雷達技術與應用第四章雷達發射機4.1雷達發射機的作用和基本類型4.2雷達發射機的主要性能參數4.3脈沖調制器4.4射頻振蕩器4.5固態雷達發射機4.1雷達發射機的作用和基本類型

發射機的作用：為雷達系統提供一種滿足特定要求的大功率信號，經過饋線和收發開關并由天線輻射到空間，以滿足雷達測定目標的需要。

4.1雷達發射機的作用和基本類型4.1.1雷達發射機的作用

發射的電磁波信號具有如下特點：①

載波受調制。調制包括簡單矩形脈沖、較復雜的線性調頻矩形脈沖、相位編碼矩形脈沖、各種脈沖內部和脈沖之間的調制信號，等。②必須具備一定發射功率。為滿足雷達作用距離的要求，發射機功率往往較大，遠程預警雷達的發射機峰值功率可以高達幾百千瓦至幾兆瓦。

另外，對于不同體制、不同應用的雷達而言，發射機功率量級差別很大。

例如，脈沖雷達的峰值功率可達到兆瓦級，而連續波雷達功率達到幾十瓦就很高了。

（1）發射相應全相參信號現代雷達要解決的首要問題是在惡劣環境條件下發現目標并準確地測量所發現目標的各種參數。所謂惡劣環境是指目標周圍對雷達發射信號的強反射，如地物、海浪、雨和雪等產生的強烈發射信號都會使雷達所要探測的目標回波信號被“淹沒”。顯然，消除這些雜波是不能通過增加發射功率或提高接收機靈敏度來解決的。4.1.1雷達發射機的作用（1）發射相應全相參信號雷達系統中抑制這些雜波主要采用動目標顯示（MTI）和脈沖多普勒（PD）濾波技術。這兩種技術都是利用了多普勒效應；在后章節中會了解到，不管是采用MTI技術還是PD濾波技術，對發射信號都是有兩項基本要求的:①發射信號必須是相參的；②發射信號脈間應該是高穩定的。信號相參是指發射信號與雷達頻率源的信號存在固定相位關系。4.1.1雷達發射機的作用

4.1.1雷達發射機的作用

4.1.1雷達發射機的作用4.1.2雷達發射機的基本類型

雷達發射機通常分為脈沖調制發射機和連續波發射機。應用最多的是脈沖調制發射機，脈沖調制雷達發射機又分為單級振蕩式發射機和主振式發射機兩大類。1）單級振蕩式發射機脈沖調制器大功率射頻振蕩器天線定時脈沖TTττ圖4-1單級振蕩式發射機示意圖如圖4-1，單級振蕩式發射機主要有兩種：①

早期雷達使用的是微波三極管和微波四級管振蕩式發射機，其工作頻率在VHF和UHF頻段；②

磁控管振蕩式發射機，可覆蓋L波段至Ka波段。單級振蕩式發射機的組成相對比較簡單，成本也比較低，但性能較差，特別是頻率穩定度低，不具有全相參特性。4.1.2雷達發射機的基本類型

2）主振放大式發射機主振放大式發射機主要由主控振蕩器、功率放大器、脈沖調制器等構成，特點是由多級組成。從各級功能來看，第一級用來產生射頻信號，稱為主控振蕩器；第二級用來放大射頻信號，成為射頻放大鏈。這也就是主振放大式名稱的由來。定時器脈沖調制器脈沖調制器脈沖調制器固體微波源中間射頻功率放大器輸出射頻功率放大器主控振蕩器射頻放大鏈至天線觸發脈沖圖4-2主振放大式發射機示意圖圖4-2所示為主振放大式發射機較為詳細的框圖，主控振蕩器采用固體微波源，射頻放大鏈一般由2-3級射頻功率放大器級別組成。對于脈沖雷達而言，各級功率放大器主要受到各自脈沖調制器的控制，并且還有定時器協調它們的工作。4.1.2雷達發射機的基本類型

主振放大式發射機的主要有點如下:（2）發射相位相參信號。只有主振放大式發射機能夠發射相應相參信號。對于單級振蕩式發射機，由于脈沖調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由振蕩器的噪聲決定，因而相繼脈沖的射頻相位是隨機的，即這種受脈沖調制的振蕩器輸出的射頻信號相位是不相參的。在主振式發射機中，主控振蕩器提供的是連續波信號，射頻脈沖是通過脈沖調制器控制射頻大功率放大器形成的。因此相繼射頻脈沖之間就具有固定的相位關系。為此，常把主振放大式發射機稱為相參發射機。（1）具有很高的頻率穩定度。在雷達整機要求頻率穩定度很高的情況下，必須采用主振放大式發射機。因為在單級振蕩式發射機中，信號的載頻直接由大功率振蕩器決定。發射機往往采用電真空器件，而這種器件存在預熱漂移、溫度漂移、負載變化引起的頻率拖曳效應、電子頻移、調諧游移以及校準誤差等，難以達到較高的頻率精度和穩定度。主振放大式發射機載波的精度和穩定度在低電平較易采用穩頻措施，以獲得很高的頻率穩定度。4.1.2雷達發射機的基本類型

