雷達發(fā)射機的分類、主要性能指標及器件介紹

雷達發(fā)射機的任務

雷達是利用目標反射電磁波的特性來發(fā)現(xiàn)目標并確定目標距離等信息的。因而，雷達工作時要求發(fā)射一種特定的大功率信號。

發(fā)射機為雷達提供一個載波受到特定調(diào)制的大功率射頻信號，并使該射頻信號經(jīng)饋線和收發(fā)開關由天線輻射出去。

雷達發(fā)射機的任務性質(zhì)決定了其必須具有以下特點：

發(fā)射機必須具有合適的射頻帶寬

發(fā)射機必須具有高射頻穩(wěn)定性才能滿足信號處理要求

發(fā)射機必須易于調(diào)制以滿足波形設計要求

發(fā)射機必須高效、可靠且易于維護，并且輸出設備的預期壽命和成本必須可接受

發(fā)射機的分類

雷達發(fā)射機通常分為脈沖調(diào)制式發(fā)射機和連續(xù)波發(fā)射機。接下來主要講脈沖調(diào)制式發(fā)射機，脈沖調(diào)制式發(fā)射機又分為單級振蕩式發(fā)射機和主振放大式發(fā)射機兩類。

其中單級振蕩式發(fā)射機又可以分為兩種：一種是初期雷達使用的三極管、四極管振蕩式發(fā)射機，其工作頻率為 VHF 或 UHF 頻段;另一種是磁控管振蕩式發(fā)射機，其工作頻段可覆蓋 L 波段至 Ka 波段。雷達工作頻率圖如下圖所示。

單級振蕩式發(fā)射機組成比較簡單，成本比較低，但性能差：頻率穩(wěn)定度低，難以產(chǎn)生復雜波形信號。如下圖所示。

其產(chǎn)生的大功率射頻信號是直接由一級大功率射頻振蕩器產(chǎn)生的，并受脈沖調(diào)制器的控制。因此，單級振蕩器的輸出是受到調(diào)制的大功率射頻信號。裝有單級振蕩式發(fā)射機的雷達系統(tǒng)要么是非相干的，要么是偽相干的。

主振放大式發(fā)射機原理圖如下圖所示。它由主控振蕩器(固態(tài)頻率源)和射頻放大鏈兩部分組成。

從各級功能來看，主控振蕩器用來產(chǎn)生低功率、高穩(wěn)定的射頻信號;放大射頻鏈用來放大射頻信號，即提高信號的功率電平，達到發(fā)射所需要的功率。

主振放大式發(fā)射機組成相對復雜、成本高且效率低，但其性能好：具有很高的頻率穩(wěn)定度;能發(fā)射全相參信號，產(chǎn)生復雜波形信號，可實現(xiàn)脈沖壓縮和帶寬頻率捷變等工作。

雷達發(fā)射機的器件介紹

19世紀末20世紀初，最早的“雷達”都使用火花隙(LC諧振電路)作為發(fā)射機。隨著 DeForest Lee 發(fā)明了柵控真空管(三極真空管)，真空管發(fā)射機得到了廣泛的應用，并成功地應用在 VHF 和 UHF 頻段雷達上。

柵控真空管的缺點是渡越時間效應，這限制了其在微波頻段的應用，但柵控真空管的改進型號在 1000MHz 的頻段也有成功的應用。

磁控管(Magnetron)的發(fā)明應用則克服了渡越時間效應且使小型天線成功應用于高頻段大功率發(fā)射機上。磁控管發(fā)射機 (ATC 雷達 ASR-910)如下圖所示。

但磁控管只是一個由調(diào)制器啟動的振蕩器，而柵控真空管等其他器件不僅能以振蕩器形式工作還能以放大器形式運行;且磁控管開始振蕩時初始相位是隨機的，不易實現(xiàn)脈沖的“相干性”。

速調(diào)管(Klystron)放大器比磁控管發(fā)明得更早 ，只是初期沒有得到有效的應用。速調(diào)管放大器具有輸出功率高、增益大、穩(wěn)定性強、噪聲輸出低等優(yōu)點，被認為是首選的微波功率源器件。速調(diào)管的缺點是相對帶寬窄(8% 左右)，要達到高功率、高增益就需要更高的電壓。但速調(diào)管犧牲一些其他性能可以使帶寬增大。

