【正文】 式的振蕩條件很接近于正常模式電流電平，就很難穩(wěn)定工作。調(diào)制器必須能短期允許這種現(xiàn)象而不致跳閘，并在打火后能提供正常輸出。特別是當(dāng)磁控管啟動(dòng)時(shí)，在一小部分脈沖期間陰陽極間打火是正常的。最常見的問題如下。在不同類型的穩(wěn)頻磁控管中，這些特性差異很大。這在射頻率時(shí)（X和K波段）特別重要，因?yàn)檫@時(shí)頻推和頻牽的影響與典型的脈寬所占的帶寬相比更顯著；這時(shí)的高Q諧振腔的尺寸不會(huì)太大，穩(wěn)頻是最現(xiàn)實(shí)的辦法。在較高的頻率（X波段以上），將陰陽極反過來的反同軸磁控管更適用（），因?yàn)檫@時(shí)腔體非常小，無法按正常的結(jié)構(gòu)擺放陰極和陽極。用于MTI（此時(shí)調(diào)諧停止）時(shí)，穩(wěn)定度遜于其他的調(diào)節(jié)方式。不能保證精確的帶邊調(diào)諧。接收機(jī)本振的初始跟蹤信息從一個(gè)與調(diào)諧盤裝在同一軸上，通常為電容性的內(nèi)部轉(zhuǎn)換器得到。若調(diào)制器的PRF不同步于調(diào)諧速率，則發(fā)射的頻率將在脈間按某一規(guī)律變化，其變化頻率為PRF與調(diào)諧速率之差。調(diào)諧盤用軸承支撐在真空中（最初是為旋轉(zhuǎn)陽極X射線管研制的），并通過磁耦合到外部的軸上。陽極腔體上懸掛了一個(gè)帶槽孔的盤（），當(dāng)它旋轉(zhuǎn)時(shí)就交替地給空腔加上感性或容性的負(fù)載，以升高或降低頻率。調(diào)諧器大功率磁控管的機(jī)械調(diào)諧范圍一般為頻率的5%～10%，在某些情況下可達(dá)25%。同樣，對磁控管的功率輸出進(jìn)行合成也并不誘人；（5）要求編碼或成形脈沖，磁控管僅僅只有幾個(gè)分貝的脈沖成形范圍，而且頻率推移效應(yīng)也使它得不到期望的好處；（6）要求最低可能的雜散功率電平。磁控管的穩(wěn)定性不適于輸出寬脈沖（如100 ms），起始抖動(dòng)又限制它們在極窄脈沖中的應(yīng)用（ ms），這個(gè)弱點(diǎn)在大功率時(shí)和低頻段尤為突出；（4）需要脈間相參以進(jìn)行二次跨周期雜波對消。局限性盡管它們具有多種能力，磁控管不適用于以下幾種情況。自動(dòng)頻率控制（AFC）電路一般在磁控管受環(huán)境溫度變化和自加熱引起頻率慢漂移時(shí)，用于保持接收機(jī)調(diào)諧到發(fā)射機(jī)。高壓電源（HVPS）和脈沖調(diào)制器必須為磁控管提供非常穩(wěn)定（可重復(fù)）的脈沖，保證不影響MTI性能。很了不起的是，磁控管對MTI工作居然有足夠的穩(wěn)定性，%。所有的商用航海雷達(dá)都使用磁控管。它能很容易地提供高峰值功率，體積小，既簡單，又便宜。1～2 ms的脈沖寬度提供150～300 m的距離分辨力，對磁控管也很“方便”，它簡單地振蕩于其機(jī)械空腔的諧振頻率上，但與寬脈沖寬度的窄信號(hào)帶寬相比，易于出現(xiàn)不可接受的頻率穩(wěn)定性問題。無論何種情況，并提供500 W平均射頻功率。它工作于L波段，在1250～1350 MHz范圍內(nèi)可機(jī)械調(diào)諧。 磁控管發(fā)射機(jī)歷史上，第二次世界大戰(zhàn)期間磁控管的發(fā)明使脈沖雷達(dá)得以實(shí)用，早期的雷達(dá)系統(tǒng)確實(shí)是圍繞著磁控管所能實(shí)現(xiàn)的功能來制造的。但是，對這種器件發(fā)射期間由天線電壓駐波比（VSWR）導(dǎo)致的反射功率亦直接送入接收機(jī)，故仍然需要收發(fā)管和限幅器，以便于在發(fā)射期間保護(hù)接收機(jī)。用圖中的限幅器來防止發(fā)射期間通過收發(fā)管的泄漏功率損壞接收機(jī)；限幅器也用于防止接收鄰近雷達(dá)發(fā)射信號(hào)，這些信號(hào)強(qiáng)度不足以使收發(fā)管啟輝，但大到足夠損壞接收機(jī)。氣體放電管收發(fā)開關(guān)（（a）所示）實(shí)際上是一段充有低擊穿電壓氣體的傳輸線，它用發(fā)射的大功率信號(hào)使充氣的收發(fā)“管”啟輝，將發(fā)射信號(hào)引向天線。連續(xù)波雷達(dá)的另一個(gè)缺點(diǎn)是需要兩個(gè)天線，與把全部孔徑區(qū)域組合為一個(gè)天線并用于發(fā)射和接收相比，實(shí)際上使距離方程參數(shù)有3 dB的損失。