主振放大式發射機的主要特點如下（4）能產生復雜波形。主振放大式發射機適用于要求復雜波形的雷達系統。單級振蕩式發射機要實現復雜調制比較困難，甚至不可能。對于主振放大式發射機，各種復雜調制可在低電平的波形發生器中形成，而后接的大功率放大器只要有足夠的增益和寬帶即可。現代雷達為了滿足多功能要求（例如，既能搜索又能跟蹤的多功能相控陣雷達）并能適應不同的目標環境，往往一個雷達系統要求采用多種信號形式，并能根據不同情況自動靈活地選擇發射波形。（3）適用于頻率捷變雷達。

頻率捷變雷達具有良好的抗干擾能力。這種雷達每個射頻及脈沖的載頻可以在一定的頻帶內快速跳變。為了保證接收機能正確接收回波信號，要求接收機本振電壓的頻率fL能與發射信號的載波平率f0同步跳變。雷達發射機主要性能參數如下：1.功率頻率和波段雷達頻率的確定是極其重要的工作，一旦確定，即成為整個系統的基礎，不能輕易動搖。雷達工作頻率或波段是按照雷達的用途和實際需要確定的。雷達頻率的選擇意味著幾項因素進行權衡，這些因素是物理尺寸、發射功率、天線波寬度、大氣衰減等，另外，對于應用多普勒頻移的雷達還需要考慮多普勒頻移和頻率的關系。此外，為了提高雷達系統的工作性能和抗干擾能力，有時還要求它能在幾個頻率上的跳變工作或同時工作。工作頻率或波段確定后，要相應選擇發射管的種類。4.2雷達發射機的主要性能參數2、信號波形除了多普勒導航儀、高度計和變時近爆引信外，大多雷達都采用脈沖工作方式，主要原因是脈沖工作方式可以避免發射機干擾接收的問題。脈沖雷達的發射波形有4個基本參數：載頻、脈沖寬度、脈內或脈間調制方式、脈沖重復頻率和一個基本特性即相參性。1）載頻載頻并不總是固定不變的，可以用不同方式改變載頻，以滿足特定系統或特定工作要求。從一個脈沖到下一個脈沖，載頻可以增加或減小。可以隨機改變，或者按著某種特定規律改變。載頻甚至可以在每一個脈沖期間以特種特定規律增加或減小，這就是脈內調制。4.2雷達發射機的主要性能參數

4.2雷達發射機的主要性能參數

4.2雷達發射機的主要性能參數圖4-3常用發射脈沖形式4）脈沖重復頻率（PRF）圖4-3所示為目前應用較多的幾種雷達信號波形。圖4-3（a）是簡答的固定載頻脈沖調制信號波形，圖4-3（b）是脈沖壓縮雷達中使用的線性調頻脈沖，圖4-3（c）是相位編碼脈沖壓縮雷達中使用的相位編碼信號，圖4-3（d）是抗干擾常用的頻率捷變脈沖，圖4-3（e）是不同重復頻率脈沖，可以消除盲速和盲像。4.2雷達發射機的主要性能參數（a）單一頻率脈沖（b）線性調頻脈沖（c）調相脈沖（d）頻率捷變脈沖（e）不同重復頻率脈沖圖4-3常用發射脈沖形式4.2雷達發射機的主要性能參數5）相參性相參性（又稱相干性）是一個重要概念，信號相參是指發射信號與雷達頻率源存在固有的相位關系。對于脈沖信號而言，相參性意味著從一個脈沖到下一個脈沖的相位具有一致性，或連續性。nλλ距離是波長的整數倍λ圖4-4脈沖相參性相參有多種類型，最普遍采用的是如圖4-4所示。每個脈沖的第一個波前與前一個脈沖相同相位的最后一個波前的間隔是波長的某一個整數倍。例如，假設波長為3cm，則間隔可能是3000000cm或3000003cm或者是3000006cm等，但不能是3000001cm或3000003cm，等。4.2雷達發射機的主要性能參數

