雷达发射机基础知识概述

第4章发射机

T. A. Weil

4.1 引言

发射机是脉冲雷达系统的一个组成部分

图4.1示出典型的脉冲雷达系统框图。在这些方框中，公共媒体一般只标注天线和显示器，其余部分则成为“幕后英雄”。这些不被媒体看重的部分对雷达系统同等重要，而且从设计角度而言也同样有趣。

图4.1 典型雷达系统框图

发射机在雷达系统的成本、体积、重量、设计投入等方面占有非常大的比重，也是对系统电源能量以及维护要求最多的部分。它通常是竖在雷达设备间角落里的大机柜，嗡嗡叫着，身上挂着“高压危险”的牌子，所以人们都宁愿远离它。其内部结构奇特，更像一个酿酒厂，而不是电脑或电视。本章试图解释雷达发射机为何如此，希望给读者展示一个不神秘的雷达发射系统。

为何如此大的功率

发射机体积大，重量重，成本高、消耗功率大，原因是它需产生大功率射频输出，而这种要求来自雷达系统设计的综合考虑。

搜索雷达作用距离的4次方与平均射频功率、天线孔径面积（确定天线增益）、扫描需要覆盖立体角的时间（限制了每个方向上收集信号及为提高信噪比而积累信号的时间长短）成正比，即

4（4.1）

∝

⨯

A

R⨯

T

P

探测距离随功率的4次方根变化是因为，输出的发射功率密度与返回的目标回波能量密度随其经过距离的平方而衰减。用提高发射机功率的方法增大雷达作用距离需付出大的代价：

功率需要提高16倍才能使探测距离增加一倍。反之，降低距离要求可显著地减少系统成本。

功率孔径积是衡量雷达性能的基本参数。这个参数如此重要，以至于在第一阶段限制战略武器条约中被专门提到，并作为限制反弹道导弹（ABM ）雷达性能的基础。

接收机灵敏度未在式（4.1）中出现，这是由于热噪声对接收机的灵敏度有明确的限制，在这个简单距离方程中，默认接收机总是工作在最高的灵敏度状态。

平均发射功率仅仅是雷达距离方程中的一个因子。而且成本又很高，为何还要求如此之高的功率？用减小功率但增加天线孔径或扫描时间的办法来补偿是否为较好的办法？回答是天线孔径增加使成本增加得更快。这是因为天线的重量、结构的复杂程度、尺寸误差以及对底座的要求都随着天线孔径的增加而迅速增加。公式中另一个因子——扫描时间由一些确定系统工作的要求决定。例如，每4 s 观测一次100 mile 内的所有飞机，以便及时发现目标航线的改变；所以扫描时间一般是不可变的（这些也许可以解释为什么要讨论雷达的“功率孔径积”，而不是它的“功率孔径扫描时间积”）。

在雷达系统中使用一部巨大、昂贵的天线配接小功率、便宜的发射机显然是不合情理的，反之亦然。因为将弱小的部分加倍，可使巨大的部分减小一半，从而显著减小系统成本。因此，系统总成本最小化要求合理地平衡这两个子系统的成本。其结果是对任何复杂的雷达系统，系统设计师总是要求大的发射机功率。

当系统的设计是基于存在远距离人为干扰（Standoff jammer ）（而非仅仅存在热噪声）的距离覆盖要求时，也会导致同样的结果。

对探测携带自卫干扰机的目标，距离方程变为

))(2j j r r A P A P R ⨯⨯∝ （4.2）

式中，P r 和A r 为雷达的发射功率与孔径；P j 和A j 为干扰机的功率及孔径。结论与前述十分相似：功率与天线孔径依然是决定性因子，均衡的系统设计再次引出大的发射机功率。

无可争辩的结论是，“前端瓦特数才是算数的”。期望获得最佳的雷达工作性能多半意味着天线尺寸和发射功率二者都被推到可以忍受的极限。

迫使发射机按其最大可获得功率设计往往导致研制时间、开发经费出现问题和其他风险。这种情况在采用新型射频发射管时尤为突出，例如，AN/FPN —10 L 波段雷达研制计划被迫中断，是由于供应商未能使磁控管在大占空系数范围内足够稳定；在使用内部真空腔而不是外部真空腔的大功率速调管的第二只管子（备份管）的合同履行前，弹道导弹早期预警系统（BMEWS ）的研制也面临过同样的危险[1]。即使是“成功”的射频管开发工作也可能因为打火率临界、冷却设计（导致可靠性问题）、过份的维护和后勤经费问题以及用户的不愉快等因素而终止。

