雷達(dá)原理與設(shè)備 第2章 雷達(dá)發(fā)射機(jī)

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)和根本組成2.2雷達(dá)發(fā)射機(jī)的主要質(zhì)量指標(biāo)2.3單級振蕩和主振放大式發(fā)射機(jī)2.4固態(tài)發(fā)射機(jī)2.5脈沖調(diào)制器2.6磁控管振蕩器2.1雷達(dá)發(fā)射機(jī)的任務(wù)和根本組成雷達(dá)是利用物體反射電磁波的特性來發(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)工作時要求發(fā)射一種特定的大功率無線電信號。發(fā)射機(jī)在雷達(dá)中就是起這一作用的,也就是說,它為雷達(dá)提供一個載波受到調(diào)制的大功率射頻信號,經(jīng)饋線和收發(fā)開關(guān)由天線輻射出去。圖2.1單級振蕩式發(fā)射機(jī)圖2.2主振放大式發(fā)射機(jī)單級振蕩式發(fā)射機(jī)與主振放大式發(fā)射機(jī)相比，最大的優(yōu)點(diǎn)是簡單、經(jīng)濟(jì),也比較輕便。實(shí)踐說明,同樣的功率電平,單級振蕩式發(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,還是盡量優(yōu)先采用單級振蕩式方案。但是,當(dāng)整機(jī)對發(fā)射機(jī)有較高要求時,單級振蕩式發(fā)射機(jī)往往無法滿足而必須采用主振放大式發(fā)射機(jī)。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,有時還要求它能在幾個頻率上跳變工作或同時工作。工作頻率或波段的不同對發(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以上那么有多腔磁控管、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。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。有時為了測量方便,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)，那么還應(yīng)規(guī)定在整個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。圖2.3微波發(fā)射管功率與帶寬能力現(xiàn)狀脈沖雷達(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)射波形是簡單的矩形脈沖列,脈沖寬度為τ,脈沖重復(fù)周期為Tr,那么有式中的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,甚至達(dá)10-1數(shù)量級。顯然,連續(xù)波雷達(dá)的D=1。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局部,有高的總效率,不僅可以省電,而且對于減輕整機(jī)的體積重量也很有意義。對于主振放大式發(fā)射機(jī),要提高總效率,特別要注意改善輸出級的效率。4.信號形式(調(diào)制形式)表2.1雷達(dá)的常用信號形式圖2.4三種典型雷達(dá)信號和調(diào)制波形5.信號的穩(wěn)定度或頻譜純度信號的穩(wěn)定度是指信號的各項(xiàng)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)頻率等是否隨時間作不應(yīng)有的變化。后面將會分析到,雷達(dá)信號的任何不穩(wěn)定都會給雷達(dá)整機(jī)性能帶來不利的影響。例如對動目標(biāo)顯示雷達(dá),它會造成不應(yīng)有的系統(tǒng)對消剩余,在脈沖壓縮系統(tǒng)中會造成目標(biāo)的距離旁瓣以及在脈沖多卜勒系統(tǒng)中會造成假目標(biāo)等。信號參數(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)械震動等原因引起的,而隨機(jī)性的不穩(wěn)定那么是由發(fā)射管的噪聲和調(diào)制脈沖的隨機(jī)起伏所引起的。圖2.5矩形射頻脈沖列的理想頻譜圖2.6實(shí)際發(fā)射信號的頻譜對于分布性的寄生輸出那么以偏離載頻假設(shè)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功率之比來衡量,其單位以dB/Hz計(jì)。由于分布性寄生輸出對于fm的分布是不均勻的,所以信號頻譜純度是fm的函數(shù),通常用L(fm)表示。假設(shè)測量設(shè)備的有效帶寬不是1Hz而是ΔBHz,那么所測得的分貝值與L(fm)的關(guān)系可近似認(rèn)為等于現(xiàn)代雷達(dá)對信號的頻譜純度提出了很高的要求,例如對于脈沖多卜勒雷達(dá)一個典型的要求是-80dB。為了滿足信號頻譜純度的要求,發(fā)射機(jī)需要精心的設(shè)計(jì)。2.3單級振蕩和主振放大式發(fā)射機(jī)2.3.1單級振蕩式發(fā)射機(jī)圖2.7單級振蕩式發(fā)射機(jī)組成方框圖圖2.8單級振蕩式發(fā)射機(jī)各級波形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)樵趩渭壵袷幨桨l(fā)射機(jī)中,信號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,單級振蕩式發(fā)射機(jī)難于到達(dá)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。

