雷达原理（第6版） 课件 第1、2章 绪论、雷达发射机

绪论第一章雷达原理(第6版）高等学校电子信息类精品教材01雷达的基本任务PARTONE一、雷达的基本任务目标在空间、陆地或海面上的位置可以用多种坐标系来表示。最常见的是笛卡儿坐标系(也称直角坐标系)，即空间任一点目标Р的位置可用x、y、z三个坐标值来决定。在雷达应用中，测定目标坐标常采用极（球）坐标系，如图1.1所示。图中，空间任一目标Р所在位置可用下列三个坐标值确定:1.雷达回波中的可用信息一、雷达的基本任务目标的斜距R：雷达到目标的直线距离OP。也经常被称为径向距离。方位角α：目标斜距R在水平面上的投影OB与某一起始方向（正北、正南或其他参考方向〉在水平面上的夹角。常以正北作为参考。俯仰角β：斜距R与它在水平面上的投影OB在铅垂面上的夹角，有时也称为倾角或高低角。就相对雷达波束指向而言，上视时常称仰角，下视时常称俯角。1.雷达回波中的可用信息一、雷达的基本任务相对雷达波束指向而言，上视时常称仰角，下视时常称俯角。如果需要知道目标的高度和水平距离，那么利用圆柱坐标系比较方便，即目标的位置由以下三个坐标值来确定：水平距离D，方位角α，高度H。这两种坐标系之间的关系如下:1.雷达回波中的可用信息一、雷达的基本任务现以典型的单基地脉冲雷达为例来说明雷达测量的基本工作原理，图1.2示出了这种雷达的基本组成框图。1.雷达回波中的可用信息一、雷达的基本任务

1.雷达回波中的可用信息一、雷达的基本任务我们知道电磁波的能量是以光速传播的，设目标的距离为R，则传播的距离等于光速乘以时间间隔，即利用调频连续波也可以进行目标距离的测量，其测距原理是基于同一时刻目标回波信号相对发射信号的频率偏移，其偏移量与回波信号滞后于发射信号的时间成正比，测得这一频率偏移量就可以据此换算得到目标距离的大小。1.雷达回波中的可用信息一、雷达的基本任务2.目标角位置的测量目标角位置指方位角或仰角，在雷达技术中测量这两个角位置基本上都是利用天线的方向性来实现的。图1.4是天线波束分别指向A、B及C三个方向时对目标的响应情况。雷达天线将电磁能量汇集在窄波束内，当天线波束轴对准目标时，回波信号最强，如图1.4(a）中实线所示。当目标偏离天线波束轴时回波信号减弱，如图1.4（a）中虚线所示。根据接收回波最强时的天线波束指向，就可确定目标的方向,这就是角坐标测量的基本原理。天线波束指向实际上也是辐射波的波前方向。1.雷达回波中的可用信息一、雷达的基本任务

1.雷达回波中的可用信息一、雷达的基本任务

1.雷达回波中的可用信息一、雷达的基本任务如图1.8所示，设雷达发射机功率为P,当用各向均匀辐射的天线发射时，距雷达R处任一点的功率密度S等于功率被假想的球面积所除，即1.雷达回波中的可用信息02雷达的基本组成PARTTWO二、雷达的基本组成以典型单基地脉冲雷达为例来说明雷达的基本组成及其作用。如图1.9所示，它主要由天线、发射机、接收机、信号处理机和终端设备等组成。二、雷达的基本组成雷达发射机产生辐射所需强度的脉冲功率，其波形是脉冲宽度为z而重复周期为T。的高频脉冲串。发射机现有两种类型：一种是直接振荡式（如磁控管振荡器)，它在脉冲调制器控制下产生的高频脉冲功率被直接馈送到天线；另一种是功率放大式(主振放大式)，它是由高稳定度的频率源（频率综合器）作为频率基准，在低功率电平上形成所需波形的高频脉冲串作为激励信号，在发射机中予以放大并驱动末级功放而获得大的脉冲功率来馈给天线的。功率放大式发射机的优点是频率稳定度高且每次辐射是相参的，这便于对回波信号进行相参处理，同时也可以产生各种所需的复杂脉冲压缩信号波形。发射机输出的功率馈送到天线，而后经天线辐射到空间。1.雷达发射机二、雷达的基本组成脉冲雷达天线一般具有很强的方向性，以便集中辐射能量来获得较大的观测距离，其方向图函数如图1.10所示。天线的方向性越强，天线波瓣宽度越窄，雷达测向的精度和分辨力就越高。常用的微波雷达天线是抛物面反射体，馈源放置在焦点上，天线反射体将高频能量聚成窄波束。天线波束在空间的扫描常采用机械转动天线来得到，由天线控制系统来控制天线在空间的扫描，控制系统同时将天线的转动数据送到终端设备，以便取得天线指向的角度数据。根据雷达用途的不同，波束形状可以是扇形波束，也可以是针状波束。天线波束的空间扫描也可以采用电子控制的办法，它比机械扫描的速度快，灵活性好，这就是20世纪末开始日益广泛使用的平面相控阵天线和电子扫描的阵列天线。前者在方位和仰角两个角度上均实行电扫描；后者是一维电扫描，另一维为机械扫描。2.雷达天线二、雷达的基本组成接收机多为超外差式，由高频放大(简称高放，有些雷达接收机不用高放)、混频、中频放大(简称中放)、检波、视频放大等电路组成。