雷达频率机械调控机构的设计

1 绪论1.1 频率调节机构随着电子技术的飞速发展，各类分立电子元件及其所构成的相关功能单元，已逐步被功能更强大、性能更稳定、使用更方便的集成芯片所取代。

由集成芯片和一些外围电路构成的各种自动控制、自动测量、自动显示电路遍及各种电子产品和设备。

数字系统和数字设备已广泛应用于各个领域，更新换代速度可谓日新月异。

在电子系统非常广泛的应用领域内，到处可见到处理离散信息的数字电路。

供消费用的微波炉和电视、先进的工业控制系统、空间通讯系统、交通控制雷达系统、医院急救系统等在设计过程中无一不用到数字技术。

数字电路制造工业的进步，使得系统设计人员能在更小的空间内实现更多的功能，从而提高系统可靠性和速度。

频率计是现代通信测量设备系统中不可缺少的测量仪器，不但要求电路产生频率准确的和稳定度高的信号，而且能方便的改变频率。

频率计主要实现方法有直接式、锁相式、直接数字式和混合式四种。

直接式的优点是速度快、相位噪声低，但结构复杂、杂散多，一般只应用在地面雷达中。

锁相式的优点是相位同步的自动控制，制作频率高，功耗低，容易实现系列化、小型化、模块化和工程化。

直接数字式的优点是电路稳定、精度高、容易实现系列化、小型化、模块化和工程化。

随着单片锁相式数字频率计的发展，锁相式和数字式容易实现系列化、小型化、模块化和工程化，性能也越来越好，已逐步成为两种最为典型，用处最为广泛的数字频率计。

1.2 蜗轮蜗杆简介蜗轮蜗杆机构常用来传递两交错轴之间的运动和动力。

蜗轮与蜗杆在其中间平面内相当于齿轮与齿条,蜗杆又与螺杆形状相似。

蜗轮蜗杆正确啮合的条件1、中间平面内蜗杆与蜗轮的模数和压力角分别相等，即蜗轮的端面模数等于蜗杆的轴面模数且为标准值；蜗轮的端面压力角应等于蜗杆的轴面压力角且为标准值，即==m ，==2、当蜗轮蜗杆的交错角为时，还需保证，而且蜗轮与蜗杆螺旋蜗轮蜗杆线旋向必须相同。

3、几何尺寸计算与圆柱齿轮基本相同，需注意的几个问题 1.蜗杆导程角()是蜗杆分度圆柱上螺旋线的切线与蜗杆端面之间的夹角,与螺杆螺旋角的关系为，蜗轮的螺旋角，大则传动效率高，当小于啮合齿间当量摩擦角时，机构自锁。

4、引入蜗杆直径系数q是为了限制蜗轮滚刀的数目，使蜗杆分度圆直径进行了标准化m一定时，q大则大，蜗杆轴的刚度及强度相应增大；一定时，q小则导程角增大，传动效率相应提高。

5、蜗杆头数推荐值为1、2、4、6，当取小值时，其传动比大，且具有自锁性；当取大值时，传动效率高。

6、与圆柱齿轮传动不同，蜗杆蜗轮机构传动比不等于，而是，蜗杆蜗轮机构的中心距不等于，而是。

7、蜗杆蜗轮传动中蜗轮转向的判定方法，可根据啮合点K处方向、方向（平行于螺旋线的切线）及应垂直于蜗轮轴线画速度矢量三角形来判定；也可用“右旋蜗杆左手握，左旋蜗杆右手握，四指拇指”来判定。

蜗轮及蜗杆机构的特点1、可以得到很大的传动比，比交错轴斜齿轮机构紧凑2、两轮啮合齿面间为线接触，其承载能力大大高于交错轴斜齿轮机构3、蜗杆传动相当于螺旋传动，为多齿啮合传动，故传动平稳、噪音很小4、具有自锁性。

当蜗杆的导程角小于啮合轮齿间的当量摩擦角时，机构具有自锁性，可实现反向自锁，即只能由蜗杆带动蜗轮，而不能由蜗轮带动蜗杆。

如在其重机械中使用的自锁蜗杆机构，其反向自锁性可起安全保护作用。

5、传动效率较低，磨损较严重。

蜗轮蜗杆啮合传动时，啮合轮齿间的相对滑动速度大，故摩擦损耗大、效率低。

另一方面，相对滑动速度大使齿面磨损严重、发热严重，为了散热和减小磨损，常采用价格较为昂贵的减摩性与抗磨性较好的材料及良好的润滑装置，因而成本较高6、蜗杆轴向力较大。

