06 - 雷达发射机概述

1. 雷达发射机的任务和功能

2. 单级振荡发射机和主振放大式发射机

2.1 单级振荡式发射机

2.2 主振放大式发射机

3. 现代雷达对发射机的主要要求

3.1 发射相位全相参信号

3.2 具有很高的频率稳定度

3.3 能产生复杂信号波形

3.4 适用宽带频率捷变雷达

3.5 全固态有源相控阵发射机

1. 雷达发射机的任务和功能

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率发射信号，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UHF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，特别是频率稳定度低，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磁控管发射机。

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年代末期问世的采用大功率速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。

从20世纪60年代开始，经过10多年的努力，到20世纪70年代中后期，已经有多种全固态雷达发射机开始装备使用。目前，工作频率在4GHz以下的各种全固态雷达发射机，一般采用硅微波双极功率晶体管，已大量地更换掉原有的真空管微波管雷达发射机。近年来，随着砷化镓场效应晶体管(GaAs FET)的快速发展，使得在C波段、X波段的全固态雷达发射机研究已接近实用阶段。

全固态雷达发射机通常分为两种：一种是集中合成输出结构的高功率固态发射机；另一种是分布合成的相控雷达发射机，详细内容将在本章后面讲述。

2. 单级振荡发射机和主振放大式发射机

脉冲雷达发射机主要分为单级振荡式发射机和主振放大式发射机两类，下面分别讲述它们的工作原理、基本组成和特点。

2.1 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。常用的脉冲调制器主要有线型（软性开关）调制器、刚性开关调制器和浮动板调制器三类。图2.1中还示出了单级振荡式发射机的各级波形，振荡器产生大功率的射频脉冲输出，它的振荡受调制脉冲控制，图2.1中 $\tau$ 为脉冲宽度， $T_{r}$ 为脉冲重复周期。

单级振荡式发射机的主要优点是结构简单、比较轻便、效率较高、成本低，所以时至今日仍有一些雷达系统使用磁控管单级振荡式发射机。它的缺点是频率稳定性差（磁控管振荡器频率稳定度一般为 $10^{-4}$ ，采用稳频装置以及自动频率调整系统后也只有 $10^{-5}$ ），难以产生复杂信号波形，相继的射频脉冲信号之间的相位不相等，因而往往难以满足脉冲压缩、脉冲多普勒等现代雷达系统的要求。

2.2 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。射频放大链是主振放大式发射的核心部分，它主要由前级放大器、中间射频功率放大器和输出射频功率放大器组成。

前级放大器一般采用微波硅双极功率晶体管；

中间射频放大器和输出射频功率放大器可采用高功率增益速调管放大器、高增益行波管放大器或高增益前向波管放大器等，或者根据功率、带宽和应用条件将它们适当组合构成。

固态频率源是雷达系统的重要组成部分，见图2.3，它主要由高稳定的基准频率源、频率合成器、波形产生器和发射激励（上变频）等部分组成。固态频率源为雷达系统提供射频发射信号频率 $f_{RF}$ 、本振信号频率（ $f_{L1}$ 、 $f_{L2}$ )、中频相干振荡频率 $f_{COHO}$ 、定时触发脉冲频率 $f_{r}$ 以及时钟频率 $f_{CLK}$ ，这些信号频率受高稳定的基准源控制，它们之间有确定的相位关系，通常称为全相等(或全相干）信号。

脉冲调制器也是主振放大式发射机的重要组成部分。脉冲调制器通常有线型（软性开关）调制器、刚性开关调制器和浮动板调制器三类。对于脉冲雷达而言，在定时脉冲（即触发脉冲，重复频率为 $f_{r}$ ）的作用下，各级功率放大器受对应的脉冲调制器控制，将频率源送来的发射激励信号进行放大，最后输出大功率的射频脉冲信号。

3. 现代雷达对发射机的主要要求

图2.3所示为现代全相参雷达的主振放大式发射机方框图，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。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。

现代雷达对发射机的主要要求如下。

3.1 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)技术和脉冲多普勒(PD)技术。无论是MTI、MTD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。

