雷達(dá)原理(第三)第2章雷達(dá)發(fā)射機(jī)

2.1雷達(dá)發(fā)射機(jī)的任務(wù)和基本組成雷達(dá)是利用物體反射電磁波的特性來(lái)發(fā)現(xiàn)目標(biāo)并確定目標(biāo)的距離、方位、高度和速度等參數(shù)的。因此,雷達(dá)工作時(shí)要求發(fā)射一種特定的大功率無(wú)線電信號(hào)。發(fā)射機(jī)在雷達(dá)中就是起這一作用的,也就是說(shuō),它為雷達(dá)提供一個(gè)載波受到調(diào)制的大功率射頻信號(hào),經(jīng)饋線和收發(fā)開(kāi)關(guān)由天線輻射出去。當(dāng)前1頁(yè)，總共73頁(yè)。圖2.1單級(jí)振蕩式發(fā)射機(jī)當(dāng)前2頁(yè)，總共73頁(yè)。圖2.2主振放大式發(fā)射機(jī)當(dāng)前3頁(yè)，總共73頁(yè)。單級(jí)振蕩式發(fā)射機(jī)與主振放大式發(fā)射機(jī)相比，最大的優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì),也比較輕便。實(shí)踐表明,同樣的功率電平,單級(jí)振蕩式發(fā)射機(jī)大約只有主振放大式重量的1/3。因此,只要有可能,還是盡量?jī)?yōu)先采用單級(jí)振蕩式方案。但是,當(dāng)整機(jī)對(duì)發(fā)射機(jī)有較高要求時(shí),單級(jí)振蕩式發(fā)射機(jī)往往無(wú)法滿足而必須采用主振放大式發(fā)射機(jī)。當(dāng)前4頁(yè)，總共73頁(yè)。2.2雷達(dá)發(fā)射機(jī)的主要質(zhì)量指標(biāo)1.工作頻率或波段雷達(dá)的工作頻率或波段是按照雷達(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)還要求它能在幾個(gè)頻率上跳變工作或同時(shí)工作。工作頻率或波段的不同對(duì)發(fā)射機(jī)的設(shè)計(jì)影響很大,它首先牽涉到發(fā)射管種類的選擇,例如目前在1000MHz以下主要采用微波三、四極管,在1000MHz以上則有多腔磁控管、大功率速調(diào)管、行波管以及前向波管等。目前各類發(fā)射管所能提供的射頻功率與帶寬能力如圖2.3所示。當(dāng)前5頁(yè)，總共73頁(yè)。

2.輸出功率發(fā)射機(jī)的輸出功率直接影響雷達(dá)的威力和抗干擾能力。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)的輸出功率。有時(shí)為了測(cè)量方便,也可以規(guī)定在指定負(fù)載上(饋線上一定的電壓駐波比)的功率為發(fā)射機(jī)的輸出功率。如果是波段工作的發(fā)射機(jī)，則還應(yīng)規(guī)定在整個(gè)波段中輸出功率的最低值,或者規(guī)定在波段內(nèi)輸出功率的變化不得大于多少分貝。當(dāng)前6頁(yè)，總共73頁(yè)。圖2.3微波發(fā)射管功率與帶寬能力現(xiàn)狀當(dāng)前7頁(yè)，總共73頁(yè)。脈沖雷達(dá)發(fā)射機(jī)的輸出功率又可分為峰值功率Pt和平均功率Pav。Pt是指脈沖期間射頻振蕩的平均功率(注意不要與射頻正弦振蕩的最大瞬功率相混淆)。Pav是指脈沖重復(fù)周期內(nèi)輸出功率的平均值。如果發(fā)射波形是簡(jiǎn)單的矩形脈沖列,脈沖寬度為τ,脈沖重復(fù)周期為Tr,則有式中的fr=1/Tr是脈沖重復(fù)頻率。τ/Tr=τfr稱作雷達(dá)的工作比D。常規(guī)的脈沖雷達(dá)工作比的典型值為D=0.001,但脈沖多卜勒雷達(dá)的工作比可達(dá)10-2數(shù)量級(jí),甚至達(dá)10-1數(shù)量級(jí)。顯然,連續(xù)波雷達(dá)的D=1。當(dāng)前8頁(yè)，總共73頁(yè)。