接收机的首要任务是把微弱的回波信号放大到足以进行信号处理的电平，同时接收机内部的噪声应尽量小，以保证接收机的高灵敏度，因此接收机的第一级常采用低噪声高频放大器。一般在接收机中也进行一部分信号处理。例如，中频放大器的频率特性应设计为发射信号的匹配滤波器，这样就能在中放输出端获得最大的峰值信号噪声功率比。对于需要进行较复杂信号处理的雷达，如需分辨固定杂波和运动目标回波而将杂波滤去的雷达，则可以由典型接收机后接的信号处理机完成。接收机中的检波器通常是包络检波器，它取出调制包络并送到视频放大器，如果后面要进行多普勒处理，则可用相位检波器替代包络检波器。3.雷达接收机二、雷达的基本组成信号处理的目的是消除不需要的信号（如杂波）及干扰而通过或加强由目标产生的回波信号。信号处理是在做出检测判决之前完成的，它通常包括动目标显示（MTI）和脉冲多普勒(PD）雷达中的多普勒滤波器，有时也包括复杂信号的脉冲压缩处理。许多现代雷达在检测判决之后要进行数据处理。主要的数据处理例子是自动跟踪，而目标识别是另一个例子。性能好的雷达在信号处理中消去了不需要的杂波和干扰，而自动跟踪只需处理检测到的目标回波，输入端如有杂波剩余，可采用恒虚警(CFAR）等技术加以补救。4.雷达信号处理机二、雷达的基本组成通常情况下，接收机中放输出后经检波器取出脉冲调制波形，由视频放大器放大后送到终端设备。最简单的终端是显示器。例如，在平面位置显示器(PPI)上可根据目标亮弧的位置，测读目标的距离和方位角这两个坐标值。显示器除了可以直接显示由雷达接收机输出的原始视频外，还可以显示经过处理的信息。例如，由自动检测和跟踪设备（ADT）先将收到的原始视频信号（接收机或信号处理机输出）按距离方位分辨单元分别积累，而后经门限检测，取出较强的回波信号而消去大部分噪声，对门限检测后的每个目标建立航迹跟踪，最后按照需要将经过上述处理的回波信息加到终端显示器。自动检测和跟踪设备的各种功能常要依靠数字计算机来完成。同步设备（频率综合器）是雷达的频率和时间标准。它产生的各种频率振荡之间保持严格的相位关系，从而保证雷达全相参工作。时间标准提供统一-的时钟，使雷达各分机保持同步工作。5.雷达终端设备03PARTTHREE雷达的工作频率及技术参数三、雷达的工作频率及技术参数雷达的工作频率和整个电磁波频谱示于图1.11，实际上绝大部分雷达工作于200~10000MHz频段。由于20世纪70年代后已制成能产生毫米波的大功率管，毫米波雷达已获得许多实际应用。1.雷达频段三、雷达的工作频率及技术参数雷达的工作频率覆盖了从数MHz到数百GHz的范围，不同的雷达频段具有不同的探测特性。通常，低频段更容易获得大的发射功率及远的探测距离，但测量精度相对较低，且需要的天线尺寸也相对较大。高的频段更容易获得高的测量精度，且需要的天线尺寸也比较小，但较难产生大的发射功率，且有明显的气象效应，探测距离相对较近。因此不同用途的雷达根据其应用的特殊性一般使用不同的雷达频段，雷达频段的应用如表1.2所示。雷达的性能包括战术（应用）性能和技术性能两个方面，战术性能反映雷达的用途和能力;技术性能反映雷达各分机及系统总的技术指标。雷达的战术性能与技术性能是密切相关的，后者往往根据前者的要求而确定。2.雷达频段的应用三、雷达的工作频率及技术参数2.雷达频段的应用雷达的工作频率及技术参数雷达的主要战术指标包括：（1）雷达的用途；（2）雷达的威力范围（3）分辨力；（4）数据率；（5）跟踪速度；（6）抗干扰能力；（7）雷达测定目标坐标的数目和精确度；（8）抗摧毁能力；（9）体积和质量；（10）工作的可靠性。主要有平均故障时间;平均修复时间。（11）使用条件。包括运输条件，架设和撤收时间、连续工作时间、机动性等。3.雷达主要战术指标三、雷达的工作频率及技术参数雷达的主要技术指标包括:（1）工作频率（或波长）及带宽。雷达的工作频率主要根据目标的特性，电波传播条件，天线的尺寸、高频器件的性能及测量精确度的要求等来决定；工作的带宽或频率范围主要根据雷达分辨力及抗干扰的要求等来决定。（2）发射功率和调制波形。脉冲雷达的发射功率分为脉冲功率和平均功率。发射功率的大小直接影响雷达的作用距离，但功率大小还受器件、电馈源容量和体积等条件限制，要根据情况适当选择。一般搜索、警戒雷达的峰值功率为兆瓦数量级，火控雷达的峰值功率则为数百千瓦。在早期雷达中，发射信号的调制波形常采用简单的脉冲波形，近代雷达则多采用复杂波形，以适应雷达的各种不同任务。4.雷达主要技术指标三、雷达的工作频率及技术参数（3）脉冲宽度。是指脉冲雷达发射信号所持续的时间，一般雷达的脉冲宽度是不变的，但复杂雷达工作时，可以有多种脉冲宽度和调制波形供选择。