应用蜗轮及蜗杆机构常被用于两轴交错、传动比大、传动功率不大或间歇工作的场合1.3 本课题研究的背景雷达工作原理核心是雷达发射一定频率的电磁波，并接收目标反射回来的回波，根据回波判定目标的某些状态。

雷达发射的电磁波的频率就是它的工作频率。

工作频率对雷达起着倏关重要的作用，直接影响雷达的探测距离、角分辨率、多普勒测速性能和雷达的尺寸、重量和造价等。

前用的雷达工作频率范围为500-40，000兆赫，一些特殊用途的雷达的工作频率则超出了上述范围，如超视距雷达的工作频率低到2-5兆赫，而毫米波雷达的工作频率达到94，000光赫。

对于一种特定的雷达，它的最佳工作频率由它所要完成的任务决定。

同时，工作频率的选择又是对雷达的尺寸、发射功率、天线波束宽度等的综合考虑。

雷达尺寸频率越低，电磁波的波长越长，产生产发射电磁波的发射管的尺寸就越大，同时重量越重；反之，频率越高，发射管的尺寸越小，重量也随之减少，这样，就可以在一些空间受限的场合使用（如机载雷达）。

波束宽度深人的理论分析表明，雷达的波束宽度与波长成正比，而与天线尺寸成反比。

所以，为了达到相同的角分辨力，频率越高，波长越短，所需天线尺寸也越小。

大气衰减电磁波在大气中传播时，由于大气的吸收和散射而发生衰减，频率越高，衰减越多。

频率低于100兆赫时，这种衰减可以忽略，因而能够传播得很远，例如，工作频率很低的超视距雷达可以有几千公里的探测范围;频率高于10,00O兆赫时，衰减就很严重了，例如，毫米波雷达难以达到很远的距离。

多普勒效应多普勒频移不仅与目标和雷达的接近速度成正比，而且与波的频率成正比，频率越高，多普勒频移越显著。

但是，过人的多普勒频移有时也会造成麻烦，所以在某些场合需要限制雷达的工作频率，但在另一些场合，又需要选择相当高的频率，以提高多普勒测速的灵敏度。

背景噪声雷达的回波信号受到噪声的干扰，这些噪声一方面来源于雷达接收机内部，另一方面来源于宇宙空间存在的电磁辐射和大气变化带来的噪声，即背景噪声。

背景噪声主要包括宇宙电磁辐射和大气噪声。

宇宙噪声在低频段较高，而大气噪声在高频段较高。

很多雷达的噪声主要来源于内部，但当雷达需要很远的探测范围而使用低噪声的接收机时，背景噪声就占据主导地位1.4 探究本课题的研究意义频率捷变雷达的发展发射的相邻脉冲的载频在一定频带内随机快速改变的脉冲雷达。

这种雷达可以有效地对抗窄带瞄准式有源干扰，而且还具有加大探测距离、提高测角精度、抑制海浪杂波等优点。

大多数军用雷达都采用这种体制，并已逐渐推广到民用船载雷达。

频率捷变雷达可分为非相干频率捷变雷达和全相干频率捷变雷达两类。

非相干频率捷变雷达采用频率捷变磁控管作为振荡源的雷达。

这种雷达于60年代初期研制成功，当时采用了旋转调谐磁控管作为频率捷变磁控管。

这种磁控管后来也常为非相干频率捷变雷达所采用。

这种雷达主要由频率捷变磁控管、压控本振器和频率跟踪器三部分组成（图1非相干频率捷变雷达框图）。

①频率捷变磁控管：常用的有旋转调谐、抖动调谐、精确调谐、音圈调谐、压电调谐等。

在低微波段主要采用旋转调谐；在高微波段主要采用压电调谐。

②压控本振：60年代采用返波管，70年代以来主要采用变容管（见微波二极管）调谐微波半导体振荡器。

在低微波段常用晶体管振荡器；在高微波段则常用体效应管（见晶体二极管或场效应管（见晶体三极管振荡器。

③频率跟踪器：预测磁控管的发射频率（或直接利用磁控管频率传感器给出的频率读出信号），使压控本振频率跟上磁控管腔体调谐频率的变化，并在雷达发射时根据准确的发射频率对本振进行微调，使其和发射频率相差一个中频。

