雷達技術(shù)與應(yīng)用第四章雷達發(fā)射機4.1雷達發(fā)射機的作用和基本類型4.2雷達發(fā)射機的主要性能參數(shù)4.3脈沖調(diào)制器4.4射頻振蕩器4.5固態(tài)雷達發(fā)射機4.1雷達發(fā)射機的作用和基本類型

發(fā)射機的作用：為雷達系統(tǒng)提供一種滿足特定要求的大功率信號，經(jīng)過饋線和收發(fā)開關(guān)并由天線輻射到空間，以滿足雷達測定目標的需要。

4.1雷達發(fā)射機的作用和基本類型4.1.1雷達發(fā)射機的作用

發(fā)射的電磁波信號具有如下特點：①

載波受調(diào)制。調(diào)制包括簡單矩形脈沖、較復(fù)雜的線性調(diào)頻矩形脈沖、相位編碼矩形脈沖、各種脈沖內(nèi)部和脈沖之間的調(diào)制信號，等。②必須具備一定發(fā)射功率。為滿足雷達作用距離的要求，發(fā)射機功率往往較大，遠程預(yù)警雷達的發(fā)射機峰值功率可以高達幾百千瓦至幾兆瓦。

另外，對于不同體制、不同應(yīng)用的雷達而言，發(fā)射機功率量級差別很大。

例如，脈沖雷達的峰值功率可達到兆瓦級，而連續(xù)波雷達功率達到幾十瓦就很高了。

（1）發(fā)射相應(yīng)全相參信號現(xiàn)代雷達要解決的首要問題是在惡劣環(huán)境條件下發(fā)現(xiàn)目標并準確地測量所發(fā)現(xiàn)目標的各種參數(shù)。所謂惡劣環(huán)境是指目標周圍對雷達發(fā)射信號的強反射，如地物、海浪、雨和雪等產(chǎn)生的強烈發(fā)射信號都會使雷達所要探測的目標回波信號被“淹沒”。顯然，消除這些雜波是不能通過增加發(fā)射功率或提高接收機靈敏度來解決的。4.1.1雷達發(fā)射機的作用（1）發(fā)射相應(yīng)全相參信號雷達系統(tǒng)中抑制這些雜波主要采用動目標顯示（MTI）和脈沖多普勒（PD）濾波技術(shù)。這兩種技術(shù)都是利用了多普勒效應(yīng)；在后章節(jié)中會了解到，不管是采用MTI技術(shù)還是PD濾波技術(shù)，對發(fā)射信號都是有兩項基本要求的:①發(fā)射信號必須是相參的；②發(fā)射信號脈間應(yīng)該是高穩(wěn)定的。信號相參是指發(fā)射信號與雷達頻率源的信號存在固定相位關(guān)系。4.1.1雷達發(fā)射機的作用

4.1.1雷達發(fā)射機的作用

4.1.1雷達發(fā)射機的作用4.1.2雷達發(fā)射機的基本類型

雷達發(fā)射機通常分為脈沖調(diào)制發(fā)射機和連續(xù)波發(fā)射機。應(yīng)用最多的是脈沖調(diào)制發(fā)射機，脈沖調(diào)制雷達發(fā)射機又分為單級振蕩式發(fā)射機和主振式發(fā)射機兩大類。1）單級振蕩式發(fā)射機脈沖調(diào)制器大功率射頻振蕩器天線定時脈沖TTττ圖4-1單級振蕩式發(fā)射機示意圖如圖4-1，單級振蕩式發(fā)射機主要有兩種：①

早期雷達使用的是微波三極管和微波四級管振蕩式發(fā)射機，其工作頻率在VHF和UHF頻段；②

磁控管振蕩式發(fā)射機，可覆蓋L波段至Ka波段。單級振蕩式發(fā)射機的組成相對比較簡單，成本也比較低，但性能較差，特別是頻率穩(wěn)定度低，不具有全相參特性。4.1.2雷達發(fā)射機的基本類型

2）主振放大式發(fā)射機主振放大式發(fā)射機主要由主控振蕩器、功率放大器、脈沖調(diào)制器等構(gòu)成，特點是由多級組成。從各級功能來看，第一級用來產(chǎn)生射頻信號，稱為主控振蕩器；第二級用來放大射頻信號，成為射頻放大鏈。這也就是主振放大式名稱的由來。定時器脈沖調(diào)制器脈沖調(diào)制器脈沖調(diào)制器固體微波源中間射頻功率放大器輸出射頻功率放大器主控振蕩器射頻放大鏈至天線觸發(fā)脈沖圖4-2主振放大式發(fā)射機示意圖圖4-2所示為主振放大式發(fā)射機較為詳細的框圖，主控振蕩器采用固體微波源，射頻放大鏈一般由2-3級射頻功率放大器級別組成。對于脈沖雷達而言，各級功率放大器主要受到各自脈沖調(diào)制器的控制，并且還有定時器協(xié)調(diào)它們的工作。4.1.2雷達發(fā)射機的基本類型

主振放大式發(fā)射機的主要有點如下:（2）發(fā)射相位相參信號。只有主振放大式發(fā)射機能夠發(fā)射相應(yīng)相參信號。對于單級振蕩式發(fā)射機，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由振蕩器的噪聲決定，因而相繼脈沖的射頻相位是隨機的，即這種受脈沖調(diào)制的振蕩器輸出的射頻信號相位是不相參的。在主振式發(fā)射機中，主控振蕩器提供的是連續(xù)波信號，射頻脈沖是通過脈沖調(diào)制器控制射頻大功率放大器形成的。因此相繼射頻脈沖之間就具有固定的相位關(guān)系。為此，常把主振放大式發(fā)射機稱為相參發(fā)射機。（1）具有很高的頻率穩(wěn)定度。在雷達整機要求頻率穩(wěn)定度很高的情況下，必須采用主振放大式發(fā)射機。因為在單級振蕩式發(fā)射機中，信號的載頻直接由大功率振蕩器決定。發(fā)射機往往采用電真空器件，而這種器件存在預(yù)熱漂移、溫度漂移、負載變化引起的頻率拖曳效應(yīng)、電子頻移、調(diào)諧游移以及校準誤差等，難以達到較高的頻率精度和穩(wěn)定度。主振放大式發(fā)射機載波的精度和穩(wěn)定度在低電平較易采用穩(wěn)頻措施，以獲得很高的頻率穩(wěn)定度。4.1.2雷達發(fā)射機的基本類型

