雷达原理(第三版)第 2 章 雷达发射机

L(fm)10 lgB带信 宽号 内功 的率 单 1边 0 lgB 带d功 B /H率 z
现代雷达对信号的频谱纯度提出了很高的要求, 例如对于脉冲多 卜勒雷达一个典型的要求是-80 dB。为了满足信号频谱纯度的 要求, 发射机需要精心的设计。
2.3 单级振荡和主振放大式发射机
2.3.1 单级振荡式发射机
2. 输出功率
发射机的输出功率直接影响雷达的威力和抗干扰能力。 通 常规定发射机送至天线输入端的功率为发射机的输出功率。 有 时为了测量方便, 也可以规定在指定负载上(馈线上一定的电压 驻波比)的功率为发射机的输出功率。如果是波段工作的发射机， 则还应规定在整个波段中输出功率的最低值, 或者规定在波段 内输出功率的变化不得大于多少分贝。
10 000
/ 功 k W 率
均
平
4 100 0
100 3
10
5
2
功
率/
MW
100
4
微波 管 PF 2 边 界
10
32
1
1 .0
5
1
1
0 .1
1
10
100 1000
频 率 /G H z
)
(a )
0 .1
6
0 .0 1 0 .1
1 .0
10 100
频 率 /G H z
(b )
%Leabharlann 螺线行波 管100
行波速调 管
4. 信号形式(调制形式) 表 2.1 雷达的常用信号形式
Tr
(a )
Tr
0
＋＋＋ ＋
－
(b )
＋＋＋ ＋
－
t t
t t
＋ ＋＋ ＋
－
t
t (c )
图 2.4 三种典型雷达信号和调制波形
5 . 信号的稳定度或频谱纯度
信号的稳定度是指信号的各项参数, 例如信号的振幅、 频率 (或相位)、 脉冲宽度及脉冲重复频率等是否随时间作不应有的 变化。后面将会分析到, 雷达信号的任何不稳定都会给雷达整机 性能带来不利的影响。例如对动目标显示雷达, 它会造成不应有 的系统对消剩余, 在脉冲压缩系统中会造成目标的距离旁瓣以及 在脉冲多卜勒系统中会造成假目标等。信号参数的不稳定可分 为规律性的与随机性的两类, 规律性的不稳定往往是由电源滤波 不良、机械震动等原因引起的, 而随机性的不稳定则是由发射管 的噪声和调制脉冲的随机起伏所引起的。
冲重复周期为Tr, 则有
Pav Pt Tr
Ptfr
式中的fr=1/Tr是脉冲重复频率。τ/Tr=τfr称作雷达的工作比D。 常
规的脉冲雷达工作比的典型值为D=0.001, 但脉冲多卜勒雷达的
工作比可达10-2数量级, 甚至达10-1数量级。显然, 连续波雷达的
D=1。
3. 总效率
发射机的总效率是指发射机的输出功率与它的输入总功率 之比。 因为发射机通常在整机中是最耗电和最需要冷却的部 分, 有高的总效率, 不仅可以省电, 而且对于减轻整机的体积重 量也很有意义。对于主振放大式发射机, 要提高总效率, 特别要 注意改善输出级的效率。
Tr
Tr
定时信号 脉冲调制器
大功率射 频振荡器
Tr 至天线
电源
图 2.1 单级振荡式发射机
主控振荡器 固体 微波源
脉冲 调制器
射频放大链
中间射频 功率放大器
输出射频 功率放大器
至天线
脉冲 调制器
脉冲 调制器
定时器
电源
触发脉冲
图 2.2 主振放大式发射机
单级振荡式发射机与主振放大式发射机相比，最大的优点 是简单、经济, 也比较轻便。实践表明, 同样的功率电平, 单级 振荡式发射机大约只有主振放大式重量的1/3。因此, 只要有可 能, 还是尽量优先采用单级振荡式方案。但是, 当整机对发射机 有较高要求时, 单级振荡式发射机往往无法满足而必须采用主 振放大式发射机。
相
对
1
振 幅
Tr
sinf f
f0－
1
f0
f0＋
1
图 2.5 矩形射频脉冲列的理想频谱
/(dB/Hz)
0 － 20 － 40 － 60 － 80 － 100
0
分布型寄生输出
信号的 第一谱线
离散型 寄生输出
1
2
3
4
fm / kHz
图 2.6 实际发射信号的频谱
对于分布性的寄生输出则以偏离载频若干赫的傅里叶频率 (以fm表之)上每单位频带的单边带功率与信号功率之比来衡量, 其单位以dB/Hz计。由于分布性寄生输出对于fm的分布是不均匀 的, 所以信号频谱纯度是fm的函数, 通常用L(fm)表示。假如测量 设备的有效带宽不是1 Hz而是ΔBHz, 那么所测得的分贝值与L(fm) 的关系可近似认为等于
电源、控制、 保护电路
预调器
调制器
振荡器
(b)
(c)
(a)
发射机
定时器
显示器
接收机
(d) 天线
天线 开关
天线控 制系统
图 2.7 单级振荡式发射机组成方框图
触发脉冲
0
Tr
t
预调脉冲
(a )
0
(b )
t
调制脉冲
0
t
(c) 射频脉冲
0
t
(d )
图 2.8 单级振荡式发射机各级波形
2.3.2 主振放大式发射机的特点
2.1 雷达发射机的任务和基本组成
雷达是利用物体反射电磁波的特性来发现目标并确定目标 的距离、方位、高度和速度等参数的。因此, 雷达工作时要求 发射一种特定的大功率无线电信号。发射机在雷达中就是起这 一作用的, 也就是说, 它为雷达提供一个载波受到调制的大功率 射频信号, 经馈线和收发开关由天线辐射出去。
2.2 雷达发射机的主要质量指标
1. 工作频率或波段
雷达的工作频率或波段是按照雷达的用途确定的。为了提高 雷达系统的工作性能和抗干扰能力, 有时还要求它能在几个频率 上跳变工作或同时工作。工作频率或波段的不同对发射机的设 计影响很大, 它首先牵涉到发射管种类的选择, 1000MHz以下主要采用微波三、四极管, 在1 000 MHz以上则有 多腔磁控管、 大功率速调管、行波管以及前向波管等。目前各 类发射管所能提供的射频功率与带宽能力如图2.3所示。
( 宽
耦合腔行 波管 10
速调管
带
速调管
1
0 .1
1
10
100 1000 10 000
峰 值 功 率 /k W
图 2.3 微波发射管功率与(c ) 带宽能力现状
脉冲雷达发射机的输出功率又可分为峰值功率Pt和平均功 率Pav。Pt是指脉冲期间射频振荡的平均功率(注意不要与射频正 弦振荡的最大瞬功率相混淆)。Pav是指脉冲重复周期内输出功率 的平均值。如果发射波形是简单的矩形脉冲列, 脉冲宽度为τ, 脉
1. 具有很高的频率稳定度
在雷达整机要求有很高的频率稳定度的情况下, 必须采用主 振放大式发射机。 因为在单级振荡式发射机中, 信号的载频直 接由大功率振荡器决定。由于振荡管的预热漂移、温度漂移、 负载变化引起的频率拖曳效应、 电子频移、 调谐游移以及校准 误差等原因, 单级振荡式发射机难于达到高的频率精度和稳定度。