3.總效率發(fā)射機(jī)的總效率是指發(fā)射機(jī)的輸出功率與它的輸入總功率之比。因?yàn)榘l(fā)射機(jī)通常在整機(jī)中是最耗電和最需要冷卻的部分,有高的總效率,不僅可以省電,而且對(duì)于減輕整機(jī)的體積重量也很有意義。對(duì)于主振放大式發(fā)射機(jī),要提高總效率,特別要注意改善輸出級(jí)的效率。當(dāng)前9頁(yè)，總共73頁(yè)。4.信號(hào)形式(調(diào)制形式)表2.1雷達(dá)的常用信號(hào)形式當(dāng)前10頁(yè)，總共73頁(yè)。圖2.4三種典型雷達(dá)信號(hào)和調(diào)制波形當(dāng)前11頁(yè)，總共73頁(yè)。

5.信號(hào)的穩(wěn)定度或頻譜純度信號(hào)的穩(wěn)定度是指信號(hào)的各項(xiàng)參數(shù),例如信號(hào)的振幅、頻率(或相位)、脈沖寬度及脈沖重復(fù)頻率等是否隨時(shí)間作不應(yīng)有的變化。后面將會(huì)分析到,雷達(dá)信號(hào)的任何不穩(wěn)定都會(huì)給雷達(dá)整機(jī)性能帶來(lái)不利的影響。例如對(duì)動(dòng)目標(biāo)顯示雷達(dá),它會(huì)造成不應(yīng)有的系統(tǒng)對(duì)消剩余,在脈沖壓縮系統(tǒng)中會(huì)造成目標(biāo)的距離旁瓣以及在脈沖多卜勒系統(tǒng)中會(huì)造成假目標(biāo)等。信號(hào)參數(shù)的不穩(wěn)定可分為規(guī)律性的與隨機(jī)性的兩類,規(guī)律性的不穩(wěn)定往往是由電源濾波不良、機(jī)械震動(dòng)等原因引起的,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。當(dāng)前12頁(yè)，總共73頁(yè)。圖2.5矩形射頻脈沖列的理想頻譜當(dāng)前13頁(yè)，總共73頁(yè)。圖2.6實(shí)際發(fā)射信號(hào)的頻譜當(dāng)前14頁(yè)，總共73頁(yè)。對(duì)于分布性的寄生輸出則以偏離載頻若干赫的傅里葉頻率(以fm表之)上每單位頻帶的單邊帶功率與信號(hào)功率之比來(lái)衡量,其單位以dB/Hz計(jì)。由于分布性寄生輸出對(duì)于fm的分布是不均勻的,所以信號(hào)頻譜純度是fm的函數(shù),通常用L(fm)表示。假如測(cè)量設(shè)備的有效帶寬不是1Hz而是ΔBHz,那么所測(cè)得的分貝值與L(fm)的關(guān)系可近似認(rèn)為等于現(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)于脈沖多卜勒雷達(dá)一個(gè)典型的要求是-80dB。為了滿足信號(hào)頻譜純度的要求,發(fā)射機(jī)需要精心的設(shè)計(jì)。當(dāng)前15頁(yè)，總共73頁(yè)。2.3單級(jí)振蕩和主振放大式發(fā)射機(jī)2.3.1單級(jí)振蕩式發(fā)射機(jī)圖2.7單級(jí)振蕩式發(fā)射機(jī)組成方框圖當(dāng)前16頁(yè)，總共73頁(yè)。圖2.8單級(jí)振蕩式發(fā)射機(jī)各級(jí)波形當(dāng)前17頁(yè)，總共73頁(yè)。2.3.2主振放大式發(fā)射機(jī)的特點(diǎn)1.具有很高的頻率穩(wěn)定度在雷達(dá)整機(jī)要求有很高的頻率穩(wěn)定度的情況下,必須采用主振放大式發(fā)射機(jī)。因?yàn)樵趩渭?jí)振蕩式發(fā)射機(jī)中,信號(hào)的載頻直接由大功率振蕩器決定。由于振蕩管的預(yù)熱漂移、溫度漂移、負(fù)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(zhǔn)誤差等原因,單級(jí)振蕩式發(fā)射機(jī)難于達(dá)到高的頻率精度和穩(wěn)定度。在主振放大式發(fā)射機(jī)中,如前所述,載頻的精度和穩(wěn)定度在低電平級(jí)決定,較易采取各種穩(wěn)頻措施,例如恒溫、防震、穩(wěn)壓以及采用晶體濾波、注入穩(wěn)頻及鎖相穩(wěn)頻等措施,所以能夠得到很高的頻率穩(wěn)定度。當(dāng)前18頁(yè)，總共73頁(yè)。

2.發(fā)射相位相參信號(hào)

