精品课程：雷达探测与对抗-雷达发射机

电磁波具有在自由空间传播的特性，它是由是由相同且互相垂直的电场与磁场在空间中是以波动的形式传播的电磁场，其传播方向垂直于电场与磁场构成的平面。电磁波在真空中速率固定，速度为光速。

雷达，即用无线电的方法发现目标并测定它们的空间位置。因此，雷达也被称为“无线电定位”。雷达就是利用目标对电磁波的反射现象来发现目标并且测定其位置的，雷达的任务不仅能测量木的距离、方位和阳角，而且还能测量目标速度、以及从目标的回波中获取更多有关目标特性的信息。

雷达能工作的前提就是能够发射电磁波，这个功能是由雷达的发射机完成的。

现代雷达主要是由天线、发射机、接收机、信号处理机、数据处理机和显示器等若干分系统组成。

当然早期和现在一些非相参处理的雷达也可以只包括天线、发射机、接收机和显示器就可以了。

一般而言，发射机在整个雷达系统中的成本、体积、重量、设计等方面都占有非常大的比重，同时也是对系统电源能量以及维护要求最多的部分。

首先先看一下发射机的工作频率，雷达发射机的工作频率根据雷达所执行的任务来确定的，选择频率既要考虑大气层中各种气候条件对电磁波的影响（包括吸收、散射、衰减等），又要考虑雷达的精度、分辨率、雷达平台以及环境的要求，还要考虑现在以及未来可能的辐射要求的微波功率管的水平。

 一般来讲，地面对空搜索、远程警戒雷达选用比较低的工作频率，精密跟踪雷达选择比较高的频率。大多数的机载雷达受到体积、重量的限制一般选择X波段。工作频率的不同，发射机的类型就可能不同。早期的远程警戒勒ida发射机大多采用真空三级管、四级管，工作频率在VHF和UHF频段，后来的磁控管大功率速调管、行波管以及前向波管大多工作在在UHF、L、SCX频段。

随着固态放大器件的发展，目前工作在S、CX频段的发射机也大量出现。尤其是砷化镓、氮化镓场效应管放大器与有源相控阵技术结合，在更高比如X频段实现发射机的固态化成为可能。

为了提高雷达系统的工作性能和抗干扰能力, 有时还要求它能在几个频率上跳变工作或同时工作。工作频率或波段的不同对发射机的设计影响很大, 它首先牵涉到发射管种类的选择.

发射机除了工作频率，还有一个概念是瞬时带宽。它是指发射机工作的时候，在不进行任何调整时的工作频率可变化的范围，其输出的功率值的变化应小于1dB.即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。

这个指标主要是针对主振放大式发射机而言的，发射机的瞬时带宽要大于所放大的信号本身频率变化的范围（即信号的带宽)

频率对雷达性能的影响主要体现在以下几个方面：

第一个方面是器件的物理尺寸。用来产生和发射无线电的硬件尺寸一般和信号的波长成正比。在比较低的频率上（较长的波长），硬件通常又大又重。在较高的频率上（波长较短）雷达可以在更小的孔径范围内工作，相应的重量也会较轻。

第二发射功率。

由于波长对硬件尺寸的影响，波长的选择间接的影响雷达发射功率的能力。一部雷达合理承受功率电平的能力受到电压梯度（单位长度上的电压）和散热要求的限制。因此，不难理解，工作在米波范围内的大而重的雷达可以发射几兆瓦的平均功率，而毫米波雷达只能发射几百瓦的平均功率。而在一定的工作频率条件下，在能够达到的功率范围内，实际所采用的发射机功率经常有雷达的尺寸、重量、可靠性和成本等几个方面综合考虑确定。

第三是波束宽度

这是由于天线的波束宽度正比与波长与天线孔径之比。为了实现给定的波束宽度，波长越长，天线就必须越大。在低频上要得到可靠的窄波速，必须使用非常大的天线，而在高频段，用比较小的天线就能实现。天线的波束越窄，在指波束定方向的功率就越大，实现的分辨率也就越高。

