ITURM.13141建議書

1、ITU-R M.1314-1建議書*應提請國際海事組織（IMO）、國際民用航空組織（ICAO）、國際海事無線電委員會（CIRM）、世界氣象組織（WMO）和無線電通信第1研究組和第9研究組注意本建議書。降低工作在400 MHz頻帶的雷達系統(tǒng)的無用發(fā)射（ITU-R 202/8號研究課題）（1997-2005）范圍本建議書提供了在雷達設(shè)計中，影響雷達發(fā)射機的無用發(fā)射特性的信息。也建議為使無用發(fā)射達到實際可行的最小化，應該使用的發(fā)射機輸出裝置的某些類型。國際電聯(lián)無線電通信全會，考慮到a）可用于無線電測定業(yè)務的無線電頻譜是有限的；b）如無線電規(guī)則第4.10款規(guī)定的，無線電導航業(yè)務是一種安全業(yè)務，此外，某

2、些其他類型的雷達例如氣象雷達可以完成救生功能；c）在無線電測定業(yè)務中，為了有效地完成它們的功能雷達站發(fā)射的必要帶寬是很大的；d）新出現(xiàn)的技術(shù)系統(tǒng)可能使用數(shù)字或其他技術(shù)，它們更容易受到來自雷達的無用發(fā)射的由于高峰值包絡(luò)功率造成的干擾；e）ITU-R已在研究雷達系統(tǒng)有效利用無線電頻譜的問題； f）雷達系統(tǒng)的無用發(fā)射在某些情況可能對在鄰近的和有諧波關(guān)系的頻帶上工作的其他無線電業(yè)務中的系統(tǒng)造成干擾；g)無線電規(guī)則附錄3規(guī)定了雜散或雜散域發(fā)射的最大容許功率電平，ITU-R SM.1541建議書規(guī)定了無線電測定雷達的帶外限值，建議1在選擇雷達輸出裝置時，使用包括在附件1中的影響雷達的無用發(fā)射特性的雷達發(fā)射

3、機設(shè)計因素的信息；2在實施時，在雷達中應使用最易獲得的輸出裝置技術(shù)，以減少非諧波雷達雜散發(fā)射電平；3在必要和可能時，應使用雷達輸出濾波器以降低雷達無用發(fā)射。附 件 1降低雷達系統(tǒng)的無用發(fā)射1引言對未來的頻譜利用率進行最大化，應對雷達發(fā)射機予以選擇、設(shè)計和創(chuàng)新構(gòu)造以使在雷達性能、大小、成本、重量、可靠性、可維護性等給定的限制條件下發(fā)射頻譜衰落盡可能快。發(fā)射頻譜的邊緣的衰減率（帶外發(fā)射特性）和發(fā)射基線（雜散發(fā)射）是由發(fā)射機的硬件和發(fā)射波形的結(jié)構(gòu)決定的。那些影響在下面會討論。2雷達設(shè)計因素一副雷達的功能或使命主要決定雷達的設(shè)計。雷達的功用有著千差萬別（例如: 導航、氣象觀察、風速確定、監(jiān)視、成像和測

4、繪、地形跟蹤、測高等等）且通常需要獨特的性能規(guī)范。由這些功用決定的又不在雷達設(shè)計人員控制下而直接影響著雷達設(shè)計因素的一些參數(shù)諸如: 所需發(fā)射機功率、發(fā)射機波形選擇、發(fā)射機輸出設(shè)備的選擇、天線增益、接收機靈敏度、射程和方位分辨力以及多普勒覆蓋。為改善發(fā)射頻譜控制而對雷達設(shè)計因素的明智的折衷在提高雷達系統(tǒng)和其他業(yè)務之間的兼容性中十分重要。3波形選擇和成形脈沖波形類型的選擇和波形成形的方式也對頻譜控制具有重要的影響并由此對兼容性也產(chǎn)生重要的影響。大多數(shù)雷達，特別是那些采用單功率振蕩器或功率放大器的雷達，受到使用除子脈沖之間的短暫躍遷之外具有基本等幅的脈沖的能效和熱消散的考慮的限制?？蛇x擇的波形類型是

