电源波纹对PD雷达性能的影响

1、电源波纹对PD雷达性能的影响1997年8月现代雷达第4期电源波纹对PD雷达性能的影响'【摘要】叙述了产生电源波纹的原因,定量地评估了电源波纹对PD雷达发射杂波的影响,提【关键词】皂塑垫塾,发射杂波,调幅灵敏度?调相灵敏度TheEffectsofPowerSupplyRippleOnPDRadarPerformance糠:忪善嘲'己.WangPeijin(NaniingResearchInstituteElectronicsTechnologyNaniing210o3/.f)'.AbstractThecausesforthegenerationofpowersupplyr

2、ippleBl-edescribedinthispaper?TheeectofpowersupplyrippletoPDradartransmittedclutterisevaluated?andthenaneffectivemethedprovidestoimprovethedetectionperformanceofPDradar.Finally,severalrelationcurvesaregiven?Keywordspowersupplyripple,tran.mlttedclutter,AMsensitivity,PMsensitivity1引言典型的雷达杂波来自地面,海面,雨滴或

3、其他空中沉积物,箔条,鸟类,昆虫和极光等.通常,脉冲多普勒雷达设计师感兴趣的是如何抑制这些不需要的回渡,从而对雷达进行有效设计.实际上,雷达杂波内还应包括一种可能对PD雷达检测性能产生严重影口自的不容忽视的发射杂波如何通过抑制发射杂渡来改善PD雷达的检测性能,同样是PD雷达设计师应完成的任务.电源渡纹可以说是发射杂波的主"源"头,因此改善电源波纹成了抑制发射杂渡的主要途径.2电源波纹的影响直流电压中包含许多不必要且有害的信号,因此要对直流电压进行幅度调制,我们通常把这种直流电压的幅度调制信号称为电源波纹电压.当渡纹电压加到雷达发射机的微波放大器上时,对放大器输出的微渡信号会

4、产生有害作用,即产生幅度调制,(AM),相位调制(PM)和频率调制(FM)经电源波纹幅度调制,相位调制和频率调制的发射信号遇到目标后,以同样的调制返回到雷达接收端.在接收机输出端重现这些调制边带.这些边带偏离载渡的频率正好等于电源波纹频率它们对称地分布在载渡频率的两侧.例如,电源的渡纹电压频率为40kHz,则所产生的本文1997年1月9日收到.现代雷选19卷不必要的调制边带分布在+40kHz处.我们把这些不必要的调制边带称为"剩余边带".在接收机中检测到的由"剩余边带"形成的杂渡称为发射杂波.对于PD雷达来说,剩余边带可能进入目标多普勒滤波器成为虚假目标

5、而被检测.理想情况下,在目标检测区应是纯净即没有噪声和边带的,但事实上目标检测区既存在系统噪声.也存在各种有害的调制边带为了使这些有害的调制边带不成为虚假目标信号.我们希望这些有害的调制边带淹没在噪声电平之下,因此对PD雷达发射杂波提出了相当苛刻的要求.最严格的要求是依赖于主波束杂波上产生的调制边带分量,即主波束杂波与系统噪声之比一杂噪比C/N这个数字一般为7O90dB.也就是说,剩余调制边带的幅度要比载波的幅度小7O90dB.这对电源波纹提出了相当严格的要求.剩余调制边带与电源波纹之间的关系'是通过微波大器的某些特性联系起来的,这些特性包括调幅灵敏度,调相灵敏度度和调频灵敏度.-.图

6、I是一种行波管用的开关电源原理框图.行波管所用的各极直流电压先以400Hz交流电压进行整流和滤波,然后把这种未经稳压的直流电压变换成50kHz的开关电压加到一个升压变压器的输入端,对变压器输出端的信号再进行整流和滤波,最后加到行波管的各电极上.此时直流电源输出端波纹电压的频率为:基波400Hz及其各次谐波;开关频率50kHz及其各次谐波;高压输出滤波器的自然谐振频率10-20Mnz.所有这些不必要的波纹电压构成了行波管直流电源电压的波纹.磷1宙1行波管用的开关电源原理框图3剩余调制边带的评估根据调制理论,剩余调制边带都可以表示为剩余调制边带=詈用dB表示为:_厂_I一一(1)l?)第4期汪培进