在要求發(fā)射相位相參信號(hào)的雷達(dá)系統(tǒng)(例如脈沖多卜勒雷達(dá)等)中,必須采用主振放大式發(fā)射機(jī)。所謂相位相參性，是指兩個(gè)信號(hào)的相位之間存在著確定的關(guān)系。對(duì)于單級(jí)振蕩式發(fā)射機(jī),由于脈沖調(diào)制器直接控制振蕩器的工作,每個(gè)射頻脈沖的起始射頻相位是由振蕩器的噪聲決定的,因而相繼脈沖的射頻相位是隨機(jī)的,或者說(shuō),這種受脈沖調(diào)制的振蕩器輸出的射頻信號(hào)相位是不相參的。所以,有時(shí)把單級(jí)振蕩式發(fā)射機(jī)稱為非相參發(fā)射機(jī)。當(dāng)前19頁(yè)，總共73頁(yè)。在主振放大式發(fā)射機(jī)中,主控振蕩器提供的是連續(xù)波信號(hào),射頻脈沖的形成是通過(guò)脈沖調(diào)制器控制射頻功率放大器達(dá)到的。因此，相繼射頻脈沖之間就具有固定的相位關(guān)系。只要主控振蕩器有良好的頻率穩(wěn)定度,射頻放大器有足夠的相位穩(wěn)定度,發(fā)射信號(hào)就可以具有良好的相位相參性。為此,常把主振放大式發(fā)射機(jī)稱為相參發(fā)射機(jī)。還需指出,如果雷達(dá)系統(tǒng)的發(fā)射信號(hào)、本振電壓、相參振蕩電壓和定時(shí)器的觸發(fā)脈沖均由同一基準(zhǔn)信號(hào)提供,那么所有這些信號(hào)之間均保持相位相參性,通常把這種系統(tǒng)稱為全相參系統(tǒng)。當(dāng)前20頁(yè)，總共73頁(yè)。圖2.9采用頻率合成技術(shù)的主振放大式發(fā)射機(jī)當(dāng)前21頁(yè)，總共73頁(yè)。圖2.9是采用頻率合成技術(shù)的主振放大式發(fā)射機(jī)的原理方框圖,圖中基準(zhǔn)頻率振蕩器輸出的基準(zhǔn)信號(hào)頻率為F。在這里,發(fā)射信號(hào)(頻率f0=NiF+MF)、穩(wěn)定本振電壓(頻率fL=NiF)、相參振蕩電壓(頻率fc=MF)和定時(shí)器的觸發(fā)脈沖(重復(fù)頻率fr=F/n)均由基準(zhǔn)信號(hào)F經(jīng)過(guò)倍頻、分頻及頻率合成而產(chǎn)生,它們之間有確定的相位相參性,所以這是一個(gè)全相參系統(tǒng)。當(dāng)前22頁(yè)，總共73頁(yè)。4.能產(chǎn)生復(fù)雜波形圖2.10能產(chǎn)生復(fù)雜波形的主振放大式發(fā)射機(jī)當(dāng)前23頁(yè)，總共73頁(yè)。2.3.3射頻放大鏈的性能與組成主振放大式發(fā)射機(jī)采用多級(jí)射頻放大鏈,它的設(shè)計(jì)質(zhì)量與射頻放大管的選擇關(guān)系密切。關(guān)于各種微波放大管的工作原理已經(jīng)在“微波電子線路”課程中討論過(guò),在此僅從微波管對(duì)發(fā)射機(jī)性能影響的角度出發(fā)討論微波管的選用問(wèn)題。前面已經(jīng)提到,當(dāng)雷達(dá)工作頻率在1000MHz以上時(shí),通常選用直線電子注微波管(O型管)和正交場(chǎng)型微波管(M型管)作為發(fā)射機(jī)的射頻放大管。在表2.2中我們對(duì)高功率脈沖工作的O型管和分布發(fā)射式的M型管在同一頻段、同樣峰值功率和平均功率電平下的各項(xiàng)主要性能進(jìn)行了比較。在1000MHz以下用得較多的是微波三、四極管(柵控管),在表2.3中列出了它們的主要性能。當(dāng)前24頁(yè)，總共73頁(yè)。表2.2高功率脈沖工作的O型管和分布發(fā)射式M型管的性能比較當(dāng)前25頁(yè)，總共73頁(yè)。表2.2高功率脈沖工作的O型管和分布發(fā)射式M型管的性能比較當(dāng)前26頁(yè)，總共73頁(yè)。表2.3微波三、四極管的主要電性能當(dāng)前27頁(yè)，總共73頁(yè)。根據(jù)以上的比較可以知道,選用什么微波管組成放大鏈要按實(shí)際情況具體考慮,不存在對(duì)于一切場(chǎng)合都是最佳的放大鏈。從現(xiàn)有的使用情況看,在1000MHz以下選用微波三、四極管組成的放大鏈,它具有體積小、重量輕、工作電壓低、相位穩(wěn)定性和相位特性線性度好、成本低和對(duì)負(fù)載失配容限大等優(yōu)點(diǎn)。但是它的單級(jí)增益較低,往往要求的級(jí)數(shù)較多(為提高增益，通常讓前級(jí)工作在A類,這樣做對(duì)放大鏈的總效率影響不大)。