雷达发射机

1梗概
- 1.1 载波调制
- 1.2 射频信号
2 发射机分类
- 2.1 单极振荡式
- 2.2主振放大式
- - 2.2.1 基本组成
  - 2.2.2 主振放大式发射机的特点
- 2.3 脉冲调制器
- - 2.3.1刚性脉冲调制器
  - - 2.3.1.1 阴极脉冲调制器的典型电路分析
    - 2.3.1.2 调制阳极脉冲调制器的典型电路分析
  - 2.3.2软性脉冲调制器
3.发射机的主要性能指标
4.参考资料

1梗概

雷达是利用物体反射电磁波的特性来发现目标并确定目标的参数的，因此，雷达发射机的主要任务是提供特定要求（载波调制）的大功率射频发射信号，然后通过天线将信号辐射出去。

1.1 载波调制

关于载波的调制可分为三种类型：振幅调制、频率调制和相位调制。通常按振幅调制方法将雷达发射机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。

1.2 射频信号

雷达信号根据其频率由高至低的顺序可分为射频信号、中频信号和视频信号三类。雷达通常辐射出射频信号，然后在接收端接收返回的射频回波信号，接收到的回波信号，与本振信号经过混频器混频（下变频）得到中频信号，再对中频信号进行包络检波得到视频信号。回波信号与发射信号是同频的信号，都是射频信号（高频），只是回波信号比发射信号多了一个时延trt_rtr。示意图如下：

下面主要从分类和主要质量指标两个方面介绍雷达发射机，思维导图如下：

2 发射机分类

脉冲调制发射机产生辐射所需强度的脉冲功率，其波形为脉冲宽度为τ\tauτ，重复周期为TrT_rTr的高频脉冲串（如上图的发射脉冲）。此时，发射机主要有单极振荡式和主振放大式两类。单极振荡式发射机在脉冲调制器的控制下产生的高频脉冲功率直接送到天线；而主振放大式是由高稳定度的频率源（固体微波源）作为频率基准，先产生小功率连续波信号，然后再分多级调制放大而获得大的功率发送给天线。

2.1 单极振荡式

单极振荡式发射机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。

定时器：产生脉冲周期为TrT_rTr的定时信号，然后对定时信号进行预调制，产生脉宽为τ\tauτ的类矩形波信号，但此时信号的顶峰并不是很平整
脉冲调制器：在输入脉冲的控制下产生负极性的特高压矩形调制脉冲，在此用作信号的包络信号。
大功率射频振荡器：在矩形脉冲的产生时间内产生一定频率的振荡信号，每个前沿的初始相位都会受到随机噪声的影响，因此相位是随机的。

因为脉冲调制器直接控制振荡器的工作，每个射频脉冲的起始射频相位是由振荡器的噪声决定的，相继脉冲的射频相位是随机的，不能根据一个周期内的确定时刻，确定下一周期内相同位置的幅度信息，这样的信号相位是不相参的。

单机振荡器的优点是简单、轻便但相对的它的稳定度较低难以形成复杂的波形，频率精度不高（因为单极振荡式直接由大功率振荡器决定，由于振荡管温漂、预热漂移以及校准误差等原因，很难稳定频率），可以用来测距（因为测距与脉冲重复周期有关，精度低并不影响脉冲重复周期），但测速效果就不太好了（测速涉及到多普勒频率，单极振荡式受噪声干扰对频率的测量精度低）。

2.2主振放大式

2.2.1 基本组成

主振放大式发射机的特点是由多级组成，主要包括主控振荡器和射频放大链两部分。

主控振荡器：用来产生射频信号。其中用固体微波源代表主控振荡器的作用：为了保证频率的稳定性，先在低频产生稳定的连续波振荡，然后在经过多级倍频器升高到微波波段。如果需要对发射信号进行调制，还可以将它与已经调制好的中频信号进行上混频合成。由于上述操作都是由固体期间完成的，所以用固体微波源代称.
射频放大链：射频放大链由多级射频功率放大器级联组成，将功率逐级放大。