4.2雷達發射機的主要性能參數

4.2雷達發射機的主要性能參數平均功率的重要性，首先在于它是決定雷達潛在探測距離的一個關鍵因素。在給定時間內，雷達發射的總能量等于平均功率乘以時間長度。因此，為了得到更大的探測距離，可以用三種方法：增大脈沖寬度、增大峰值功率、增大脈沖重復頻率。P0Tτ0T/22τ02P0圖4-5增加平均功率的三種方法如圖4-5所示。平均功率受到關注的另一個原因是它和發射機效率一起決定了因損耗而產生的熱量。這些熱量應當散發掉，這又決定了所需要的冷卻量。平均輸出功率加上損耗決定了必須供給發射機的輸入（初始）功率。因此，平均功率越大，發射機就變得越大、越重。4.2雷達發射機的主要性能參數4.總效率發射機的總效率是指發射機的輸出功率與輸入功率總功率的比值。因為發射機通常在整機中是最耗電和最需要冷卻的部分，因此提高總效率不僅可以節省電能，而且可以降低整機是體積和重量。5.信號穩定度或頻譜純度信號的穩定度是指信號的各項參數，例如信號的振幅、頻率（或相位）、脈沖寬度及脈沖重復頻率等，是否隨著時間發生了不應有的變化。信號的頻率穩定度又稱為信號的頻譜純度，是指雷達信號在應有的信號頻譜之外的寄生輸出功率與信號功率只比，一般用dB表示，顯然比值越小信號頻譜純度越高。另外，單機振蕩式雷達發射機的頻率穩定度較低，通常為-40~-30dB，主振多級放大式雷達發射機的工作頻率穩定度較高，一般為-80~60dB。提高發射機的工作頻率度是提高發射機質量的一個重要環節。4.3脈沖調制器脈沖調制器的作用：是給發射機的射頻各級提供合適的射頻調制脈沖，即產生等幅、等寬和一定重復頻率的矩形脈沖；其本質上是一個功率轉換器，其任務是為射頻放大管提供性能合乎要求的射頻脈沖。它把初級電源送來的交流功率先轉換成有合適電壓的直流功率，然后再通過脈沖產生系統，形成和控制負載上所要求的調制脈沖。4.3.1脈沖調制器的基本組成和工作過程典型的脈沖調制器主要由調制開關、儲能元件、充電和隔離元件、旁通元件等四部分組成，如圖4-6所示。高壓電源充電及隔離元件儲能元件調制開關旁通元件負載圖4-6脈沖調制器基本組成方框圖脈沖調制器的簡要工作過程可分為儲能元件充電和放電的兩個過程。在調制開關斷開期間，高壓電源通過充電及隔離元件、旁通元件向儲能原件充電，使其儲能；在調制開關接通期間，儲能元件通過調制開關向負載放電，使負載工作。（1）充電及隔離元件有電阻和電感兩種，其作用是給儲能元件按一定方式充電，把高壓電源同調制開關隔開，避免在調制開關接通時高壓電源過載。（2）儲能元件一般為電容器或仿真線。其作用是在較長的脈沖間歇期間內從高壓電源獲取能量并不斷儲存起來；而在極短的脈沖工作期間內把能量轉交給負載。這樣，高壓電源的功率容量和體積可大為減少。儲能軟件可以是電容或電感，但電感現在很少用。電容可用電感器做成，也可以用等效于電容的脈沖形成網絡（也稱仿真線或人工線）做成。4.3.1脈沖調制器的基本組成和工作過程（3）旁通元件一般為電阻或電感，其作用是構成儲能元件的充電回路。在儲能元件放電時，它所呈現的阻抗比負載阻抗大得多，對放電電流基本上沒有影響，而且還可以改善調制脈沖后延波形。（4）調制開關一般為真空電子管、充氣閘流管及可控硅等。它的作用是：在外來脈沖觸及的短暫時間內接通儲能元件的放電回路，以形成調制脈沖：在外來脈沖間歇期間它是斷開的，以使儲能元件充電。脈沖調制器按所調制開關可以分為剛性開關調制器與軟性開關調制器。4.3.1脈沖調制器的基本組成和工作過程4.3.2剛性開關脈沖調制器剛性開關脈沖調制器也稱為電子開關調制器，由真空電子管做調制開關，以電容器作儲能元件。由于真空管的通斷是由柵極電壓來控制，柵極電壓又受激勵脈沖的控制，所以通斷和轉換迅速，開關具有“剛性”，使儲能元件部分放電。輸出的調制脈沖波形好，其寬度基本上由預調器來的激勵脈沖決定，且容易改變。工作時受環境和負載的影響小，常用于要求測距精度高、分辨力強的雷達，必須輸出良好的脈沖波形的跟蹤雷達。但真空管的內阻較大，轉換效率較低，輸出功率也比較小，而且需要預調器，因此結構比較復雜。4.3.2剛性開關脈沖調制器預調器亦稱激勵器，它的主要任務是給調制管的柵極提供所需要的激勵脈沖。剛性開關脈沖調制器之所以必須專門設置預調器，是因為調制管作為電子開關，它的導電與截止是由其柵極間的矩形脈沖決定。在儲能電容充電期間，由于充得的電壓很高，為了使調制管截止，需要有較負的柵極偏壓；當其導電時，為了能通過較大的脈沖電流，柵極總是工作在正柵極壓狀態，柵流也比較大。因此，要求加到調制管柵極的矩形脈沖必須具有較高的幅度和足夠的功率，波形良好，寬度準確，這是一般觸發器直接產生的觸發脈沖所難以勝任的。R2C0R1RgCgUgCE+-V2URUgEjUcEUattt000（a）基本電路（b）工作波形圖4-7陰極脈沖調制器基本電路及工作波形如圖4-7（a）所示剛性開關陰極脈沖調制基本電路。其中，V1是真空電子管，作為開關管，平時由很負的柵極偏壓Eg截止；R1是充電及隔離電阻；R2是旁通電阻；C是儲能電容；C0是分布電容，由調制管V1輸出電容、陽極連接元件對地分布電容、磁控管輸入電容及陰極連接元件對地分布電容C的外殼對地分布電容等構成，通常為50~100pF數量級；V2是磁控管，為非線性負載。4.3.2剛性開關脈沖調制器