7、:电源波纹对PD雷达性能的影响81剩余调制边带(dB)一201g(2)式中m为调制指数.当载波受到调幅时,一A,称为调幅指数.A/A为剩余调制边带幅度与载波.-V幅度之比.当载波受到调相时,m=m一,m称为调相指数,是载波输出相位相对载波输入相位的偏移量.当载波受到调额时,m=mf一,m,称为调频指数;,是输出载波额率相对于输入载波额率的偏移量;是调制频率.因此,(2)式可以写成如下三种形式:剩余调幅边带(dB)一20l箬(3)剩余调相边带(dB)一201g(4),剩余调频边带(dB)一201g(5)在微波放大器件的技术规范中,一般都给出调幅灵敏度(dB/V),调相灵敏度(度/V).但在有的文

8、献中,调相灵敏度定义为K(度)(对1E/E).下面列出几种微器件的典型调相灵敏度值:速调管K.一10.对1警行波管K.一20.对1三,四极管K.一0.0.5.对1掣调相灵敏度(度/v)与上表列出的调相灵敏度K具有不同的定义,但它们存在下列关系:一(6)式中E是微波管上所加的电源电压.微渡放大器一经选定,E是已知的,根据的定义求出厶E,SE是波纹电压的峰值而根据K定义可求出AE/E,aE/E是渡纹系数.根据两种调相灵敏度定义就可列出两种调相指数的公式:调相指数一毋一100K口等(7)调相指数m一×E(8)以上所列公式足以就电源波纹对PD雷达性能的影响作出定量评估.综上所述,我们提出一种

9、客观地确定PD雷迭电源波纹要求的设计步骤:1.确定雷达系统要求,根据PD雷达的C/N值,确定各类调制边带的极限值;2.选择微波器件,引用微波放大器件的调幅灵敏度和调相灵敏度参数;3.利用这些参数,把它们变换到RF参数的极限值,把RF参数的极限值变换到电源波纹电压(或系数)的极限值;现代雷选4.必须考虑多极微波放大器件(如行波管)和多级级联放大器(晶体管级联放大器)各电极和各级电源波纹对调制边带的贡献;5.分析和调整最后的电源波纹参数.电源波纹对实际教波放大器输出信号调制边带的影响可以用后面列举的四个例子来说明.4评估实例4.1微波晶体蕾放大器L波段晶体管的相位调制灵敏度为1.6.(1AE/E)

10、.根据这一参数,很容易求出集电极?电源波纹的要求.根据.一一100K,p.?设PMs竽一k(,xooK,.,1一一B求得E/E一2.27×10一'但是,这种器件没有给出调幅灵敏度,似乎这种器件对调幅边带可忽略.如果深入探讨一下,其调幅边带不仅不能忽略,而且可能强于调相边带,对PD雷达的性能影响更大.晶体管有两个显着的特性:一是输出电压(集电极)大于一定值后集电极电流很少随Uc,改变.这一特点决定了集电极调幅灵敏度很低;二是输入电压(基极)的少量变化就足以引起集电极电流相当大的变化.这一特点决定了基极的调幅灵敏度相当高.这一点我们可以用下列公式说明.晶体管的集电极电流为:I一I