对于脉冲雷达而言，各级功率放大器和固体微波源都要受到脉冲调制器的控制，并由定时器协助工作。可以发现脉冲调制器在主振放大式和单级振荡式发射机中都起着重要的作用。

2.2.2 主振放大式发射机的特点

具有较高的频率稳定度
在主振放大式发射机中，载频的精度和稳定度由低电平决定，能够采用恒温、文雅和锁相稳频等措施得到较高的频率稳定度。
发射机相位相参信号
要求发射相位相参信号的雷达系统（如脉冲多普勒雷达），必须使用主振放大式发射机。相位相参指的是两个信号的相位之间存在确定的关系。在主振放大式发射机中，主控振荡器提供的是连续波信号，射频信号的形成是通过脉冲调制器控制射频功率放大器达到的。因此相机射频脉冲之间有固定的相位关系，所以主振放大式发射机相位相参。
如果雷达系统的发射信号、本振信号、相参振荡电压和定时器的触发脉冲均有同一基准信号提供，那么这些信号之间均具有相位相参特性，该系统被称之为全相参系统。如下图，发射机的发射信号f0f_0f0、稳定本振电压fLf_LfL、相参振荡电压fcf_cfc和定时器触发脉冲frf_rfr均是由基准信号FFF产生的，他们之间具有相位相参性。
适用于雷达捷变信号
此外，由上图可以发现最终发射给天线的信号频率是随着NiN_iNi变化的。这样设计是为了进一步防止射频信号被地方破解，相继脉冲之间频率不同能够增强信号的抗干扰能力，我们称这种信号频率变化输出的情况为频率捷变。同时为了使接收机能正确接受回波信号，本振电压的频率fLf_LfL与发射信号的载频f0f_0f0同步变化。这样就能在接收机将接收回波fRf_RfR与本振信号fLf_LfL进行下混频得到相参信号的频率fcf_cfc（如上图左下角）。频率捷变信号如下：
能产生复杂波形
主振放大式发射机是用于要求复杂波形的雷达系统，单级振荡式发射机要实现复杂调制比较困难。

2.3 脉冲调制器

雷达发射机广泛采用脉冲调制的方式，而不论是主振放大式还是单级振荡式发射机都以脉冲调制器为主要元件。脉冲调制器的主要任务就是给发射机的射频各级提供合适的视频调制脉冲（在输入脉冲的控制下产生负极性的特高压矩形调制脉冲），也就是如下图产生合适的矩形调制脉冲。
脉冲调制器主要由电源部分、能量储存部分和脉冲形成部分三部分组成。

电源部分：提供符合条件的电源形式
能量储存部分：脉冲调制器只在短时间内提供能量，大部分时间不工作，为了有效利用电源功率，采用储能元件在脉冲调制器的休息时间将电源能量储存起来，等到脉冲期间再将能量释放。常用的储能元件有电容器或人工长线。
脉冲形成部分：脉冲形成部分是利用一个开关，控制储能元件对射频发生器（负载）放电，以提供满足要求的射频脉冲。常用的开关根据其特性可分为刚性开关和软性开关。刚性开关的通断由栅极电压控制，通断利索，输出脉冲的前后沿与调制开关相同，只能使储能元件部分放电。软性开关：只能控制导通，不能控制他的断开，只有当开关的电流下降到一定数值以下时才能断开。软性开关可以使储能元件完全放电。常见的刚性开关：电子管，软性开关：闸流管。

所以根据开关的不同可以将脉冲调制器分为两种：一种是刚性开关脉冲调制器，另一种是软性开关脉冲调制器。
当调制开关断开的时候，电源给储能元件充电；当调制开关闭合的时候储能元件放电，对输入的调制脉冲进行整形，最终在脉冲变压器的两端输出最终的脉冲串，然后再传送给射频发生器进行后续的脉冲发射。

2.3.1刚性脉冲调制器

刚性脉冲调制器本质上是一个视频脉冲放大器，在大功率下应用保证射频发生器拥有良好波形。

根据负载不同刚性脉冲调制器可以分为阴极脉冲调制器、调制阳极脉冲调制器和栅极脉冲调制器。

2.3.1.1 阴极脉冲调制器的典型电路分析

典型电路图如下：

根据上面的电路图我们可以分析，5号元件作为调制器负载的磁控管，输出调制好的射频信号，4和3是脉冲变压器的同名端，这里的脉冲变压器不仅起到放大的作用，与普通变压器相比，他对脉冲的快变化起作用，慢变化则保持不变。2号电容在这里作为储能元件使用，1则是刚性开关，负责调制脉冲的输入。
根据上面的分析我们可以大概画出5个元件实时的波形变化。

元件1接收的是顶部形状不规则的触发脉冲
在触发脉冲未到来时，刚性开关断开，电路为简单的RC充电电路，电容C也就是元件2充电。当调制脉冲到来时，电容C放电，却因为刚性开关的原因未完全放电。调制脉冲下降沿到来时，再次充电到最高点，如此周而复始。
当开关断开的时候元件3处的电压与元件2两端的电压相同，当脉冲上升沿到来时，开关闭合，元件3的位置直接接地，电压为0.
元件4与元件3为变压器的同名端，对于元件3的电压有放大作用且脉冲变压器只对快变化敏感。因此元件4的电压波形在脉冲未到达的时候是常数，在下降沿和上升沿处剧烈变化。
元件4处理完毕之后，我们已经得到了一个反向的矩形波，这已经是我们想得到的理想波形了。在经过射频发生器后，波形5输出射频脉冲。