主振放大式發(fā)射機的主要特點如下（4）能產(chǎn)生復(fù)雜波形。主振放大式發(fā)射機適用于要求復(fù)雜波形的雷達系統(tǒng)。單級振蕩式發(fā)射機要實現(xiàn)復(fù)雜調(diào)制比較困難，甚至不可能。對于主振放大式發(fā)射機，各種復(fù)雜調(diào)制可在低電平的波形發(fā)生器中形成，而后接的大功率放大器只要有足夠的增益和寬帶即可?，F(xiàn)代雷達為了滿足多功能要求（例如，既能搜索又能跟蹤的多功能相控陣雷達）并能適應(yīng)不同的目標環(huán)境，往往一個雷達系統(tǒng)要求采用多種信號形式，并能根據(jù)不同情況自動靈活地選擇發(fā)射波形。（3）適用于頻率捷變雷達。

頻率捷變雷達具有良好的抗干擾能力。這種雷達每個射頻及脈沖的載頻可以在一定的頻帶內(nèi)快速跳變。為了保證接收機能正確接收回波信號，要求接收機本振電壓的頻率fL能與發(fā)射信號的載波平率f0同步跳變。雷達發(fā)射機主要性能參數(shù)如下：1.功率頻率和波段雷達頻率的確定是極其重要的工作，一旦確定，即成為整個系統(tǒng)的基礎(chǔ)，不能輕易動搖。雷達工作頻率或波段是按照雷達的用途和實際需要確定的。雷達頻率的選擇意味著幾項因素進行權(quán)衡，這些因素是物理尺寸、發(fā)射功率、天線波寬度、大氣衰減等，另外，對于應(yīng)用多普勒頻移的雷達還需要考慮多普勒頻移和頻率的關(guān)系。此外，為了提高雷達系統(tǒng)的工作性能和抗干擾能力，有時還要求它能在幾個頻率上的跳變工作或同時工作。工作頻率或波段確定后，要相應(yīng)選擇發(fā)射管的種類。4.2雷達發(fā)射機的主要性能參數(shù)2、信號波形除了多普勒導(dǎo)航儀、高度計和變時近爆引信外，大多雷達都采用脈沖工作方式，主要原因是脈沖工作方式可以避免發(fā)射機干擾接收的問題。脈沖雷達的發(fā)射波形有4個基本參數(shù)：載頻、脈沖寬度、脈內(nèi)或脈間調(diào)制方式、脈沖重復(fù)頻率和一個基本特性即相參性。1）載頻載頻并不總是固定不變的，可以用不同方式改變載頻，以滿足特定系統(tǒng)或特定工作要求。從一個脈沖到下一個脈沖，載頻可以增加或減小。可以隨機改變，或者按著某種特定規(guī)律改變。載頻甚至可以在每一個脈沖期間以特種特定規(guī)律增加或減小，這就是脈內(nèi)調(diào)制。4.2雷達發(fā)射機的主要性能參數(shù)

4.2雷達發(fā)射機的主要性能參數(shù)

4.2雷達發(fā)射機的主要性能參數(shù)圖4-3常用發(fā)射脈沖形式4）脈沖重復(fù)頻率（PRF）圖4-3所示為目前應(yīng)用較多的幾種雷達信號波形。圖4-3（a）是簡答的固定載頻脈沖調(diào)制信號波形，圖4-3（b）是脈沖壓縮雷達中使用的線性調(diào)頻脈沖，圖4-3（c）是相位編碼脈沖壓縮雷達中使用的相位編碼信號，圖4-3（d）是抗干擾常用的頻率捷變脈沖，圖4-3（e）是不同重復(fù)頻率脈沖，可以消除盲速和盲像。4.2雷達發(fā)射機的主要性能參數(shù)（a）單一頻率脈沖（b）線性調(diào)頻脈沖（c）調(diào)相脈沖（d）頻率捷變脈沖（e）不同重復(fù)頻率脈沖圖4-3常用發(fā)射脈沖形式4.2雷達發(fā)射機的主要性能參數(shù)5）相參性相參性（又稱相干性）是一個重要概念，信號相參是指發(fā)射信號與雷達頻率源存在固有的相位關(guān)系。對于脈沖信號而言，相參性意味著從一個脈沖到下一個脈沖的相位具有一致性，或連續(xù)性。nλλ距離是波長的整數(shù)倍λ圖4-4脈沖相參性相參有多種類型，最普遍采用的是如圖4-4所示。每個脈沖的第一個波前與前一個脈沖相同相位的最后一個波前的間隔是波長的某一個整數(shù)倍。例如，假設(shè)波長為3cm，則間隔可能是3000000cm或3000003cm或者是3000006cm等，但不能是3000001cm或3000003cm，等。4.2雷達發(fā)射機的主要性能參數(shù)

4.2雷達發(fā)射機的主要性能參數(shù)