第四、大气衰减

电磁波在通过大气时，会由于吸收和散射等造成电磁波的衰减。吸收主要是氧气和水蒸气引起的。而散射大多是由于凝结的水蒸气（雨滴）引起的。吸收和散射都随着频率的增加而增加。比如砸0.1Ghz以下的大气衰减几乎可以忽略。而在10Ghz以上，大气衰减就会越来越严重，并且子啊某些频率上会有吸收的峰值，需要针对雷达具体的军事应用选择合理的频率范围，避开吸收严重的频段，最大限度的减低大气衰减的影响。

第五 环境噪声问题

在一些较低的频段，如HF，高频频率，由雷达的外部噪声源所产生的噪声比较大。但是这种噪声影响会随着频率的升高而减少。这种影响在0.3到10Ghz之间的某个频率范围会达到最大值。这种外部噪声取决于太阳辐辐射以及宇宙背景噪声电平的变化。而在10Ghz以上，大气噪声站主导地位，在K波段和更高的频率上，大气噪声会更加严重。

第六 多普勒频移问题

因为多普勒频移不仅和目标相对雷达的径向速度正正比，而且也和频率成正比。目标径向速度一定时，频率越高，所产生的多普勒频率越大。当然过大的多普勒频移也会产生其他问题，在某些特性的场合可能限制可使用的频率。另外通过选择适当的高的频率，可以增加多普勒的灵敏度。

雷达工作频率的选择受到多方面条件的限制，在设计雷达系统时需要考虑的因素包括：雷达需要完成的任务，雷达的使用环境，雷达工作的平台等物理条件的限制以及成本方面的考虑。下面从路基、海基、空基应用等方面简要说明

第一路基应用，路基应用可以考虑几乎全部频段内的信号。比如远程预警雷达，由于其不受尺寸的限制，可以做的很大、很重、功耗很高，这样便于在较低的频率上工作，同时还能实现比较高的角分辨率。比如超视距雷达工作在HF频段，在这个频段，电离层具有良好的反射特性。空间目标监视和远程预警雷达可以在UHF、VHF，P和L波段工作，在这些波段环境噪声较小，大气衰减可以忽略。可以使用磁控管、大功率速调管、行波管以及正交场放大器等功率放大器件。

在作用距离要求不太高的一些对空搜索等雷达，可以把工作频率提升到S和C波段，这样可以减少地面雷达的尺寸，便于机动部署。

第二在海基应用中，物理尺寸和功耗成为显著性因素。同时海基雷达要求能恶劣的环境中工作，这样对雷达的工作频率的选择进行了限制。如果不需要考虑远的作用距离，这些限制可以放宽。为了对付海面上目标和低仰角的目标，必须使用较高的频率。这是因为当擦地角接近零时，从目标直接接收的回波，可能几乎完全被从同一个目标但是由水面发射回来的回波所抵消，这是由于回波发射时所发生的180度的相移所引起的，这个现象称为多径传播。

随着擦地角的增加，在直接回来的和间接回波的路径长度之间产生差别，抵消的现象将减弱。波长越短，抵消消失的就越快。

因此为了进行对海搜索，检测低空目标，舰载雷达广泛采用波长比较短的S和X波段雷达。

第三机载应用

飞机上的雷达对于尺寸的限制更加严格，这时候选择的最低频率一般为UHF和S频段。比如在美E-2C和AWACS预警飞机上使用，能够提供所需要的较远的作用距离。但是E-2C预警机巨大天线罩和AWACS预警飞机巨大的天线可以看出，如果要在战斗机上按照雷达，需要窄波束时，必须选用较高的工作频率。

次低频率时C波段，这个波段的电磁波具有良好的穿透云层能力，在无线电高度计上应用较多。如果雷达需要较强的方向性，则需要选用更高的频率X或者Ku频段，比如大多数的战斗机、攻击机、侦察机的雷达多工作在这个频段。在X频段，波长3厘米这个频率具有很多优势。第一大气衰减少，小尺寸能够实现高功率窄波束，安装在机头能够提供极好的角分辨力。

第二大点，是信号波形

根据雷达体制的不同，可以选用各样的信号形式。总体而言。雷达信号有两种基本形式：连续博CW和脉冲信号。

所谓的连续波雷达就是指雷达连续发射电磁波，同时接收反射回波。与之相反的是脉冲雷达，是以窄脉冲形式间断的向外发射无线电信号，而在两次发射的间隔期间内接收目标的回波。