脈沖調制器的工作受外來激勵脈沖的控制，實際上是一個大功率的阻容耦合脈沖放大器，其工作波形如4-7（b）所示。在激勵脈沖間歇期間，調制管被負偏壓Eg截止，儲能電容C經R1，R2充電到接近電源電壓E的數值。在激勵脈沖工作期間，調制管的柵極加上幅度很夠高的負脈沖電壓，使振蕩器得到大功率調制脈沖能量而振蕩。當激勵脈沖結束后，調制管又迅速被負偏壓截止，輸出的調制脈沖便告結束。儲能電容再通過R1，R2充電，以補充它在脈沖期間放掉的能量。直到下一個激勵脈沖到來，C再放電，如此周而復始，調制器就輸出與激勵脈沖重復頻率相同的大功率調制脈沖，加到磁控管使其振蕩，而且調制脈沖的寬度完全由激勵脈沖寬度所決定。4.3.2剛性開關脈沖調制器軟性開關脈沖調制器是用軟件開關作為調制開關的脈沖調制器，包括離子開關和可控硅開關等調制器。以離子開關調制器為例，它常用氫氣閘流管等器件作為調制開關。氫氣閘流管與普通三極管主要區別在于：管內充有氫氣，管子導電后柵極失去控制作用，而且內阻小，電流大；陰極與陽極由柵極嚴密隔離，使陽極電場只存在于陽柵之間而不能直接作用到陰極，故能承受高壓。其特點是只能起單項控制作用，即當觸發脈沖使閘流管導電后，觸發脈沖就失去作用，只有當閘流管的陽壓下降到熄火電壓時，閘流管才能關斷。因此，點火脈沖只能控制它的導通，不能控制它的關斷，故稱為“軟性”。4.3.3軟性開關脈沖調制器由于軟性調制開關的這一特點，儲能元件只能是完全放電，如果仍然用電容器做儲能元件，得到的將是一個尖脈沖。為了獲得接近于矩形的調制脈沖，在軟性開關調制器中幾乎毫無例外地用開路長線，更多的是用人工線作為儲能元件。因此軟性開關調制器又稱為仿真線儲能、完全放電式調制器，或簡稱為線性調制器。4.3.3軟性開關脈沖調制器為了提高充電效率，充電元件通常由電感組成或由電感與二極管串聯的電路組成。由于軟性開關的正向阻斷電壓不高，所以在人工線和負載之間往往要用脈沖變壓耦合器。脈沖變壓器除初級繞組可起到充電通路作用外，還可以起升壓與阻抗匹配的作用。這樣就可以降低所需要電源電壓的數值；可使仿真線及軟性開關能工作于較低電壓；還可以使負載的直流內阻能夠很好地與仿真線的特性阻抗相匹配。圖4-8所示為軟性開關調制器典型原理電路。離子開關的優點是電流大、內阻小、輸出脈沖功率大、轉換效率高，是目前偵查及警戒雷達常用的脈沖調制器。而其缺點是受環境及負載影響時性能不夠穩定。軟性開關脈沖調制器常應用在精度要求不高而功率較大的遠程警戒雷達或體積重量較小的空用搜索雷達發射機中。

VT1電源仿真線VT4VT2LT圖4-8軟性開關調制器典型原理電路4.3.3軟性開關脈沖調制器實際上，某些半導體開關雖其本身是“軟性”的，但經過適當組合，也能起到剛性開關的作用。由可控硅組成的雙穩態開關（又稱直流開關）就是一個例子。4.4射頻振蕩器雷達發射機通過對雷達頻率源產生的小功率射頻信號進行放大或直接自激振蕩產生高功率發射信號。單級振蕩式發射機主要有兩種：①早期雷達使用的微波三極管和微波器四級管振蕩式發射機，其工作頻率在VHF至UHF頻段；②磁控管振蕩式發射機，可覆蓋L波段至Ka波段。磁控管發射機可以工作在多個雷達頻率波段，加上結構簡單、成本較低以及效率高等優點，至今仍有不少雷達系統采用磁控管發射機。1）磁控管的基本結構磁控管是一種恒定正交電磁場控制電子運動的特殊二極管。普通多腔磁控管的基本結構由四大部分構成；一個圓桶形陰極；一個與陰極同軸的陽極及調頻機構；直流磁場裝置；能量耦合輸出裝置。4.4.1磁控管圖4-9普通磁控管的典型結構典型結構如圖4-9所示。（1）陰極。一般脈沖磁控管都采用旁熱式氧化物陰極，整個陰極作為圓柱狀，配置于磁控管的軸心上。（2）陽極。陽極是由純銅制成的環形圓柱體。圓柱體內壁鑿有偶數個通孔，稱為諧振空腔，組成磁控管首尾相連的回路系統，成為陽極塊。磁控管的振蕩頻率主要取決于諧振腔的固有頻率。同時，它儲存著高頻能量，并通過能量輸出裝置饋給負載。為在一定范圍內調節振蕩頻率，可用機械方法改變諧振腔的結構，從而達到改變固有頻率的目的。