它的頻帶也不易做得寬(新型的將電路元件和管子結(jié)合在一起封裝于真空殼內(nèi)的所謂同軸管放大器以及將一系列管子結(jié)合在一起組成分布放大器的四極管鏈，則具有10%以上乃至幾個(gè)倍頻程的帶寬)。這種放大鏈較多用于地面遠(yuǎn)程雷達(dá)和相控陣?yán)走_(dá)中。當(dāng)前28頁(yè)，總共73頁(yè)。在1000MHz以上放大鏈通常有行波管-行波管、行波管-速調(diào)管和行波管-前向波管等幾種組成方式:1)行波管-行波管式放大鏈這種放大鏈具有較寬的頻帶,可用較少的級(jí)數(shù)提供高的增益,因而結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單。但是它的輸出功率往往不大,效率也不是很高,常應(yīng)用于機(jī)載雷達(dá)及要求輕便的雷達(dá)系統(tǒng)中。當(dāng)前29頁(yè)，總共73頁(yè)。2)行波管-速調(diào)管放大鏈它的特點(diǎn)是可以提供較大的功率,在增益和效率方面的性能也比較好,但是它的頻帶較窄,速調(diào)管本身以及要求的附屬設(shè)備(如聚焦磁場(chǎng)及冷卻和防護(hù)設(shè)備等),使放大鏈較為笨重,所以這種放大鏈多用于地面雷達(dá)。3)行波管-前向波管放大鏈這是一種比較好的折衷方案。行波管雖然效率低,用在前級(jí)對(duì)整個(gè)放大鏈影響較小,但可以發(fā)揮其高增益的優(yōu)點(diǎn)。由于行波管提供了足夠的增益,使得后級(jí)可以采用增益較低的前向波管,而前向波管的高效率特點(diǎn)提高了整個(gè)放大鏈的效率,彼此取長(zhǎng)補(bǔ)短。這種放大鏈頻帶較寬,體積重量相對(duì)不大,因而在地面的機(jī)動(dòng)雷達(dá)、相控陣?yán)走_(dá)(末級(jí)通常采用多管輸出)以及某些空載雷達(dá)中應(yīng)用日趨增多。當(dāng)前30頁(yè)，總共73頁(yè)。2.3.4射頻放大鏈應(yīng)用舉例某精密跟蹤雷達(dá)用的發(fā)射機(jī),工作在C波段,要求輸出脈沖功率為2.5MW,1dB帶寬為1%,射頻脈沖寬度為0.8μs(前沿寬度不大于0.1~0.5μs,后沿寬度不大于0.15~0.2μs),脈沖重復(fù)頻率可在600~800Hz的范圍內(nèi)以三種不同的值跳變。由于此雷達(dá)要求對(duì)所跟蹤的目標(biāo)進(jìn)行多卜勒測(cè)速,所以必須用主振放大式發(fā)射機(jī),其主振器(固體微波源)的輸出功率為20mW、脈沖寬度為4μs的射頻脈沖。當(dāng)前31頁(yè)，總共73頁(yè)。根據(jù)輸入和輸出功率的要求,微波放大鏈的功率增益至少應(yīng)為顯然,這樣高的功率增益單靠一級(jí)是無(wú)法達(dá)到的。根據(jù)微波管產(chǎn)生的具體情況,選用三級(jí)級(jí)聯(lián)組成。為避免各級(jí)之間的相互影響,級(jí)間必須用鐵氧體環(huán)流器隔離。考慮到級(jí)間損耗,微波放大鏈的實(shí)際增益應(yīng)在83dB以上。由于要求的輸出功率大,功率增益高,但帶寬并不大,且該雷達(dá)系固定式的地面雷達(dá),所以可以選用行波管-速調(diào)管式放大鏈。當(dāng)前32頁(yè)，總共73頁(yè)。末級(jí)選四腔大功率速調(diào)管,它的前三腔采用參差調(diào)諧,輸出腔為復(fù)合腔,以保證瞬時(shí)通頻帶大于1%。速調(diào)管的飽和增益為32dB。放大鏈的前級(jí)由兩級(jí)行波管組成,第一級(jí)小功率行波管為包裝式結(jié)構(gòu)的周期性永磁聚焦柵控行波管,其最大增益為32dB,1dB帶寬為7%。第二級(jí)是中功率行波管,其飽和增益大于24dB,3dB帶寬為2.5%。由于工藝的限制,中功率行波管和大功率速調(diào)管沒(méi)有柵極或調(diào)制陽(yáng)級(jí),因此只有采用陰極脈沖調(diào)制。當(dāng)前33頁(yè)，總共73頁(yè)。圖2.11發(fā)射機(jī)的組成方框圖當(dāng)前34頁(yè)，總共73頁(yè)。2.4固態(tài)發(fā)射機(jī)2.4.1發(fā)展概況和特點(diǎn)與微波電子管發(fā)射機(jī)相比,固態(tài)發(fā)射機(jī)具有如下優(yōu)點(diǎn):不需要陰極加熱、壽命長(zhǎng)。