4.2雷達發(fā)射機的主要性能參數(shù)平均功率的重要性，首先在于它是決定雷達潛在探測距離的一個關(guān)鍵因素。在給定時間內(nèi)，雷達發(fā)射的總能量等于平均功率乘以時間長度。因此，為了得到更大的探測距離，可以用三種方法：增大脈沖寬度、增大峰值功率、增大脈沖重復(fù)頻率。P0Tτ0T/22τ02P0圖4-5增加平均功率的三種方法如圖4-5所示。平均功率受到關(guān)注的另一個原因是它和發(fā)射機效率一起決定了因損耗而產(chǎn)生的熱量。這些熱量應(yīng)當散發(fā)掉，這又決定了所需要的冷卻量。平均輸出功率加上損耗決定了必須供給發(fā)射機的輸入（初始）功率。因此，平均功率越大，發(fā)射機就變得越大、越重。4.2雷達發(fā)射機的主要性能參數(shù)4.總效率發(fā)射機的總效率是指發(fā)射機的輸出功率與輸入功率總功率的比值。因為發(fā)射機通常在整機中是最耗電和最需要冷卻的部分，因此提高總效率不僅可以節(jié)省電能，而且可以降低整機是體積和重量。5.信號穩(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，是否隨著時間發(fā)生了不應(yīng)有的變化。信號的頻率穩(wěn)定度又稱為信號的頻譜純度，是指雷達信號在應(yīng)有的信號頻譜之外的寄生輸出功率與信號功率只比，一般用dB表示，顯然比值越小信號頻譜純度越高。另外，單機振蕩式雷達發(fā)射機的頻率穩(wěn)定度較低，通常為-40~-30dB，主振多級放大式雷達發(fā)射機的工作頻率穩(wěn)定度較高，一般為-80~60dB。提高發(fā)射機的工作頻率度是提高發(fā)射機質(zhì)量的一個重要環(huán)節(jié)。4.3脈沖調(diào)制器脈沖調(diào)制器的作用：是給發(fā)射機的射頻各級提供合適的射頻調(diào)制脈沖，即產(chǎn)生等幅、等寬和一定重復(fù)頻率的矩形脈沖；其本質(zhì)上是一個功率轉(zhuǎn)換器，其任務(wù)是為射頻放大管提供性能合乎要求的射頻脈沖。它把初級電源送來的交流功率先轉(zhuǎn)換成有合適電壓的直流功率，然后再通過脈沖產(chǎn)生系統(tǒng)，形成和控制負載上所要求的調(diào)制脈沖。4.3.1脈沖調(diào)制器的基本組成和工作過程典型的脈沖調(diào)制器主要由調(diào)制開關(guān)、儲能元件、充電和隔離元件、旁通元件等四部分組成，如圖4-6所示。高壓電源充電及隔離元件儲能元件調(diào)制開關(guān)旁通元件負載圖4-6脈沖調(diào)制器基本組成方框圖脈沖調(diào)制器的簡要工作過程可分為儲能元件充電和放電的兩個過程。在調(diào)制開關(guān)斷開期間，高壓電源通過充電及隔離元件、旁通元件向儲能原件充電，使其儲能；在調(diào)制開關(guān)接通期間，儲能元件通過調(diào)制開關(guān)向負載放電，使負載工作。（1）充電及隔離元件有電阻和電感兩種，其作用是給儲能元件按一定方式充電，把高壓電源同調(diào)制開關(guān)隔開，避免在調(diào)制開關(guān)接通時高壓電源過載。（2）儲能元件一般為電容器或仿真線。其作用是在較長的脈沖間歇期間內(nèi)從高壓電源獲取能量并不斷儲存起來；而在極短的脈沖工作期間內(nèi)把能量轉(zhuǎn)交給負載。這樣，高壓電源的功率容量和體積可大為減少。儲能軟件可以是電容或電感，但電感現(xiàn)在很少用。電容可用電感器做成，也可以用等效于電容的脈沖形成網(wǎng)絡(luò)（也稱仿真線或人工線）做成。4.3.1脈沖調(diào)制器的基本組成和工作過程（3）旁通元件一般為電阻或電感，其作用是構(gòu)成儲能元件的充電回路。在儲能元件放電時，它所呈現(xiàn)的阻抗比負載阻抗大得多，對放電電流基本上沒有影響，而且還可以改善調(diào)制脈沖后延波形。（4）調(diào)制開關(guān)一般為真空電子管、充氣閘流管及可控硅等。它的作用是：在外來脈沖觸及的短暫時間內(nèi)接通儲能元件的放電回路，以形成調(diào)制脈沖：在外來脈沖間歇期間它是斷開的，以使儲能元件充電。脈沖調(diào)制器按所調(diào)制開關(guān)可以分為剛性開關(guān)調(diào)制器與軟性開關(guān)調(diào)制器。4.3.1脈沖調(diào)制器的基本組成和工作過程4.3.2剛性開關(guān)脈沖調(diào)制器剛性開關(guān)脈沖調(diào)制器也稱為電子開關(guān)調(diào)制器，由真空電子管做調(diào)制開關(guān)，以電容器作儲能元件。由于真空管的通斷是由柵極電壓來控制，柵極電壓又受激勵脈沖的控制，所以通斷和轉(zhuǎn)換迅速，開關(guān)具有“剛性”，使儲能元件部分放電。輸出的調(diào)制脈沖波形好，其寬度基本上由預(yù)調(diào)器來的激勵脈沖決定，且容易改變。工作時受環(huán)境和負載的影響小，常用于要求測距精度高、分辨力強的雷達，必須輸出良好的脈沖波形的跟蹤雷達。但真空管的內(nèi)阻較大，轉(zhuǎn)換效率較低，輸出功率也比較小，而且需要預(yù)調(diào)器，因此結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜。4.3.2剛性開關(guān)脈沖調(diào)制器預(yù)調(diào)器亦稱激勵器，它的主要任務(wù)是給調(diào)制管的柵極提供所需要的激勵脈沖。剛性開關(guān)脈沖調(diào)制器之所以必須專門設(shè)置預(yù)調(diào)器，是因為調(diào)制管作為電子開關(guān)，它的導(dǎo)電與截止是由其柵極間的矩形脈沖決定。在儲能電容充電期間，由于充得的電壓很高，為了使調(diào)制管截止，需要有較負的柵極偏壓；當其導(dǎo)電時，為了能通過較大的脈沖電流，柵極總是工作在正柵極壓狀態(tài)，柵流也比較大。因此，要求加到調(diào)制管柵極的矩形脈沖必須具有較高的幅度和足夠的功率，波形良好，寬度準確，這是一般觸發(fā)器直接產(chǎn)生的觸發(fā)脈沖所難以勝任的。R2C0R1RgCgUgCE+-V2URUgEjUcEUattt000（a）基本電路（b）工作波形圖4-7陰極脈沖調(diào)制器基本電路及工作波形如圖4-7（a）所示剛性開關(guān)陰極脈沖調(diào)制基本電路。其中，V1是真空電子管，作為開關(guān)管，平時由很負的柵極偏壓Eg截止；R1是充電及隔離電阻；R2是旁通電阻；C是儲能電容；C0是分布電容，由調(diào)制管V1輸出電容、陽極連接元件對地分布電容、磁控管輸入電容及陰極連接元件對地分布電容C的外殼對地分布電容等構(gòu)成，通常為50~100pF數(shù)量級；V2是磁控管，為非線性負載。4.3.2剛性開關(guān)脈沖調(diào)制器

