雷達(dá)原理(第三版)__丁鷺飛第2章

1、第 2 章 雷 達(dá) 發(fā) 射 機(jī) 第 2 章 雷 達(dá) 發(fā) 射 機(jī) 2.1 雷達(dá)發(fā)射機(jī)的任務(wù)和基本組成雷達(dá)發(fā)射機(jī)的任務(wù)和基本組成 2.2 雷達(dá)發(fā)射機(jī)的主要質(zhì)量指標(biāo)雷達(dá)發(fā)射機(jī)的主要質(zhì)量指標(biāo) 2.3 單級振蕩和主振放大式發(fā)射機(jī)單級振蕩和主振放大式發(fā)射機(jī) 2.4 固態(tài)發(fā)射機(jī)固態(tài)發(fā)射機(jī) 2.5 脈沖調(diào)制器脈沖調(diào)制器 第 2 章 雷 達(dá) 發(fā) 射 機(jī) 2.1 雷達(dá)發(fā)射機(jī)的任務(wù)和基本組成雷達(dá)發(fā)射機(jī)的任務(wù)和基本組成 雷達(dá)是利用物體反射電磁波的特性來發(fā)現(xiàn)目標(biāo)并確定目標(biāo)的距離、方位、高度和速度等參數(shù)的。因此, 雷達(dá)工作時要求發(fā)射一種特定的大功率無線電信號。發(fā)射機(jī)在雷達(dá)中就是起這一作用的, 也就是說, 它為雷達(dá)提供一個

2、載波受到調(diào)制的大功率射頻信號, 經(jīng)饋線和收發(fā)開關(guān)由天線輻射出去。 第 2 章 雷 達(dá) 發(fā) 射 機(jī) 圖 2.1 單級振蕩式發(fā)射機(jī) 脈沖調(diào)制器大功率射頻振蕩器電 源定時信號至天線TrTrTr第 2 章 雷 達(dá) 發(fā) 射 機(jī) 圖 2.2 主振放大式發(fā)射機(jī) 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)制器定時器主控振蕩器射頻放大鏈電 源觸發(fā)脈沖至天線第 2 章 雷 達(dá) 發(fā) 射 機(jī) 單級振蕩式發(fā)射機(jī)與主振放大式發(fā)射機(jī)相比，最大的優(yōu)點是簡單、經(jīng)濟(jì), 也比較輕便。實踐表明, 同樣的功率電平, 單級振蕩式發(fā)射機(jī)大約只有主振放大式重量的1/3。因此, 只要有可能, 還是盡量優(yōu)先采用單

3、級振蕩式方案。但是, 當(dāng)整機(jī)對發(fā)射機(jī)有較高要求時, 單級振蕩式發(fā)射機(jī)往往無法滿足而必須采用主振放大式發(fā)射機(jī)。 第 2 章 雷 達(dá) 發(fā) 射 機(jī) 2.2 雷達(dá)發(fā)射機(jī)的主要質(zhì)量指標(biāo)雷達(dá)發(fā)射機(jī)的主要質(zhì)量指標(biāo) 1. 工作頻率或波段工作頻率或波段 雷達(dá)的工作頻率或波段是按照雷達(dá)的用途確定的。為了提高雷達(dá)系統(tǒng)的工作性能和抗干擾能力, 有時還要求它能在幾個頻率上跳變工作或同時工作。工作頻率或波段的不同對發(fā)射機(jī)的設(shè)計影響很大, 它首先牽涉到發(fā)射管種類的選擇, 例如目前在1000MHz以下主要采用微波三、四極管, 在1 000 MHz以上則有多腔磁控管、 大功率速調(diào)管、行波管以及前向波管等。目前各類發(fā)射管所能提供

4、的射頻功率與帶寬能力如圖2.3所示。第 2 章 雷 達(dá) 發(fā) 射 機(jī) 2. 輸出功率輸出功率 發(fā)射機(jī)的輸出功率直接影響雷達(dá)的威力和抗干擾能力。 通常規(guī)定發(fā)射機(jī)送至天線輸入端的功率為發(fā)射機(jī)的輸出功率。 有時為了測量方便, 也可以規(guī)定在指定負(fù)載上(饋線上一定的電壓駐波比)的功率為發(fā)射機(jī)的輸出功率。如果是波段工作的發(fā)射機(jī)，則還應(yīng)規(guī)定在整個波段中輸出功率的最低值, 或者規(guī)定在波段內(nèi)輸出功率的變化不得大于多少分貝。 第 2 章 雷 達(dá) 發(fā) 射 機(jī) 圖 2.3 微波發(fā)射管功率與帶寬能力現(xiàn)狀 123451010010000.11110100100010 000平均功率/kW功率 / MW0.010.10.11

5、.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)第 2 章 雷 達(dá) 發(fā) 射 機(jī) 脈沖雷達(dá)發(fā)射機(jī)的輸出功率又可分為峰值功率Pt和平均功率Pav。Pt是指脈沖期間射頻振蕩的平均功率(注意不要與射頻正弦振蕩的最大瞬功率相混淆)。Pav是指脈沖重復(fù)周期內(nèi)輸出功率的平均值。如果發(fā)射波形是簡單的矩形脈沖列, 脈沖寬度為, 脈沖重復(fù)周期為Tr, 則有 rtrtavfPTPP式中的fr=1/Tr是脈沖重復(fù)頻率。/Tr=fr稱作雷達(dá)的工作

