雷达发射机基础知识概述

第4章发射机T. A.Weil4.1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）∝⨯AR⨯TP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4s 观测一次100mile 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 —10L 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3dB 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一段充有低击穿电压气体的传输线，它用发射的大功率信号使充气的收发“管”启辉，将发射信号引向天线。

收发管在发射脉冲后快速恢复（消电离），便允许将天线来的信号导向接收机。

用图中的限幅器来防止发射期间通过收发管的泄漏功率损坏接收机；限幅器也用于防止接收邻近雷达发射信号，这些信号强度不足以使收发管启辉，但大到足够损坏接收机。

铁氧体收发开关（如图4.2（b）所示）使用铁氧体环流器[3]替代收发管，把发射功率送到天线并将天线接收到的信号传到接收机。

但是，对这种器件发射期间由天线电压驻波比（VSWR）导致的反射功率亦直接送入接收机，故仍然需要收发管和限幅器，以便于在发射期间保护接收机。

无论是哪种情况，在脉冲雷达系统中用收发开关达到收发共用一副天线的目的。

4.2 磁控管发射机历史上，第二次世界大战期间磁控管的发明使脉冲雷达得以实用，早期的雷达系统确实是围绕着磁控管所能实现的功能来制造的。

例如5J26，用于搜索雷达超过40年。

它工作于L 波段，在1250～1350MHz范围内可机械调谐。

当脉冲宽度为1μs，重复频率每秒1000个脉冲（pps），或2μs, 500pps时，其典型峰值功率为500kW。

无论何种情况，占空比均为0.001，并提供500W平均射频功率。

其40%的效率是磁控管的典型值。

1～2μs的脉冲宽度提供150～300m的距离分辨力，对磁控管也很“方便”，它简单地振荡于其机械空腔的谐振频率上，但与宽脉冲宽度的窄信号带宽相比，易于出现不可接受的频率稳定性问题。

磁控管发射机在文献中有详细的描述[2]。

它能很容易地提供高峰值功率，体积小，既简单，又便宜。

脉冲磁控管的变化范围从1in3，1kW峰值功率的信标磁控管到数兆瓦峰值功率和数千瓦平均功率，制造过高达25kW的连续波磁控管，以用于工业加热。

所有的商用航海雷达都使用磁控管。

磁控管发射机广泛用于动目标显示（MTI）工作，在典型情况下可得到30～40dB杂波对消。

很了不起的是，磁控管对MTI工作居然有足够的稳定性，如果考虑到脉间自激磁控管的频率变化必须小于0.00002%。

在每个脉冲磁控管开始振荡时，起始射频相位是任意的，所以必须使用锁相相参振荡器[4]或等效器件（测量发射相位，在接收信号处理时校正）。

高压电源（HVPS）和脉冲调制器必须为磁控管提供非常稳定（可重复）的脉冲，保证不影响MTI 性能。

由环境震动引起的磁控管频率颤噪调制在一定条件下是一个限制因素。

自动频率控制（AFC）电路一般在磁控管受环境温度变化和自加热引起频率慢漂移时，用于保持接收机调谐到发射机。

在调谐机构精度限制范围内，自动频率控制可用于磁控管，能够使它保持在一个设定的频率上工作。

局限性尽管它们具有多种能力，磁控管不适用于以下几种情况。

（1）需要对频率进行精确控制，而要求的精度在考虑到齿轮间隙、热漂移、频推和频牵等因素后，超过磁控管调谐所能达到的程度；（2）需要精确的频率跳变，或在脉间或脉组内的频率跳变；（3）需要极高的频率稳定度。

磁控管的稳定性不适于输出宽脉冲（如100μs），起始抖动又限制它们在极窄脉冲中的应用（如0.1 s），这个弱点在大功率时和低频段尤为突出；（4）需要脉间相参以进行二次跨周期杂波对消。