迫使射频管开发超出（或无意地超过）当前技术水平面临的风险，特别是当期望达到的功率超过单管的能力时，使用多个射频发射管进行功率合成的想法变得十分有吸引力。这原来是一种将在后面（4.5节）讨论的十分实用的方法。因为单个固态射频器件与单个真空管相比，只能承受很小的功率，所以，能功率合成、易实现、可靠性高是固态发射机实用化的原因。无疑，将一些射频管组合以获得需要的大功率电平，增加了发射机的复杂程度，但另一方面，组合大量射频器件（在固态发射机中常这样做）会带来一些如第5章中所讨论的故障软化以及可靠性高的优点。

为何采用脉冲方式

如果同广播电台那样，只用连续波发射方式可以大大简化雷达发射机并降低成本。产生大功率射频脉冲导致非常高的工作电压（直流和射频）问题、能量存储问题、大功率开关器件问题。有些射频器件如C 类放大器（真空管或固态器件）是自脉动（Self-pulsing ）工作方式，仅在射频驱动时吸收电流，但是大多数微波管需要采用不同类型的调制器（4.8节），使其不致浪费功率，并在脉冲之间的接收期间不产生噪声。

采用脉冲方式工作基本上是因为，当用户说话时很难听到别的声音（会议中并不是每一个人都了解这一点）。在雷达系统中，如果发射机连续处于导通状态，则发射机连续发射的信号对试图接收来自远距离目标微弱回波的接收机的干扰是一个难以解决的问题。连续波雷达用分立的发射和接收天线隔离收、发信号。当天线不能分开足够的距离以使发射机至接收机的泄漏低于接收机的噪声电平时（例如两个天线不得不装在同一个车辆上），可采用馈通消除（Feedthrough nulling ）技术，即在接收机输入端用负反馈抵消发射载波的方法，减小发射泄漏信号对接收机的影响。由于载波附近存在载有目标多普勒信息的信号，反馈回路的选择性要求较高以便仅仅消除载波。因此，对连续波雷达灵敏度的基本限制是，对泄漏到接收机的发射机噪声边带（由发射不稳定引起）设置了一个极限，低于该极限的小动目标信号不能被发现；连续波雷达的最大探测能力往往受此因素限制。

纯连续波雷达用多普勒频偏发现运动目标，但得不到距离信息。一般解决这个问题的方法是采用FM-CW （调频-连续波）系统，即发射扫频信号（通常随时间线性变化），并对接收

信号进行适当处理以一并提取距离和多普勒信息[2]；回波

的频率确定发射信号在多长时间前发射，从而确定目标距

离。这种雷达的一个基本限制是远距离、小目标信号混杂

在近距离强杂波中，因此需要极好的杂波对消，这又会受

到发射机不稳定的限制（产生噪声副瓣），即强近距杂波等

效为更多的发射机泄漏信号进入接收机。

在脉冲雷达系统中，近距和远距信号在不同的时间返

回，可使用灵敏度时间控制（STC ）调整接收机的灵敏度。

注意，同时接收来自多个距离上的信号的高重复频率脉冲

多普勒系统存在与连续波雷达一样的问题，故远程脉冲雷

达系统极少使用连续脉冲多普勒波形。但宽的不模糊多普

勒覆盖的多数优点可用称做脉组（Burst ）方式的折中波形

获得，即发射有限组高重复频率脉冲，脉组持续时间足够

短，以避免远距回波与近距杂波回波发生竞争。

连续波雷达的另一个缺点是需要两个天线，与把全部

孔径区域组合为一个天线并用于发射和接收相比，实际上使距离方程参数有3 dB 的损失。脉冲雷达正是把全部孔径

用在一部天线上；它通过使用收发开关使发射机和接收机共用一个天线[2]，如图4.2所示。

气体放电管收发开关（如图 4.2（a ）所示）实际上是

图4.2 收发开关： （a ）气体放电管收发开关； （b ）铁氧体环流器收发开关