6、比D。 常規(guī)的脈沖雷達(dá)工作比的典型值為D=0.001, 但脈沖多卜勒雷達(dá)的工作比可達(dá)10-2數(shù)量級, 甚至達(dá)10-1數(shù)量級。顯然, 連續(xù)波雷達(dá)的D=1。 第 2 章 雷 達(dá) 發(fā) 射 機(jī) 3. 總效率總效率 發(fā)射機(jī)的總效率是指發(fā)射機(jī)的輸出功率與它的輸入總功率之比。 因為發(fā)射機(jī)通常在整機(jī)中是最耗電和最需要冷卻的部分, 有高的總效率, 不僅可以省電, 而且對于減輕整機(jī)的體積重量也很有意義。對于主振放大式發(fā)射機(jī), 要提高總效率, 特別要注意改善輸出級的效率。 第 2 章 雷 達(dá) 發(fā) 射 機(jī) 4. 信號形式信號形式(調(diào)制形式調(diào)制形式) 表表 2.1 雷達(dá)的常用信號形式雷達(dá)的常用信號形式 第 2 章 雷

7、達(dá) 發(fā) 射 機(jī) 圖 2.4 三種典型雷達(dá)信號和調(diào)制波形 Trtt(a)Tr(b)0(c)tttt第 2 章 雷 達(dá) 發(fā) 射 機(jī) 5 . 信號的穩(wěn)定度或頻譜純度信號的穩(wěn)定度或頻譜純度 信號的穩(wěn)定度是指信號的各項參數(shù), 例如信號的振幅、 頻率(或相位)、 脈沖寬度及脈沖重復(fù)頻率等是否隨時間作不應(yīng)有的變化。后面將會分析到, 雷達(dá)信號的任何不穩(wěn)定都會給雷達(dá)整機(jī)性能帶來不利的影響。例如對動目標(biāo)顯示雷達(dá), 它會造成不應(yīng)有的系統(tǒng)對消剩余, 在脈沖壓縮系統(tǒng)中會造成目標(biāo)的距離旁瓣以及在脈沖多卜勒系統(tǒng)中會造成假目標(biāo)等。信號參數(shù)的不穩(wěn)定可分為規(guī)律性的與隨機(jī)性的兩類, 規(guī)律性的不穩(wěn)定往往是由電源濾波不良、機(jī)械震動等原

8、因引起的, 而隨機(jī)性的不穩(wěn)定則是由發(fā)射管的噪聲和調(diào)制脈沖的隨機(jī)起伏所引起的。 第 2 章 雷 達(dá) 發(fā) 射 機(jī) 圖 2.5 矩形射頻脈沖列的理想頻譜 相對振幅Tr1fsinff01f0f01第 2 章 雷 達(dá) 發(fā) 射 機(jī) 圖 2.6 實際發(fā)射信號的頻譜 20 40 60 80 1000123信號的第一譜線離 散 型寄生輸出分布型寄生輸出fm / kHz /(dB/Hz)04第 2 章 雷 達(dá) 發(fā) 射 機(jī) 對于分布性的寄生輸出則以偏離載頻若干赫的傅里葉頻率(以fm表之)上每單位頻帶的單邊帶功率與信號功率之比來衡量, 其單位以dB/Hz計。由于分布性寄生輸出對于fm的分布是不均勻的, 所以信號頻譜純

9、度是fm的函數(shù), 通常用L(fm)表示。假如測量設(shè)備的有效帶寬不是1 Hz而是BHz, 那么所測得的分貝值與L(fm)的關(guān)系可近似認(rèn)為等于 HzdBBBfLm/lg10lg10)(信號功率帶寬內(nèi)的單邊帶功率現(xiàn)代雷達(dá)對信號的頻譜純度提出了很高的要求, 例如對于脈沖多卜勒雷達(dá)一個典型的要求是-80 dB。為了滿足信號頻譜純度的要求, 發(fā)射機(jī)需要精心的設(shè)計。 第 2 章 雷 達(dá) 發(fā) 射 機(jī) 2.3 單級振蕩和主振放大式發(fā)射機(jī)單級振蕩和主振放大式發(fā)射機(jī) 2.3.1 單級振蕩式發(fā)射機(jī)單級振蕩式發(fā)射機(jī) 圖 2.7 單級振蕩式發(fā)射機(jī)組成方框圖 預(yù)調(diào)器調(diào)制器振蕩器發(fā)射機(jī)定時器顯示器接收機(jī)天線開關(guān)天線控制系統(tǒng)電

10、源、控制、保護(hù)電路(b)(c)(a)(d)天線第 2 章 雷 達(dá) 發(fā) 射 機(jī) 圖 2.8 單級振蕩式發(fā)射機(jī)各級波形 觸發(fā)脈沖0Trt(a)t預(yù)調(diào)脈沖0(b)調(diào)制脈沖(c)射頻脈沖tt00(d)第 2 章 雷 達(dá) 發(fā) 射 機(jī) 2.3.2 主振放大式發(fā)射機(jī)的特點主振放大式發(fā)射機(jī)的特點 1. 具有很高的頻率穩(wěn)定度具有很高的頻率穩(wěn)定度 在雷達(dá)整機(jī)要求有很高的頻率穩(wěn)定度的情況下, 必須采用主振放大式發(fā)射機(jī)。 因為在單級振蕩式發(fā)射機(jī)中, 信號的載頻直接由大功率振蕩器決定。由于振蕩管的預(yù)熱漂移、溫度漂移、 負(fù)載變化引起的頻率拖曳效應(yīng)、 電子頻移、 調(diào)諧游移以及校準(zhǔn)誤差等原因, 單級振蕩式發(fā)射機(jī)難于達(dá)到高的頻