脉冲宽度除影响雷达探测能力外，还影响雷达的距离分辨力。（4）重复频率。是指发射机每秒钟发射的脉冲个数，其倒数是重复周期。重复频率既决定了雷达单值测距的范围，也影响不模糊测速区域大小。为了满足测距测速的性能要求，现代雷达常采用多种重复频率或参差重复频率。4.雷达主要技术指标三、雷达的工作频率及技术参数（5）天线波束形状。天线波束形状一般用水平面和垂直面内的波束宽度来表示。米波雷达的波束宽度在十度量级，而厘米波雷达的波束宽度为几度。炮瞄或制导雷达的波束是针状的；两坐标雷达的波束在方位上要求窄，在仰角上可以宽一些；测高雷达的波束则与之相反，在仰角上要窄，而在方位上宽一些。此外还有一些其他形状的波束。（6）天线的扫描方式。搜索和跟踪目标时，天线的主瓣按照一定规律在空间所做的往复运动，称为天线波束扫描。它可分为机械扫描和电扫描两大类。按扫描时波束在空间的运动规律，扫描方式大致可分为圆周扫描、圆锥扫描、扇形扫描、锯齿形扫描和螺旋扫描等。4.雷达主要技术指标三、雷达的工作频率及技术参数（7）接收机的灵敏度。接收机收到的回波信号功率是非常微弱的。接收机的灵敏度大小决定于接收机所能感受的输入功率的大小。通常规定在保证50%~90%的发现概率条件下，将接收机输入端回波信号的功率作为接收机的最小可检测信号功率，这个功率越小，接收机的灵敏度越高，雷达的作用距离就越远。（8）显示器的形式和数量。雷达显示器是向操纵人员提供雷达信息的一种终端设备，是人机联系的一个环节。根据雷达的任务与性质的不同，所采用的显示器形式也不同。例如，按坐标形式分，有极坐标形式的平面位置显示器；有直角坐标形式的距离——方位显示器、距离——高度显示器；或者是上述两种形式的变形。可以直接显示由接收机输出的雷达原始信息，也可以能显示经过处理和加工后的雷达二次数据。4.雷达主要技术指标三、雷达的工作频率及技术参数雷达可以根据其采用的技、战术参数进行相应的分类。（1）按照雷达布站形式分类单基地雷达：雷达发射机与接收机位于同一地点。双（多）基地雷达：雷达的发射机与一个或多个接收机分别位于不同的地点。（2）按照雷达信号的形式分类脉冲雷达：发射的波形为矩形脉冲，按一定的或交错的重复周期工作，是目前应用最广泛的雷达信号形式。连续波雷达：发射连续的正弦波，主要用来测量目标的速度。如果同时还要测量目标的距离，则需对发射的波形进行调制，例如经过频率调制的调频连续波等。5.雷达的分类三、雷达的工作频率及技术参数（3）按照测量的参量分类两坐标雷达：能够测量目标的斜距及方位角，或目标的斜距及仰角两个参数。三坐标雷达：能够测量目标的斜距、方位角及仰角三个参数。测高雷达：用于测量目标的相对高度。测速雷达：用于测量目标的相对运动速度。（4）按天线扫描方式分类机械扫描雷达：天线波束对空域的扫描覆盖是通过电机带动天线座转动来实现的。相控阵雷达：天线波束对空域的扫描覆盖是通过改变天线阵上各阵元的相位来实现的。频率扫描雷达：天线波束对空域的扫描覆盖是通过改变馈入天线阵信号的频率来实现的。5.雷达的分类三、雷达的工作频率及技术参数（5）按角跟踪方式分类可分为，单脉冲雷达、圆锥扫描雷达、隐蔽扫描雷达。（6）按信号处理方式分类各种分集（频率、极化等）雷达、动目标显示雷达、动目标检测雷达、脉冲压缩雷达、脉冲多普勒雷达、合成孔径雷达等。5.雷达的分类04PARTFOUR雷达的发展与应用四、雷达的发展与应用雷达最初主要用于军事目的，随着雷达应用领域的扩展，目前在民事方面的应用也非常广泛。雷达可以探测地面、空中、海上、太空甚至地下目标。地面雷达主要用来对空中目标（飞机、导弹、云、雨、风、鸟等）和太空目标（星体、卫星、飞船等）进行探测、定位和精密跟踪；舰船雷达除探测空中和海上目标外，还可用作导航工具；机载雷达完成空中及地面目标探测、火力控制等任务并保证飞行安全(导航、地形回避等)，有的机载成像雷达还可用于大地测绘；在宇宙飞行中，雷达可用来控制宇宙飞行体的飞行和降落。在航天技术迅速发展的今天，卫星上装置的预警和监视雷达（星载或天基雷达)，可全天候地监视和跟踪目标而成为各国密切重视和发展的类型。1.雷达的发展四、雷达的发展与应用1．军用雷达根据雷达在军事方面实现的任务，可以将其大致归纳为以下几类:（1）搜索警戒雷达(监视雷达)搜索警戒雷达主要用于发现目标，其作用距离一般可达数百千米到数千千米。配置在沿海、边界线以及国土纵深地区，用于探测远距离的敌方飞机、导弹、舰艇等。按其探测距离可大致划分为:近程警戒雷达，探测距离200~-300km。中程警戒雷达，探测距离300~500km。远程警戒雷达，探测距离500~4000km。