機械調諧結果視改變諧振腔中等效電感和等效電容的情況，通常分為電感調諧和電容調諧。為便于散熱，磁控管的陽極塊裝有散熱片。功率大的二級管，通常強迫風冷和水冷。4.4.1磁控管圖4-9普通磁控管的典型結構（3）能量耦合輸出裝置：由于磁控管本質上是振蕩器，所以只有能量輸出裝置，常用的有同軸線形和波導型兩種。（4）直流磁場裝置：提供相互作用空間所需的磁場。4.4.1磁控管2）磁控管使用注意事項（1）負載要匹配（2）冷卻（3）合理調整陰極加熱功率（4）安裝調試（5）保存和運輸4.4.2行波管放大器1）行波管放大器的組成和結構調諧活塞金屬圓筒螺旋線調諧活塞集電極λ/4濾波器信號輸出輸出波導聚焦線圈信號輸入探針輸入波導第二陽極第一陽極控制級陰極燈絲圖4-10行波管放大器的結構

行波管放大器由行波管、聚焦線圈、輸入輸出裝置以及中心調整裝置等四部分組成。如圖4-10所示。行波管裝在聚焦線圈中間的金屬圓筒內，中心調整裝置在行波管的兩端。從天線接收回來的高頻信號由輸入端送入，經行波管放大器放大后，由輸出端輸出。（1）行波管：行波管是行波管放大器的核心部分，用于不同波段、不同型號的行波管在結構上略有不同，但主要由電子槍、螺旋線、集電極三部分組成。（2）聚焦線圈：聚焦線圈用來產生很強的軸向直流磁場，使電子在沿軸向前進過程中，始終保持聚焦成束。它由繞在銅質圓筒外幾段螺旋管線圈串聯而成。工作時，由直流電源供給線圈直流電流。4.4.2行波管放大器（3）輸入、輸出匹配裝置：輸入、輸出匹配裝置各是一段末端有短路活塞的波導。調節短路活塞使輸入、輸出波導與輸入、輸出探針相匹配，以有效地輸入和輸出信號。為了防止高頻能量從行波管兩端漏出，由行波管內的兩個四分之一波長的金屬圓筒與玻璃管壁外的金屬圓筒構成兩個四分之一波長末端開路的濾波器。（4）中心調整裝置：中心調整裝置分別裝在行波管的兩端，用以調整行波管的位置，保證管軸與聚焦磁場平行。4.4.2行波管放大器2）行波管的工作原理行波管是通過電子束與信號行波電場互相作用，由電子束不管供給行波電場只能量而完成放大作用。高頻信號從輸入端開始進入行波管放大器后，沿著管軸向傳播，電子槍發射的電子也沿著行波管的軸方向傳播。二者在共同前進的過程中，電子不斷把從直流電場中獲得的能量交換給信號行波電場，使其不斷加強，當達到管子末端時，信號行波場要比原來增強了許多倍。放大了的信號從輸出裝置輸出。由此看來，電子與行波電場之間的能量交換過程，也就是行波管放大信號的過程。4.4.2行波管放大器4.5固態雷達發射機4.5.1固體微波源及其應用1）固態微波源的定義“固態”是指相對于常規的電真空器件（電子管）而言的半導體材料（晶體管），例如，硅、砷化鎵場效應管等。“固態發射機模塊”是指多個微波功率器件和微波單片集成電路集成到一起構成一個基本的功能模塊。“固態發射機”是由幾十個至幾千個固態發射機模塊組成的雷達發射機。4.5固態雷達發射機4.5.1固體微波源及其應用1）固態微波源的定義