5、有限的。甚至在受到這些限制的約束后，選擇仍對發(fā)射頻譜有著較大的影響。雷達波形可以分類，在第一層，分為普通脈沖或未調(diào)制脈沖，波形（具有“P0”的發(fā)射指定者）和脈沖內(nèi)調(diào)制波形。盡管在波形用于頻率操控陣列的情況下出現(xiàn)例外，脈沖內(nèi)調(diào)制通常適合作為實現(xiàn)脈沖壓縮的一種手段。脈沖內(nèi)調(diào)制又可進一步分成以下的子類:連續(xù)FM，或“啾聲”脈沖；步進啾聲脈沖；用于頻率操控雷達的步進頻率脈沖；離散編碼脈沖。從發(fā)射頻譜控制的立場，在波形的選擇和成形中的指導原則是盡可能地在眾多派生出的波形中去除間斷，這是因為它決定著最終頻譜衰落的斜率，頻率偏移以 dB/十倍頻完成的。各種不同的脈沖波形是由其脈沖中幅度、相位和頻率變換的不同

6、來區(qū)分的。所有脈沖波形，當然包括整個包絡(luò)上的上升沿和下降沿。其他東西也相當，希望得到逐漸和平滑的上升沿和下降沿。然而，其他東西并不總是相等。特別是交叉場設(shè)備中產(chǎn)生的脈沖要求具有快速上升沿以避免會使頻譜惡化的寄生振蕩模式的激勵。當采用的是放大器，而不是交叉場設(shè)備時，平滑、漸變的上升沿有益于實現(xiàn)頻譜控制。然而由于放大器沒有工作在接近飽和時，功率放大器的耗散通常很高，因此這種實現(xiàn)仍會相當困難；甚至當不考慮寄生振蕩時，也可促進采用快速上升沿和下降沿。連續(xù)頻率調(diào)制或啾聲、具有高脈沖壓縮比的波形或帶寬脈沖寬度產(chǎn)物具有非常陡的頻譜下降速率。這適用于線性FM 和非線性 FM 波形二者。造成這些波形的無用頻譜成

7、分的主因是采用了短脈沖上升沿。步進啾聲波形具有在整個脈沖中單調(diào)增加或單調(diào)減少的分段恒定頻率。可以把它們視為連續(xù)頻率調(diào)制啾聲的子集。而步進啾聲波形以及采用了頻率操控天線陣的非單調(diào)步進頻率波形，比連續(xù)FM啾聲波形具有更差的發(fā)射頻譜。這是因為波形中非連續(xù)的結(jié)果。通過在頻率步幅之間的接合處保持相位連續(xù)的方式來實現(xiàn)步進啾聲以去除那些不連續(xù)也許是可行的。即使這樣，在真正的連續(xù)FM 波形不發(fā)生的第一派生出的結(jié)果中也還是不連續(xù)的，且將保持，因此其頻譜不會像具有相同脈沖壓縮比的連續(xù)FM脈沖那樣好。還有某些多相編碼波形，其中弗蘭克多相編碼波形是原形，它有效地近似于啾聲波形；即它們近似“連續(xù)編碼”波形1啾聲波形有時

8、被認為是編碼波形，盡管它們的“編碼”并不是離散的。然而，這些在相位中包含了陡變的臺階，因此它們的頻譜不像連續(xù)FM 啾聲波形那樣衰落得那么陡。在這當中離散編碼雷達波形指的是那些不管怎樣都不像連續(xù)FM波形的雷達波形。由于排除了多相編碼，大多數(shù)離散編碼雷達波形可被進一步分為二相編碼和頻率編碼類型。這些種類編碼的波形既可以是Barker編碼的也可以是偽隨機二進制序列編碼的。在沒有改進的情況下，離散相位編碼波形在恒定的相位“啾聲”之間有著突然的躍變。（對于弗蘭克編碼和其他多相編碼也如此。）由此得出，它們的頻譜衰落僅為20 dB/十倍頻。但是，可用一些選擇來改善相位編碼波形的頻譜。原則上，RF驅(qū)動（激勵）

