率為50 kW的高功率電子管末級(jí)放大器組成, 需要的附加安全防護(hù)設(shè)備很多, 體積龐大, 維修困難。固態(tài)發(fā)射機(jī)使用2592個(gè)平均功率為320 W的固態(tài)模塊, 直流供電電壓為28 V, 使用和維護(hù)很方便。 與原來(lái)的電子管發(fā)射機(jī)相比與原來(lái)的電子管