目前应用最多的时脉冲雷达，这里主要介绍脉冲雷达。脉冲雷达又可以分为两大类：一类能测量多普勒频率，称为脉冲多普勒雷达，一类不能测多普勒频率，称为脉冲雷达。脉冲雷达辐射的无线电波形有4个基本的参数，载频、脉冲宽度、脉内或者脉间调制方式，脉冲重复频率等。

脉冲雷达的载频就是载波的频率就是雷达的工作频率，载频并不一定时固定不变的，可以用不同的方式改变载频以满足特定的系统或者特定的工作要求。从一个脉冲到下一个脉冲，载频可以增加后者减少。可以随机改变，也可以按照某种特定的规律改变，甚至可以在每个脉冲期间以某种特定规律增加后者减少，这就是所谓的脉内调制。载频变化的主要目的时为了抗干扰。

脉冲宽度PW，脉冲宽度就是指脉冲的持续时间，通常用用小写的希腊字τ表示。脉冲宽度可以从几分之一微妙到几毫秒。脉冲宽度有时候也用物理长度表示，即用任一瞬间脉冲穿过空间时他的前后沿之间的距离来表示。就是光速乘以脉冲宽度。脉冲的物理长度大约是每微秒300m。如果脉冲内部没有调制的话，脉冲宽度就决定了雷达分辨在距离上靠的很近的两个目标的能力。经过脉冲压缩处理的信号，脉冲宽度就更加窄，距离分辨力也就越高。

第三是脉冲调制。为了能够获得更好的距离分辨性能，最小的脉冲长度对距离分辨力的限制可以用脉内调制来客服。通过发射大时宽的脉冲信号，在脉冲内用相位或者频率调制的方法，将发射脉冲增量逐段编目。在接收回波时进行解调，这种技术就叫做脉冲压缩技术。后续课程会详细讲授。

第四是脉冲重复频率PRF。脉冲重复频率就是雷达发射脉冲速率，也就是每秒发射脉冲的个数。在雷达工作时，脉冲重复频率可以随时变化。脉冲重复频率的另一个度量是从给一个脉冲起始到一个脉冲起始的时间间隔，称之为脉冲的重复周期。二者是相互倒数的关系。

图中给出目前应用较多的三种脉冲雷达信号形式和调制信号波形。a表示的是简单的固定载频矩形脉冲调制信号波形，τ是脉冲宽度，Tr是脉冲重复周期；b是脉冲压缩雷达使用的线性调频信号；C是相位编目脉冲压缩雷达使用过的相位编目信号，图中显示的是5位巴克码。τ0表示的子脉冲的宽度，随着雷达技术的不断发展，实际上还要很多负载的信号形式。

第五个概念是相参性。

在雷达信号中，信号的相参性又叫相干性，是一个非常重要的概念。信号的相参指的是发射信号与雷达频率源的信号存在固定的相位关系。对于脉冲信号而言，所谓相参性就是指从一个脉冲到下一个脉冲的相位具有一致性，或者连续性。相参有多种类型，最普遍的是，每个脉冲的第一个波前与前一个脉冲相同相位的最后一个波前间隔是波长的某个整数倍。

发射机的输出功率是指发射机末级放大器（或者振荡器）送至馈线系统的射频功率。对于连续波雷达，发射机机输出功率是连续波功率，对于脉冲雷达发射机而言，其输出功率以峰值功率和平均功率来表示。发射机的输出功率和雷达作用距离的关系为4次方根的关系，所有，单纯提高发射机的输出功率来增加雷达的作用距离并不合算。

1.连续波效率最高2,0%-30%,而高峰值功率、低工作占空比的脉冲雷达发射机效率比较低。

2.速调管、行波管发射机效率比较低，磁控管单级振荡发射机以及前向发射机效率相对高

3.分布式全固态发射机的效率也必将高。

因为发射机通常在整机中是最耗电和最需要冷却的部分, 有高的总效率, 不仅可以省电, 而且对于减轻整机的体积重量也很有意义。对于主振放大式发射机, 要提高总效率, 特别要注意改善输出级的效率。 