超远程警戒雷达(预警雷达)，探测距离4000km以上。2.雷达发射机四、雷达的发展与应用这类雷达的共同特点是，需要探测的空域宽广，几乎达到360°覆盖，对测定目标坐标的精度和分辨力要求不高。搜索警戒雷达主要类型有：二维搜索雷达、机载预警雷达、弹道导弹预警雷达及超视距雷达等。典型的搜索警戒雷达实例如图1.13所示。2.雷达发射机四、雷达的发展与应用（2）跟踪雷达跟踪雷达主要用于给武器系统提供连续的、精确的目标坐标参数及运动轨迹，以引导武器系统对目标进行精确打击。对测量的实时性、精度和分辨力要求很高，且具备多目标跟踪能力。需要说明的是，目前跟踪雷达一般也同时具备近程搜索的功能，有些还具备边搜索边跟踪的功能。跟踪雷达主要类型有:炮瞄雷达、制导雷达、截击雷达、精密跟踪测量雷达、轰炸瞄准雷达及雷达引信等。典型的跟踪雷达实例如图1.14所示。2.雷达发射机四、雷达的发展与应用（3）侦察、校射雷达这种雷达主要用于侦察敌情，侦测其所处距离、方位及动态；测定己方炮弹的弹着点坐标，以校准火炮的设计等。典型的侦察雷达有：战场监视雷达、炮位侦察校射雷达及侦察与地形显示雷达等。2.雷达发射机四、雷达的发展与应用2．民用雷达雷达在民用领域应用也非常广泛，主要应用包括空中或海上导航，气象监测、地下探测、防撞、交通监测、雷达遥感等。民用雷达常用类型有：空中交通管制雷达(ATC)、机载导航及防撞雷达、船舶导航雷达（海事雷达)、地形跟随与地物回避雷达、着陆（舰）雷达、气象雷达、探地雷达(GPR)、雷达料位仪、交通监测雷达、自动防撞雷达、探鸟雷达、雷达遥感、无线电测高仪（高度计）等。典型的民用雷达实例如图1.15所示。2.雷达发射机感谢观看雷达原理(第6版）高等学校电子信息类精品教材雷达发射机第二章雷达原理(第6版）高等学校电子信息类精品教材01概述PARTONE一、概述雷达发射机的任务是为雷达系统提供一种满足特定要求的大功率射频发射信号，经过馈线和收发开关并由天线辐射到空间。雷达发射机通常分为脉冲调制发射机和连续波发射机。应用最多的是脉冲调制发射机，脉冲调制雷达发射机通常又分为单级振荡式发射机和主振放大式发射机两类。单级振荡式发射机主要有两种：一种是早期雷达使用的微波三极管和微波器四极管振荡式发射机，其工作频率在VHF至UH频段；另一种为磁控管振荡式发射机，可覆盖L波段至Ka波段(1~40GHz)。单级振荡式发射机的组成相对比较简单，成本也比较低，但性能较差，特别是頫率稳定度低，不具有全相参特性。需要指出，磁控管发射机可以工作在多个雷达频率波段，加上结构简单、成本较低以及效率高等优点，至今仍有不少雷达系统采用。1.雷达发送机的任务和功能一、概述主振放大式发射机的组成相对复杂，但性能指标好：具有很高的频率稳定度；发射全相参信号，能产生复杂的信号波形，可实现脉冲压缩工作方式；适用于宽带频率捷变工作等。但是，主振放大式发射机成本高、组成复杂、效率也较低。迄今为止，大多数雷达，尤其是高稳定、高性能的测控雷达和相控阵雷达等都采用主振放大式发射机。较早的应用实例是20世纪70年代代期世的采用大功率调管放大器的测控雷达发射机，20世纪80年代中期已开始装备使用。紧接着，采用全固态相控阵的三坐标远程警戒雷达发射机也投入使用。1.雷达发送机的任务和功能一、概述1．单级振荡式发射机单级振荡式发射机的基本组成如图2.1所示，它主要由大功率射频振荡器、脉冲调制器和电源等部分组成。发射机中的大功率振荡器在米波一般采用超短波真空三极管；在分米波可采用真空微波三极管、四极管及多腔磁控管；在厘米波至毫米波则常用多腔磁控管和同轴磁控管。2.单级振荡式发射机和主振放大式发射机一、概述2．主振放大式发射机主振放大式发射机的组成如图2.2所示，主要由射频放大链、脉冲调制器、固态频率源及高压电源等组成。2.单级振荡式发射机和主振放大式发射机一、概述图2.3所示为现代全相参雷达的主振放大式发射机框图，为了讲述方便，图中主要给出了主振放大式发射机和频率源（见图中虚线框）两部分。在图2.3中，频率源主要由基准源、频率合成器、波形产生器以及发射激励(上变频）组成。3.现代雷达对发射机的主要要求一、概述1.发射相位全相参信号现代雷达需要解决的首要问题是在各种强杂波背景中发现目标并准确地检测出目标的各种参数。这里指的杂波，主要是地物、海浪、云雨和雪等形成的强反射回波。雷达系统抑制这些杂波主要采用动目标显示(MTI)技术、动目标检测(MTD)术和脉冲多普勒(PD)术。无论是MTIMTD还是PD技术，都要求输出高稳定的全相参信号，必须采用全相参的主振放大式发射机。这里所说的相参性，是指发射的射频信号与雷达频率源输出的各种信号(见图2.3)存在着确定的相位关系。对于单级振荡式发射机，由于脉冲调制器直接控制振荡器工作，每个射频脉冲的起始相位是由振荡器的噪声决定的，因而相继脉冲的射频相位是随机的，或者说单级振荡器输出的射频信号是不相参的。因此通常把单级振荡式发射机称为非相参发射机。3.现代雷达对发射机的主要要求一、概述

