雷达发射机的分类、主要性能指标及器件介绍

雷达发射机的任务

雷达是利用目标反射电磁波的特性来发现目标并确定目标距离等信息的。因而，雷达工作时要求发射一种特定的大功率信号。

发射机为雷达提供一个载波受到特定调制的大功率射频信号，并使该射频信号经馈线和收发开关由天线辐射出去。

雷达发射机的任务性质决定了其必须具有以下特点：

发射机必须具有合适的射频带宽

发射机必须具有高射频稳定性才能满足信号处理要求

发射机必须易于调制以满足波形设计要求

发射机必须高效、可靠且易于维护，并且输出设备的预期寿命和成本必须可接受

发射机的分类

雷达发射机通常分为脉冲调制式发射机和连续波发射机。接下来主要讲脉冲调制式发射机，脉冲调制式发射机又分为单级振荡式发射机和主振放大式发射机两类。

其中单级振荡式发射机又可以分为两种：一种是初期雷达使用的三极管、四极管振荡式发射机，其工作频率为 VHF 或 UHF 频段;另一种是磁控管振荡式发射机，其工作频段可覆盖 L 波段至 Ka 波段。雷达工作频率图如下图所示。

单级振荡式发射机组成比较简单，成本比较低，但性能差：频率稳定度低，难以产生复杂波形信号。如下图所示。

其产生的大功率射频信号是直接由一级大功率射频振荡器产生的，并受脉冲调制器的控制。因此，单级振荡器的输出是受到调制的大功率射频信号。装有单级振荡式发射机的雷达系统要么是非相干的，要么是伪相干的。

主振放大式发射机原理图如下图所示。它由主控振荡器(固态频率源)和射频放大链两部分组成。

从各级功能来看，主控振荡器用来产生低功率、高稳定的射频信号;放大射频链用来放大射频信号，即提高信号的功率电平，达到发射所需要的功率。

主振放大式发射机组成相对复杂、成本高且效率低，但其性能好：具有很高的频率稳定度;能发射全相参信号，产生复杂波形信号，可实现脉冲压缩和带宽频率捷变等工作。

雷达发射机的器件介绍

19世纪末20世纪初，最早的“雷达”都使用火花隙(LC谐振电路)作为发射机。随着 DeForest Lee 发明了栅控真空管(三极真空管)，真空管发射机得到了广泛的应用，并成功地应用在 VHF 和 UHF 频段雷达上。

栅控真空管的缺点是渡越时间效应，这限制了其在微波频段的应用，但栅控真空管的改进型号在 1000MHz 的频段也有成功的应用。

磁控管(Magnetron)的发明应用则克服了渡越时间效应且使小型天线成功应用于高频段大功率发射机上。磁控管发射机 (ATC 雷达 ASR-910)如下图所示。

但磁控管只是一个由调制器启动的振荡器，而栅控真空管等其他器件不仅能以振荡器形式工作还能以放大器形式运行;且磁控管开始振荡时初始相位是随机的，不易实现脉冲的“相干性”。

速调管(Klystron)放大器比磁控管发明得更早 ，只是初期没有得到有效的应用。速调管放大器具有输出功率高、增益大、稳定性强、噪声输出低等优点，被认为是首选的微波功率源器件。速调管的缺点是相对带宽窄(8% 左右)，要达到高功率、高增益就需要更高的电压。但速调管牺牲一些其他性能可以使带宽增大。

行波管(Traveling Wave Tube,TWT)放大器产生的功率接近速调管，但其在小功率时还具有非常宽的带宽。行波管的增益通常比速调管略低，稳定度也低于速调管。但行波管功率增大时，带宽减小;而速调管放大器是功率增大时，它的带宽也增大。

正交场放大器(Cross-Field Amplifier,CFA)和磁控管一样，属于正交场真空管，采用的磁场同电场正交。其效率高、工作电压低且调制起来比较容易，但其增益相当低。

固态晶体管放大器由硅二极管和砷化镓场效应管构成，单个晶体管放大器的功率和增益都低，但其工作电压也低，且可靠性强、易于维护、寿命长。为了提高效率，晶体管可以并联工作，而且可以用多级来提高其增益。

发射机的主要性能指标

工作频率和瞬时带宽

雷达发射机的频率是按照雷达的用途确定的。为了提高雷达系统的工作性能和抗干扰能力，有时还要求发射机能在多个频率或多个波段上跳变工作或同时工作。

选择工作频率还需要考虑电波传播受气候条件的影响(吸收、散射和衰减等因素)、雷达的测试精度及应用环境(地面、机载、舰载或太空应用等)以及微波功率管的技术水平等。

对于地面测控雷达、远程警戒雷达，一般不受体积和重量限制，可选用较低的工作频率。精密跟踪雷达需要选用较高的工作频率。大多数机载雷达因受体积、重量等因素限制，多数都选用 X 波段。