11、率精度和穩(wěn)定度。 在主振放大式發(fā)射機(jī)中, 如前所述, 載頻的精度和穩(wěn)定度在低電平級決定, 較易采取各種穩(wěn)頻措施, 例如恒溫、防震、穩(wěn)壓以及采用晶體濾波、注入穩(wěn)頻及鎖相穩(wěn)頻等措施, 所以能夠得到很高的頻率穩(wěn)定度。 第 2 章 雷 達(dá) 發(fā) 射 機(jī) 2. 發(fā)射相位相參信號發(fā)射相位相參信號 在要求發(fā)射相位相參信號的雷達(dá)系統(tǒng)(例如脈沖多卜勒雷達(dá)等)中, 必須采用主振放大式發(fā)射機(jī)。所謂相位相參性，是指兩個信號的相位之間存在著確定的關(guān)系。 對于單級振蕩式發(fā)射機(jī), 由于脈沖調(diào)制器直接控制振蕩器的工作, 每個射頻脈沖的起始射頻相位是由振蕩器的噪聲決定的, 因而相繼脈沖的射頻相位是隨機(jī)的, 或者說, 這種受脈沖調(diào)

12、制的振蕩器輸出的射頻信號相位是不相參的。 所以, 有時把單級振蕩式發(fā)射機(jī)稱為非相參發(fā)射機(jī)。 第 2 章 雷 達(dá) 發(fā) 射 機(jī) 在主振放大式發(fā)射機(jī)中, 主控振蕩器提供的是連續(xù)波信號, 射頻脈沖的形成是通過脈沖調(diào)制器控制射頻功率放大器達(dá)到的。 因此， 相繼射頻脈沖之間就具有固定的相位關(guān)系。只要主控振蕩器有良好的頻率穩(wěn)定度, 射頻放大器有足夠的相位穩(wěn)定度, 發(fā)射信號就可以具有良好的相位相參性。為此, 常把主振放大式發(fā)射機(jī)稱為相參發(fā)射機(jī)。還需指出, 如果雷達(dá)系統(tǒng)的發(fā)射信號、 本振電壓、相參振蕩電壓和定時器的觸發(fā)脈沖均由同一基準(zhǔn)信號提供, 那么所有這些信號之間均保持相位相參性, 通常把這種系統(tǒng)稱為全相參系

13、統(tǒng)。 第 2 章 雷 達(dá) 發(fā) 射 機(jī) 圖 2.9 采用頻率合成技術(shù)的主振放大式發(fā)射機(jī) 分頻器 n調(diào)制器多 級放大鏈基準(zhǔn)頻率振 蕩 器倍頻器M上變頻混頻器諧 波產(chǎn)生器N1F控制器N2FN3FNkFNiF發(fā)射信號至天線f0( Ni M)F觸發(fā)脈沖fr F/nFFMFF相參振蕩電壓fC MF穩(wěn)定本振電壓fL NiF第 2 章 雷 達(dá) 發(fā) 射 機(jī) 圖2.9是采用頻率合成技術(shù)的主振放大式發(fā)射機(jī)的原理方框圖, 圖中基準(zhǔn)頻率振蕩器輸出的基準(zhǔn)信號頻率為F。在這里, 發(fā)射信號(頻率f0=NiF+MF)、穩(wěn)定本振電壓(頻率fL=NiF)、相參振蕩電壓(頻率fc=MF)和定時器的觸發(fā)脈沖(重復(fù)頻率fr=F/n)均由

14、基準(zhǔn)信號F經(jīng)過倍頻、分頻及頻率合成而產(chǎn)生, 它們之間有確定的相位相參性, 所以這是一個全相參系統(tǒng)。 第 2 章 雷 達(dá) 發(fā) 射 機(jī) 4. 能產(chǎn)生復(fù)雜波形能產(chǎn)生復(fù)雜波形 圖 2.10 能產(chǎn)生復(fù)雜波形的主振放大式發(fā)射機(jī) 波 形產(chǎn)生器主振放大式發(fā)射機(jī)收發(fā)開關(guān)控制與定時器穩(wěn) 頻振蕩器信 號處理器接收機(jī)復(fù)雜波形發(fā)射機(jī)輸出天線第 2 章 雷 達(dá) 發(fā) 射 機(jī) 2.3.3 射頻放大鏈的性能與組成射頻放大鏈的性能與組成 主振放大式發(fā)射機(jī)采用多級射頻放大鏈, 它的設(shè)計質(zhì)量與射頻放大管的選擇關(guān)系密切。關(guān)于各種微波放大管的工作原理已經(jīng)在“微波電子線路”課程中討論過, 在此僅從微波管對發(fā)射機(jī)性能影響的角度出發(fā)討論微波管

15、的選用問題。前面已經(jīng)提到, 當(dāng)雷達(dá)工作頻率在1000MHz以上時, 通常選用直線電子注微波管(O型管)和正交場型微波管(M型管)作為發(fā)射機(jī)的射頻放大管。 在表2.2中我們對高功率脈沖工作的O型管和分布發(fā)射式的M型管在同一頻段、同樣峰值功率和平均功率電平下的各項主要性能進(jìn)行了比較。在1000 MHz以下用得較多的是微波三、 四極管(柵控管), 在表2.3中列出了它們的主要性能。 第 2 章 雷 達(dá) 發(fā) 射 機(jī) 表表2.2 高功率脈沖工作的高功率脈沖工作的O型管和分布發(fā)射式型管和分布發(fā)射式M型管的性能比較型管的性能比較 第 2 章 雷 達(dá) 發(fā) 射 機(jī) 表表2.2 高功率脈沖工作的高功率脈沖工作的O