2.發(fā)射相位相參信號

在要求發(fā)射相位相參信號的雷達(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，是指兩個信號的相位之間存在著確定的關(guān)系。對于單級振蕩式發(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,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。所以,有時把單級振蕩式發(fā)射機(jī)稱為非相參發(fā)射機(jī)。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,射頻脈沖的形成是通過脈沖調(diào)制器控制射頻功率放大器到達(dá)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、本振電壓、相參振蕩電壓和定時器的觸發(fā)脈沖均由同一基準(zhǔn)信號提供,那么所有這些信號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)。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)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,在此僅從微波管對發(fā)射機(jī)性能影響的角度出發(fā)討論微波管的選用問題。前面已經(jīng)提到,當(dāng)雷達(dá)工作頻率在1000MHz以上時,通常選用直線電子注微波管(O型管)和正交場型微波管(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。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型管的性能比較表2.3微波三、四極管的主要電性能根據(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,不存在對于一切場合都是最正確的放大鏈。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、本錢低和對負(fù)載失配容限大等優(yōu)點(diǎn)。但是它的單級增益較低,往往要求的級數(shù)較多(為提高增益，通常讓前級工作在A類,這樣做對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，那么具有10%以上乃至幾個倍頻程的帶寬)。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。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,可用較少的級數(shù)提供高的增益,因而結(jié)構(gòu)較為簡單。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。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,用在前級對整個放大鏈影響較小,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)提高了整個放大鏈的效率,彼此取長補(bǔ)短。這種放大鏈頻帶較寬,體積重量相對不大,因而在地面的機(jī)動雷達(dá)、相控陣?yán)走_(dá)(末級通常采用多管輸出)以及某些空載雷達(dá)中應(yīng)用日趨增多。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)要求對所跟蹤的目標(biāo)進(jìn)行多卜勒測速,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。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是無法到達(dá)的。根據(jù)微波管產(chǎn)生的具體情況,選用三級級聯(lián)組成。為防止各級之間的相互影響,級間必須用鐵氧體環(huán)流器隔離?？紤]到級間損耗,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。末級選四腔大功率速調(diào)管,它的前三腔采用參差調(diào)諧,輸出腔為復(fù)合腔,以保證瞬時通頻帶大于1%。速調(diào)管的飽和增益為32dB。放大鏈的前級由兩級行波管組成,第一級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)管沒有柵極或調(diào)制陽級,因此只有采用陰極脈沖調(diào)制。圖2.11發(fā)射機(jī)的組成方框圖2.4固態(tài)發(fā)射機(jī)2.4.1開展概況和特點(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。(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,本錢較低。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開展,對固態(tài)發(fā)射模塊的性能和應(yīng)用起到重要的推動作用。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波段以上那么較多采用砷化鎵場效應(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以上時只有幾瓦。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2.固態(tài)高功率放大器模塊圖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)。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)(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)的別離元件制作的收發(fā)模塊相比越來越小。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,重量僅為4盎司(即0.113kg)。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輻射元由單個的固態(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,從而防止了采用微波網(wǎng)絡(luò)合成功率所引起的損耗。圖2.14典型的L波段相控陣發(fā)射/接收模塊在發(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)。射頻信號經(jīng)過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)過環(huán)行器后直接鼓勵相控陣天線中的某個陣元。在接收狀態(tài),邏輯控制電路使移相器收發(fā)開關(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經(jīng)環(huán)行器和限幅器收發(fā)開關(guān)后加至低噪聲放大器,然后再經(jīng)過移相器送至射頻綜合網(wǎng)絡(luò)。射頻綜合網(wǎng)絡(luò)合成從各個陣元的發(fā)射/接收組件返回的射頻回波信號,最后送至由計(jì)算機(jī)控制的相控陣?yán)走_(dá)信號處理機(jī)。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)