因此为了获得最大的探测距离，可以用不同的方法增加发射功率：比如增加PRF就是减少脉冲重复周期，增加脉冲宽度或者增大峰值功率等。

另外平均功率和发射机效率一起决定了因损耗而产生的热量，这些热量需要散发掉，又决定了所需要的冷却量。而平均功率加上损耗量决定了必须供给发射机输入的功率，这个功率叫做初级功率。因此平均功率越大，发射机就会越大、越重。脉冲重复频率增加，重复间隔减小，平均功率增加。随之带来的问题是雷达的无模糊作用距离减少啦。

增加脉冲持续时间，增加平均功率；随之带来的问题，在增大测速精度的同时，测距的精度会下降。

提高峰值功率，增加平均功率。但是受限于器件水平，雷达发射机峰值功率的提升是有限的，不可能无限的提高。

因此在雷达设计的时候，必须通过合理选择脉冲宽度、PRF等参数，采用脉冲压缩等信号，综合衡量测距模糊、高的测速、测距精度的情况下，针对不同的应用场合进行参数的均衡选择。

目前应用比较多的是固定载频矩形脉冲调制信号、线性调频脉冲信号和相位编目脉冲信号。

τ是脉冲宽度，T是脉冲重复周期。b是脉冲压缩雷达中使用的线性调频脉冲信号，c是脉冲压缩雷达相位编目脉冲信号，图中是5位巴克码信号。τ0表示的是子脉冲的宽度。

为什么要采用脉冲压缩信号呢？因为固定载频矩形脉冲信号，它的时宽带宽积约等于1，如果要提高发射机的能量，在峰值功率限制的条件下必然需要增加脉冲的宽度，增加脉冲宽度有两个好处，一个是信号的平均功率增加了，另外一个信号的测速精度也会相应的提高，但是信号脉冲宽度的增加导致了信号带宽的降低，从而使测距的精度下降。为了解决这个矛盾，才有了脉冲压缩信号，这类信号具有很大的时宽带宽积，远远大于1。发射信号是宽脉冲信号，调制一个载频收到线性变换的正弦信号，这个信号经过匹配滤波脉冲压缩之后，在时域形成非常窄的脉冲信号，脉冲压缩后的脉冲宽度是信号带宽的倒数，这样就解决了需要增加发射机平均功率、测速和测距之间的矛盾。因此现代雷达大多采用脉冲压缩信号的体制。

由于雷达实际发射的信号一般都不是理想的矩形脉冲信号，而是具有上升边和下降边的脉冲，而且在脉冲的顶部还有波动和倾斜。

脉冲宽度τ等于脉冲上升沿幅度的0.9A处下降到下降沿0.9A处之间的脉冲持续时间；

脉冲上升变宽度τR为脉冲上升幅度0.1A到0.9A处之间的持续时间，脉冲下降变宽度τf等于脉冲下降变0.9A到0.1A处之间的持续时间。

脉冲还有一个顶部的波动，顶部波动为顶部振铃波形幅度deltau和脉冲幅度A纸币，脉冲顶部的倾斜为顶部倾斜幅度deltaA与脉冲幅度之比。这些参数就是发射信号检波形参数，它表示了雷达发射信号的基本参数。

对于这些参数的理解有助于后续对脉冲调制器工作的原理的学习，可以去判断什么样的调制器性能比较好。

从这个波形示意图中我们可以看到，第一脉冲上升宽度越小，脉冲下降宽度越小，即上升沿和下降沿乐陡峭，这个脉冲波形越好。

第二，脉冲波形顶部的波动越小，脉冲顶部的倾斜越小，这个脉冲波形也就越好。

因此，对于产生脉冲的器件而言，目标就是要要产生与理想脉冲约接近的脉冲波形越好。

发射信号的稳定度是指视频信号的振幅、频率或者相位、脉冲重复频率和脉冲宽度的稳定性，任一参数的不稳定性都会影响高性能雷达主要性能指标的实现，因此现在雷达对于发射机信号的稳定性提出严格的要求。

后面将会分析到, 雷达信号的任何不稳定都会给雷达整机性能带来不利的影响。例如对动目标显示雷达, 它会造成不应有的系统对消剩余, 在脉冲压缩系统中会造成目标的距离旁瓣以及在脉冲多卜勒系统中会造成假目标等。 

这些不稳定量一般都很小，都远小于1.