9、波形的頻譜可做成通過對調(diào)制波形的濾波或以調(diào)制的低電平驅(qū)動波形（既可以在IF也可以在RF）而任意快速的衰落。但是，在發(fā)射機功率放大器中和置于環(huán)境中的接收機中發(fā)生的頻譜再增長實際上會使那些增益逐漸消減。當采用了預調(diào)制濾波，碼片碼片的轉(zhuǎn)換逐漸代替了躍變，但是在那些包含180相位躍變的二相波形和多相波形上，由于從一個相位躍變?yōu)榱硪幌辔粫r包絡(luò)通過零點而在波形包絡(luò)中仍有零點或紋波。這并非是它自身的問題，但由于兩個因素使獲益減小。一個因素是在功率放大器設(shè)備中發(fā)生的AM-PM變換。寄生相位調(diào)制導致頻譜加寬。另一個缺點是功率放大器發(fā)射機級或受害的接收機中出現(xiàn)的任何限制又有可能在已有紋波的波形中再引入突然的躍變。

10、那些陡變的臺階轉(zhuǎn)換為具有仍為僅20dB/十倍頻衰落的頻譜邊緣的無用頻譜邊帶。有可能將頻譜再增長減輕到相當可觀的程度?？赏ㄟ^構(gòu)成不僅是在子脈沖存在的區(qū)間還包括相位躍變的區(qū)間保持幾乎不變的包絡(luò)的激活（低電平、驅(qū)動器）波形來實現(xiàn)。在這樣的波形中，180的相位躍變由通過 I-Q中或代替沿通過原點的I 或 Q軸運動的實像平面中一個半圓形的載波相位的旋轉(zhuǎn)來構(gòu)成。采用正交調(diào)制器和適當?shù)牟ㄐ纬尚坞娐返姆绞娇蓪崿F(xiàn)。另一種可供選擇的離散編碼波形類型是連續(xù)相位移頻鍵控。這些波形本質(zhì)上與應用于某些通信系統(tǒng)中的被稱為最小移位鍵控（MSK）波形是相同的。盡管有時被稱為相移鍵控波形，但由于在它們基本的未濾波形式中，瞬時頻率

11、突然變化而在每個子脈沖始終保持不變時相位是不斷變化的，因此這些波形確實是頻率編碼的。在波形本身中沒有中斷，但在第一次微分中就不連續(xù)了。因此，頻譜逼近漸進線以 40dB/十倍頻的速率衰落。此外，即使在它們的子脈沖躍變時這些波形具有恒定的包絡(luò)，因此它們對伴隨相位編碼波形發(fā)生的頻譜再增長問題具備固有的免疫。（由于掃頻波形無子脈沖，因此它們也對由限制和 AM-PM 轉(zhuǎn)換引入的頻譜再增長有免疫。）在通信系統(tǒng)中，MSK 波形的預調(diào)制濾波被廣泛應用。這種濾波也有望用于雷達，這樣發(fā)射頻譜的衰落從理論上可變得比 40dB/十倍頻更陡降。當希望發(fā)射頻譜陡降衰落時，不能不關(guān)注對射程的分辨率和多普勒覆蓋的影響而一味地

12、追求這一目標，通常用“模糊函數(shù)”的形式來表示。該函數(shù)表示從一個靶點返回得到由濾波器產(chǎn)生的匹配于發(fā)射信號的輸出信號的大小。模糊函數(shù)是目標返回的射程（時延）和多普勒漂移二者的函數(shù)。作為一個極端的例子，具有無限時間帶寬乘積（即無窮壓縮比）的線性FM 矩形脈沖波形，除了上升沿和下降沿分量之外，會具有一個極佳的矩形頻譜。但是對這樣一個波形匹配濾波器的響應對一次恒定多普勒目標返回就會有一個 sin(t)/t 響應。這樣一個響應有著僅比主響應低約13 dB的時間（即射程）旁瓣，這對要求較高的多靶分辨率的一些應用就不夠用了。匹配濾波器響應不是發(fā)射頻譜的簡單傅立葉變換。但是，有這樣一種趨向，伴隨響應中高射程的旁