(2)具有很高的可靠性。(3)體積小、重量輕。(4)工作頻帶寬、效率高。(5)系統(tǒng)設(shè)計(jì)和運(yùn)用靈活。(6)維護(hù)方便,成本較低。當(dāng)前35頁(yè)，總共73頁(yè)。表2.4應(yīng)用于雷達(dá)系統(tǒng)中的各種固態(tài)發(fā)射機(jī)的特性當(dāng)前36頁(yè)，總共73頁(yè)。2.4.2固態(tài)高功率放大器模塊1.大功率微波晶體管大功率微波晶體管的迅速發(fā)展,對(duì)固態(tài)發(fā)射模塊的性能和應(yīng)用起到重要的推動(dòng)作用。在S波段以下,通常采用硅雙極晶體管。表2.5列出了在某些雷達(dá)固態(tài)發(fā)射模塊中應(yīng)用的大功率晶體管的特性。在S波段以上則較多采用砷化鎵場(chǎng)效應(yīng)管(GaAsFET),目前它們的輸出功率在8~10GHz頻率上可達(dá)20W,而在12GHz以上時(shí)只有幾瓦。當(dāng)前37頁(yè)，總共73頁(yè)。表2.5在某些雷達(dá)固態(tài)發(fā)射模塊中應(yīng)用的大功率晶體管特性當(dāng)前38頁(yè)，總共73頁(yè)。2.固態(tài)高功率放大器模塊應(yīng)用先進(jìn)的集成電路工藝和微波網(wǎng)絡(luò)技術(shù),將多個(gè)大功率晶體管的輸出功率并行組合,即可制成固態(tài)高功率放大器模塊。輸出功率并行組合的主要要求是高功率和高效率。根據(jù)使用要求,主要有兩種典型的輸出功率組合方式。圖2.12(a)是空間合成的輸出結(jié)構(gòu),主要用于相控陣?yán)走_(dá)。由于沒(méi)有微波功率合成網(wǎng)絡(luò)的插入損耗,因此輸出功率的效率很高。當(dāng)前39頁(yè)，總共73頁(yè)。圖2.12固態(tài)功率放大器輸出功率組合方式(a)空間合成方式;(b)集中合成輸出結(jié)構(gòu);(c)集中合成輸出結(jié)構(gòu)的固態(tài)高效模塊當(dāng)前40頁(yè)，總共73頁(yè)。圖2.12固態(tài)功率放大器輸出功率組合方式(a)空間合成方式;(b)集中合成輸出結(jié)構(gòu);(c)集中合成輸出結(jié)構(gòu)的固態(tài)高效模塊當(dāng)前41頁(yè)，總共73頁(yè)。圖2.12固態(tài)功率放大器輸出功率組合方式(a)空間合成方式;(b)集中合成輸出結(jié)構(gòu);(c)集中合成輸出結(jié)構(gòu)的固態(tài)高效模塊當(dāng)前42頁(yè)，總共73頁(yè)。2.4.3微波單片集成(MMIC)收發(fā)模塊微波單片集成電路(MMIC)的最新發(fā)展,使固態(tài)收發(fā)模塊在相控陣?yán)走_(dá)中的應(yīng)用達(dá)到實(shí)用階段。微波單片集成電路采用了新的模塊化設(shè)計(jì)方法,將固態(tài)收發(fā)模塊中的有源器件(線性放大器、低噪聲放大器、飽和放大器或有源開(kāi)關(guān)等)和無(wú)源器件(電阻、電容、電感、二極管和傳輸線等)制作在同一塊砷化鎵(GaAs)基片上,從而大大提高了固態(tài)收發(fā)模塊的技術(shù)性能,使成品的一致性好,尺寸小,重量輕。當(dāng)前43頁(yè)，總共73頁(yè)。圖2.13示出典型的微波單片集成收發(fā)模塊的組成框圖。收發(fā)模塊主要由功率放大器、低噪聲放大器、寬帶放大器、移相器、衰減器、限幅收發(fā)開(kāi)關(guān)和環(huán)行器等部件組成,具有高集成度、高可靠性和多功能特點(diǎn)。當(dāng)前44頁(yè)，總共73頁(yè)。圖2.13用于相控陣?yán)走_(dá)的單片集成收發(fā)模塊組成框圖當(dāng)前45頁(yè)，總共73頁(yè)。近年來(lái)微波單片集成收發(fā)模塊發(fā)展很快,并且已經(jīng)成為相控陣?yán)走_(dá)的關(guān)鍵部件。從超高頻波段至厘米波波段,都有可供實(shí)用的微波單片集成收發(fā)模塊,表2.6列出了從L波段至X波段的幾種集成收發(fā)模塊的主要性能參數(shù)及其體積和重量。