16、型管和分布發(fā)射式型管和分布發(fā)射式M型管的性能比較型管的性能比較 第 2 章 雷 達(dá) 發(fā) 射 機(jī) 表表 2.3 微波三、四極管的主要電性能微波三、四極管的主要電性能 第 2 章 雷 達(dá) 發(fā) 射 機(jī) 根據(jù)以上的比較可以知道, 選用什么微波管組成放大鏈要按實際情況具體考慮, 不存在對于一切場合都是最佳的放大鏈。 從現(xiàn)有的使用情況看, 在1000 MHz以下選用微波三、四極管組成的放大鏈, 它具有體積小、重量輕、工作電壓低、 相位穩(wěn)定性和相位特性線性度好、成本低和對負(fù)載失配容限大等優(yōu)點。 但是它的單級增益較低, 往往要求的級數(shù)較多(為提高增益，通常讓前級工作在A類, 這樣做對放大鏈的總效率影響不大)。

17、它的頻帶也不易做得寬(新型的將電路元件和管子結(jié)合在一起封裝于真空殼內(nèi)的所謂同軸管放大器以及將一系列管子結(jié)合在一起組成分布放大器的四極管鏈，則具有10 %以上乃至幾個倍頻程的帶寬)。 這種放大鏈較多用于地面遠(yuǎn)程雷達(dá)和相控陣?yán)走_(dá)中。 第 2 章 雷 達(dá) 發(fā) 射 機(jī) 在1000 MHz以上放大鏈通常有行波管-行波管、 行波管-速調(diào)管和行波管-前向波管等幾種組成方式: 1) 行波管-行波管式放大鏈 這種放大鏈具有較寬的頻帶, 可用較少的級數(shù)提供高的增益, 因而結(jié)構(gòu)較為簡單。 但是它的輸出功率往往不大, 效率也不是很高, 常應(yīng)用于機(jī)載雷達(dá)及要求輕便的雷達(dá)系統(tǒng)中。 第 2 章 雷 達(dá) 發(fā) 射 機(jī) 2) 行

18、波管-速調(diào)管放大鏈 它的特點是可以提供較大的功率, 在增益和效率方面的性能也比較好, 但是它的頻帶較窄, 速調(diào)管本身以及要求的附屬設(shè)備(如聚焦磁場及冷卻和防護(hù)設(shè)備等), 使放大鏈較為笨重, 所以這種放大鏈多用于地面雷達(dá)。 3) 行波管-前向波管放大鏈 這是一種比較好的折衷方案。 行波管雖然效率低, 用在前級對整個放大鏈影響較小, 但可以發(fā)揮其高增益的優(yōu)點。由于行波管提供了足夠的增益, 使得后級可以采用增益較低的前向波管, 而前向波管的高效率特點提高了整個放大鏈的效率, 彼此取長補(bǔ)短。 這種放大鏈頻帶較寬, 體積重量相對不大, 因而在地面的機(jī)動雷達(dá)、相控陣?yán)走_(dá)(末級通常采用多管輸出)以及某些空載

19、雷達(dá)中應(yīng)用日趨增多。 第 2 章 雷 達(dá) 發(fā) 射 機(jī) 2.3.4 射頻放大鏈應(yīng)用舉例射頻放大鏈應(yīng)用舉例 某精密跟蹤雷達(dá)用的發(fā)射機(jī), 工作在C波段, 要求輸出脈沖功率為2.5 MW, 1 dB帶寬為1 %, 射頻脈沖寬度為0.8s(前沿寬度不大于0.10.5s, 后沿寬度不大于0.150.2s), 脈沖重復(fù)頻率可在600800 Hz的范圍內(nèi)以三種不同的值跳變。 由于此雷達(dá)要求對所跟蹤的目標(biāo)進(jìn)行多卜勒測速, 所以必須用主振放大式發(fā)射機(jī), 其主振器(固體微波源)的輸出功率為20 mW、 脈沖寬度為4 s的射頻脈沖。第 2 章 雷 達(dá) 發(fā) 射 機(jī) 根據(jù)輸入和輸出功率的要求, 微波放大鏈的功率增益至少應(yīng)

20、為 dBG811020105 . 2lg1036顯然, 這樣高的功率增益單靠一級是無法達(dá)到的。根據(jù)微波管產(chǎn)生的具體情況, 選用三級級聯(lián)組成。為避免各級之間的相互影響, 級間必須用鐵氧體環(huán)流器隔離。考慮到級間損耗, 微波放大鏈的實際增益應(yīng)在83 dB以上。由于要求的輸出功率大, 功率增益高, 但帶寬并不大, 且該雷達(dá)系固定式的地面雷達(dá), 所以可以選用行波管-速調(diào)管式放大鏈。第 2 章 雷 達(dá) 發(fā) 射 機(jī) 末級選四腔大功率速調(diào)管, 它的前三腔采用參差調(diào)諧, 輸出腔為復(fù)合腔, 以保證瞬時通頻帶大于1 %。 速調(diào)管的飽和增益為32 dB。放大鏈的前級由兩級行波管組成, 第一級小功率行波管為包裝式結(jié)構(gòu)的