3.现代雷达对发射机的主要要求02雷达发射机的主要质量指标PARTTWO二、雷达发射机的主要质量指标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其他有关问题：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、分辨力；雷达的应用环境（地面、机载、舰载或太空应用等）因素；目前和近期微波功率管的技术水平。雷达发射机的瞬时带宽是指输出功率变化小于dB的作频率范围。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。1.工作频率和瞬时带宽二、雷达发射机的主要质量指标

2.输出功率二、雷达发射机的主要质量指标1．信号形式迄今为止，已经有多种形式的雷达信号波形，并可以从不同观点进行分类，通常是按照调制方式进行分类。按照调制方法，可以将雷达信号波形归纳为如图2.4所示的几种。根据雷达体制的不同，可选用相应的信号形式。表2.1示出了常用的几种信号波形的调制方式和工作比r/T。3.信号形式和脉冲波形二、雷达发射机的主要质量指标

3.信号形式和脉冲波形03PARTTHREE雷达发射机的主要部件和各种应用三、雷达发射机的主要部件和各种应用现代雷达已被广泛应用于国防、国民经济、航空航天、太空探测等领域。雷达发射机技术除了应用于雷达外，在导航、电子对抗、遥测、遥控、电离探测、高能加速器、工业微波加热、医疗设备、仪表设备、高能微波武器等方面都得到了广泛应用。在雷达系统中，根据雷达的体制对雷达发射机提出了不同的要求。雷达发射机按产生射频信号的方式，分为单级振荡式发射机和主振放大式发射机；按发射信号形式，分为连续波发射机和脉冲发射机；按发射机产生射频信号所采用的器件，可分为电真空器件发射机和全固态发射机；按用途和应用平台不同，可分为地面雷达发射机、舰载雷达发射机、机载雷达发射机和星载雷达发射机等。1.概述三、雷达发射机的主要部件和各种应用1.射频大功率振荡器和射频放大链单级振荡式发射机采用与要求的输出功率、工作频率相对应的真空三极电子管、四极电子管振荡器或磁控管振荡器。对于主振放大式发射机，其峰值功率在1MW以内，一般采用行波管式速调管放大器，通常可以由一级固态放大器驱动一级电真空放大器组成；高增益的行波管——行波放大链具有较宽的瞬时带宽，可用较少的级数提供高的增益，常用于机载雷达以及轻便式移动雷达；峰值功率大于1MW的行波或速调管发射机和峰值功率在100kW以上的前向波管发射机，则可由一级固态放大器（前级放大器)、一级中功率放大器和一级高功率放大器组成；当需要获得更高的峰值功率和平均功率而采用单个末级微波功率管有困难时，则可采用由多个中、大功率微波管并联合成法获得，其方法有集中合成法和空间合成法两种。2.发射机的主要部件三、雷达发射机的主要部件和各种应用2.调制器、高压电源和冷却系统调制器是雷达发射机的重要组成部分。高峰值功率阴极调制徼波管需要大功率线型调制器或刚性调制器，其线型调制器的高压电源一般采用多相整流的低频（50Hz或400Hz）电源，而发射机的冷却系统一般采用强迫风冷却加液体冷却或者强迫风冷却、液体冷却加蒸发冷却的方式。对于栅极调制（可分为阳极调制、聚焦电极调制以及控制电极调制等）徼波管发射机，通常采用浮动板调制器。由于它的高压电源较高、功率较大，而且电源的稳定度和纹波直接影响输出信号的质量，因此一般采用稳定度较高的高频逆变电源，而冷却系统通常采用强迫风冷却加液体冷却的方式。2.发射机的主要部件三、雷达发射机的主要部件和各种应用1.自激（单级）振荡式发射机早期的常规脉冲雷达对发射机的频率稳定度没有严格要求，一般都选择简单的自激振荡式发射机。图(a）示出了自激振荡式发射机的组成框图。工作频率在VHF至UHF波段，振荡器采用真空三极管、四极管；工作频率在L波段至Ka波段（1~40GHz)，采用多腔磁控管或同轴磁控管振荡器。早期的地面警戒引导雷达、火控雷达以及气象雷达等大多采用自激振荡式发射机。自激振荡式发射机的优点是简单、成本低、比较轻便。它的主要缺点是频率稳定性差(10～103)、难以产生复杂波形、相继高频脉冲之间的相位不相参，因而难以满足脉冲多普勒和脉压缩等现代雷达的要求。3.几种典型的雷达发射机三、雷达发射机的主要部件和各种应用2.