微波單片集成收發(fā)模塊的主要優(yōu)點(diǎn)如下:(1)成本低。因?yàn)橛捎性春蜔o(wú)源器件構(gòu)成的高集成度和多功能電路是用批量生產(chǎn)工藝制作在相同的基片上的,它不需要常規(guī)的電路焊接裝配過(guò)程,所以成本低廉。(2)高可靠性。采用先進(jìn)的集成電路工藝和優(yōu)化的微波網(wǎng)絡(luò)技術(shù),沒(méi)有常規(guī)分離元件電路的硬線連接和元件組裝過(guò)程,因此單片集成收發(fā)模塊的可靠性大大提高。當(dāng)前46頁(yè)，總共73頁(yè)。表2.6用于相控陣?yán)走_(dá)的幾種單片集成收發(fā)模塊性能參數(shù)當(dāng)前47頁(yè)，總共73頁(yè)。(3)電路性能一致性好、成品率高。單片集成收發(fā)模塊是在相同的基片上批量生產(chǎn)制作的,電路性能的一致性很好,成品率高,在使用維護(hù)中的替換性也很好。(4)尺寸小、重量輕。有源和無(wú)源器件制作在同一塊砷化鎵基片上,電路的集成度很高,它的尺寸和重量與常規(guī)的分離元件制作的收發(fā)模塊相比越來(lái)越小。如表2.6所示,L波段的單片集成收發(fā)模塊的尺寸為67.2cm2,重量?jī)H為4盎司(即0.113kg)。當(dāng)前48頁(yè)，總共73頁(yè)。2.4.4固態(tài)發(fā)射機(jī)的應(yīng)用

1.在相控陣?yán)走_(dá)中的應(yīng)用固態(tài)模塊在相控陣?yán)走_(dá)中的應(yīng)用已受到重視。相控陣天線中的每個(gè)輻射元由單個(gè)的固態(tài)收發(fā)模塊組成。相控陣天線利用電掃描方式,使每個(gè)固態(tài)模塊輻射的能量在空間合成為所需要的高功率輸出,從而避免了采用微波網(wǎng)絡(luò)合成功率所引起的損耗。當(dāng)前49頁(yè)，總共73頁(yè)。圖2.14典型的L波段相控陣發(fā)射/接收模塊當(dāng)前50頁(yè)，總共73頁(yè)。在發(fā)射狀態(tài),邏輯控制電路發(fā)出指令,使移相器收發(fā)開(kāi)關(guān)處于發(fā)射方式(即保證移相器與預(yù)放大器接通)。射頻信號(hào)經(jīng)過(guò)移相器加到由硅雙極晶體管組成的預(yù)放大器和功率放大器上,再經(jīng)過(guò)環(huán)行器后直接激勵(lì)相控陣天線中的某個(gè)陣元。在接收狀態(tài),邏輯控制電路使移相器收發(fā)開(kāi)關(guān)處于接收方式(即保證低噪聲放大器與移相器接通),由天線陣元接收到的射頻回波信號(hào)經(jīng)環(huán)行器和限幅器收發(fā)開(kāi)關(guān)后加至低噪聲放大器,然后再經(jīng)過(guò)移相器送至射頻綜合網(wǎng)絡(luò)。射頻綜合網(wǎng)絡(luò)合成從各個(gè)陣元的發(fā)射/接收組件返回的射頻回波信號(hào),最后送至由計(jì)算機(jī)控制的相控陣?yán)走_(dá)信號(hào)處理機(jī)。當(dāng)前51頁(yè)，總共73頁(yè)。2.在全固態(tài)化高可靠性雷達(dá)中的應(yīng)用圖2.15L波段高可靠性全固態(tài)化發(fā)射機(jī)當(dāng)前52頁(yè)，總共73頁(yè)。

2.在全固態(tài)化高可靠性雷達(dá)中的應(yīng)用圖2.15示出了一個(gè)L波段高可靠全固態(tài)化發(fā)射機(jī)的應(yīng)用實(shí)例。這個(gè)固態(tài)發(fā)射機(jī)的輸出峰值功率為8kW、平均功率為125kW。它的主要特點(diǎn)是:(1)功率放大級(jí)采用64個(gè)固態(tài)放大集成組件組成,每個(gè)集成組件峰值功率為150W、增益為20dB、帶寬為200MHz、效率為33%;(2)采用高性能的1∶8功率分配器和8∶1的功率合成器,保證級(jí)間有良好的匹配和高的功率傳輸效率;(3)采用兩套前置預(yù)放大器(組件65和66),如果一路預(yù)放大器失效,轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)將自動(dòng)接通另一路。上述三點(diǎn)使這個(gè)固態(tài)發(fā)射機(jī)具有高可靠性,而且體積小、重量輕、機(jī)動(dòng)性好。當(dāng)前53頁(yè)，總共73頁(yè)。3.