雷達(dá)發(fā)射機(jī)的分類、主要性能指標(biāo)及器件介紹

雷達(dá)發(fā)射機(jī)的任務(wù)

雷達(dá)是利用目標(biāo)反射電磁波的特性來(lái)發(fā)現(xiàn)目標(biāo)并確定目標(biāo)距離等信息的。因而，雷達(dá)工作時(shí)要求發(fā)射一種特定的大功率信號(hào)。

發(fā)射機(jī)為雷達(dá)提供一個(gè)載波受到特定調(diào)制的大功率射頻信號(hào)，并使該射頻信號(hào)經(jīng)饋線和收發(fā)開(kāi)關(guān)由天線輻射出去。

雷達(dá)發(fā)射機(jī)的任務(wù)性質(zhì)決定了其必須具有以下特點(diǎn)：

發(fā)射機(jī)必須具有合適的射頻帶寬

發(fā)射機(jī)必須具有高射頻穩(wěn)定性才能滿足信號(hào)處理要求

發(fā)射機(jī)必須易于調(diào)制以滿足波形設(shè)計(jì)要求

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

發(fā)射機(jī)的分類

雷達(dá)發(fā)射機(jī)通常分為脈沖調(diào)制式發(fā)射機(jī)和連續(xù)波發(fā)射機(jī)。接下來(lái)主要講脈沖調(diào)制式發(fā)射機(jī)，脈沖調(diào)制式發(fā)射機(jī)又分為單級(jí)振蕩式發(fā)射機(jī)和主振放大式發(fā)射機(jī)兩類。

其中單級(jí)振蕩式發(fā)射機(jī)又可以分為兩種：一種是初期雷達(dá)使用的三極管、四極管振蕩式發(fā)射機(jī)，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(jī)，其工作頻段可覆蓋 L 波段至 Ka 波段。雷達(dá)工作頻率圖如下圖所示。

單級(jí)振蕩式發(fā)射機(jī)組成比較簡(jiǎn)單，成本比較低，但性能差：頻率穩(wěn)定度低，難以產(chǎn)生復(fù)雜波形信號(hào)。如下圖所示。

其產(chǎn)生的大功率射頻信號(hào)是直接由一級(jí)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(jí)振蕩器的輸出是受到調(diào)制的大功率射頻信號(hào)。裝有單級(jí)振蕩式發(fā)射機(jī)的雷達(dá)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(jī)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(jí)功能來(lái)看，主控振蕩器用來(lái)產(chǎn)生低功率、高穩(wěn)定的射頻信號(hào);放大射頻鏈用來(lái)放大射頻信號(hào)，即提高信號(hào)的功率電平，達(dá)到發(fā)射所需要的功率。

主振放大式發(fā)射機(jī)組成相對(duì)復(fù)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(hào)，產(chǎn)生復(fù)雜波形信號(hào)，可實(shí)現(xiàn)脈沖壓縮和帶寬頻率捷變等工作。

雷達(dá)發(fā)射機(jī)的器件介紹

19世紀(jì)末20世紀(jì)初，最早的“雷達(dá)”都使用火花隙(LC諧振電路)作為發(fā)射機(jī)。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(jī)得到了廣泛的應(yīng)用，并成功地應(yīng)用在 VHF 和 UHF 頻段雷達(dá)上。

柵控真空管的缺點(diǎn)是渡越時(shí)間效應(yīng)，這限制了其在微波頻段的應(yīng)用，但柵控真空管的改進(jìn)型號(hào)在 1000MHz 的頻段也有成功的應(yīng)用。

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

但磁控管只是一個(gè)由調(diào)制器啟動(dòng)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(yùn)行;且磁控管開(kāi)始振蕩時(shí)初始相位是隨機(jī)的，不易實(shí)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(méi)有得到有效的應(yīng)用。速調(diào)管放大器具有輸出功率高、增益大、穩(wěn)定性強(qiáng)、噪聲輸出低等優(yōu)點(diǎn)，被認(rèn)為是首選的微波功率源器件。速調(diào)管的缺點(diǎn)是相對(duì)帶寬窄(8% 左右)，要達(dá)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(shí)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(shí)，帶寬減小;而速調(diào)管放大器是功率增大時(shí)，它的帶寬也增大。

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

固態(tài)晶體管放大器由硅二極管和砷化鎵場(chǎng)效應(yīng)管構(gòu)成，單個(gè)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(qiáng)、易于維護(hù)、壽命長(zhǎng)。為了提高效率，晶體管可以并聯(lián)工作，而且可以用多級(jí)來(lái)提高其增益。

發(fā)射機(jī)的主要性能指標(biāo)

工作頻率和瞬時(shí)帶寬

雷達(dá)發(fā)射機(jī)的頻率是按照雷達(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(shí)還要求發(fā)射機(jī)能在多個(gè)頻率或多個(gè)波段上跳變工作或同時(shí)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(dá)的測(cè)試精度及應(yīng)用環(huán)境(地面、機(jī)載、艦載或太空應(yīng)用等)以及微波功率管的技術(shù)水平等。