21、周期性永磁聚焦柵控行波管, 其最大增益為32 dB, 1 dB帶寬為7 %。 第二級是中功率行波管, 其飽和增益大于24 dB, 3 dB帶寬為2.5 %。由于工藝的限制, 中功率行波管和大功率速調(diào)管沒有柵極或調(diào)制陽級, 因此只有采用陰極脈沖調(diào)制。 第 2 章 雷 達(dá) 發(fā) 射 機(jī) 圖 2.11 發(fā)射機(jī)的組成方框圖 第一級行波管第二級行波管定 向耦合器速測管20 mW32 dB 16 W24 dB 4 kW自固體微波源0.8 s環(huán)流器環(huán)流器穩(wěn)壓電源1.3 s240 V0穩(wěn)壓電源磁場電源調(diào)制器定時器1.3 s50 V調(diào)制器01.2 s50 V0預(yù)調(diào)器1.2 s01.0 s調(diào)制器預(yù)調(diào)器磁調(diào)壓器高壓電

22、源 18 kV磁場電源0.7 s01.4 s 120 kV低壓電源中壓電源0.7 s50 V05 V0由測距機(jī)來的定時脈沖4 s0.8 s0.8 s鈦泵電源32 dB0.8 s2.5 W至天線第 2 章 雷 達(dá) 發(fā) 射 機(jī) 2.4 固固 態(tài)態(tài) 發(fā)發(fā) 射射 機(jī)機(jī) 2.4.1 發(fā)展概況和特點發(fā)展概況和特點 與微波電子管發(fā)射機(jī)相比, 固態(tài)發(fā)射機(jī)具有如下優(yōu)點:不需要陰極加熱、 壽命長。 (2) 具有很高的可靠性。 (3) 體積小、重量輕。 (4) 工作頻帶寬、效率高。 (5) 系統(tǒng)設(shè)計和運用靈活。 (6) 維護(hù)方便, 成本較低。 第 2 章 雷 達(dá) 發(fā) 射 機(jī) 表表 2.4 應(yīng)用于雷達(dá)系統(tǒng)中的各種固態(tài)

23、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 第 2 章 雷 達(dá) 發(fā) 射 機(jī) 2.4.2 固態(tài)高功率放大器模塊固態(tài)高功率放大器模塊 1. 大功率微波晶體管大功率微波晶體管 大功率微波晶體管的迅速發(fā)展, 對固態(tài)發(fā)射模塊的性能和應(yīng)用起到重要的推動作用。 在S波段以下, 通常采用硅雙極晶體管。表2.5列出了在某些雷達(dá)固態(tài)發(fā)射模塊中應(yīng)用的大功率晶體管的特性。 在S波段以上則較多采用砷化鎵場效應(yīng)管(GaAs FET),目前它們的輸出功率在810 GHz頻率上可達(dá)20 W, 而在12 GHz以上時只有幾瓦。 第 2 章 雷 達(dá) 發(fā) 射 機(jī) 表表 2.5 在某些雷達(dá)固態(tài)發(fā)射模塊中應(yīng)用的大功率晶體管特性

24、在某些雷達(dá)固態(tài)發(fā)射模塊中應(yīng)用的大功率晶體管特性 第 2 章 雷 達(dá) 發(fā) 射 機(jī) 2. 固態(tài)高功率放大器模塊固態(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), 將多個大功率晶體管的輸出功率并行組合, 即可制成固態(tài)高功率放大器模塊。 輸出功率并行組合的主要要求是高功率和高效率。根據(jù)使用要求, 主要有兩種典型的輸出功率組合方式。圖 2.12(a)是空間合成的輸出結(jié)構(gòu), 主要用于相控陣?yán)走_(dá)。由于沒有微波功率合成網(wǎng)絡(luò)的插入損耗, 因此輸出功率的效率很高。 第 2 章 雷 達(dá) 發(fā) 射 機(jī) 圖 2.12 固態(tài)功率放大器輸出功率組合方式(a) 空間合成方式; (b) 集中合成輸出結(jié)構(gòu); (c) 集中

25、合成輸出結(jié)構(gòu)的固態(tài)高效模塊 (a)11: n12 n1n1:11: n2132 n2輸入P n2AA第 2 章 雷 達(dá) 發(fā) 射 機(jī) 圖 2.12 固態(tài)功率放大器輸出功率組合方式(a) 空間合成方式; (b) 集中合成輸出結(jié)構(gòu); (c) 集中合成輸出結(jié)構(gòu)的固態(tài)高效模塊 11: n12 n1n1:11: n2132 n2輸入n2:1P n2A損耗(b)A第 2 章 雷 達(dá) 發(fā) 射 機(jī) 圖 2.12 固態(tài)功率放大器輸出功率組合方式(a) 空間合成方式; (b) 集中合成輸出結(jié)構(gòu); (c) 集中合成輸出結(jié)構(gòu)的固態(tài)高效模塊 1: n11n1: 12 n112 n21: n2n2: 13C邏輯SW輸入集電

26、極電壓輸出(c)第 2 章 雷 達(dá) 發(fā) 射 機(jī) 2.4.3 微波單片集成微波單片集成(MMIC) 收發(fā)模塊收發(fā)模塊 微波單片集成電路(MMIC)的最新發(fā)展, 使固態(tài)收發(fā)模塊在相控陣?yán)走_(dá)中的應(yīng)用達(dá)到實用階段。微波單片集成電路采用了新的模塊化設(shè)計方法, 將固態(tài)收發(fā)模塊中的有源器件(線性放大器、低噪聲放大器、飽和放大器或有源開關(guān)等)和無源器件(電阻、電容、電感、二極管和傳輸線等)制作在同一塊砷化鎵(GaAs)基片上, 從而大大提高了固態(tài)收發(fā)模塊的技術(shù)性能, 使成品的一致性好, 尺寸小, 重量輕。 第 2 章 雷 達(dá) 發(fā) 射 機(jī) 圖2.13示出典型的微波單片集成收發(fā)模塊的組成框圖。 收發(fā)模塊主要由功率