13、瓣而陡降的發(fā)射頻譜，很像伴隨著發(fā)射頻譜中大旁瓣在時間波形中的陡降步幅。在某些范圍，通過接收機信號處理器對發(fā)射脈沖的失配可改善射程旁瓣的抑制，但這也引來了相關(guān)匹配濾波器的靈敏度的減損。因此需要選擇波形以使頻譜控制、射程旁瓣抑制和靈敏度之間得到合理平衡（采用些微非線性 FM 形式的掃頻波形對某些應用是較好的折衷）。但一般來說，良好的分辨率和靈敏度的要求使設(shè)計人員的選擇余地變小。此外，許多雷達應用在多普勒頻率的基本區(qū)間上要求要有幾乎一致的響應；即要求它們具有低“多普勒靈敏度”。這就對設(shè)計人員選擇波形引入了另一限制條件。在通信系統(tǒng)中，頻譜衰落的改善是通過來自字符間干擾惡化的代價的預調(diào)制濾波獲取的。不過

14、在符號間干擾變得無法接受之前，可在頻譜控制中?？色@取相當可觀的改善。在一副雷達中，可通過來自降低雷達分辨力的代價，采用預調(diào)制濾波以獲取頻譜改善。對于波形中包含圓角（由于預調(diào)制濾波造成的）也有望僅遭受由于構(gòu)建完全匹配的濾波器（或糾錯處理）的難度導致檢測靈敏度的些微損失，而不是明顯的中斷。在模擬通信系統(tǒng)的情況下，有理由認為在模糊函數(shù)或靈敏度明顯惡化之前，在頻譜控制中常可獲得相當可觀的改善。正如上面顯示的那樣，盡可能多地去除派生波形中的中斷，決定了在大頻率偏移所得到的最終頻譜衰落的斜率。這并不必須要求有很窄帶寬的濾波，盡管帶寬決定了達到最終頻譜斜率的頻率偏移。前面的討論適用于波形在其子脈沖駐留期間具

15、有恒定幅度的情況下。在波導組合器或空間功率合成結(jié)構(gòu)中，采用多個功率放大器模塊（通常是固態(tài)放大器），使得應用平滑的調(diào)幅波形成為可能。據(jù)了解在目前建造的雷達中還未采用，但這種波形將來可能會被采用。這將為從某種程度上控制雷達發(fā)射頻譜提供另一設(shè)計的自由度。4雷達輸出設(shè)備的選擇雷達發(fā)射機輸出設(shè)備的選擇不僅影響著發(fā)射機的設(shè)計，還影響著雷達的接收機和天線系統(tǒng)的設(shè)計。而且，多功能雷達系統(tǒng)的設(shè)計甚至會增加雷達輸出設(shè)備選擇的復雜性。在輸出設(shè)備選擇中的其他主要設(shè)計因素包括: 能效（DC能量至RF的轉(zhuǎn)換）、瞬時帶寬（無調(diào)節(jié)時的可用調(diào)諧帶寬）和脈沖對脈沖的相干性（對于多普勒處理非常重要的各脈沖的相對相位）、重量、大小、