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)功率放大級采用64個固態(tài)放大集成組件組成,每個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)換開關(guān)將自動接通另一路。上述三點(diǎn)使這個固態(tài)發(fā)射機(jī)具有高可靠性,而且體積小、重量輕、機(jī)動性好。3.在連續(xù)波體制對空監(jiān)視雷達(dá)系統(tǒng)中的應(yīng)用圖2.16用于連續(xù)波對空監(jiān)視雷達(dá)系統(tǒng)的固態(tài)發(fā)射機(jī)圖2.16示出一種用于連續(xù)波體制對空監(jiān)視雷達(dá)系統(tǒng)的固態(tài)發(fā)射機(jī)的組成框圖。這個連續(xù)波對空監(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)直接代替了原來體積龐大,效率較低的電子管發(fā)射機(jī)。整個天線陣面由2592個相控陣偶極子輻射器組成。每個輻射器直接由一個平均功率為320W的固態(tài)發(fā)射模塊驅(qū)動。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,在空中合成的有效輻射功率高達(dá)98dBW。與原來的電子管發(fā)射機(jī)相比,這個固態(tài)發(fā)射機(jī)具有如下優(yōu)點(diǎn):(1)高效率、低損耗。由于2592個固態(tài)發(fā)射模塊與對應(yīng)的偶極子輻射器在結(jié)構(gòu)上是一體化的,沒有電子管發(fā)射機(jī)必不可少的微波功率輸出分配網(wǎng)絡(luò)帶來的損耗,整個發(fā)射機(jī)的效率為52.6%,比原來電子管發(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故障間隔時間已超過100000h,整個發(fā)射系統(tǒng)的可靠性為0.9998。(3)體積小、重量輕、維護(hù)方便。原來的發(fā)射機(jī)由18個輸出功率為50kW的高功率電子管末級放大器組成,需要的附加平安防護(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。表2.7典型的固態(tài)發(fā)射模塊的性能參數(shù)表2.8連續(xù)波對空監(jiān)視雷達(dá)固態(tài)發(fā)射機(jī)和電子管發(fā)射機(jī)性2.5脈沖調(diào)制器圖2.17脈沖調(diào)制器的組成方框

1.陰極脈沖調(diào)制器

剛性開關(guān)陰極脈沖調(diào)制器的典型線路如圖2.18所示。圖中V1是剛性開關(guān)管,C是儲能電容,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)成儲能元件的充電通路并用來改善調(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,剛性開關(guān)陰極脈沖調(diào)制器本質(zhì)上就是一個視頻脈沖放大器,只不過在設(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。圖2.18剛性開關(guān)陰極調(diào)制器的典型線路圖2.19用脈沖變壓器耦合的陰極脈沖調(diào)制器為了適應(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)制器的儲能電容就是高壓電源的濾波電容器組,只要這個電容足夠大,就可以適應(yīng)各種不同的脈沖寬度工作;第三,一般說來,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)制器除了需要儲能電容外,高壓電源輸出端還需要有一個電容,以盡量減小脈沖負(fù)載對電源的影響。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、燈絲電源及柵極鼓勵電路等都是處在對地有高壓變動的電位上,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。圖2.20串聯(lián)式陰極脈沖調(diào)制器2.調(diào)制陽極脈沖調(diào)制器為了減小調(diào)制器的尺寸和調(diào)制功率,對于具有調(diào)制陽極或柵極的O型管,可以采用調(diào)制陽極調(diào)制或柵極調(diào)制。這樣做還可以防止電子注電壓(陰極電壓)在上升與下降過程中產(chǎn)生寄生的π模振蕩。由于O型管的調(diào)制陽極與柵極所截獲的電流只有電子注電流的很小一局部(約為0.1%到1%),因而它對調(diào)制器呈現(xiàn)的是一個高歐姆電阻,同時并聯(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，它呈現(xiàn)的根本上是一個電容性負(fù)載。由于這個原因,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板調(diào)制器的線路,如圖2.21所示。圖2.21浮動板調(diào)制器線路的工作原理是:在脈沖間歇期,接通管和截尾管都不導(dǎo)電,通過泄放電阻R使O型管調(diào)制陽板和陰極維持在負(fù)偏壓上,因此O型管的電子注電流被截止。當(dāng)接通管V1受到鼓勵而進(jìn)入導(dǎo)通狀態(tài)時,調(diào)制陽極的分布電容C0被充電,浮動板隨之被短接到近于地電位,形成輸出脈沖前沿,此時調(diào)制陽極與陰極之間的電位差接近于電子注電壓E,O型管開始工作,在脈沖寬度τ期間,接通管保持在導(dǎo)通狀態(tài),使調(diào)制陽極也繼續(xù)維持在近于地電位,形成調(diào)制脈沖平頂。當(dāng)截尾管受到鼓勵而開啟時(接通管的鼓勵電路同時使接通管斷開),分布電容C0通過偏壓電源和截尾管迅速放電,調(diào)制陽極重新回到相對于陰極為負(fù)偏壓的電位差,形成調(diào)制脈沖的后沿τ2,O型管也就相應(yīng)地截止。浮動板調(diào)制器與一般的陰極脈沖調(diào)制器相比,具有以下基本特點(diǎn):①要求調(diào)制管能承受全部電子注電壓,但要求流過它的電流較小,主要是在脈沖前后沿期內(nèi)給分布電容C0提供充放電電流,因而調(diào)制管的功率損耗主要也就取決于分布電容C0中的儲能和脈沖重復(fù)頻率fr。其表達(dá)式為