脈沖調(diào)制器的工作受外來激勵脈沖的控制，實際上是一個大功率的阻容耦合脈沖放大器，其工作波形如4-7（b）所示。在激勵脈沖間歇期間，調(diào)制管被負偏壓Eg截止，儲能電容C經(jīng)R1，R2充電到接近電源電壓E的數(shù)值。在激勵脈沖工作期間，調(diào)制管的柵極加上幅度很夠高的負脈沖電壓，使振蕩器得到大功率調(diào)制脈沖能量而振蕩。當激勵脈沖結(jié)束后，調(diào)制管又迅速被負偏壓截止，輸出的調(diào)制脈沖便告結(jié)束。儲能電容再通過R1，R2充電，以補充它在脈沖期間放掉的能量。直到下一個激勵脈沖到來，C再放電，如此周而復(fù)始，調(diào)制器就輸出與激勵脈沖重復(fù)頻率相同的大功率調(diào)制脈沖，加到磁控管使其振蕩，而且調(diào)制脈沖的寬度完全由激勵脈沖寬度所決定。4.3.2剛性開關(guān)脈沖調(diào)制器軟性開關(guān)脈沖調(diào)制器是用軟件開關(guān)作為調(diào)制開關(guān)的脈沖調(diào)制器，包括離子開關(guān)和可控硅開關(guān)等調(diào)制器。以離子開關(guān)調(diào)制器為例，它常用氫氣閘流管等器件作為調(diào)制開關(guān)。氫氣閘流管與普通三極管主要區(qū)別在于：管內(nèi)充有氫氣，管子導(dǎo)電后柵極失去控制作用，而且內(nèi)阻小，電流大；陰極與陽極由柵極嚴密隔離，使陽極電場只存在于陽柵之間而不能直接作用到陰極，故能承受高壓。其特點是只能起單項控制作用，即當觸發(fā)脈沖使閘流管導(dǎo)電后，觸發(fā)脈沖就失去作用，只有當閘流管的陽壓下降到熄火電壓時，閘流管才能關(guān)斷。因此，點火脈沖只能控制它的導(dǎo)通，不能控制它的關(guān)斷，故稱為“軟性”。4.3.3軟性開關(guān)脈沖調(diào)制器由于軟性調(diào)制開關(guān)的這一特點，儲能元件只能是完全放電，如果仍然用電容器做儲能元件，得到的將是一個尖脈沖。為了獲得接近于矩形的調(diào)制脈沖，在軟性開關(guān)調(diào)制器中幾乎毫無例外地用開路長線，更多的是用人工線作為儲能元件。因此軟性開關(guān)調(diào)制器又稱為仿真線儲能、完全放電式調(diào)制器，或簡稱為線性調(diào)制器。4.3.3軟性開關(guān)脈沖調(diào)制器為了提高充電效率，充電元件通常由電感組成或由電感與二極管串聯(lián)的電路組成。由于軟性開關(guān)的正向阻斷電壓不高，所以在人工線和負載之間往往要用脈沖變壓耦合器。脈沖變壓器除初級繞組可起到充電通路作用外，還可以起升壓與阻抗匹配的作用。這樣就可以降低所需要電源電壓的數(shù)值；可使仿真線及軟性開關(guān)能工作于較低電壓；還可以使負載的直流內(nèi)阻能夠很好地與仿真線的特性阻抗相匹配。圖4-8所示為軟性開關(guān)調(diào)制器典型原理電路。離子開關(guān)的優(yōu)點是電流大、內(nèi)阻小、輸出脈沖功率大、轉(zhuǎn)換效率高，是目前偵查及警戒雷達常用的脈沖調(diào)制器。而其缺點是受環(huán)境及負載影響時性能不夠穩(wěn)定。軟性開關(guān)脈沖調(diào)制器常應(yīng)用在精度要求不高而功率較大的遠程警戒雷達或體積重量較小的空用搜索雷達發(fā)射機中。

VT1電源仿真線VT4VT2LT圖4-8軟性開關(guān)調(diào)制器典型原理電路4.3.3軟性開關(guān)脈沖調(diào)制器實際上，某些半導(dǎo)體開關(guān)雖其本身是“軟性”的，但經(jīng)過適當組合，也能起到剛性開關(guān)的作用。由可控硅組成的雙穩(wěn)態(tài)開關(guān)（又稱直流開關(guān)）就是一個例子。4.4射頻振蕩器雷達發(fā)射機通過對雷達頻率源產(chǎn)生的小功率射頻信號進行放大或直接自激振蕩產(chǎn)生高功率發(fā)射信號。單級振蕩式發(fā)射機主要有兩種：①早期雷達使用的微波三極管和微波器四級管振蕩式發(fā)射機，其工作頻率在VHF至UHF頻段；②磁控管振蕩式發(fā)射機，可覆蓋L波段至Ka波段。磁控管發(fā)射機可以工作在多個雷達頻率波段，加上結(jié)構(gòu)簡單、成本較低以及效率高等優(yōu)點，至今仍有不少雷達系統(tǒng)采用磁控管發(fā)射機。1）磁控管的基本結(jié)構(gòu)磁控管是一種恒定正交電磁場控制電子運動的特殊二極管。普通多腔磁控管的基本結(jié)構(gòu)由四大部分構(gòu)成；一個圓桶形陰極；一個與陰極同軸的陽極及調(diào)頻機構(gòu)；直流磁場裝置；能量耦合輸出裝置。4.4.1磁控管圖4-9普通磁控管的典型結(jié)構(gòu)典型結(jié)構(gòu)如圖4-9所示。（1）陰極。一般脈沖磁控管都采用旁熱式氧化物陰極，整個陰極作為圓柱狀，配置于磁控管的軸心上。（2）陽極。陽極是由純銅制成的環(huán)形圓柱體。圓柱體內(nèi)壁鑿有偶數(shù)個通孔，稱為諧振空腔，組成磁控管首尾相連的回路系統(tǒng)，成為陽極塊。磁控管的振蕩頻率主要取決于諧振腔的固有頻率。同時，它儲存著高頻能量，并通過能量輸出裝置饋給負載。為在一定范圍內(nèi)調(diào)節(jié)振蕩頻率，可用機械方法改變諧振腔的結(jié)構(gòu)，從而達到改變固有頻率的目的。