行波管(Traveling Wave Tube,TWT)放大器產(chǎn)生的功率接近速調(diào)管，但其在小功率時還具有非常寬的帶寬。行波管的增益通常比速調(diào)管略低，穩(wěn)定度也低于速調(diào)管。但行波管功率增大時，帶寬減小;而速調(diào)管放大器是功率增大時，它的帶寬也增大。

正交場放大器(Cross-Field Amplifier,CFA)和磁控管一樣，屬于正交場真空管，采用的磁場同電場正交。其效率高、工作電壓低且調(diào)制起來比較容易，但其增益相當?shù)汀?/p>

固態(tài)晶體管放大器由硅二極管和砷化鎵場效應管構成，單個晶體管放大器的功率和增益都低，但其工作電壓也低，且可靠性強、易于維護、壽命長。為了提高效率，晶體管可以并聯(lián)工作，而且可以用多級來提高其增益。

發(fā)射機的主要性能指標

工作頻率和瞬時帶寬

雷達發(fā)射機的頻率是按照雷達的用途確定的。為了提高雷達系統(tǒng)的工作性能和抗干擾能力，有時還要求發(fā)射機能在多個頻率或多個波段上跳變工作或同時工作。

選擇工作頻率還需要考慮電波傳播受氣候條件的影響(吸收、散射和衰減等因素)、雷達的測試精度及應用環(huán)境(地面、機載、艦載或太空應用等)以及微波功率管的技術水平等。

對于地面測控雷達、遠程警戒雷達，一般不受體積和重量限制，可選用較低的工作頻率。精密跟蹤雷達需要選用較高的工作頻率。大多數(shù)機載雷達因受體積、重量等因素限制，多數(shù)都選用 X 波段。

早期的遠程警戒雷達工作頻率為 VHF，UHF 頻段，發(fā)射機大多采用真空三極管、四極管。而在1000MHz以上(如 L、S、 C 和 X 等波段)的發(fā)射機，根據(jù)工作需要可以采用磁控管、大功率速調(diào)管、行波管及前向波管等。

隨著晶體管技術的迅速發(fā)展，固態(tài)放大器的應用技術也趨于成熟，目前工作在 S 波段的雷達已大量采用全固態(tài)發(fā)射機。C 波段、X 波段的發(fā)射機則仍以真空管為主。

雷達發(fā)射機的瞬時帶寬是指輸出功率變化小于 1 dB 時工作頻率的可變化范圍。通常窄頻帶發(fā)射機采用三極真空管、四極真空管、速調(diào)管和硅雙極晶體管。

寬帶發(fā)射機則選用行波管、前向波管、行波速調(diào)管、多注速調(diào)管和砷化錦場效應管。對于某些特殊應用的雷達(如成像雷達和目標識別雷達等)，信號帶寬很寬，需要采用寬帶、超寬帶雷達發(fā)射機。

輸出功率

雷達發(fā)射機的輸出功率直接影響雷達的測量范圍和抗干擾能力。通常規(guī)定發(fā)射機送至天線輸入端的功率為發(fā)射機輸出功率。有時為了測量方便，也可以規(guī)定在指定負載上(饋線上一定電壓駐波比)的功率為發(fā)射機的輸出功率。

脈沖雷達發(fā)射機的輸出功率可分為峰值功率 和平均功率 。峰值功率是指發(fā)射脈沖期間射頻振蕩的平均功率，它不是射頻正弦振蕩的最大瞬時功率。平均功率是指脈沖重復周期內(nèi)的輸出功率的平均值。如果發(fā)射波形是簡單的矩形射頻脈沖串，脈沖寬度為 ，脈沖重復周期為 ，則有