近年來，微波半導體大功率器件獲得了飛速發展，應用先進的微波單片集成和優化設計的微波網絡技術，可將多個微波功率器件、低噪聲接收器件等組合成固態發射機模塊或固態收-發（T/R）模塊。固態發射機已經在機載雷達、相控陣雷達和其他雷達系統中逐漸代替常規的微波電子管發射機。2）固態微波源的分類固態微波源可分為兩大類：①倍頻鏈，由主振、多次倍頻和功放組成。主振常用石英晶體振蕩器產生穩定的基準信號，目前也有用雙極晶體管振蕩器作為基準振蕩器（4～8GHz），并可實現電調諧；功放常用雙極晶體管放大器和場效應管放大器；倍頻器常用變容管倍頻（4次以下）和階躍管倍頻（4次以上）。它們的頻率穩定高，技術比較成熟，但結構復雜。4.5.1固體微波源及其應用2）固態微波源的分類固態微波源可分為兩大類：②直接產生頻率相當于高的微波或毫米波振蕩器，如砷化鎵場效應振蕩器（目前頻率可達18～40GHz）、體效應管振蕩器（8～27GHz）、雪崩二極管振蕩器（18～110GHz）等，都是目前常用微波源。這類微波源缺點是頻率穩定度不高，需采用穩頻措施。4.5.1固體微波源及其應用3）固體微波源在雷達發射機中的應用（1）作為有源頻率標準。在動目標顯示雷達中，為提高對小固定目標的能力，可對磁控管發射機進行自動頻率微調，固態微波源作為自動頻率微調的有源頻率標準，使發射機達到更高的頻率穩定度。（2）作為主振多級放大式雷達發射機的高頻振蕩器。該類發射機必須具備良好的頻率或相位相干性，而這種相干性首先必須依靠它的激勵器來保證。激勵器激勵高頻功率放大器（如行波管功率放大器等），因此要求固態微波源輸出足夠的功率。（3）構成固態雷達發射機的功率放大組件。（4）作為相控陣雷達的子發射單元。4.5.1固體微波源及其應用與微波電子管發射機相比，固態發射機具有如下優點：（1）不需要陰極加熱、壽命長。不消耗陰極加熱功率，也沒有發射機預熱延時，實際上也沒有工作壽命的限制。（2）具有很高的可靠性。一方面，固態發射機模塊本身具有很高的可靠性，目前模塊的平均無故障時間（MTBF）已經超過100000h；另一方面，固態發射模塊已經做成標準件，當組合應用時便于設置備份件，可隨時替換損壞的模塊。（3）體積小、重量輕。固態發射模塊工作電壓較低。一般低于40V，不需要體積龐大的高壓電源和防護X射線的設備。（4）工作頻帶寬、效率高。目前固態發射模塊能達到50%或者更寬的帶寬。4.5.2固態發射機的特點（5）系統設計和運用靈活。一種設計良好的固態發射模塊可以滿足多種雷達使用，發射機總的輸出功率可用并聯模塊數目的多少來控制，而不同的輸出波形則可以通過波形發生器和定時器按一定的程序來實現。（6）維護方便，成本較低。固態發射模塊通常采用空氣冷卻方式，不需要體積龐大的風冷或水冷設備。由于固態發射模塊是批量生產的，目前在L波段的固態發射機模塊成本較低，S波段的成本也在逐漸降低。4.5.2固態發射機的特點總的來說，高功率微波晶體管和固態發射模塊在超高頻至L波段的發展比S波段以上的波段更快，目前固態發射模塊和固態收-發模塊已經越來越多應用于超高頻至L波段。例如，美國的遠程預警機相控陣雷達“PAVEPAWS”，工作在UFH頻段，雙陣面共計1792×2=3584個發射機組件，是世界上第一部全固態相控陣雷達。但是，工作頻率很高時，目前的固態發射機輸出功率不夠大，而采用功率合成技術可以解決。4.5.2固態發射機的特點固態發射機包括兩種典型的輸出功率組合方式：一種是幾種相加式高功率固態發射機；另一種是分布式（空間合成）發射機。4.5.3微波功率合成技術空間合成發射機主要用于相控陣雷達，由于沒有微波功率合成網絡的插入損耗，輸出功率效率很高。集中合成的輸出結構可以單獨作為中、小功率雷達發射機輻射源，也可以用于相控陣雷達。由于微波功率合成網絡的插入損耗，它的效率比空間合成輸出結構要低些。4-11所示為固態發射機微波功率合成方式。圖4-11固態發射機微波功率合成方式1）固態發射組件固態發射組件大多用于集中式或分布式相控陣雷達發射機。1:N分配器濾波…N:1合成器RF輸出控保RF輸入檢波R