機械調(diào)諧結(jié)果視改變諧振腔中等效電感和等效電容的情況，通常分為電感調(diào)諧和電容調(diào)諧。為便于散熱，磁控管的陽極塊裝有散熱片。功率大的二級管，通常強迫風冷和水冷。4.4.1磁控管圖4-9普通磁控管的典型結(jié)構(gòu)（3）能量耦合輸出裝置：由于磁控管本質(zhì)上是振蕩器，所以只有能量輸出裝置，常用的有同軸線形和波導(dǎo)型兩種。（4）直流磁場裝置：提供相互作用空間所需的磁場。4.4.1磁控管2）磁控管使用注意事項（1）負載要匹配（2）冷卻（3）合理調(diào)整陰極加熱功率（4）安裝調(diào)試（5）保存和運輸4.4.2行波管放大器1）行波管放大器的組成和結(jié)構(gòu)調(diào)諧活塞金屬圓筒螺旋線調(diào)諧活塞集電極λ/4濾波器信號輸出輸出波導(dǎo)聚焦線圈信號輸入探針輸入波導(dǎo)第二陽極第一陽極控制級陰極燈絲圖4-10行波管放大器的結(jié)構(gòu)

行波管放大器由行波管、聚焦線圈、輸入輸出裝置以及中心調(diào)整裝置等四部分組成。如圖4-10所示。行波管裝在聚焦線圈中間的金屬圓筒內(nèi)，中心調(diào)整裝置在行波管的兩端。從天線接收回來的高頻信號由輸入端送入，經(jīng)行波管放大器放大后，由輸出端輸出。（1）行波管：行波管是行波管放大器的核心部分，用于不同波段、不同型號的行波管在結(jié)構(gòu)上略有不同，但主要由電子槍、螺旋線、集電極三部分組成。（2）聚焦線圈：聚焦線圈用來產(chǎn)生很強的軸向直流磁場，使電子在沿軸向前進過程中，始終保持聚焦成束。它由繞在銅質(zhì)圓筒外幾段螺旋管線圈串聯(lián)而成。工作時，由直流電源供給線圈直流電流。4.4.2行波管放大器（3）輸入、輸出匹配裝置：輸入、輸出匹配裝置各是一段末端有短路活塞的波導(dǎo)。調(diào)節(jié)短路活塞使輸入、輸出波導(dǎo)與輸入、輸出探針相匹配，以有效地輸入和輸出信號。為了防止高頻能量從行波管兩端漏出，由行波管內(nèi)的兩個四分之一波長的金屬圓筒與玻璃管壁外的金屬圓筒構(gòu)成兩個四分之一波長末端開路的濾波器。（4）中心調(diào)整裝置：中心調(diào)整裝置分別裝在行波管的兩端，用以調(diào)整行波管的位置，保證管軸與聚焦磁場平行。4.4.2行波管放大器2）行波管的工作原理行波管是通過電子束與信號行波電場互相作用，由電子束不管供給行波電場只能量而完成放大作用。高頻信號從輸入端開始進入行波管放大器后，沿著管軸向傳播，電子槍發(fā)射的電子也沿著行波管的軸方向傳播。二者在共同前進的過程中，電子不斷把從直流電場中獲得的能量交換給信號行波電場，使其不斷加強，當達到管子末端時，信號行波場要比原來增強了許多倍。放大了的信號從輸出裝置輸出。由此看來，電子與行波電場之間的能量交換過程，也就是行波管放大信號的過程。4.4.2行波管放大器4.5固態(tài)雷達發(fā)射機4.5.1固體微波源及其應(yīng)用1）固態(tài)微波源的定義“固態(tài)”是指相對于常規(guī)的電真空器件（電子管）而言的半導(dǎo)體材料（晶體管），例如，硅、砷化鎵場效應(yīng)管等?！肮虘B(tài)發(fā)射機模塊”是指多個微波功率器件和微波單片集成電路集成到一起構(gòu)成一個基本的功能模塊?！肮虘B(tài)發(fā)射機”是由幾十個至幾千個固態(tài)發(fā)射機模塊組成的雷達發(fā)射機。4.5固態(tài)雷達發(fā)射機4.5.1固體微波源及其應(yīng)用1）固態(tài)微波源的定義