式中， 稱為雷達的占空比(工作比)。常見的脈沖雷達占空比只有百分之幾，連續(xù)波的占空比為百分之百。

單級振蕩式發(fā)射機的輸出功率取決于振蕩管的功率容量，主振放大式發(fā)射機則取決于輸出級(末級)發(fā)射管的功率容量?？紤]到耐壓和高功率擊穿等問題，應該通過提高其平均功率的以增大其輸出功率，而不是過分增大其峰值功率。

信號形式(調(diào)制形式)

根據(jù)雷達體制的不同，可能選用各種各樣的信號形式，常用的幾種信號形式如下圖所示。

目前應用較多的三種典型雷達信號形式和調(diào)制波形如下圖所示。圖(1)表示簡單的固定載頻矩形脈沖調(diào)制信號波形;圖(2)表示線性調(diào)頻脈沖信號波形：圖(3)表示相位編碼脈沖信號(圖中所示為5位巴克碼信號)。圖中 為脈沖寬度， 為脈重復頻率， 表示子脈沖寬度。

信號的穩(wěn)定度和頻譜純度

信號的穩(wěn)定度是指信號的各項參數(shù)，如信號的振幅、頻率(或相位)、脈沖寬度及脈沖重復頻率等隨時間變化的程度。由于信號參數(shù)的任何不穩(wěn)定都會影響高性能雷達主要性能指標的實現(xiàn)，因而需要對信號穩(wěn)定度提出嚴格要求。

信號參數(shù)的不穩(wěn)定可分為有規(guī)律的和隨機的兩類，有規(guī)律的不穩(wěn)定往往是由電源濾波不良造成的;而隨機性的不穩(wěn)定則是由發(fā)射管的噪聲和調(diào)制脈沖的隨機起伏所引起的。

信號的不穩(wěn)定可以在時域或頻域內(nèi)衡量。在時域可用信號某項參數(shù)的方差來表示，例如信號的振幅方差 、相位方差 、定時方差 以及脈沖寬度方差 等。

對于某些雷達體制可能采用信號穩(wěn)定度的頻域定義較為方便。信號穩(wěn)定度在頻域中的表示又稱為信號的頻譜純度，所謂信號的頻譜純度就是指信號在應有的頻譜之外的寄生輸出。

以典型的矩形調(diào)幅射頻脈沖信號為例，其理想頻譜(振幅譜)是以載頻 為中心、包絡呈 sinc 函數(shù)狀、間隔為脈沖重復頻率的梳齒狀頻譜，如下圖所示。

實際上，由于發(fā)射機各部分的不穩(wěn)定性，發(fā)射信號會在理想的梳齒狀譜線之外產(chǎn)生寄生輸出。如下圖所示，圖中只畫出了在主譜線周圍的寄生輸出，有時在遠離信號主頻譜的地方也會出現(xiàn)寄生輸出。

從圖中可以看出，存在兩種類型的寄生輸出：一類是離散的;另一類是連續(xù)分布的。前者相應于信號的規(guī)律性不穩(wěn)定，后者相應于信號的隨機性不穩(wěn)定。

對于離散型寄生輸出，信號頻譜純度定義為該離散分量的單邊帶功率與信號功率之比，以分貝(dB)為單位。

對于連續(xù)分布型寄生輸出，信號頻譜純度則定義為以偏離載頻若干赫茲(Hz)的每單位頻帶的單邊帶功率與信號功率之比，其單位以dB/Hz為單位。

由于連續(xù)分布型寄生輸出對于主頻 的分布是不均勻的，所以信號頻譜純度是 的函數(shù)，通常用 表示。通常測量設備的有效帶寬不是 1 Hz 而是 Hz，那么所測得的 dB 值與 的關系可近似表示為

通常把偏離載波頻率 在 1 Hz 帶寬內(nèi)的一個相位調(diào)制邊帶的功率 與載波功率 之比稱為“單邊帶相位噪聲”，簡稱“相位噪聲”，即

現(xiàn)代雷達對信號的頻譜純度提出了很高的要求，例如，對于脈沖多普勒雷達發(fā)射機頻譜純度的典要求是優(yōu)于 -80dB，為了滿足這一要求，發(fā)射機需要精心設計

原文標題：雷達發(fā)射機知識

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審核編輯：湯梓紅