11、,eUuT式中:u为输入电压;为温度电压:ur一.当温度是一常数时,u也是一个常数,如.T=296.K时,u一生皇要一25.5mV,则跨导为一藐=LeU/uT1=所以a【,一瓦由上式可以看出,晶体管输出调幅边带的大小与输入信号的振悟变化量成正比,而与工作点的位置无关,这相当于基极调幅电压放大了1/UT倍(约为32dB),其前提是仍按A一20lg一一73dB求得第4期狂培进:电源波纹对PD雷达性能的影响83U雎=1.12×10()以上就单极晶体管放大器对调相和调幅边带的贡献作了分析.实际上,对有源相控阵来说,每一路都是由若干级放大器组成的级联放大器.因此,在设计教渡晶体管集电撅电压的波

12、纹和在基撅输入信号调幅度时要有一定的余度,这个余度取决于圾联放大器的级数.另外,还必须考虑基极偏置电压的波纹,因为它同样对输入信号进行调制.它与基撅信号的调幅度对搪出调幅边带的贡献是类同的.4.2金属陶瓷微波三,四极管假定输出信号中的调幅边带和调相边带分9为一73dB,根据一201g筹=一73dB求得'一:4-477"lA4-47X10'一百'根据PM:201g一一73dB.求得一?:4.47×10一根据肿=1o0譬(设一0.573.)求得aE/E一/l00K.=4.47×10一从计算结果可以看出,在三,四极管中,电源波纹对调相边带和调幅边

13、带的影响是十分接近的.因此在工程设计中,需要同时考虑两种边带的影响.而且,还可以看出,采用三,四撅管,10量圾的波纹在工程上实现起来比较容易,因为其调相灵敏度是低的.4.3速调管放大酷速调管放大器是一种线性注放大器件,有较高的调相灵敏度(置?=11.46),同样假定速调管输出信号的调幅边带和调相边带分别为一73dB.速调管的伏安特性符合二分之三次方定律,即IKU0/式中置是导流系数.经微分后整理得:龇=根据AM=201g一一73dB现代雷达19卷求得一AA一:一2.97×10一'一A一百J*FzA一.根据PM:20lg:一73dB求得一m一100K.警47×'

14、;.则得.aE/E一2.23×10一.从计算结果可以看出,在调相边带和调幅边带影响相同的情况下,调相边带比调幅边带对电源波纹的要求要高一个数量级.换句话说,如果直流电源波纹设计满足-73dB调相边带要求,那么在此情况下调幅边带要比调相边带小20dB因此,在速调管放大器中,调相边带占绝对优势,调幅边带对总的边带影响可以忽略不计.4.4行波管放大器行渡管放大器也是一种线性注管它的调幅灵敏度与速调管相同,但其相位调制灵敏度比速调管大得多.因此,可以确信,在这种微波管中,调相边带占有更大的优势,调幅边带可以完全忽略不计在雷达工程设计中,只需考虑调相边带.行波管有若干个电极,每一个电极具有不同

15、的电压和不同的相位调制灵敏度,因此,即使各电极在相同电源波纹系数下工作,各电极对总调相边带的影响是不相同的.从工程实现的难易程度看,对于一定的电源波纹系数,低电极电压一般来说较易实现,高电极电压实现难度相对而言要大一些.在行波管放大器各电极电源的设计中,可供选择的有两种方案:第一种方案是各电极按相位调制灵敏度最大的那个电极来设计各极电源的波纹系数;第二种方案是按照各电极对调相边带影响相等的原则进行设计.现举一个行波管的例子来加以说明,各电极的相位调制灵敏度为阴极一2o/收集极I口一0.5/收集极口一0.02./灯丝口一0.2./v聚焦电极a#/=4./v根据尸M一2olg:一77dB求得.一一

16、2.82×10一,根据.=.×第4期_压培进:电源波皱对PD雷达性能的影响求得各电极电源波纹电压的峰值:AE一一80.79×10一(V)AE一32?3×10(V)E咭一一808×10一(v)一80?8×10-3(V)Er一一4.04×10一.(V)q我们已经说过,在这样的电极电源波纹电压下,各电极对调相边带的影响相等.而且,各电极的波纹相干,因此,行波管总的输出调相边带要比单个电极的影响提高7dB.这一点在工程设计中应引起了注意,即在设计时每个电极要有7dB的余度.相反,在相同的电源波纹电压下(it意不是波纹系数),聚焦电极