近年來，微波半導(dǎo)體大功率器件獲得了飛速發(fā)展，應(yīng)用先進的微波單片集成和優(yōu)化設(shè)計的微波網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，可將多個微波功率器件、低噪聲接收器件等組合成固態(tài)發(fā)射機模塊或固態(tài)收-發(fā)（T/R）模塊。固態(tài)發(fā)射機已經(jīng)在機載雷達、相控陣雷達和其他雷達系統(tǒng)中逐漸代替常規(guī)的微波電子管發(fā)射機。2）固態(tài)微波源的分類固態(tài)微波源可分為兩大類：①倍頻鏈，由主振、多次倍頻和功放組成。主振常用石英晶體振蕩器產(chǎn)生穩(wěn)定的基準信號，目前也有用雙極晶體管振蕩器作為基準振蕩器（4～8GHz），并可實現(xiàn)電調(diào)諧；功放常用雙極晶體管放大器和場效應(yīng)管放大器；倍頻器常用變?nèi)莨鼙额l（4次以下）和階躍管倍頻（4次以上）。它們的頻率穩(wěn)定高，技術(shù)比較成熟，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜。4.5.1固體微波源及其應(yīng)用2）固態(tài)微波源的分類固態(tài)微波源可分為兩大類：②直接產(chǎn)生頻率相當于高的微波或毫米波振蕩器，如砷化鎵場效應(yīng)振蕩器（目前頻率可達18～40GHz）、體效應(yīng)管振蕩器（8～27GHz）、雪崩二極管振蕩器（18～110GHz）等，都是目前常用微波源。這類微波源缺點是頻率穩(wěn)定度不高，需采用穩(wěn)頻措施。4.5.1固體微波源及其應(yīng)用3）固體微波源在雷達發(fā)射機中的應(yīng)用（1）作為有源頻率標準。在動目標顯示雷達中，為提高對小固定目標的能力，可對磁控管發(fā)射機進行自動頻率微調(diào)，固態(tài)微波源作為自動頻率微調(diào)的有源頻率標準，使發(fā)射機達到更高的頻率穩(wěn)定度。（2）作為主振多級放大式雷達發(fā)射機的高頻振蕩器。該類發(fā)射機必須具備良好的頻率或相位相干性，而這種相干性首先必須依靠它的激勵器來保證。激勵器激勵高頻功率放大器（如行波管功率放大器等），因此要求固態(tài)微波源輸出足夠的功率。（3）構(gòu)成固態(tài)雷達發(fā)射機的功率放大組件。（4）作為相控陣雷達的子發(fā)射單元。4.5.1固體微波源及其應(yīng)用與微波電子管發(fā)射機相比，固態(tài)發(fā)射機具有如下優(yōu)點：（1）不需要陰極加熱、壽命長。不消耗陰極加熱功率，也沒有發(fā)射機預(yù)熱延時，實際上也沒有工作壽命的限制。（2）具有很高的可靠性。一方面，固態(tài)發(fā)射機模塊本身具有很高的可靠性，目前模塊的平均無故障時間（MTBF）已經(jīng)超過100000h；另一方面，固態(tài)發(fā)射模塊已經(jīng)做成標準件，當組合應(yīng)用時便于設(shè)置備份件，可隨時替換損壞的模塊。（3）體積小、重量輕。固態(tài)發(fā)射模塊工作電壓較低。一般低于40V，不需要體積龐大的高壓電源和防護X射線的設(shè)備。（4）工作頻帶寬、效率高。目前固態(tài)發(fā)射模塊能達到50%或者更寬的帶寬。4.5.2固態(tài)發(fā)射機的特點（5）系統(tǒng)設(shè)計和運用靈活。一種設(shè)計良好的固態(tài)發(fā)射模塊可以滿足多種雷達使用，發(fā)射機總的輸出功率可用并聯(lián)模塊數(shù)目的多少來控制，而不同的輸出波形則可以通過波形發(fā)生器和定時器按一定的程序來實現(xiàn)。（6）維護方便，成本較低。固態(tài)發(fā)射模塊通常采用空氣冷卻方式，不需要體積龐大的風冷或水冷設(shè)備。由于固態(tài)發(fā)射模塊是批量生產(chǎn)的，目前在L波段的固態(tài)發(fā)射機模塊成本較低，S波段的成本也在逐漸降低。4.5.2固態(tài)發(fā)射機的特點總的來說，高功率微波晶體管和固態(tài)發(fā)射模塊在超高頻至L波段的發(fā)展比S波段以上的波段更快，目前固態(tài)發(fā)射模塊和固態(tài)收-發(fā)模塊已經(jīng)越來越多應(yīng)用于超高頻至L波段。例如，美國的遠程預(yù)警機相控陣雷達“PAVEPAWS”，工作在UFH頻段，雙陣面共計1792×2=3584個發(fā)射機組件，是世界上第一部全固態(tài)相控陣雷達。但是，工作頻率很高時，目前的固態(tài)發(fā)射機輸出功率不夠大，而采用功率合成技術(shù)可以解決。4.5.2固態(tài)發(fā)射機的特點固態(tài)發(fā)射機包括兩種典型的輸出功率組合方式：一種是幾種相加式高功率固態(tài)發(fā)射機；另一種是分布式（空間合成）發(fā)射機。4.5.3微波功率合成技術(shù)空間合成發(fā)射機主要用于相控陣雷達，由于沒有微波功率合成網(wǎng)絡(luò)的插入損耗，輸出功率效率很高。集中合成的輸出結(jié)構(gòu)可以單獨作為中、小功率雷達發(fā)射機輻射源，也可以用于相控陣雷達。由于微波功率合成網(wǎng)絡(luò)的插入損耗，它的效率比空間合成輸出結(jié)構(gòu)要低些。4-11所示為固態(tài)發(fā)射機微波功率合成方式。圖4-11固態(tài)發(fā)射機微波功率合成方式1）固態(tài)發(fā)射組件固態(tài)發(fā)射組件大多用于集中式或分布式相控陣雷達發(fā)射機。1:N分配器濾波…N:1合成器RF輸出控保RF輸入檢波R