16、機械強度、設(shè)備的壽命和價格。表1給出了雷達系統(tǒng)設(shè)計中要考慮的主要設(shè)計因素的輸出設(shè)備性能。正如從表1所看到的，對于峰值功率、瞬時帶寬和能效的主要設(shè)計因素，輸出設(shè)備特性有著很大的變化。應注意的是上述設(shè)計因素在雷達輸出設(shè)備的選擇中必須予以基本的考慮以保證雷達可完成其承擔的任務。雷達輸出設(shè)備雜散發(fā)射特性是在完成所有任務目標之后才需要考慮的。表1設(shè)計雷達系統(tǒng)時考慮的雷達輸出裝置特性輸出裝置峰值輸出功率范圍（kW）能量效率（）瞬時1 dB帶寬（載波頻率的）脈沖對脈沖的相干性重量（kg）大小機械強度相對壽命(1)相對成本(2)交叉場：（3）交叉場放大器磁控管（未鎖定）磁控管（鎖定）同軸磁控管60-5 000

17、20-1 00020-1 00010-3 00040-6535-7535-7535-505-12(4)(4)(4)是否是否25-651-251-252-55小好1.01.01.05.4低線性波束：耦合的空腔行波管速調(diào)管行波速調(diào)管25-20020-10 0002 000-5 00020-4030-5030-4010-151-121-12是是是10-13525-27055-65大好7.413.510.4高中高固態(tài)晶體管（平行級C模塊）：Si雙極性GaAs場效應管（5）10-90（6）20-3010-2510-3010-30是每個模塊小極好15高(1) 壽命的標準化，相對于20世紀70年代的常規(guī)磁控

18、管，并不反映更新的技術(shù)下常規(guī)磁控管更長的壽命。(2) 取決于生產(chǎn)量。(3) 交叉場輸出裝置在未來設(shè)計雷達最有可能被逐步淘汰；然而，預計在海事無線電導航系統(tǒng)中仍將會繼續(xù)使用。(4) 雖然磁控管不具有瞬時帶寬能力，可以實現(xiàn)把頻率范圍調(diào)高到工作頻率的10。(5) 一般在低于3.5 GHz使用硅（Si）雙極性模塊，在5 GHz頻帶上使用Gallium Arsenide（GaAs）模塊。(6) 取決于在輸出級組合的模塊數(shù)目。雷達發(fā)射機的雜散發(fā)射電平取決于雷達發(fā)射機中使用的輸出裝置。在雷達發(fā)射機中使用的各種輸出裝置的固有雜散發(fā)射特性的知識，是促進頻譜的有效利用和對工作在鄰近頻帶上的業(yè)務干擾最小的基礎(chǔ)。表2

19、列出了雷達系統(tǒng)使用的輸出裝置的雜散發(fā)射特性（非諧波的和諧波的）。使用交叉場輸出裝置的雷達系統(tǒng)具有固有的非諧波雜散發(fā)射電平，如果雜散發(fā)射限制大于大約60 dBc，則要求濾除。線性波束管和固態(tài)輸出裝置具有低于100 dBc固有非諧波雜散發(fā)射。所有的雷達輸出裝置都具有15到55 dBc范圍內(nèi)的諧波雜散發(fā)射，并且要求濾除以抑制諧波雜散發(fā)射。對于采用分布式輸出裝置（相位陣列）的雷達，濾波可能是不實際的。表2在3和5 GHz頻帶上系統(tǒng)的無線電測定脈沖輸出裝置雜散發(fā)射特性輸出裝置(1)雜散發(fā)射電平在1 MHz中的非諧波（dBc）諧波(2)，(3)（dBc）第2次第3次第4次交叉場：交叉場放大器磁控管（未鎖定

20、）(4)磁控管（鎖定）(4)同軸磁控管（4）35到50(5)60到80(5)75到90(5)60到75（5）254040403020202045454545線性波束：耦合的空腔TWT速調(diào)管行波速調(diào)管(6)105到115110到120105到115202020252525353535固態(tài)晶體管（平行級C模塊）：Si雙極性GaAs FET100到110100到110453555456555(1) 對工作在5 GHz以上的系統(tǒng)，任選的輸出裝置可能是更適合的。這些選項包括，但不限于螺旋/環(huán)狀條狀行波管和更新技術(shù)磁控管。(2) 列出的諧波雜散發(fā)射電平是標稱值。諧波雜散發(fā)射范圍通常是標稱值的+5 dB到1