27、放大器、低噪聲放大器、寬帶放大器、移相器、衰減器、限幅收發(fā)開關(guān)和環(huán)行器等部件組成, 具有高集成度、 高可靠性和多功能特點。 第 2 章 雷 達(dá) 發(fā) 射 機(jī) 圖 2.13 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第 2 章 雷 達(dá) 發(fā) 射 機(jī) 近年來微波單片集成收發(fā)模塊發(fā)展很快, 并且已經(jīng)成為相控陣?yán)走_(dá)的關(guān)鍵部件。從超高頻波段至厘米波波段, 都有可供實用的微波單片集成收發(fā)模塊, 表2.6列出了從L波段至X波段的幾種集成收發(fā)模塊的主要性能參數(shù)及其

28、體積和重量。 微波單片集成收發(fā)模塊的主要優(yōu)點如下: (1) 成本低。因為由有源和無源器件構(gòu)成的高集成度和多功能電路是用批量生產(chǎn)工藝制作在相同的基片上的, 它不需要常規(guī)的電路焊接裝配過程, 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), 沒有常規(guī)分離元件電路的硬線連接和元件組裝過程, 因此單片集成收發(fā)模塊的可靠性大大提高。 第 2 章 雷 達(dá) 發(fā) 射 機(jī) 表表 2.6 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) 第 2 章 雷 達(dá) 發(fā) 射 機(jī) (3) 電路性能一致性好、成品率高。單片集成收發(fā)模塊是在相同的基片上批量生產(chǎn)

29、制作的, 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。有源和無源器件制作在同一塊砷化鎵基片上, 電路的集成度很高, 它的尺寸和重量與常規(guī)的分離元件制作的收發(fā)模塊相比越來越小。如表2.6所示, L波段的單片集成收發(fā)模塊的尺寸為67.2 cm2, 重量僅為4盎司 (即0.113 kg)。 第 2 章 雷 達(dá) 發(fā) 射 機(jī) 2.4.4 固態(tài)發(fā)射機(jī)的應(yīng)用固態(tài)發(fā)射機(jī)的應(yīng)用 1. 在相控陣?yán)走_(dá)中的應(yīng)用在相控陣?yán)走_(dá)中的應(yīng)用 固態(tài)模塊在相控陣?yán)走_(dá)中的應(yīng)用已受到重視。 相控陣天線中的每個輻射元由單個的固態(tài)收發(fā)模塊組成。相控陣天線利用電掃描方式, 使每個固態(tài)模塊輻射的能

30、量在空間合成為所需要的高功率輸出, 從而避免了采用微波網(wǎng)絡(luò)合成功率所引起的損耗。 第 2 章 雷 達(dá) 發(fā) 射 機(jī) 圖 2.14 典型的L波段相控陣發(fā)射/接收模塊 1 2 3 4 5 6 7移相器T/R開關(guān)低噪聲放大器限幅器T/R開關(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12(T/R) 2(T/R) 1控制信號假負(fù)載第 2 章 雷 達(dá) 發(fā) 射 機(jī) 在發(fā)射狀態(tài), 邏輯控制電路發(fā)出指令, 使移相器收發(fā)開關(guān)處于發(fā)射方式(即保證移相器與預(yù)放大器接通)。射頻信號經(jīng)過移相器加到由硅雙極晶體管組成的預(yù)放大器和功率放大器上, 再經(jīng)過環(huán)行器后直接激勵相控陣天線中的某個陣元。在接收狀態(tài), 邏

31、輯控制電路使移相器收發(fā)開關(guān)處于接收方式(即保證低噪聲放大器與移相器接通), 由天線陣元接收到的射頻回波信號經(jīng)環(huán)行器和限幅器收發(fā)開關(guān)后加至低噪聲放大器, 然后再經(jīng)過移相器送至射頻綜合網(wǎng)絡(luò)。 射頻綜合網(wǎng)絡(luò)合成從各個陣元的發(fā)射/接收組件返回的射頻回波信號, 最后送至由計算機(jī)控制的相控陣?yán)走_(dá)信號處理機(jī)。 第 2 章 雷 達(dá) 發(fā) 射 機(jī) 2. 在全固態(tài)化高可靠性雷達(dá)中的應(yīng)用在全固態(tài)化高可靠性雷達(dá)中的應(yīng)用 圖 2.15 L波段高可靠性全固態(tài)化發(fā)射機(jī) 150 W轉(zhuǎn)換開關(guān)轉(zhuǎn)換開關(guān) 65 66(1)組合器1:8(8)組合器 1 2 64150 W1:8(8)組合器8:1150 W150 W(1)組合器8:1至控

32、制器面板至監(jiān)控器8 kW射頻輸出射頻輸入增益(損耗)電平0.7 dB33.532.819.2 dB52.019.2 dB32.819 dB69.80.93 dB68.5(dBmW)第 2 章 雷 達(dá) 發(fā) 射 機(jī) 2. 在全固態(tài)化高可靠性雷達(dá)中的應(yīng)用在全固態(tài)化高可靠性雷達(dá)中的應(yīng)用 圖2.15示出了一個L波段高可靠全固態(tài)化發(fā)射機(jī)的應(yīng)用實例。 這個固態(tài)發(fā)射機(jī)的輸出峰值功率為8 kW、平均功率為125 kW。 它的主要特點是: (1) 功率放大級采 用64個固態(tài)放大集成組件組成, 每個集成組件峰值功率為150 W、增益為20 dB、帶寬為200 MHz、效率為33 %; (2) 采用高性能的1 8功率