R

環(huán)流器激勵相位微調(diào)移相器器功放圖4-12典型固態(tài)發(fā)射組件圖4-12所示為一個典型的固體發(fā)射組件。其中，數(shù)字移相器為雷達系統(tǒng)發(fā)射波束實現(xiàn)電掃描；相應(yīng)微調(diào)為保證相控陣面單元相位一致，保證發(fā)射波束電掃描精度；激勵級通常工作于C類，輸出端環(huán)流器是為減小負載頻率牽引；定向耦合器和檢波器向控制保護電路提供故障信息，適時進行故障檢測、指示與保護。4.5.4固態(tài)組件固態(tài)有源T/R組件的組成隨系統(tǒng)性能要求和復(fù)雜程度不同而有所不同，但其基本組成相差不大，典型固態(tài)有源T/R組件的基本組成方框圖如圖4-13所示。固態(tài)有源T/R組件基本構(gòu)成主要有：發(fā)射功率放大器、低噪聲接收放大器、數(shù)字移相器、衰減器、T/R開關(guān)、機內(nèi)測試、邏輯控制及保護等。此外，為提高性能，有的還增加有幅相均衡器、環(huán)流器和濾波器等，各級電路間常用微帶連接。T/R組件一般被裝入帶鋁散熱器的輕型密封盒內(nèi)，而制造工藝上可大體分為混合式及單片式兩個微波集成電路的發(fā)展階段和類型。在混合式中，有源器件的焊接在玻璃、陶瓷或其他基片上，基片上有分立元件與引線健合，基片分段。2）固態(tài)有源T/R組件T/R開關(guān)機內(nèi)測試T/R控制發(fā)射接收T/R開關(guān)數(shù)字移相T/R開關(guān)衰減限幅天線激勵放大功放低噪聲放大器圖4-13典型固態(tài)有源T/R組件的基本組成方框圖混合式又分為普通混合微波集成電路和微型混合微波集成電路兩種，它們是早期大量采用的電路模式，主要缺點是體積大、重量重、裝配工藝多且難度大、均一性差、可靠性低、造價高。因此后來大力研制和開發(fā)GaAs材料作基片的單片微波集成電路組件，它克服了混合式的主要缺點，由于采用嚴格的批量生產(chǎn)工藝控制，使均一性良好，成本大大降低。隨著微組裝工藝的進展，已逐漸進入大功率制造和實用階段。整部T/R組件通常采用SMA接頭和微帶引出，連接方便。4.5.4固態(tài)組件頻率合成技術(shù)起步于上世紀30年代。其原理是通過一個或多個參考信號源的線性運算，在某一頻段內(nèi)，產(chǎn)生多個離散頻率點?；诖嗽碇瞥傻念l率源稱為頻率合成器。頻率合成器是現(xiàn)代電子系統(tǒng)的重要組成部分，是決定整個電子系統(tǒng)系統(tǒng)性能的關(guān)鍵設(shè)備，不僅在通信、雷達、電子對抗等軍事領(lǐng)域，更在廣播電視、遙控遙測、儀器儀表等民用領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。初期的頻率合成技術(shù)采用一組晶體組成的晶體振蕩器，輸出頻率點由晶體個數(shù)決定，頻率準確度和穩(wěn)定度由晶體性能決定，頻率切換由人工手動完成。隨著頻率合成技術(shù)理論的完善和微電子技術(shù)的發(fā)展，后來出現(xiàn)了若干頻率合成方法，現(xiàn)代的頻率合成技術(shù)主要經(jīng)歷了三個階段：直接模擬頻率合成、間接頻率合成和直接數(shù)字頻率合成。4.5.5頻率合成技術(shù)直接模擬頻率合成(DirectFrequencySynthesis，DS)技術(shù)也是一種早期的頻率合成技術(shù)，使用一個或幾個晶體振蕩器作為參考頻率源，通過分頻、混頻和倍頻的方法對參考源頻率進行加減乘除的運算，然后用濾波器處理雜散頻率得到需求的不同頻率。直接頻率合成器的組成框圖簡要示例圖如圖4-14所示。1）直接頻率合成器4.5.5頻率合成技術(shù)濾波混頻開關(guān)D濾波混頻開關(guān)C濾波混頻開關(guān)B÷10÷10÷10÷10開關(guān)A98765432103.63.53.43.33.23.13.02.92.82.7線編號來自諧振器濾波混頻開關(guān)E……………2.7~3.6MHz2.99997~3.99996MHzf0圖4-14直接頻率合成器的組成框圖簡要示例4.5.5頻率合成技術(shù)其中，2.7~3.6MHz、間隔為0.1MHz的信號由諧波發(fā)生器產(chǎn)生，通過開關(guān)A、B、C、D、E控制由哪些頻率參加運算，被選中的五個頻率經(jīng)過混頻器后，就可以直接得到頻率范圍為2.99997~3.99996MHz、間隔Δf為10Hz的任意頻率信號。例如，要產(chǎn)生3.23456MHz的頻率信號，則只需要開關(guān)A、B、C、D、E分別置于線編號為9（3.6MHz）、5（3.2MHz）、4（3.1MHz）、3（3.0MHz）及2（2.9MHz）的位置，再分別經(jīng)過十分頻、混頻、濾波過程后，最后得到3.23456MHz的頻率輸出。1）直接頻率合成器4.5.5頻率合成技術(shù)優(yōu)點為：①變頻速度快；②頻率間隔小、頻率點多，分辨率好；③頻率穩(wěn)定度高，相位噪聲較低。其缺點為：①系統(tǒng)需要大量的混頻器、濾波器以及必要的隔離器，使得體積大、重量重、成本高，安裝和調(diào)諧復(fù)雜；②寄生輸出較大。因此，在需要頻率點數(shù)多的技術(shù)中，除要求很高很高的場合外，一般不用直接式，而選用鎖相式頻率合成器。4.5.5頻率合成技術(shù)1）直接頻率合成器間接頻率合成是上世紀40年根據(jù)控制理論的線性伺服環(huán)路發(fā)展起來的頻率合成技術(shù)，又稱為鎖相式頻率合成(PhaseLockedLoopFrequencySynthesis，PLLFS)技術(shù)。原因在于它的工作原理是把一個或者多個基準頻率源通過倍頻、混頻和分頻等，產(chǎn)生大量的諧波或組合頻率，使用鎖相環(huán)由壓控振蕩器鎖定某一頻率間接產(chǎn)生所需要的頻率。優(yōu)點在于相噪低，雜散抑制高，輸出頻帶范圍大，頻率穩(wěn)定度高，并且因為避免大量使用濾波器，基于這種技術(shù)的頻率合成器容易集成化。固有的缺點就是速度慢。2）間接頻率合成(IndirectFrequencySynthesis，IS)技術(shù)4.5.5頻率合成技術(shù)基準源鑒相器環(huán)路濾波器VCO分頻器÷NfrfNf0=Nfr圖4-15鎖相頻率合成器原理框圖鎖相頻率合成器的基本組成如圖4-15所示，主要包括鑒相器、環(huán)路濾波器、壓控振蕩器（VCO）、分頻器等組成的閉合環(huán)路，是一個相位負反饋的控制系統(tǒng)。4.5.5頻率合成技術(shù)2）間接頻率合成(IndirectFrequencySynthesis，IS)技術(shù)環(huán)路輸入信號是一個高穩(wěn)定度的fr基準振蕩，它與VCO的輸出經(jīng)N次分頻后得到的反饋fN信號在鑒相器中進行相位比較輸出的誤差電壓取決于兩個信號的相位差，誤差電壓去控制VCO以調(diào)整頻率。環(huán)路輸出信號的相位由VCO的頻率取得，因此環(huán)路只有相位差，而無頻率差。當環(huán)路鎖定時，VCO的輸出f0=Nfr，當改變N時，fr≠fN，環(huán)路失鎖，誤差控制信號VCO調(diào)整頻率進行搜索，直到環(huán)路重新得到鎖定狀態(tài)，完成頻率變換，輸出一個新頻率。鎖相環(huán)不僅有很好的頻率控制特性，也有窄帶濾波特性，所以輸出信號頻率純度高。4.5.5頻率合成技術(shù)2）間接頻率合成(IndirectFrequencySynthesis，IS)技術(shù)DDS技術(shù)是20世紀70年代發(fā)展起來的一種新的頻率合成技術(shù)。該技術(shù)相比之前的兩種頻率合成技術(shù)，是一種全新的頻率合成方法，也是頻率合成技術(shù)的一次革命。其原理為根據(jù)采樣定理，利用全數(shù)字的方法產(chǎn)生與頻率相對應(yīng)的相位序列，并將此相位序列作為尋址轉(zhuǎn)換成幅度序列，該幅度序列再經(jīng)過數(shù)模轉(zhuǎn)換和低通濾波以后就可得到所需要的特定模擬波形。3）直接數(shù)字頻率合成(DigitalDirectFrequencySynthesis，DDS)4.5.5頻率合成技術(shù)現(xiàn)代的集成電路技術(shù)和數(shù)字信號處理技術(shù)的研究成果都在DDS上有所體現(xiàn)，并且它們的發(fā)展直接推動了DDS技術(shù)的發(fā)展，使得各種先進算法和結(jié)構(gòu)層出不窮。這些都是DDS相對其它傳統(tǒng)頻率合成技術(shù)的極大優(yōu)勢。DDS的基本原理是利用采樣定理，通過查表法產(chǎn)生波形。DDS的結(jié)構(gòu)有很多種，其基本的電路原理可用圖4-16來表示。3）直接數(shù)字頻率合成(DigitalDirectFrequencySynthesis，DDS)4.5.5頻率合成技術(shù)相位累加器波形存儲器D/A轉(zhuǎn)換器低通濾波器頻率控制字K參考頻率源輸出模擬信號f0fc圖4-16DDS的原理框圖相位累加器由N位加法器與N位累加寄存器級聯(lián)構(gòu)成。每來一個時鐘脈沖fc，加法器將頻率控制字K與累加寄存器輸出的累加相位數(shù)據(jù)相加，把相加后的結(jié)果送至累加寄存器的數(shù)據(jù)輸入端。累加寄存器將加法器在上一個時鐘脈沖作用后所產(chǎn)生的新相位數(shù)據(jù)反饋到加法器的輸入端，以使加法器在下一個時鐘脈沖的作用下繼續(xù)與頻率控制字相加。這樣，相位累加器在時鐘作用下，不斷對頻率控制字進行線性相位累加。3）直接數(shù)字頻率合成(DigitalDirectFrequencySynthesis，DDS)4.5.5頻率合成技術(shù)