17、对调相边带的影响最大,因此对聚焦电极的电源波纹电压要求最为苛刻:AEf一4.04×10(V)如果其他电极的波纹电压都等于E,那么收集极I,收集极和灯丝电极对调相边带的影响可以忽略不计,而明极对调相边带的影响比聚焦电极还要小6dB.由此可以看出,行渡管各电极电源波纹电压相同时,聚焦电极对调相边带的影响占绝对优势.在这种方案中可以认为总的调相边带几乎都是聚焦电极产生的.通过两种方案的比较,认为前一种方案难度要小些,原因是每个电极电源波纹电压无须按最苛刻聚焦电极电源波纹电压的要求进行设计,而是按各自的调相灵敏度设计.5电源波纹的测试根据PD雷达系统要求的特殊性,电源工程师应该考虑放弃传统电

18、源波纹的测试方法.传统方法使用的仪表是示波器.在.PD雷达电源波纹测试中采用低频频谱分析仪显得更为方便有效.与其说用它来测量电源波纹,倒不如说用它来对电源波纹进行频谱分析以验证电源的性能,而示波器却不能完成这些渊量工作.在对电源波纹进行频谱分析前,我们应对电源波纹具有一定的先验知识,比如波纹的基波频率及其各次谐波频率,于是只要在这些已知频率点上测试就可以了.其次,PD雷达多普勒频谱检渊区的范围也是已知的,那么超出这个区域的波纹频率点也不必进行测试.此外,在一般情况下,电源渡纹的二次谐波幅度最大.如果最大二次谐波所产生的调相边带低于系统的技术规范要求,那么,其他各次谐波也就自然地满足技术规范要求

19、了.由于制造厂家在微波管出厂时所提供的各项调翻灵敏度都有一定的余度,因此,最终的验证性能总优于设计性能.前面已经提到,直流电源除了以50Hz或400Hz市电进行变压,整流和滤波扑,还具有开关电源.如果开关电源的开关频率可控而且严格地与系统的PRF同步,那么,由开关电源波纹所产生的剩余调翻边带(在基波及其谐波频率上)始终与发射信号的RF脉冲谱线f.士nPRF相重合,于是在检测区就不存在开关电源波纹所产生的调翻边带,这样,调锚I边带的幅度再高,现代雷达19卷也不会形成虚假目标,因此对这样的开关电源的波纹不必加以限制.6电源波纹的设计为了便于进行电源设计和估价电源波纹对发射杂波的影响,我们用图表进行

20、绘制,如图2,3,4所示.纵座标为系统对调制边带的最高限制用C/N的倒数即(-dB)表示,横座标为电源波纹系数E/E或波纹电压AE(V).图2是微波晶体管调幅边带与基极输入信号调制幅度的关系曲线;图3比较了典型的微波三,四极管,速调管和行波管的调幅边带和调相边带;图4是行波管以各个电极的相位调制灵敏度为参量的调相边带与电源波纹电压的关系曲线.从这三张图上,不难得到如下结论:UaE(6E(C/N)一fdB)电源波纹幕敦图2微波晶体管放大嚣的调幅边带与基极转入信图3三,四极管,速调管和行波管的调相边带和调号调制幅度(或基极偏置电源波纹电压)的关幅边带与电源波纹的关系'系u'1.在微波晶体管放大器中,基极输人信号的调幅度或基极偏置电压的波纹对输出调幅边?带的影响必须引起足够的重视;在级联放大器设计中,各级放大器的边带设计要有足够的余度.2.三,四极管微波放大器,在相同的电源波纹下,其调幅边带和调相边带的幅度很接近.因此,在设计此类微波管的电源波纹时要有3dB的余度.3.速调管放大器中,在相同的电源波纹下,其调幅边带要比调相边带小20dB左