R

環流器激勵相位微調移相器器功放圖4-12典型固態發射組件圖4-12所示為一個典型的固體發射組件。其中，數字移相器為雷達系統發射波束實現電掃描；相應微調為保證相控陣面單元相位一致，保證發射波束電掃描精度；激勵級通常工作于C類，輸出端環流器是為減小負載頻率牽引；定向耦合器和檢波器向控制保護電路提供故障信息，適時進行故障檢測、指示與保護。4.5.4固態組件固態有源T/R組件的組成隨系統性能要求和復雜程度不同而有所不同，但其基本組成相差不大，典型固態有源T/R組件的基本組成方框圖如圖4-13所示。固態有源T/R組件基本構成主要有：發射功率放大器、低噪聲接收放大器、數字移相器、衰減器、T/R開關、機內測試、邏輯控制及保護等。此外，為提高性能，有的還增加有幅相均衡器、環流器和濾波器等，各級電路間常用微帶連接。T/R組件一般被裝入帶鋁散熱器的輕型密封盒內，而制造工藝上可大體分為混合式及單片式兩個微波集成電路的發展階段和類型。在混合式中，有源器件的焊接在玻璃、陶瓷或其他基片上，基片上有分立元件與引線健合，基片分段。2）固態有源T/R組件T/R開關機內測試T/R控制發射接收T/R開關數字移相T/R開關衰減限幅天線激勵放大功放低噪聲放大器圖4-13典型固態有源T/R組件的基本組成方框圖混合式又分為普通混合微波集成電路和微型混合微波集成電路兩種，它們是早期大量采用的電路模式，主要缺點是體積大、重量重、裝配工藝多且難度大、均一性差、可靠性低、造價高。因此后來大力研制和開發GaAs材料作基片的單片微波集成電路組件，它克服了混合式的主要缺點，由于采用嚴格的批量生產工藝控制，使均一性良好，成本大大降低。隨著微組裝工藝的進展，已逐漸進入大功率制造和實用階段。整部T/R組件通常采用SMA接頭和微帶引出，連接方便。4.5.4固態組件頻率合成技術起步于上世紀30年代。其原理是通過一個或多個參考信號源的線性運算，在某一頻段內，產生多個離散頻率點。基于此原理制成的頻率源稱為頻率合成器。頻率合成器是現代電子系統的重要組成部分，是決定整個電子系統系統性能的關鍵設備，不僅在通信、雷達、電子對抗等軍事領域，更在廣播電視、遙控遙測、儀器儀表等民用領域得到了廣泛的應用。初期的頻率合成技術采用一組晶體組成的晶體振蕩器，輸出頻率點由晶體個數決定，頻率準確度和穩定度由晶體性能決定，頻率切換由人工手動完成。隨著頻率合成技術理論的完善和微電子技術的發展，后來出現了若干頻率合成方法，現代的頻率合成技術主要經歷了三個階段：直接模擬頻率合成、間接頻率合成和直接數字頻率合成。4.5.5頻率合成技術直接模擬頻率合成(DirectFrequencySynthesis，DS)技術也是一種早期的頻率合成技術，使用一個或幾個晶體振蕩器作為參考頻率源，通過分頻、混頻和倍頻的方法對參考源頻率進行加減乘除的運算，然后用濾波器處理雜散頻率得到需求的不同頻率。直接頻率合成器的組成框圖簡要示例圖如圖4-14所示。1）直接頻率合成器4.5.5頻率合成技術濾波混頻開關D濾波混頻開關C濾波混頻開關B÷10÷10÷10÷10開關A98765432103.63.53.43.33.23.13.02.92.82.7線編號來自諧振器濾波混頻開關E……………2.7~3.6MHz2.99997~3.99996MHzf0圖4-14直接頻率合成器的組成框圖簡要示例4.5.5頻率合成技術其中，2.7~3.6MHz、間隔為0.1MHz的信號由諧波發生器產生，通過開關A、B、C、D、E控制由哪些頻率參加運算，被選中的五個頻率經過混頻器后，就可以直接得到頻率范圍為2.99997~3.99996MHz、間隔Δf為10Hz的任意頻率信號。例如，要產生3.23456MHz的頻率信號，則只需要開關A、B、C、D、E分別置于線編號為9（3.6MHz）、5（3.2MHz）、4（3.1MHz）、3（3.0MHz）及2（2.9MHz）的位置，再分別經過十分頻、混頻、濾波過程后，最后得到3.23456MHz的頻率輸出。1）直接頻率合成器4.5.5頻率合成技術優點為：①變頻速度快；②頻率間隔小、頻率點多，分辨率好；③頻率穩定度高，相位噪聲較低。其缺點為：①系統需要大量的混頻器、濾波器以及必要的隔離器，使得體積大、重量重、成本高，安裝和調諧復雜；②寄生輸出較大。因此，在需要頻率點數多的技術中，除要求很高很高的場合外，一般不用直接式，而選用鎖相式頻率合成器。4.5.5頻率合成技術1）直接頻率合成器間接頻率合成是上世紀40年根據控制理論的線性伺服環路發展起來的頻率合成技術，又稱為鎖相式頻率合成(PhaseLockedLoopFrequencySynthesis，PLLFS)技術。原因在于它的工作原理是把一個或者多個基準頻率源通過倍頻、混頻和分頻等，產生大量的諧波或組合頻率，使用鎖相環由壓控振蕩器鎖定某一頻率間接產生所需要的頻率。優點在于相噪低，雜散抑制高，輸出頻帶范圍大，頻率穩定度高，并且因為避免大量使用濾波器，基于這種技術的頻率合成器容易集成化。固有的缺點就是速度慢。2）間接頻率合成(IndirectFrequencySynthesis，IS)技術4.5.5頻率合成技術基準源鑒相器環路濾波器VCO分頻器÷NfrfNf0=Nfr圖4-15鎖相頻率合成器原理框圖鎖相頻率合成器的基本組成如圖4-15所示，主要包括鑒相器、環路濾波器、壓控振蕩器（VCO）、分頻器等組成的閉合環路，是一個相位負反饋的控制系統。4.5.5頻率合成技術2）間接頻率合成(IndirectFrequencySynthesis，IS)技術環路輸入信號是一個高穩定度的fr基準振蕩，它與VCO的輸出經N次分頻后得到的反饋fN信號在鑒相器中進行相位比較輸出的誤差電壓取決于兩個信號的相位差，誤差電壓去控制VCO以調整頻率。環路輸出信號的相位由VCO的頻率取得，因此環路只有相位差，而無頻率差。當環路鎖定時，VCO的輸出f0=Nfr，當改變N時，fr≠fN，環路失鎖，誤差控制信號VCO調整頻率進行搜索，直到環路重新得到鎖定狀態，完成頻率變換，輸出一個新頻率。鎖相環不僅有很好的頻率控制特性，也有窄帶濾波特性，所以輸出信號頻率純度高。4.5.5頻率合成技術2）間接頻率合成(IndirectFrequencySynthesis，IS)技術DDS技術是20世紀70年代發展起來的一種新的頻率合成技術。該技術相比之前的兩種頻率合成技術，是一種全新的頻率合成方法，也是頻率合成技術的一次革命。其原理為根據采樣定理，利用全數字的方法產生與頻率相對應的相位序列，并將此相位序列作為尋址轉換成幅度序列，該幅度序列再經過數模轉換和低通濾波以后就可得到所需要的特定模擬波形。3）直接數字頻率合成(DigitalDirectFrequencySynthesis，DDS)4.5.5頻率合成技術現代的集成電路技術和數字信號處理技術的研究成果都在DDS上有所體現，并且它們的發展直接推動了DDS技術的發展，使得各種先進算法和結構層出不窮。這些都是DDS相對其它傳統頻率合成技術的極大優勢。DDS的基本原理是利用采樣定理，通過查表法產生波形。DDS的結構有很多種，其基本的電路原理可用圖4-16來表示。3）直接數字頻率合成(DigitalDirectFrequencySynthesis，DDS)4.5.5頻率合成技術相位累加器波形存儲器D/A轉換器低通濾波器頻率控制字K參考頻率源輸出模擬信號f0fc圖4-16DDS的原理框圖相位累加器由N位加法器與N位累加寄存器級聯構成。每來一個時鐘脈沖fc，加法器將頻率控制字K與累加寄存器輸出的累加相位數據相加，把相加后的結果送至累加寄存器的數據輸入端。累加寄存器將加法器在上一個時鐘脈沖作用后所產生的新相位數據反饋到加法器的輸入端，以使加法器在下一個時鐘脈沖的作用下繼續與頻率控制字相加。這樣，相位累加器在時鐘作用下，不斷對頻率控制字進行線性相位累加。3）直接數字頻率合成(DigitalDirectFrequencySynthesis，DDS)4.5.5頻率合成技術