早期的远程警戒雷达工作频率为 VHF，UHF 频段，发射机大多采用真空三极管、四极管。而在1000MHz以上(如 L、S、 C 和 X 等波段)的发射机，根据工作需要可以采用磁控管、大功率速调管、行波管及前向波管等。

随着晶体管技术的迅速发展，固态放大器的应用技术也趋于成熟，目前工作在 S 波段的雷达已大量采用全固态发射机。C 波段、X 波段的发射机则仍以真空管为主。

雷达发射机的瞬时带宽是指输出功率变化小于 1 dB 时工作频率的可变化范围。通常窄频带发射机采用三极真空管、四极真空管、速调管和硅双极晶体管。

宽带发射机则选用行波管、前向波管、行波速调管、多注速调管和砷化锦场效应管。对于某些特殊应用的雷达(如成像雷达和目标识别雷达等)，信号带宽很宽，需要采用宽带、超宽带雷达发射机。

输出功率

雷达发射机的输出功率直接影响雷达的测量范围和抗干扰能力。通常规定发射机送至天线输入端的功率为发射机输出功率。有时为了测量方便，也可以规定在指定负载上(馈线上一定电压驻波比)的功率为发射机的输出功率。

脉冲雷达发射机的输出功率可分为峰值功率 和平均功率 。峰值功率是指发射脉冲期间射频振荡的平均功率，它不是射频正弦振荡的最大瞬时功率。平均功率是指脉冲重复周期内的输出功率的平均值。如果发射波形是简单的矩形射频脉冲串，脉冲宽度为 ，脉冲重复周期为 ，则有

式中， 称为雷达的占空比(工作比)。常见的脉冲雷达占空比只有百分之几，连续波的占空比为百分之百。

单级振荡式发射机的输出功率取决于振荡管的功率容量，主振放大式发射机则取决于输出级(末级)发射管的功率容量。考虑到耐压和高功率击穿等问题，应该通过提高其平均功率的以增大其输出功率，而不是过分增大其峰值功率。

信号形式(调制形式)

根据雷达体制的不同，可能选用各种各样的信号形式，常用的几种信号形式如下图所示。

目前应用较多的三种典型雷达信号形式和调制波形如下图所示。图(1)表示简单的固定载频矩形脉冲调制信号波形;图(2)表示线性调频脉冲信号波形：图(3)表示相位编码脉冲信号(图中所示为5位巴克码信号)。图中 为脉冲宽度， 为脉重复频率， 表示子脉冲宽度。

信号的稳定度和频谱纯度

信号的稳定度是指信号的各项参数，如信号的振幅、频率(或相位)、脉冲宽度及脉冲重复频率等随时间变化的程度。由于信号参数的任何不稳定都会影响高性能雷达主要性能指标的实现，因而需要对信号稳定度提出严格要求。

信号参数的不稳定可分为有规律的和随机的两类，有规律的不稳定往往是由电源滤波不良造成的;而随机性的不稳定则是由发射管的噪声和调制脉冲的随机起伏所引起的。

信号的不稳定可以在时域或频域内衡量。在时域可用信号某项参数的方差来表示，例如信号的振幅方差 、相位方差 、定时方差 以及脉冲宽度方差 等。

对于某些雷达体制可能采用信号稳定度的频域定义较为方便。信号稳定度在频域中的表示又称为信号的频谱纯度，所谓信号的频谱纯度就是指信号在应有的频谱之外的寄生输出。

以典型的矩形调幅射频脉冲信号为例，其理想频谱(振幅谱)是以载频 为中心、包络呈 sinc 函数状、间隔为脉冲重复频率的梳齿状频谱，如下图所示。

实际上，由于发射机各部分的不稳定性，发射信号会在理想的梳齿状谱线之外产生寄生输出。如下图所示，图中只画出了在主谱线周围的寄生输出，有时在远离信号主频谱的地方也会出现寄生输出。

从图中可以看出，存在两种类型的寄生输出：一类是离散的;另一类是连续分布的。前者相应于信号的规律性不稳定，后者相应于信号的随机性不稳定。

对于离散型寄生输出，信号频谱纯度定义为该离散分量的单边带功率与信号功率之比，以分贝(dB)为单位。

对于连续分布型寄生输出，信号频谱纯度则定义为以偏离载频若干赫兹(Hz)的每单位频带的单边带功率与信号功率之比，其单位以dB/Hz为单位。

由于连续分布型寄生输出对于主频 的分布是不均匀的，所以信号频谱纯度是 的函数，通常用 表示。通常测量设备的有效带宽不是 1 Hz 而是 Hz，那么所测得的 dB 值与 的关系可近似表示为

通常把偏离载波频率 在 1 Hz 带宽内的一个相位调制边带的功率 与载波功率 之比称为“单边带相位噪声”，简称“相位噪声”，即

现代雷达对信号的频谱纯度提出了很高的要求，例如，对于脉冲多普勒雷达发射机频谱纯度的典要求是优于 -80dB，为了满足这一要求，发射机需要精心设计

原文标题：雷达发射机知识

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审核编辑：汤梓红