非相干频率捷变雷达结构简单，易于实现，造价低廉，但是不易控制发射频率，发射信号的频率稳定度差，无法和动目标显示体制兼容。

全相干频率捷变雷达主要是由主振放大链构成的频率捷变雷达。

这种雷达于 60年代后期研制成功（图2全相干频率捷变雷达框图）。

全相干频率捷变雷达的核心是捷变频率合成器，它能产生快速捷变的发射信号和本振信号，而且频率稳定度很高。

这种频率合成器通常用晶振-倍频链直接合成,或者是用高速锁相环间接合成，所产生的发射信号经过功率放大链放大后发射出去。

功率放大链的前级通常采用小功率和中功率行波管，末级则常采用大功率行波管、行波速调管或正交场器件(见正交场放大管)。

全相干频率捷变雷达易于实现可控捷变，可以和脉冲压缩、动目标显示等体制相结合；但是造价昂贵，技术复杂。

性能频率捷变雷达具有抗干扰能力强、增大探测距离、提高测角精度和抑制海浪杂波干扰等主要优点。

①抗干扰能力强：专为提高抗干扰能力而设计的频率捷变雷达，脉间最大频差可达到雷达的整个工作频带。

由于发射载频作脉间捷变，有利于防止侦察。

它具有很强的抗瞄准式有源干扰的能力，因为干扰机很难跟上雷达脉间捷变的调谐速率。

即使干扰机采用极高速率的电子调谐，也只能在接收到雷达信号后才能跟上。

为有效地干扰频率捷变雷达，必须采用宽带阻塞式干扰。

这就迫使干扰机把功率分散到很宽的频带上去，从而降低干扰的功率密度。

②增大雷达的探测距离：由于频率捷变雷达把目标回波的慢起伏变为脉间不相关的快起伏，从而减小了起伏损失,增大了探测距离。

频率捷变的增益主要取决于独立脉冲数。

为使相邻脉冲不相关,要求相邻频差大于临界频率。

这一临界频率和目标的径向尺寸成反比，通常约在几十兆赫范围内。

实测表明，在高检测概率（80％以上）时，频率捷变雷达的探测距离比固定频率雷达大20％～30％。

③提高测角精度：跟踪雷达在近距离的测角误差，主要是由目标视在反射中心的抖动所引起的。

采用频率捷变后也可以使这种角度误差由慢抖动变为快抖动，然后被伺服系统的大时间常数所平滑。

单脉冲跟踪雷达采用频率捷变后，可以把近距离的跟踪精度提高2～3倍。

对于圆锥扫描雷达,虽然频率捷变也可减小角度抖动,但却增加了在扫描频率附近幅度起伏的分量，因而频率捷变的效果不如单脉冲雷达显著。

④抑制海浪杂波干扰：同一距离单元的海浪杂波通常有较长的相关时间，因而不能依靠积累的方法来抑制。

采用频率捷变可以去除海浪杂波的相关性。

虽然这时目标回波也会失去相关性，但幅度起伏的方差减小而更接近平均值，因而采用积累后可以改善杂波上的可见度。

频率捷变雷达还有很多其他优点，如能减小回波幅度起伏的方差，提高对雷达目标截面积测量的精度，从而提高地貌测量雷达对目标性质的分辨能力。

此外，它还能消除工作在相同频段雷达间的相互干扰，消除由超折射引起的二次或多次环绕回波等。

使用中的非相干和全相干雷达大多数可以改装为频率捷变雷达，尤其是非相干雷达更易改装。

频率捷变雷达的主要缺点是不易与动目标显示和脉冲多普勒体制兼容。

只有全相干雷达可采用分组捷变的方法，部分地解决这个问题。

脉间捷变和动目标显示完全兼容，只能在近程、高重复频率雷达中才能实现，但构成更为复杂。

趋势频率捷变雷达正向自适应方向发展。

自适应抗干扰频率捷变雷达能测出干扰信号频谱中的最弱点的频率，并自动地快速捷变到这一最弱点。

自适应频率捷变跟踪雷达还能自动跳到回波幅度最强即角度误差最小的频率。

人们正在研究把频率捷变同自适应旁瓣对消技术结合起来，以便同时具备对抗自备式干扰机和掩护式干扰机的能力。