具体波形变化如下：

2.3.1.2 调制阳极脉冲调制器的典型电路分析

典型电路如下，其中V1V_1V1是接通管，他的阳极接地，阴极接在浮动板上；V2V_2V2是截尾管，他的阴极接在电源的负端，样机通过偏压电源与浮动板相接。在调制器工作时，浮动板的电位会随着调制脉冲浮动。

线路的工作原理是：

List item

2.3.2软性脉冲调制器

前面已经说过软性开关脉冲调制器在控制其导通后只有通过开关的电流下降到接近于零以后才能的断开，因此储能元件是完全放电的状态。为了获得接近于矩形的脉冲，储能元件在此用的是人工长线，称为PFN，其中有多少个电容（电感）便是多少级的人工长线，级数记为n。由于软性脉冲调制器的器件原因，人工长线形成的脉冲顶部有肩峰和抖动，抖动的波形数目与人工长线的级数有关。

为了提高充电效率，在软性脉冲调制器中采用电感LchL_{ch}Lch作为充电元件，LchL_{ch}Lch远大于L1L_1L1。典型电路如下：

为了方便分析其中的脉冲重复周期等参数，将二极管VD1V_{D1}VD1、过电压保护电路、反肩峰电路等省略，并因为LchL_{ch}Lch远大于L1L_1L1，省略L1L_1L1，简化电路如图3-3，其中C0=nC1C_0=nC_1C0=nC1是n个C1C_1C1的并联电容，输入电压为阶跃电压umu_mum。将电路在S域进行分析可知：
u(s)=umsu(s) = \frac {u_m}s u(s)=sum
I(s)=u(s)sLch+1sC0I(s) = \frac {u(s)}{sL_{ch}+\frac1{sC_0}}I(s)=sLch+sC01u(s)
将电流转为时域表示然后再根据电流与电压之间的积分关系求出电压，推导过程如图：

所以我们知道，在充电的过程中人工长线两端的电压大概为余弦信号的形式，因为人工长线是储能元件，所以我们更希望它能在自身电压最高的时候放电，这样才能有更大的能量产生脉冲信号，所以在电压最高点时我们希望它的电压保持平稳不再下降，因此在软性脉冲调制器的线路中LchL_{ch}Lch的旁边接了一个二极管VD1V_{D1}VD1，利用他的单向导电性，使得电压维持在最高点。这个时候，人工长线的电压是电源电压的两倍——2umu_mum。
根据上图的推导我们也知道整个充电回路的自然谐振周期Tch=2πLchC0T_{ch}=2\pi \sqrt{L_{ch}C_0}Tch=2πLchC0。因为我们在电压最高值时（此时为周期的一半）放电，当调制脉冲进来时开关闭合开始放电，，所以在上图电压值为2um2u_m2um时调制脉冲进来是最合适的，所以脉冲重复周期为自然谐振周期的一半Tr=πLchC0T_r=\pi \sqrt{L_{ch}C_0}Tr=πLchC0。脉冲宽度为τ=nπL1C1\tau = n\pi \sqrt {{L_1}{C_1}}τ=nπL1C1，n为人工长线的级数。
除此之外，因为在电路右下方变压器的存在，人工长线与负载还要进行匹配。我们知道变压器两端匝数比的平方要等于阻抗比，这就是变压器的匹配原理，因此在典型电路中要满足以下等式：
(n1n2)2=ZiRL\left( \frac {n_1}{n_2} \right)^2 = \frac {Z_i}{R_L}(n2n1)2=RLZi
其中，Zi=L1C1Z_i=\sqrt {{L_1}{C_1}}Zi=L1C1表示人工长线的阻抗，RLR_LRL表示负载电阻，n1n_1n1，n2n_2n2表示变压器的两端匝数比。

上图中的VD1V_{D1}VD1和R1R_1R1为过电压保护电路，防止人工长线上出现过高的电压而损坏闸流圈（典型的软性开关），一旦人工长线上出现负极性电压，就可以通过VD1V_{D1}VD1放掉。R2C2R_2C_2R2C2为反肩峰电路，因为变压器右侧的磁控管是一个非线性电阻，并不是所有条件下都能与人工长线匹配，不匹配的放电就会在脉冲前沿引起肩峰，R2C2R_2C_2R2C2电路可以减小这种肩峰。