33、分配器和8 1的功率合成器, 保證級間有良好的匹配和高的功率傳輸效率; (3) 采用兩套前置預(yù)放大器(組件65和66), 如果一路預(yù)放大器失效, 轉(zhuǎn)換開關(guān)將自動接通另一路。 上述三點使這個固態(tài)發(fā)射機(jī)具有高可靠性, 而且體積小、重量輕、 機(jī)動性好。 第 2 章 雷 達(dá) 發(fā) 射 機(jī) 3. 在連續(xù)波體制對空監(jiān)視雷達(dá)系統(tǒng)中的應(yīng)用在連續(xù)波體制對空監(jiān)視雷達(dá)系統(tǒng)中的應(yīng)用 圖 2.16 用于連續(xù)波對空監(jiān)視雷達(dá)系統(tǒng)的固態(tài)發(fā)射機(jī) 320 W144144個發(fā)射模塊320 W144144個發(fā)射模塊末前級激勵2320 W 功率18 路輸出1.8 kW1.8 kW6 個模塊6 個模塊激勵級320 W功率2592320 W

34、第 2 章 雷 達(dá) 發(fā) 射 機(jī) 圖2.16示出一種用于連續(xù)波體制對空監(jiān)視雷達(dá)系統(tǒng)的固態(tài)發(fā)射機(jī)的組成框圖。這個連續(xù)波對空監(jiān)視雷達(dá)提供高空衛(wèi)星及其它空中目標(biāo)的檢測和跟蹤數(shù)據(jù),工作頻率為217 MHz。為了提高雷達(dá)系統(tǒng)的性能, 用固態(tài)發(fā)射機(jī)直接代替了原來體積龐大, 效率較低的電子管發(fā)射機(jī)。整個天線陣面由2592個相控陣偶極子輻射器組成。每個輻射器直接由一個平均功率為320 W的固態(tài)發(fā)射模塊驅(qū)動。由于固態(tài)發(fā)射模塊與偶極子輻射器采用了一體化結(jié)構(gòu), 與電子管發(fā)射機(jī)相比, 功率傳輸效率提高了1 dB。2592個固態(tài)發(fā)射模塊輸出的總平均功率為830 kW, 當(dāng)考慮天線陣面的增益時, 在空中合成的有效輻射功率高

35、達(dá)98 dBW 。 第 2 章 雷 達(dá) 發(fā) 射 機(jī) 與原來的電子管發(fā)射機(jī)相比, 這個固態(tài)發(fā)射機(jī)具有如下優(yōu)點: (1) 高效率、低損耗。由于2592個固態(tài)發(fā)射模塊與對應(yīng)的偶極子輻射器在結(jié)構(gòu)上是一體化的, 沒有電子管發(fā)射機(jī)必不可少的微波功率輸出分配網(wǎng)絡(luò)帶來的損耗, 整個發(fā)射機(jī)的效率為52.6 %, 比原來電子管發(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故障間隔時間已超過100 000 h, 整個發(fā)射系統(tǒng)的可靠性為0.9998。 (3) 體積小、重量輕、維護(hù)方便。原來的發(fā)射機(jī)由18個輸出功率為50 kW的高功率電子管末級放大器組成, 需要的附加安全防護(hù)

36、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。 第 2 章 雷 達(dá) 發(fā) 射 機(jī) 表表 2.7 典型的固態(tài)發(fā)射模塊的性能參數(shù)典型的固態(tài)發(fā)射模塊的性能參數(shù) 第 2 章 雷 達(dá) 發(fā) 射 機(jī) 表表2.8 連續(xù)波對空監(jiān)視雷達(dá)固態(tài)發(fā)射機(jī)和電子管發(fā)射機(jī)性連續(xù)波對空監(jiān)視雷達(dá)固態(tài)發(fā)射機(jī)和電子管發(fā)射機(jī)性 第 2 章 雷 達(dá) 發(fā) 射 機(jī) 2.5 脈脈 沖沖 調(diào)調(diào) 制制 器器 圖 2.17 脈沖調(diào)制器的組成方框 充電元件儲能元件(電容器或人工線)耦合元件(脈沖變壓器)調(diào)制開關(guān)(剛性的或軟性的)電源部分射 頻發(fā)生器第 2 章 雷

37、達(dá) 發(fā) 射 機(jī) 2.5.1 剛性開關(guān)脈沖調(diào)制器剛性開關(guān)脈沖調(diào)制器 根據(jù)負(fù)載的不同, 剛性開關(guān)脈沖調(diào)制器又可分為陰極脈沖調(diào)制器、 調(diào)制陽極脈沖調(diào)制器和柵極脈沖調(diào)制器。陰極脈沖調(diào)制器是直接或通過耦合元件(脈沖變壓器)去控制射頻發(fā)生器的全部電子注功率的。調(diào)制陽極脈沖調(diào)制器雖然一般也要提供全部電子注電壓, 但由于調(diào)制陽極截獲的電流很小, 因而它主要在脈沖的起始和結(jié)束時給分布電容充電和放電提供較大的電流。柵極脈沖調(diào)制器和調(diào)制陽極脈沖調(diào)制器相似, 不過超高頻管的柵極總是做成具有高放大系數(shù)的控制極, 所以要求的調(diào)制電壓要小得多, 可以采用低壓元件和技術(shù)。 第 2 章 雷 達(dá) 發(fā) 射 機(jī) 1. 陰極脈沖調(diào)制器