式中,Pa為調(diào)制管的功率損耗;u為電子注電壓;fr為脈沖重復(fù)頻率。②浮動板調(diào)制器形成的調(diào)制脈沖,其前沿和后沿按速率du/dt=I0/C線性變化,此速率取決于接通管和截尾管的電流I0,與脈沖寬度的大小無關(guān),故適合于寬脈沖和高工作比。③浮動板調(diào)制器形成的脈沖具有比較平坦的平頂,不存在頂峰,因?yàn)镺型管接通時直接跨在電子注電源的兩端,并且接通管處在飽和開關(guān)狀態(tài),只有很小的管壓降,其柵極鼓勵電壓的變化對O型管的電子注電流只有二階的影響。圖2.22接通管和截尾管電壓.電流波形2.5.2軟性開關(guān)脈沖調(diào)制器為了提高充電效率,在軟性開關(guān)調(diào)制器中廣泛采用電感作為充電元件。通常設(shè)計(jì)得使充電回路的自然諧振周期 是仿真線的靜電容)等于脈沖重復(fù)周期Tr的兩倍,即這種充電方式稱為直流諧振充電。在忽略充電電路的損耗時,仿真線在充電結(jié)束時的電壓應(yīng)為電源電壓的兩倍。直流諧振充電的缺點(diǎn)是脈沖重復(fù)頻率必須是固定的,因此為了適應(yīng)雷達(dá)工作于多種重復(fù)頻率的要求,可在充電電路中串入一只二極管,稱為充電二極管或保持二極管,如圖2.23中VD1所示。圖2.23軟性開關(guān)脈沖調(diào)制器的典型線路與剛性開關(guān)脈沖調(diào)制器相比,軟性開關(guān)調(diào)制器的優(yōu)點(diǎn)是:①轉(zhuǎn)換功率大,線路效率高。這是因?yàn)檐浶蚤_關(guān)導(dǎo)通時內(nèi)阻小,可以通過的電流大。例如,國產(chǎn)氫閘流管的定型產(chǎn)品轉(zhuǎn)換功率可達(dá)10MW以上,電流達(dá)1000A。②它要求的觸發(fā)脈沖振幅小,功率低,對波形的要求不嚴(yán)格,因此預(yù)調(diào)器比較簡單。它的主要缺點(diǎn)是:①脈沖波形一般不如剛性開關(guān)調(diào)制器好,因?yàn)槿斯ぞ€的不理想和脈沖變壓器的分布參數(shù)都會使脈沖波形的前后沿拖長,頂部產(chǎn)生脈動。②對負(fù)載阻抗的適應(yīng)性差,因?yàn)樗谡９ぷ鲿r要求人工線的特性阻抗與負(fù)載阻抗匹配。③對波形的適應(yīng)性也差,因?yàn)楦淖兠}沖寬度時必須在高壓電路中變換人工線。如果是高工作比工作,由于軟性開關(guān)恢復(fù)時間的限制,往往更難做到。由此可見,軟性開關(guān)調(diào)制器適宜應(yīng)用在精度要求不高,波形要求不嚴(yán)而功率要求較大的雷達(dá)發(fā)射機(jī)中,例如遠(yuǎn)程警戒雷達(dá)中。2.6磁控管振蕩器2.6.1磁控管的根本結(jié)構(gòu)船舶導(dǎo)航雷達(dá)工作在微波波段，因此多采用磁控管振蕩器。磁控管種類很多，但在出現(xiàn)多腔磁控管以后，其他類型磁控管已不再使用。磁控管能產(chǎn)生分米波、厘米波和毫米波振蕩。目前，在厘米波段，多腔磁控管可以說是產(chǎn)生強(qiáng)功率振蕩的最通用的一種電子管〔具有特殊結(jié)構(gòu)的二極管〕。多腔磁控管的四個組成局部：陰極、陽極塊及振蕩系統(tǒng)、微波能量耦合輸出系統(tǒng)和磁系統(tǒng)。燈絲引線諧振腔陽極塊輸出端陰極耦合環(huán)氧化物護(hù)扳敷層多孔表面絕緣墊圈鉬質(zhì)極芯陰極支架螺旋熱線絲多腔磁控管結(jié)構(gòu)磁控管的根本工作原理〔1〕電子在正交直流電磁場中的運(yùn)動磁控管的電極是圓筒