3.发射机的主要性能指标

工作频率
频率与器件有关。
频率与功率有关，频率越高功率越低。
输出频率
平均功率PavP_{av}Pav：脉冲重复周期TrT_rTr内输出功率的平均值。
峰值功率PtP_tPt：脉冲期间τ\tauτ射频振荡内的平均功率。
它们之间的关系为：
Pav=Pt∗τTr=PtτfrP_{av}=P_t*\frac \tau T_r=P_t \tau f_rPav=Pt∗Tτr=Ptτfr
其中，fr=1/Trf_r=1/T_rfr=1/Tr是脉冲重复周期。τ/Tr=τfr\tau / T_r=\tau f_rτ/Tr=τfr称为雷达的工作比D。
总效率
发射机输出功率与它的输入总功率之比。
η=PavPs\eta = \frac {P_{av} }P_sη=PPavs
信号形式
根据雷达用途的不同，可选用各种各样的信号形式，常见的信号形式有：

雷达信号形式的不同对发射机射频部分和调制器的要求也不同。下图中展示了目前应用较多的三种雷达信号形式和调制器波形。图(a)为简单的固定载频矩形脉冲调制信号波形。线性调制是指，信号频率在每一个周期内都满足f(t)=f0+utf(t)=f_0+utf(t)=f0+ut，0≤t≤τ0\leq t \leq \tau0≤t≤τ，多应用于脉冲压缩雷达中，图(b)为线性调频信号的波形。图©则给出了在相位编码脉冲压缩雷达中使用的相位编码信号，当信号为"+“值时，波形从0相位开始波动，当信号为”-"值时，波形信号初始相位为π\piπ，τ0\tau_0τ0为子脉冲宽度。
信号稳定度或频谱纯度
信号的稳定度是指信号的各项参数，例如信号的振幅、频率（或相位）、脉冲宽度及脉冲重复频率等是否随时间作不应有的变化。
在时间域，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、定时方差及脉冲宽度方差等。
在频域中，信号稳定度又称为信号的频谱纯度，是指雷达信号在应有的信号频谱之外的寄生输出。
典型矩形调幅的射频脉冲，它的理想频谱是以载频为中心的、包络呈辛克函数状的、间隔为脉冲重复频率的梳齿状频谱。如下图(矩形射频脉冲列的理想频谱)所示。

4.参考资料

https://www.cnblogs.com/jgg54335/p/14601379.html

雷达原理2——雷达发射机(更新中)相关推荐

【雷达原理】雷达功能及原理概述
本篇博客简单介绍单基地雷达的功能.结构及工作原理(流程.测距.测速) 一.雷达功能 1.雷达的含义 Radar(Radio Detection and ranging),意为"无线电探测和测 ...
pg/og内核原理-词法语法解析(更新中)
目录概念与含义流程概览词法语法代码 parsenode.h kwlist.h scan.l gram.y bison的使用查看状态机解决规约冲突 plpgsql的词法与语法概念与含义一条 ...
雷达原理-雷达发射机
本篇博文是看完西安电子科技大学的魏青老师的课程所做的学习笔记,特此记录. 文章目录雷达发射机的任务和基本组成雷达发射机的主要质量指标脉冲调制器雷达发射机的任务和基本组成雷达发射机的任务任务 ...
雷达原理-固态发射机
在固态发射机组件中常用的微波功率晶体管分为两大类:一类为硅微波双极晶体,一类是场效应晶体管. 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 ...
雷达原理-目标距离的测量
本篇博文是看完西安电子科技大学的魏青老师的课程所做的学习笔记,特此记录. 文章目录脉冲法测距调频法测距距离跟踪原理脉冲法测距基本原理两种定义回波到达时间tR的方法:一种是以目标脉冲的前沿作 ...
雷达原理第五版微盘pdf下载_雷达原理(第5版电子信息类精品教材)
基本信息商品名称:雷达原理(第5版电子信息类精品教材) 作者:丁鹭飞//耿富录//陈建春定价:69.8 出版社:电子工业 ISBN号:9787121226236 其他参考信息(以实物为准)出版时间: ...
国防科技大学计算机考纲,国防科技大学2022年硕士研究生考试大纲－F1007雷达原理...
2022年研究生入学考试自命题科目考试大纲科目代码:F1007 科目名称:雷达原理一.复习资料 <雷达原理>(第5版),丁鹭飞.耿富录.陈建春编著,电子工业出版社,2014年4月. ...
【雷达书籍推荐】第2期雷达原理
今天介绍的是,丁鹭飞老师的<雷达原理>(第5版)一书. 本书分为雷达主要分机及测量方法两大部分.前者包括雷达发射机.雷达接收机及雷达终端,书中阐述了它们的组成.工作原理和质量指标:后者包括 ...
毫米波雷达在无人机避障系统中的应用
电子科技大学格拉斯哥学院 2017级郝逸嘉摘要:近年来,无人机技术得到了快速的发展和广泛的应用,预计在未来将被应用到更多的领域.尽管日趋成熟,目前无人机技术在实际应用中仍然存在着很多安全问题,同 ...

雷达原理2——雷达发射机(更新中)