21、0 dB。(3) 用諧波濾波器（低通）可以把諧波雜散發(fā)射電平減到100 dBc以下。(4)舊的磁控管輸出裝置固有的1模式，可能只比載波低40 dB。在啟動振蕩時期這些模式是間歇的和短期產(chǎn)生的。設(shè)計了新技術(shù)磁控管以抑制這些發(fā)射。(5)一個波導帶通濾波器可以把在交叉場裝置中的非諧波發(fā)射電平，減小到低于100 dBc。這些濾波器一般有十分之幾分貝的插入損耗。(6) 線性波束輸出裝置，根據(jù)整個空腔選擇性的特性，可能有接近載波的在80 dBc到90 dBc量級的非諧波雜散發(fā)射。5雷達輸出濾波器位于發(fā)射機輸出的RF 濾波器在抑制諧波發(fā)射中非常有用。 RF 濾波器也可用于抑制很接近基本發(fā)射而并非諧波的帶外雜

22、散發(fā)射和非諧波雜散發(fā)射。然而，對于控制相對離發(fā)射頻譜很近的部分，它們的效用就有限了。部分原因是它們的額外成本、重量和大小，且事實上許多雷達是可調(diào)的和/或采用了多種波形，某些還比其他具有大得多的必要帶寬。幾乎沒有實用的大功率 RF 濾波器可用以改裝為適應載波頻率或脈沖波形的變化，尤其要考慮這種變化可能發(fā)生在毫秒之內(nèi)。發(fā)射機的結(jié)構(gòu)對頻譜控制成功的程度也是一個重要的決定因素。在采用了多功率放大器時，發(fā)射頻譜衰減率和衰減電平受到是發(fā)射機波導內(nèi)組合的那些功率放大器的輸出，還是僅為發(fā)射之后空間中的輸出的影響。波導內(nèi)組合有效地產(chǎn)生一個對從功率放大器輸出的波形的互不相干成分的嚴重的阻抗不匹配，使得相對于放大器

23、的計入噪聲功率的輻射噪聲功率顯著地降低。在用多個放大器的陣列雷達時，一方面空間功率合成是很有吸引力的結(jié)構(gòu)，但另一方面它使放大器的所有噪聲功率都輻射出去了。在這種陣列中也限制了RF濾波的機會。部分原因是因為每個放大器都需要一個單獨的濾波器，在這種應用中放大器的數(shù)量可達成百上千。還有部分原因是濾波器之間所需的間隔達到半個波導的量級，這是因為輻射單元通常密封在一起以避免天線增益方向圖中出現(xiàn)不可接受的波瓣。這種間隔對高效濾波是不夠的。如表2所示，雷達輸出裝置的選擇在濾除非諧波雜散發(fā)射的要求方面具有主要的影響。然而，如上面提到的，選擇雷達輸出裝置不可能完全依據(jù)雜散發(fā)射特性。因為所有輸出裝置諧波雜散發(fā)射固

24、有的高電平，實際上通常通過使用諧波（低通）濾波器來抑制諧波雜散發(fā)射。為減輕來自于某些中等的和高功率雷達在鄰近于無線電測定頻帶上的雷達非諧波雜散發(fā)射頻帶，對某些雷達輸出裝置也會要求在雷達發(fā)射機后安裝帶通濾波器。它們一般應該與諧波濾波器分開，因為諧波抑制濾波器的寬阻帶特性和鄰近頻帶抑制濾波器的陡峭的截止特性通常不能一起實現(xiàn)。然而，要求的濾波器數(shù)量可以大于兩個，在有源陣列雷達中，會需要一個或兩個濾波器被插在每個功率輸出裝置和天線單元或它饋給的子陣之間。會一起要求上千個濾波器。這些濾波器的貨幣成本可能很高，因為需要非傳統(tǒng)的濾波器類型，它們有時要求增壓或排空，被要求去處理高功率和維持在寬的阻帶上要求的抑制特性。這些濾波器的使用