高功率速调管发射机图(b)示出了采用高功率速调管发射机的典型组成。对于大型地面固定雷达，如远程预警雷达、精密跟踪雷达，要求发射机的输出功率高、瞬时带宽较窄，脉冲宽度和重复频率变化不大，应首选高功率速调管发射机。这种发射机大都采用高功率阴极调制单注速调管，具有功率大、效率高、寿命长、运行费用低等优点。需要说明一点，高功率速调管放大链需要附加设备〈如聚焦磁场、防护设备等）多，从而使放大链较为笨重，所以较多地应用于窄带工作的地面雷达。3.几种典型的雷达发射机三、雷达发射机的主要部件和各种应用3.用于机载雷达的宽带高增益行波管发射机机载雷达发射机目前大多工作在X波段，也有机载全相参雷达工作在Ku波段的。峰值功率从几千瓦至几十千瓦，平均功率为几百瓦至几千瓦。早期的机载雷达采用磁控管发射机，目前大多数机载雷达都采用宽带高增益行波管发射机，其典型组成框图如图(c)所示。它的主要优点是增益高、瞬时带宽较宽、体积小、质量轻、成本较低。3.几种典型的雷达发射机三、雷达发射机的主要部件和各种应用4.宽带大功率行波管-前向波管发射机对于宽频带大功率发射机，一般采用行波管放大器推动前向波管放大的多级放大链。图(d)出了宽带大功率行波管——前向波管发射机组成框图。这种发射机的特点是行波管具有宽带、高增益，前向波管具有高功率和高效率。这是一种比较优选的放大链组合，主要应用于可移动式车载测控雷达和机载预警雷达。3.几种典型的雷达发射机04PARTFOUR真空微波管雷达发射机四、真空微波管雷达发射机在脉冲雷达中，用于发射机的真空微波管按工作原理可以分为三种：真空微波三极管、四极管；线性电子注微波管（又称线性注管或О型等)；正交场微波管（又称M型管)。真空微波三极管、四极管的工作原理是基于栅极的静电控制，但在结构上做了较大改进，减小了电子渡越效应、引线电感和极间电容的影响。目前，微波三极管、四极管的最高工作频率可达2GHEz，但在发射机中作为功放级，大都在1GHz以下。О型管和M型管都属于动态控制的微波管，它们包括电子枪(或阴极)、相互作用区（谐振腔或慢波系统）和收集极三部分。О型管主要有行波管（螺旋线行波管、耦合腔行波管等)、速调管及行波速调管三种。M型管主要分为谐振型和非谐振型两类：谐振型中最具有代表性的管种就是常规雷达中用得最多的磁控管；非谐振型主要有前向波管、返波管等。1.概述四、真空微波管雷达发射机根据发射机的不同用途和真空微波管的性能特点，择优选用所需的真空微波管，以满足雷达系统对发射机各项技术指标的要求，可以考虑从以下几个方面选择真空徼波管。1.单级振荡式发射机磁控管振荡器在早期雷达中使用已久，应用广泛。它的突出优点是工作电压较低、效率高、体积质量小和价格低。因此，只要能满足雷达系统的要求，磁控管仍是优选的微波管。但是，磁控管发射机存在着频率稳定性差、射频脉冲间不具相位相参性以及不适应产生复杂波形的要求，使它在现代雷达的应用中受到限制。2.地面固定雷达发射机对于地面固定雷达，如远程搜索警戒雷达或精度测控雷达，要求发射机输出功率高、脉冲宽度和重复频率变化不大、瞬时带宽较窄。应首选阴极调制的高功率、高增益的单注速调管，它具有功率大、效率高、易冷却、电路较简单、寿命长和运行费用低等优点。2.真空微波管的选择四、真空微波管雷达发射机3.机载侦察及火控雷达机载侦察及火控雷达是一种多功能雷达，具有多种工作模式，因而要求发射机的脉冲宽度和重复频率变化范围大、瞬时频带宽、工作效率高、可靠性好，而且体积小、质量轻。应首选具有降压收集极的栅控调制、高增益行波管。4.机载预警雷达发射机机载预警雷达要求发射机的输出功率大、瞬时频带宽、脉冲宽度和重复频率变化范围大、效率高、可靠性好、体积小而且质量轻，可采用栅极调制的耦合腔行波管，也可以选用控制极调制或阴极调制的多注速调管。近年来，直流运行的前向波管也受到越来越多的重视。2.真空微波管的选择四、真空微波管雷达发射机5

.舰载雷达发射机舰载雷达发射机的性能指标和基本组成与地面雷达发射机类似，早期采用单级振荡式磁控管发射机。近年来也开始使用主振放大式发射机。当要求窄带工作时，一般来说前级采用固态放大器，中间级采用行波管来推动末级大功率速调管﹔当要求宽带工作时，采用前级固态放大器推动末级大功率前向波管放大器。6.星载雷达发射机星载雷达主要用来进行地形测绘成像，也用于开发自然资源等方面。要求发射机寿命长、效率高、体积小、质量轻和可靠性高。应首选高效率、长寿命的行波管放大器，有时也采用永磁速调管放大器，也可选用由微波集成电器和微型行波管集成的微波功率模块(MPM)。目前越来越多的星载雷达发射机采用全固体徼波晶体管放大器。2.真空微波管的选择四、真空微波管雷达发射机7.