由此可以看出，相位累加器在每一個時鐘脈沖輸入時，把頻率控制字累加一次，相位累加器輸出的數(shù)據(jù)就是合成信號的相位，相位累加器的溢出頻率就是DDS輸出的信號頻率。用相位累加器輸出的數(shù)據(jù)作為波形存儲器(ROM)的相位取樣地址，這樣就可把存儲在波形存儲器內(nèi)的波形抽樣值(二進制編碼)經(jīng)查找表查出，完成相位到幅值轉(zhuǎn)換。波形存儲器的輸出送到D/A轉(zhuǎn)換器，D/A轉(zhuǎn)換器將數(shù)字量形式的波形幅值轉(zhuǎn)換成所要求合成頻率的模擬量形式信號。低通濾波器用于濾除不需要的取樣分量，以便輸出頻譜純凈的正弦波信號。3）直接數(shù)字頻率合成(DigitalDirectFrequencySynthesis，DDS)4.5.5頻率合成技術(shù)DDS在相對帶寬、頻率轉(zhuǎn)換時間、高分辨力、相位連續(xù)性、正交輸出以及集成化等一系列性能指標方面遠遠超過了傳統(tǒng)頻率合成技術(shù)所能達到的水平，為系統(tǒng)提供了優(yōu)于模擬信號源的性能。（1）輸出頻率相對帶寬較寬輸出頻率帶寬為50%fc(理論值)。但考慮到低通濾波器的特性和設(shè)計難度以及對輸出信號雜散的抑制，實際的輸出頻率帶寬仍能達到40%fc。3）直接數(shù)字頻率合成(DigitalDirectFrequencySynthesis，DDS)4.5.5頻率合成技術(shù)（2）頻率轉(zhuǎn)換時間短DDS是一個開環(huán)系統(tǒng)，無任何反饋環(huán)節(jié)，這種結(jié)構(gòu)使得DDS的頻率轉(zhuǎn)換時間極短。事實上，在DDS的頻率控制字改變之后，需經(jīng)過一個時鐘周期之后按照新的相位增量累加，才能實現(xiàn)頻率的轉(zhuǎn)換。因此，頻率轉(zhuǎn)換的時間等于頻率控制字的傳輸時間，也就是一個時鐘周期的時間。時鐘頻率越高，轉(zhuǎn)換時間越短。DDS的頻率轉(zhuǎn)換時間可達納秒數(shù)量級，比使用其