这些不稳定量可以分为确定的不稳定量和随机的不稳定量。

确定的不稳定量具有一个的规律性，是由电源的电源波纹、调制脉冲波形顶部波纹、有规律机械震动等原因引起的，通常是随时间周期性变化。

随机的不稳定量则有发射管的噪声和调制脉冲的随机起伏引起的。

 对于确定性的不稳定量在时域分析用方差，频域用傅里叶分析来分析。而对于随机变化的不稳定量则只能用统计的方法进行分析。

还以一个概念是频谱纯度的概念。

我们假设一个雷达信号S（t）,这个信号可以看做是一个平稳遍历的随机过程，任何平稳随机过程都已在在傅里叶频率内用他的功率谱密度来表示。所以信号s（t）

的功率谱密度存在S（f），如果s是一个没有任何寄生调制的完全稳定的信号，比如理想的矩形射频脉冲信号，那么它的谱密度为纯的离散结构。尽在f0+-nfr各个傅里叶频率上有分量。，信号振幅包络相对于f0是辛格函数变化。

但是由于发射机的各部分的不稳定，发射机信号会在理想的树池装谱线之外产生寄生输出。

寄生输出分为两类，一类是分布性寄生输出，一类是离散型寄生输出。离散型的寄生输出对应的是信号规律性的不稳定，而分布性的寄生输出则对应信号的随机性的不稳定。

第一，脉冲调制器是干啥的，无论是单级振荡式发射机还是主振放大式发射机的核心部件之一就是脉冲调制器。首先，脉冲调制器是用于脉冲工作方式的雷达，其主要的作用是提供大功率视频调制脉冲信号。而在实际的电路中，脉冲调制器所产生的信号是在时钟信号信号或者矩形脉冲的激励下产生的负极性特高压、矩形调制脉冲。

对于脉冲调制器而言，其主要部件，除了电源和负载之外，由三个主要的部件组成，即充电元件、储能元件和调制开关。其中调制开关的类型决定了脉冲调制的类型。那什么刚性开关？什么又是软性开关呢？对，能硬性通断的开关叫刚性开关，刚性开关能够决定什么时候脉冲开始，什么时候脉冲结束。而软性开关，只能决定什么时候脉冲开始，但是不能决定什么时候脉冲结束。这是这两类开关最本质的区别。

根据脉冲调制器的组成，我们在具体看一下具体由哪些元件构成了这组件。

第一类器件是储能器件，储能器件主要由电容、电感以及仿真线组成，仿真线又叫人工线，脉冲形成网络。

限制器主要功能是在充放电的过程包含电源和开关的器件，主要由限流电阻、二极管、扼流圈等元件组成。

调制开关主要由电子管、闸流管、磁开关和可控硅开关组成，其中电子管是典型的刚性开关，闸流管是典型的软性开关。因此从大类上我们可以将开关分成软性开关和刚性开关，但是课本在章节安排上，将浮动板调制器与刚性开关和软性开关并列，这是什么原因？浮动板调制器属于刚性还是软性开关？对属于刚性开关，但是它为什么被单独划分为一类呢？其实这是由于这三类脉冲调制器对产生脉冲的灵活性这个角度分析。这种灵活性主要体现在脉冲调制器对调制脉冲的宽度、周期以及其对负载的适配能方面。 

首先，我们从脉冲调制器总体工作原理的角度来分析。脉冲调制器有并联和串联两种不同的形式，其中并联电路中开关是一个类似单刀双置开关，当K在1时，开始充电，K在2是开始放电。

在串联电路中，开关类似一个单刀单置开关，当K打开时充电，K合上是开始放电。

以串联电路为例，当K打开时，电源以小功率长时间对储能器件进行充电，当K关闭时，存储在储能器件中的能量在短时间以大功率释放到负载上，形成高能矩形脉冲。这就是脉冲调制器工作的基本原理。

免责声明：本天驰航宇目前所载内容为本天驰航宇原创、网络转载或根据非密公开性信息资料编辑整理，相关内容仅供参考及学习交流使用。由于部分文字、图片等来源于互联网，无法核实真实出处，如涉及相关争议，请跟我们联系。我们致力于保护作者知识产权或作品版权，本天驰航宇所载内容的知识产权或作品版权归原作者所有。本天驰航宇拥有对此声明的最终解释权 。