低频大功率超视距雷达发射机超视距雷达发射机要求输出功率大、相对频带宽、脉冲宽度宽、重复频率低或连续波工作方式。可以首选具有连续波工作能力的栅控管或固态微波功率放大器。8.高功率毫米波小目标测试、目标识别和成像雷达由于要求发射机输出功率高、工作频带宽、多种信号形式，因而可首选毫米波回旋管放大器，当要求功率较小时也可以选用毫米波行波管。表2.3列出了各种用途雷达发射机、导航信标及电子对抗发射机中常用的微波功率器件。2.真空微波管的选择四、真空微波管雷达发射机1.行波管在雷达发射机中，行波管是一种应用范围最广和工作频率范围最宽的微波放大器件。行波管的结构包括电子枪(或阴极)、相互作用区（慢波结构）和收集极三部分。小功率和中功率行波管通常作为前级激励放大器去推动大功率多腔速调管或M型微波放大管。在机载雷达发射机中，普遍采用宽频带、大功率栅控行波管作为末级放大器。根据行波管慢波结构的不同，可分为螺旋线行波管〈含环圈、环杆行波管）和耦合腔行波管等几种。按功能要求，可分为宽带行波管、大功率行波管以及双模行波管等。在雷达发射机中，主要使用中、大功率的耦合腔行波管、双模行波管以及用于微波功率模块的微型行波管等。图2.14示出了螺旋线行波管和耦合腔行波管的内部结构。3.线性注管(О型管)四、真空微波管雷达发射机3.线性注管(О型管)四、真空微波管雷达发射机2.速调管速调管的工作原理和性能与行波管类似，同属于线性电子注真空微波功率管。不同之处是速调管依靠腔体之间隙处的外加射频场对电子注中的电子进行速度调制而实现能量交换。在雷达发射机中，主要采用单注多腔速调管、多注速调管和行波速调管三类。图2.15示出了单注多腔速调管的结构示意图。3.线性注管(О型管)四、真空微波管雷达发射机多注速调管的电子枪多为带控制电极的电子枪，电子注数目可多达6~36个，它的相互作用结构由输入腔、谐振腔、漂移腔和输出腔组成，该相互作用结构为多个电子注共用，其结构比较复杂。图2.16给出了多注速调管的内部结构示意图。多注速调管的工作电压较低，可以方便地采用控制电极调制和永磁聚焦。它具有瞬时频带宽、效率高、体积小、质量轻等优点，是高机动雷达的优选微波管之一。3.线性注管(О型管)四、真空微波管雷达发射机3.行波速调管行波速调管由输出腔、相互作用电路和输出腔三部分组成。它采用速调管的输入部分和行波管的输出部分，因而兼有两者的优点，其频带比速调管宽，但不及行波管。行波速调管的效率较高，很适合用于功率大、瞬时频带宽的场合。一个典型的应用实例是S波段主振放大式发射机：峰值功率3.5MW，平均功率为6.2kW，瞬时带宽为200MHz。3.线性注管(О型管)四、真空微波管雷达发射机4.正交场微波管(M型管)1.磁控管磁控管主要有普遍磁控管（多腔磁控管）和同轴磁控管两种。图2.17示出了两种常用磁控管的结构示意图，其中图2.17(a）为普通磁控管结构，图2.17(b)为同轴磁控管结构。磁控管振荡器在早期雷达中已经广泛使用，它的突出优点是工作电压低、效率高、体积小、质量轻、成本低。但是，磁控管存在频率稳定度差、射频脉冲间没有相参性、不能产生多种信号波形等缺点，从而限制了其在现代雷达发射机中的应用。四、真空微波管雷达发射机2.前向波管在现代雷达中，常用的前向波管有两种结构：一种是阴极调制结构；另一种是直流运用结构。在目前的雷达发射机中应用更多的是直流运用结构的前向波管，图2.18示出了其结构示意图。4.正交场微波管(M型管)四、真空微波管雷达发射机4.正交场微波管(M型管)直流运用结构的前向波管采用冷阴极工作方式，通过控制电极进行脉冲调制。它的控制极是将阴极分离一部分而构成的，控制极相对于阴极是绝缘的，见图2.18。这种行波管在工作时直流电压一直加在阴极。输入的射频激励脉冲通过冷阴极二次发射效应使管子启动并放大射频信号。当射频输入结束时，需要在控制极上加一个相对阴极为正的熄灭脉冲以收集通过漂移区的电子，从而使管子终止工作。此外，加熄灭脉冲还可以防止在射频激励脉冲结束后产生寄生振荡。采用控制极进行调制可以省去体积庞大的阴极调制器，而且适用于复杂调制信号的雷达发射机。四、真空微波管雷达发射机直流运用前向波管是现代雷达发射机的优选微波功率器件，它具有如下优点：（1）采用冷阴极工作方式，提高了抑制寄生振荡的能力，并延长了使用寿命。（2）可以输出较大的射频功率，输出的波形很好，不会产生上升和下降过程的噪声。（3）效率高、瞬时频带宽、适用于脉冲压缩、相位编码体制的雷达发射机。（4）采用控制极调制，电路简单，仅需要一个稳定性好的高压电源和一个小功率脉冲调制器。体积小、质量轻，适用于机动性强的场合。（5）断开前向波管电压或者适当降低高压电源，可以实现快速改变射频输出功率，从而实现功率的程控输出。