07 - 雷达发射机的主要质量指标

根据雷达系统的要求，结合现代雷达发射机的技术发展水平，需

1. 工作频率和瞬时带宽

2. 输出功率

3. 信号形式和脉冲波形

3.1 信号形式

3.2 脉冲波形

4. 信号的稳定度和频谱纯度

5. 发射机的效率

要对雷达发射机提出一些具体的技术要求，也就是说必须对发射机规定一些主要的质量指标。这些质量指标基本上可以确定发射机的类型以及相关组成。

1. 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)；要考虑雷达的测试精度、分辨率；要考虑雷达的应用环境(地面、机载、舰载或太空应用等）因素；还要考虑目前和近期微波功率管的技术水平。

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UHF、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。

随着微波硅双极晶体管的迅速发展，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。近年来，随着砷化镓场效应晶体管放大器技术的进步，与成熟的有源相控阵技术相结合，使C波段和X波段的全固态有源相控阵发射机已从研究阶段逐步走向实用。

雷达发射机的瞬时带宽是指输出功率变化小于1dB的工作频率范围。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、多注速调管和砷化镓场效应管。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。

2. 输出功率

雷达发射机的输出功率直接影响雷达的威力范围和抗干扰能力。通常规定发射机送至馈线系统的功率为发射机输出功率。有时为了测量方便，也可以规定在保证馈线上一定电压驻波比的条件下送到测试负载上的功率为发射机输出功率。

雷达发射机输出功率可分为峰值功率 $P_{t}$ 和平均功率 $P_{av}$ 。 $P_{t}$ 是指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。 $P_{av}$ 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 $\tau$ ，脉冲重复周期为 $T_{r}$ ，则有

$P_{av}=P_{t}\frac{\tau }{T_{r }}=P_{t}f_{v}$

式中， $f_{r}=1/T_{r}$ 是脉冲重复频率， $\tau /T_{r}=\tau f_{r}$ 称为雷达的工作比。

3. 信号形式和脉冲波形

3.1 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列出了常用的几种信号波形的调制方式和工作比 $\tau /T_{r}$ 。

图2.5示出了目前应用较多的三种典型雷达信号形式和调制波形。图2.5（a）表示简单的固定载频矩形脉冲调制波形，其中， $\tau$ 为脉冲宽度， $T_{\tau }$ 为脉冲重复周期；图2.5（b）是脉冲压缩雷达中所用的线性调频信号；图2.5（c）示出了相位编码脉冲压缩雷达中使用的相位编码信号（图中所示为5位巴克码信号)，这里 $\tau _{0}$ 表示子脉冲宽度。

3.2 脉冲波形

在脉冲雷达中，脉冲波形既有简单等周期矩形脉冲串，也有复杂编码脉冲串。理想矩形脉冲的参数主要为脉冲幅度和脉冲宽度。然而，实际的发射信号一般都不是矩形脉冲，而是具有上升边和下降边的脉冲，而且还有顶部波动和顶部倾斜。

图2.6示出了发射信号的检波波形示意图，图中脉冲宽度 $\tau$ 为脉冲上升边幅度的0.9A处至下降边幅度0.9A处之间的脉冲持续时间；脉冲上升边宽度 $\tau _{f}$ 为脉冲上升边幅度0.1A～0.9A处之间的持续时间；脉冲下降边宽度 $\tau _{f}$ ，为脉冲下降边0.9A~0.1A处之间的持续时间；顶部波动为顶部振铃波形的幅度 $\Delta u$ 与脉冲幅度A之比；脉冲顶部倾斜为顶部倾斜幅度与脉冲幅度A之比。上述发射信号检波波形的参数是表示雷达发射信号的基本参数。

4. 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，即信号的振幅、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。

雷达发射信号 $s(t)$ 可用下式表示：

式中， $E_{0}$ 是等幅射频信号的振幅； $\varepsilon (t)$ 为叠加在 $E_{0}$ 上的不稳定量； $f_{c}$ 为射频载波频率； $\varphi _{0}$ 为信号的初相； $\Delta t_{0}$ 为脉冲信号起始事件的不稳定量； $\Delta \tau$ 为脉冲信号宽度的不稳定量。

信号的瞬时频率 $f$ 可表示为：

式中， $\varphi (t)$ 为相位的不稳定量； $\varphi\dot{} (t)$ 为频率的不稳定量。

信号的上述不稳定量可以分为确定的不稳定量和随机的不稳定量。确定的不稳定量是由电源的波纹、脉冲调制波形的顶部波形和外界有规律的机械振动等因素产生的，通常随时间周期性变化；随机性的不稳定量则是由发射管的噪声、调制脉冲的随机起伏等原因造成的。对于这些随机变化必须用统计的方法进行分析。信号的稳定度可以从时间上度量，也可在在频域用傅里叶分析法来度量，两者是等价的。

5. 发射机的效率

发射机的效率通常是指发射机输出射频功率与输入供电（交流市电）或发电机的输入功率（包含冷却耗电)之比。连续波雷达的发射机效率较高，一般为20%~30%。高峰值功率、低工作比的脉冲雷达发射机效率较低。速调管、行波管的发射机效率较低；磁控管单级振荡式发射机、前向波管发射机效率相对较高;分布式全固态发射机效率也比较高。

需要指出，由于雷达发射机在雷达系统中成本最昂贵、耗电最多，因此提高发射机，尤其是单级振荡器或末级功率放大器的效率，对于节省能耗和降低运行费用都有重要意义。

除了上述对发射机的主要电性能要求之外，还有结构上、使用上及其他方面的要求。在结构上，应考虑发射机的体积重量、通风散热、防震防潮及调整调谐等问题;在使用上，应考虑控制监视、便于检查维修、安全保护和稳定可靠等因素。