在連續(xù)波體制對(duì)空監(jiān)視雷達(dá)系統(tǒng)中的應(yīng)用圖2.16用于連續(xù)波對(duì)空監(jiān)視雷達(dá)系統(tǒng)的固態(tài)發(fā)射機(jī)當(dāng)前54頁(yè)，總共73頁(yè)。圖2.16示出一種用于連續(xù)波體制對(duì)空監(jiān)視雷達(dá)系統(tǒng)的固態(tài)發(fā)射機(jī)的組成框圖。這個(gè)連續(xù)波對(duì)空監(jiān)視雷達(dá)提供高空衛(wèi)星及其它空中目標(biāo)的檢測(cè)和跟蹤數(shù)據(jù),工作頻率為217MHz。為了提高雷達(dá)系統(tǒng)的性能,用固態(tài)發(fā)射機(jī)直接代替了原來(lái)體積龐大,效率較低的電子管發(fā)射機(jī)。整個(gè)天線陣面由2592個(gè)相控陣偶極子輻射器組成。每個(gè)輻射器直接由一個(gè)平均功率為320W的固態(tài)發(fā)射模塊驅(qū)動(dòng)。由于固態(tài)發(fā)射模塊與偶極子輻射器采用了一體化結(jié)構(gòu),與電子管發(fā)射機(jī)相比,功率傳輸效率提高了1dB。2592個(gè)固態(tài)發(fā)射模塊輸出的總平均功率為830kW,當(dāng)考慮天線陣面的增益時(shí),在空中合成的有效輻射功率高達(dá)98dBW。當(dāng)前55頁(yè)，總共73頁(yè)。與原來(lái)的電子管發(fā)射機(jī)相比,這個(gè)固態(tài)發(fā)射機(jī)具有如下優(yōu)點(diǎn):(1)高效率、低損耗。由于2592個(gè)固態(tài)發(fā)射模塊與對(duì)應(yīng)的偶極子輻射器在結(jié)構(gòu)上是一體化的,沒(méi)有電子管發(fā)射機(jī)必不可少的微波功率輸出分配網(wǎng)絡(luò)帶來(lái)的損耗,整個(gè)發(fā)射機(jī)的效率為52.6%,比原來(lái)電子管發(fā)射機(jī)的效率(26.4%)提高了1倍。(2)高可靠性。固態(tài)發(fā)射模塊本身的平均無(wú)故障間隔時(shí)間已超過(guò)100000h,整個(gè)發(fā)射系統(tǒng)的可靠性為0.9998。(3)體積小、重量輕、維護(hù)方便。原來(lái)的發(fā)射機(jī)由18個(gè)輸出功率為50kW的高功率電子管末級(jí)放大器組成,需要的附加安全防護(hù)設(shè)備很多,體積龐大,維修困難。固態(tài)發(fā)射機(jī)使用2592個(gè)平均功率為320W的固態(tài)模塊,直流供電電壓為28V,使用和維護(hù)很方便。當(dāng)前56頁(yè)，總共73頁(yè)。表2.7典型的固態(tài)發(fā)射模塊的性能參數(shù)當(dāng)前57頁(yè)，總共73頁(yè)。表2.8連續(xù)波對(duì)空監(jiān)視雷達(dá)固態(tài)發(fā)射機(jī)和電子管發(fā)射機(jī)性當(dāng)前58頁(yè)，總共73頁(yè)。2.5脈沖調(diào)制器圖2.17脈沖調(diào)制器的組成方框當(dāng)前59頁(yè)，總共73頁(yè)。2.5.1剛性開(kāi)關(guān)脈沖調(diào)制器根據(jù)負(fù)載的不同,剛性開(kāi)關(guān)脈沖調(diào)制器又可分為陰極脈沖調(diào)制器、調(diào)制陽(yáng)極脈沖調(diào)制器和柵極脈沖調(diào)制器。陰極脈沖調(diào)制器是直接或通過(guò)耦合元件(脈沖變壓器)去控制射頻發(fā)生器的全部電子注功率的。調(diào)制陽(yáng)極脈沖調(diào)制器雖然一般也要提供全部電子注電壓,但由于調(diào)制陽(yáng)極截獲的電流很小,因而它主要在脈沖的起始和結(jié)束時(shí)給分布電容充電和放電提供較大的電流。柵極脈沖調(diào)制器和調(diào)制陽(yáng)極脈沖調(diào)制器相似,不過(guò)超高頻管的柵極總是做成具有高放大系數(shù)的控制極,所以要求的調(diào)制電壓要小得多,可以采用低壓元件和技術(shù)。當(dāng)前60頁(yè)，總共73頁(yè)。