4.正交场微波管(M型管)05固态雷达发射机PARTFIVE五、固态雷达发射机随着新型砷化镣场效应晶体管(GaAsFET)工作频率的不断扩展（最高工作频率可达30~100GHz)和输出功率的不断提高(C波段单管输出功率已达50W，X波段为20W)，已经在C波段、X波段采用GaAsFET做成微波功率放大器组件，从而使C波段、X波段甚至毫米波段的全固态雷达发射机从研制水平开始进入试用阶段。随着微波功率器件制造水平的不断提高和固态雷达发射技术的不断进步和完善，必将会有越来越多的固态雷达发射机替换原有的电子管雷达发射机。固态发射机由多个功率放大器组件直接合成，或者在空间合成得到需要的输出功率。所使用的功率放大组件从几十个、几百个到成千上万个。即使有个别功率放大组件失效，对整机的输出功率也没有太大影响，因此使发射机具有故障弱化特性。固态发射机特别适用于高工作比和宽脉冲的工作方式，它具有工作电压低、可靠性高、维护性好、故障率很低和机动性好等优点。固态发射机现已广泛应用在地面、车载、舰载、机载和星载等雷达领域，在电子对抗和通信领域也得到广泛应用。1.概述五、固态雷达发射机

2.微波晶体管及其发展概况五、固态雷达发射机2.砷化镣场效应晶体管（GaAsFET)目前，砷化镣场效应晶体管是金属半导体场效应晶体管〈MESFET)中应用最广的固态微波器件，其工作频率可高达30GHz。在过去20多年中，GaAsMESFET(通常简称GaAsFET)在微波低噪声放大器、中小功率放大器和单片集成电路中占据了支配地位，它的主要优点如下:（1）是一种电压控制器件，由栅极上的电压来控制多数载流子的流动。（2）具有电流增益，同时还具有电压增益。（3）具有低噪声和高效率性能。（4）器件可工作在很高的频率，可高达30GHz。（5）与双极型晶体管相比，抗辐射性能强。2.微波晶体管及其发展概况五、固态雷达发射机固态发射机通常分为两种类型：一种是集中合成式全固态发射机；另一种是分布式空间合成有源相控阵雷达发射机。全固态雷达发射机的典型组成框图如图2.13所示。3.固态发射机的分类和特点五、固态雷达发射机图2.26示出了固态雷达发射机输出功率合成方式。图2.26(a)示出了固态雷达发射机集中合成输出结构，它可以单独用于中小功率的雷达发射机，将多个这种集中合成输出结构作为基本单元再次进行集中合成或空间合成，可以构成超大功率的全固态雷达发射机。图2.26(b)为空间合成输出结构，主要用于全固态有源相控阵雷达。这种空间合成输出结构也可以作为全固态相控雷达的子阵，将多个子阵按设计要求组合，即可构成超大功率的全固态有源相控阵雷达发射机。固态雷达发射机中的微波功率放大模块(组件)是最重要的核心部件，设计和制造高性价比的功率模块，对全固态雷达发射机的性能和成本起着十分关键的作用。3.固态发射机的分类和特点五、固态雷达发射机全固态雷达发射机与真空微波管发射机（如速调管、行波管和正交场管发射机等）相比，具有以下优点:（1）不需要阴极加热，寿命长。发射机不消耗阴极加热功率，也没有预热延时，使用寿命几乎是无限的。（2）固态微波功率模块工作电压低，一般不超过50V。不需要体积庞大的高压电源（一般真空微波管发射机要求几千伏，甚至几万伏、几百万伏的高压〉和防护射线等附加设备，因此体积较小、质量较轻。（3）固态发射机模块均工作在C类放大器工作状态，不需要大功率、高电压脉冲调制器，从而进一步减小了体积和质量。3.固态发射机的分类和特点五、固态雷达发射机（4）固态发射机可以达到比真空微波管发射机宽得多的瞬时带宽。对于高功率真空管发射机，瞬时带宽很难超过10%~20%，而固态发射机的瞬时带宽可高达30%~50%。（5）固态发射机很适合高工作比、宽脉冲工作方式，效率较高，一般可达20%。而高功率、窄脉冲调制、低工作比的真空管发射机的效率仅为10%左右。（6）固态发射机具有很高的可靠性。一方面是固态微波功率模块具有很高的可靠性，目前平均无故障间隔时间(MTBF）可达100000~200000h；另一方面，固态发射模块已做成统一的标准件，当组合应用时便于设置备份件，可做到现场在线维修。（7）系统设计和应用灵活。一种设计良好的固态收发（T/R〉模块可以满足多种雷达使用。固态发射机应用在相控阵雷达中具有更大的灵活性，相控阵雷达可根据相控阵天线阵面尺寸和输出功率来确定模块的数目，可以通过关断或降低某些TR模块的输出功率来实现有源相控阵发射波瓣的加权，以降低天线波束副瓣。3.固态发射机的分类和特点五、固态雷达发射机1.L波段高可靠性全固态发射机图2.27示出了一个L波段高可靠性全固态发射机的应用实例。这个固态发射机的输出峰值功率为8kW，平均功率为1.25kW。