3.2 具有很高的频率稳定度

对于MTI、MTD和PD雷达，为了提供抑制杂波、检测目标回波的性能，要求雷达系统具有很高的频率稳定度（ $10^{-8}$ ～ $10^{-9}$ 甚至更高），必须采用高性能的主振放大式发射机。

在单级振荡式发射机中，信号的载频直接由大功率振荡器决定。由于振荡器的预热漂移、温度漂移、负载变化引起的频率拖引效应、电子频移、调谐游移以及校准误差等因素，单级振荡式发射机难以具有高频率精度和稳定度。

在主振放大式发射机中，输出射频的精度和稳定度由低功率频率源决定。采用高性能的基准源、直接频率合成技术、锁相环（PLL）频率合成技术以及直接数字频率合成（DDS）技术，可以得到很高的频率稳定度。

3.3 能产生复杂信号波形

现代雷达发射机的另一个重要要求是能输出多种复杂信号波形。图2.3所示的全相参雷达发射机中，频率源中的波形产生器能产生多种信号波形，例如，线性调频信号、非线性调频信号及相位编码信号等。

早期的脉冲雷达发射机几乎都是载频固定的矩形脉冲调制波形。固定载频矩形脉冲调制波形的脉冲宽度 $\tau$ 与信号带宽 $B$ 的乘积等于1（ $B\tau \approx 1$ ），它不能满足现代雷达系统的要求。

在一定虚警概率下，提高雷达的探测能力必须增加发射信号的能量。信号能量与峰值功率和脉冲宽度 $\tau$ 成正比。单方面增加峰值功率，除了增大成本、体积重量等问题之外，还存在许多技术上的困难。因此，加大脉冲宽度 $\tau$ 而不增加峰值功率，是保证满足需要的发射信号能量的有效方法。

测距精度和测速精度是现代雷达的重要性能指标：增加信号带宽可以提高测距精度；增加信号脉冲宽度可以提高测速精度。对于发射 $B\tau \approx 1$ 的矩形固定载频脉冲信号的雷达而言，同时提高测距精度和测速精度是相互矛盾的。

现代高分辨成像雷达和目标特性测试雷达通常要求发射信号带宽大于10%，脉冲宽度为50us~1ms量级。要解决这个问题，必须采用大时宽带宽积（ $B\tau \gg 1$ ）的信号波形。这种大时宽带宽积信号最常用的是线性调频信号、非线性调频信号和相位编码信号，在接收机中经脉冲压缩匹配滤波器压缩成窄脉冲信号，窄脉冲的时宽△t近似为信号带宽的倒数（ $\Delta \tau \approx 1/B$ )。

3.4 适用宽带频率捷变雷达

现代高性能雷达必须具备的另一种能力是抗干扰性能。对雷达进行干扰的方法很多，其中最难对付的是发射频谱接近于白噪声的有源干扰，采用宽频带发射机和捷变频工作方式是对付这种干扰的一种有效方法。

3.5 全固态有源相控阵发射机

人们从20世纪60年代末开始固态雷达发射机的设计和研究，到20世纪70年代中期就已经有多种全固态发射机开始投入使用，如美国的AN/TPS-59和 Pave Paws雷达发射机。

目前工作频率在4GHz以下的全固态雷达发射机一般采用微波硅双极功率晶体管,已大量地更换原有的电子管发射机。同时，随着砷化镓场效应晶体管（GaAs FET)技术水平的不断进步，全固态发射机在C波段、X波段的研制工作已成为可能。

全固态有源相控阵雷达发射机是一种分布式放大合成发射机，其多辐射单元的有源天线阵由射频固态放大器与馈线、功率分配器、移相器、T/R组件等构成。固态发射机能实现雷达的多功能化，发射脉冲宽度由射频激励信号决定，它不需要调制器，而且很容易发射各种复杂的信号波形。固态放大器很适合宽脉冲、大工作比应用，适用于 $B\tau \gg 1$ 的脉冲压缩雷达系统。