1.陰極脈沖調(diào)制器剛性開(kāi)關(guān)陰極脈沖調(diào)制器的典型線路如圖2.18所示。圖中V1是剛性開(kāi)關(guān)管,C是儲(chǔ)能電容,V2是作為調(diào)制器負(fù)載的磁控管,電阻R1是充電元件,電感L和二極管V3構(gòu)成儲(chǔ)能元件的充電通路并用來(lái)改善調(diào)制脈沖的下降邊。把圖2.18的線路與一般的視頻脈沖放大器相比可以看出,剛性開(kāi)關(guān)陰極脈沖調(diào)制器本質(zhì)上就是一個(gè)視頻脈沖放大器,只不過(guò)在設(shè)計(jì)上要充分注意到它在大功率下運(yùn)用,并要保證射頻發(fā)生器所要求的良好波形罷了。當(dāng)前61頁(yè)，總共73頁(yè)。圖2.18剛性開(kāi)關(guān)陰極調(diào)制器的典型線路當(dāng)前62頁(yè)，總共73頁(yè)。圖2.19用脈沖變壓器耦合的陰極脈沖調(diào)制器當(dāng)前63頁(yè)，總共73頁(yè)。為了適應(yīng)多種脈沖寬度和高工作比的工作,往往采用把高壓電源、調(diào)制管和負(fù)載三者串聯(lián)起來(lái)的方式,如圖2.20所示,我們把它叫做串聯(lián)式陰極脈沖調(diào)制器,以與圖2.18所示的高壓電源、調(diào)制管和負(fù)載三者并聯(lián)的并聯(lián)式陰極脈沖調(diào)制器相區(qū)別。串聯(lián)式調(diào)制器與并聯(lián)式相比有以下優(yōu)點(diǎn):第一,串聯(lián)式調(diào)制器省去了重復(fù)充電電路,所以可適用于高重復(fù)頻率工作,特別適用于脈沖串工作,那里可能要求串內(nèi)的各脈沖間的間隔很小;第二,串聯(lián)式調(diào)制器的儲(chǔ)能電容就是高壓電源的濾波電容器組,只要這個(gè)電容足夠大,就可以適應(yīng)各種不同的脈沖寬度工作;第三,一般說(shuō)來(lái),串聯(lián)式調(diào)制器的體積要比并聯(lián)式的小些,因?yàn)椴⒙?lián)式調(diào)制器除了需要儲(chǔ)能電容外,高壓電源輸出端還需要有一個(gè)電容,以盡量減小脈沖負(fù)載對(duì)電源的影響。此外,并聯(lián)式調(diào)制器還需要充電元件和旁通元件等。但是,串聯(lián)式調(diào)制器有一個(gè)最大的缺點(diǎn),就是調(diào)制管的柵極電源、簾柵電源、燈絲電源及柵極激勵(lì)電路等都是處在對(duì)地有高壓變動(dòng)的電位上,這樣就使得結(jié)構(gòu)大大復(fù)雜。因此,一般常規(guī)雷達(dá)還是較多地采用并聯(lián)式陰極脈沖調(diào)制器。當(dāng)前64頁(yè)，總共73頁(yè)。圖2.20串聯(lián)式陰極脈沖調(diào)制器當(dāng)前65頁(yè)，總共73頁(yè)。

2.調(diào)制陽(yáng)極脈沖調(diào)制器為了減小調(diào)制器的尺寸和調(diào)制功率,對(duì)于具有調(diào)制陽(yáng)極或柵極的O型管,可以采用調(diào)制陽(yáng)極調(diào)制或柵極調(diào)制。這樣做還可以避免電子注電壓(陰極電壓)在上升與下降過(guò)程中產(chǎn)生寄生的π模振蕩。由于O型管的調(diào)制陽(yáng)極與柵極所截獲的電流只有電子注電流的很小一部分(約為0.1%到1%),因而它對(duì)調(diào)制器呈現(xiàn)的是一個(gè)高歐姆電阻,同時(shí)并聯(lián)著它自身的分布電容、雜散電容以及調(diào)制器的輸出電容,也就是說(shuō)，它呈現(xiàn)的基本上是一個(gè)電容性負(fù)載。由于這個(gè)原因,要采用類似上述陰極調(diào)制器的線路是不成功的,通常采用的是一種稱之為浮動(dòng)板調(diào)制器的線路,如圖2.21所示。當(dāng)前66頁(yè)，總共73頁(yè)。圖2.21浮動(dòng)板調(diào)制器當(dāng)前67頁(yè)，總共73頁(yè)。線路的工作原理是:在脈沖間歇期,接通管和截尾管都不導(dǎo)電,通過(guò)泄放電阻R使O型管調(diào)制陽(yáng)板和陰極維持在負(fù)偏壓上,因此O型管的電子注電流被截止。當(dāng)接通管V1受到激勵(lì)而進(jìn)入導(dǎo)通狀態(tài)時(shí),調(diào)制陽(yáng)極的分布電容C0被充電,浮動(dòng)板隨之