對(duì)于地面測(cè)控雷達(dá)、遠(yuǎn)程警戒雷達(dá)，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(dá)需要選用較高的工作頻率。大多數(shù)機(jī)載雷達(dá)因受體積、重量等因素限制，多數(shù)都選用 X 波段。

早期的遠(yuǎn)程警戒雷達(dá)工作頻率為 VHF，UHF 頻段，發(fā)射機(jī)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(jī)，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(shù)的迅速發(fā)展，固態(tài)放大器的應(yīng)用技術(shù)也趨于成熟，目前工作在 S 波段的雷達(dá)已大量采用全固態(tài)發(fā)射機(jī)。C 波段、X 波段的發(fā)射機(jī)則仍以真空管為主。

雷達(dá)發(fā)射機(jī)的瞬時(shí)帶寬是指輸出功率變化小于 1 dB 時(shí)工作頻率的可變化范圍。通常窄頻帶發(fā)射機(jī)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(jī)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(chǎng)效應(yīng)管。對(duì)于某些特殊應(yīng)用的雷達(dá)(如成像雷達(dá)和目標(biāo)識(shí)別雷達(dá)等)，信號(hào)帶寬很寬，需要采用寬帶、超寬帶雷達(dá)發(fā)射機(jī)。

輸出功率

雷達(dá)發(fā)射機(jī)的輸出功率直接影響雷達(dá)的測(cè)量范圍和抗干擾能力。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)輸出功率。有時(shí)為了測(cè)量方便，也可以規(guī)定在指定負(fù)載上(饋線上一定電壓駐波比)的功率為發(fā)射機(jī)的輸出功率。

脈沖雷達(dá)發(fā)射機(jī)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(shí)功率。平均功率是指脈沖重復(fù)周期內(nèi)的輸出功率的平均值。如果發(fā)射波形是簡(jiǎn)單的矩形射頻脈沖串，脈沖寬度為 ，脈沖重復(fù)周期為 ，則有

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

單級(jí)振蕩式發(fā)射機(jī)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(jī)則取決于輸出級(jí)(末級(jí))發(fā)射管的功率容量。考慮到耐壓和高功率擊穿等問(wèn)題，應(yīng)該通過(guò)提高其平均功率的以增大其輸出功率，而不是過(guò)分增大其峰值功率。

信號(hào)形式(調(diào)制形式)

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

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

信號(hào)的穩(wěn)定度和頻譜純度

信號(hào)的穩(wěn)定度是指信號(hào)的各項(xiàng)參數(shù)，如信號(hào)的振幅、頻率(或相位)、脈沖寬度及脈沖重復(fù)頻率等隨時(shí)間變化的程度。由于信號(hào)參數(shù)的任何不穩(wěn)定都會(huì)影響高性能雷達(dá)主要性能指標(biāo)的實(shí)現(xiàn)，因而需要對(duì)信號(hào)穩(wěn)定度提出嚴(yán)格要求。

信號(hào)參數(shù)的不穩(wěn)定可分為有規(guī)律的和隨機(jī)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(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。

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

對(duì)于某些雷達(dá)體制可能采用信號(hào)穩(wěn)定度的頻域定義較為方便。信號(hào)穩(wěn)定度在頻域中的表示又稱為信號(hào)的頻譜純度，所謂信號(hào)的頻譜純度就是指信號(hào)在應(yīng)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(hào)為例，其理想頻譜(振幅譜)是以載頻 為中心、包絡(luò)呈 sinc 函數(shù)狀、間隔為脈沖重復(fù)頻率的梳齒狀頻譜，如下圖所示。

實(shí)際上，由于發(fā)射機(jī)各部分的不穩(wěn)定性，發(fā)射信號(hào)會(huì)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(shí)在遠(yuǎn)離信號(hào)主頻譜的地方也會(huì)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(yīng)于信號(hào)的規(guī)律性不穩(wěn)定，后者相應(yīng)于信號(hào)的隨機(jī)性不穩(wěn)定。

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

對(duì)于連續(xù)分布型寄生輸出，信號(hào)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(hào)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(duì)于主頻 的分布是不均勻的，所以信號(hào)頻譜純度是 的函數(shù)，通常用 表示。通常測(cè)量設(shè)備的有效帶寬不是 1 Hz 而是 Hz，那么所測(cè)得的 dB 值與 的關(guān)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(gè)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(jiǎn)稱“相位噪聲”，即

現(xiàn)代雷達(dá)對(duì)信號(hào)的頻譜純度提出了很高的要求，例如，對(duì)于脈沖多普勒雷達(dá)發(fā)射機(jī)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(jī)需要精心設(shè)計(jì)

原文標(biāo)題：雷達(dá)發(fā)射機(jī)知識(shí)

文章出處：【微信公眾號(hào)：云腦智庫(kù)】歡迎添加關(guān)注!文章轉(zhuǎn)載請(qǐng)注明出處。

審核編輯：湯梓紅