38、陰極脈沖調(diào)制器 剛性開關(guān)陰極脈沖調(diào)制器的典型線路如圖2.18所示。圖中V1是剛性開關(guān)管, C是儲能電容, V2是作為調(diào)制器負(fù)載的磁控管, 電阻R1是充電元件, 電感L和二極管V3構(gòu)成儲能元件的充電通路并用來改善調(diào)制脈沖的下降邊。把圖2.18的線路與一般的視頻脈沖放大器相比可以看出, 剛性開關(guān)陰極脈沖調(diào)制器本質(zhì)上就是一個視頻脈沖放大器, 只不過在設(shè)計上要充分注意到它在大功率下運用, 并要保證射頻發(fā)生器所要求的良好波形罷了。 第 2 章 雷 達(dá) 發(fā) 射 機(jī) 圖 2.18 剛性開關(guān)陰極調(diào)制器的典型線路 ER1CV1LV3C0V2Eg第 2 章 雷 達(dá) 發(fā) 射 機(jī) 圖 2.19 用脈沖變壓器耦合的陰極

39、脈沖調(diào)制器 高壓電源R1L1CV第 2 章 雷 達(dá) 發(fā) 射 機(jī) 為了適應(yīng)多種脈沖寬度和高工作比的工作, 往往采用把高壓電源、調(diào)制管和負(fù)載三者串聯(lián)起來的方式, 如圖2.20所示, 我們把它叫做串聯(lián)式陰極脈沖調(diào)制器, 以與圖2.18所示的高壓電源、調(diào)制管和負(fù)載三者并聯(lián)的并聯(lián)式陰極脈沖調(diào)制器相區(qū)別。串聯(lián)式調(diào)制器與并聯(lián)式相比有以下優(yōu)點: 第一, 串聯(lián)式調(diào)制器省去了重復(fù)充電電路, 所以可適用于高重復(fù)頻率工作, 特別適用于脈沖串工作, 那里可能要求串內(nèi)的各脈沖間的間隔很小; 第二, 串聯(lián)式調(diào)制器的儲能電容就是高壓電源的濾波電容器組, 只要這個電容足夠大, 就可以適應(yīng)各種不同的脈沖寬度工作; 第三, 一般說

40、來, 串聯(lián)式調(diào)制器的體積要比并聯(lián)式的小些, 因為并聯(lián)式調(diào)制器除了需要儲能電容外, 高壓電源輸出端還需要有一個電容, 以盡量減小脈沖負(fù)載對電源的影響。此外,并聯(lián)式調(diào)制器還需要充電元件和旁通元件等。但是, 串聯(lián)式調(diào)制器有一個最大的缺點, 就是調(diào)制管的柵極電源、簾柵電源、燈絲電源及柵極激勵電路等都是處在對地有高壓變動的電位上, 這樣就使得結(jié)構(gòu)大大復(fù)雜。因此, 一般常規(guī)雷達(dá)還是較多地采用并聯(lián)式陰極脈沖調(diào)制器。 第 2 章 雷 達(dá) 發(fā) 射 機(jī) 圖 2.20 串聯(lián)式陰極脈沖調(diào)制器 高壓電源C第 2 章 雷 達(dá) 發(fā) 射 機(jī) 2. 調(diào)制陽極脈沖調(diào)制器調(diào)制陽極脈沖調(diào)制器 為了減小調(diào)制器的尺寸和調(diào)制功率, 對于具

41、有調(diào)制陽極或柵極的O型管, 可以采用調(diào)制陽極調(diào)制或柵極調(diào)制。這樣做還可以避免電子注電壓(陰極電壓)在上升與下降過程中產(chǎn)生寄生的模振蕩。由于O型管的調(diào)制陽極與柵極所截獲的電流只有電子注電流的很小一部分(約為0.1 %到1 %), 因而它對調(diào)制器呈現(xiàn)的是一個高歐姆電阻, 同時并聯(lián)著它自身的分布電容、 雜散電容以及調(diào)制器的輸出電容, 也就是說， 它呈現(xiàn)的基本上是一個電容性負(fù)載。由于這個原因, 要采用類似上述陰極調(diào)制器的線路是不成功的, 通常采用的是一種稱之為浮動板調(diào)制器的線路, 如圖2.21所示。 第 2 章 雷 達(dá) 發(fā) 射 機(jī) 圖 2.21 浮動板調(diào)制器 偏 壓 與激勵電路偏 壓偏 壓 與激勵電路

42、V2RV1E前沿觸發(fā)00后沿觸發(fā)0后沿觸發(fā)浮動板C0第 2 章 雷 達(dá) 發(fā) 射 機(jī) 線路的工作原理是: 在脈沖間歇期, 接通管和截尾管都不導(dǎo)電, 通過泄放電阻R使O型管調(diào)制陽板和陰極維持在負(fù)偏壓上, 因此O型管的電子注電流被截止。當(dāng)接通管V1受到激勵而進(jìn)入導(dǎo)通狀態(tài)時, 調(diào)制陽極的分布電容C0被充電, 浮動板隨之被短接到近于地電位, 形成輸出脈沖前沿, 此時調(diào)制陽極與陰極之間的電位差接近于電子注電壓E, O型管開始工作, 在脈沖寬度期間, 接通管保持在導(dǎo)通狀態(tài), 使調(diào)制陽極也繼續(xù)維持在近于地電位, 形成調(diào)制脈沖平頂。當(dāng)截尾管受到激勵而開啟時(接通管的激勵電路同時使接通管斷開), 分布電容C0通過偏壓電源和截尾管迅速放電, 調(diào)制陽極重新回到相對于陰極為負(fù)偏壓的電位差, 形成調(diào)制脈沖的后沿2,