由此可以看出，相位累加器在每一個時鐘脈沖輸入時，把頻率控制字累加一次，相位累加器輸出的數據就是合成信號的相位，相位累加器的溢出頻率就是DDS輸出的信號頻率。用相位累加器輸出的數據作為波形存儲器(ROM)的相位取樣地址，這樣就可把存儲在波形存儲器內的波形抽樣值(二進制編碼)經查找表查出，完成相位到幅值轉換。波形存儲器的輸出送到D/A轉換器，D/A轉換器將數字量形式的波形幅值轉換成所要求合成頻率的模擬量形式信號。低通濾波器用于濾除不需要的取樣分量，以便輸出頻譜純凈的正弦波信號。3）直接數字頻率合成(DigitalDirectFrequencySynthesis，DDS)4.5.5頻率合成技術DDS在相對帶寬、頻率轉換時間、高分辨力、相位連續性、正交輸出以及集成化等一系列性能指標方面遠遠超過了傳統頻率合成技術所能達到的水平，為系統提供了優于模擬信號源的性能。（1）輸出頻率相對帶寬較寬輸出頻率帶寬為50%fc(理論值)。但考慮到低通濾波器的特性和設計難度以及對輸出信號雜散的抑制，實際的輸出頻率帶寬仍能達到40%fc。3）直接數字頻率合成(DigitalDirectFrequencySynthesis，DDS)4.5.5頻率合成技術（2）頻率轉換時間短DDS是一個開環系統，無任何反饋環節，這種結構使得DDS的頻率轉換時間極短。事實上，在DDS的頻率控制字改變之后，需經過一個時鐘周期之后按照新的相位增量累加，才能實現頻率的轉換。因此，頻率轉換的時間等于頻率控制字的傳輸時間，也就是一個時鐘周期的時間。時鐘頻率越高，轉換時間越短。DDS的頻率轉換時間可達納秒數量級，比使用其