注意，同時(shí)接收來自多個(gè)距離上的信號(hào)的高重復(fù)頻率脈沖多普勒系統(tǒng)存在與連續(xù)波雷達(dá)一樣的問題，故遠(yuǎn)程脈沖雷達(dá)系統(tǒng)極少使用連續(xù)脈沖多普勒波形。這種雷達(dá)的一個(gè)基本限制是遠(yuǎn)距離、小目標(biāo)信號(hào)混雜在近距離強(qiáng)雜波中，因此需要極好的雜波對消，這又會(huì)受到發(fā)射機(jī)不穩(wěn)定的限制（產(chǎn)生噪聲副瓣），即強(qiáng)近距雜波等效為更多的發(fā)射機(jī)泄漏信號(hào)進(jìn)入接收機(jī)。 收發(fā)開關(guān)：（a）氣體放電管收發(fā)開關(guān)；（b）鐵氧體環(huán)流器收發(fā)開關(guān)純連續(xù)波雷達(dá)用多普勒頻偏發(fā)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)，但得不到距離信息。由于載波附近存在載有目標(biāo)多普勒信息的信號(hào)，反饋回路的選擇性要求較高以便僅僅消除載波。連續(xù)波雷達(dá)用分立的發(fā)射和接收天線隔離收、發(fā)信號(hào)。采用脈沖方式工作基本上是因?yàn)?，?dāng)用戶說話時(shí)很難聽到別的聲音（會(huì)議中并不是每一個(gè)人都了解這一點(diǎn)）。產(chǎn)生大功率射頻脈沖導(dǎo)致非常高的工作電壓（直流和射頻）問題、能量存儲(chǔ)問題、大功率開關(guān)器件問題。無疑，將一些射頻管組合以獲得需要的大功率電平，增加了發(fā)射機(jī)的復(fù)雜程度，但另一方面，組合大量射頻器件（在固態(tài)發(fā)射機(jī)中常這樣做）會(huì)帶來一些如第5章中所討論的故障軟化以及可靠性高的優(yōu)點(diǎn)。這原來是一種將在后面（）討論的十分實(shí)用的方法。即使是“成功”的射頻管開發(fā)工作也可能因?yàn)榇蚧鹇逝R界、冷卻設(shè)計(jì)（導(dǎo)致可靠性問題）、過份的維護(hù)和后勤經(jīng)費(fèi)問題以及用戶的不愉快等因素而終止。迫使發(fā)射機(jī)按其最大可獲得功率設(shè)計(jì)往往導(dǎo)致研制時(shí)間、開發(fā)經(jīng)費(fèi)出現(xiàn)問題和其他風(fēng)險(xiǎn)。無可爭辯的結(jié)論是，“前端瓦特?cái)?shù)才是算數(shù)的”。對探測攜帶自衛(wèi)干擾機(jī)的目標(biāo)，距離方程變?yōu)? （）式中，Pr和Ar為雷達(dá)的發(fā)射功率與孔徑；Pj和Aj為干擾機(jī)的功率及孔徑。其結(jié)果是對任何復(fù)雜的雷達(dá)系統(tǒng)，系統(tǒng)設(shè)計(jì)師總是要求大的發(fā)射機(jī)功率。因?yàn)閷⑷跣〉牟糠旨颖?，可使巨大的部分減小一半，從而顯著減小系統(tǒng)成本。例如，每4 s觀測一次100 mile內(nèi)的所有飛機(jī)，以便及時(shí)發(fā)現(xiàn)目標(biāo)航線的改變；所以掃描時(shí)間一般是不可變的（這些也許可以解釋為什么要討論雷達(dá)的“功率孔徑積”，而不是它的“功率孔徑掃描時(shí)間積”）。這是因?yàn)樘炀€的重量、結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度、尺寸誤差以及對底座的要求都隨著天線孔徑的增加而迅速增加。平均發(fā)射功率僅僅是雷達(dá)距離方程中的一個(gè)因子。這個(gè)參數(shù)如此重要，以至于在第一階段限制戰(zhàn)略武器條約中被專門提到，并作為限制反彈道導(dǎo)彈（ABM）雷達(dá)性能的基礎(chǔ)。反之，降低距離要求可顯著地減少系統(tǒng)成本。搜索雷達(dá)作用距離的4次方與平均射頻功率、天線孔徑面積（確定天線增益）、掃描需要覆蓋立體角的時(shí)間（限制了每個(gè)方向上收集信號(hào)及為提高信噪比而積累信號(hào)的時(shí)間長短）成正比，即 （）探測距離隨功率的4次方根變化是因?yàn)椋敵龅陌l(fā)射功率密度與返回的目標(biāo)回波能量密度隨其經(jīng)過距離的平方而衰減。本章試圖解釋雷達(dá)發(fā)射機(jī)為何如此，希望給讀者展示一個(gè)不神秘的雷達(dá)發(fā)射系統(tǒng)。它通常是豎在雷達(dá)設(shè)備間角落里的大機(jī)柜，嗡嗡叫著，身上掛著“高壓危險(xiǎn)”的牌子，所以人們都寧愿遠(yuǎn)離它。這些不被媒體看重的部分對雷達(dá)系統(tǒng)同等重要，而且從設(shè)計(jì)角度而言也同樣有趣。雷達(dá)發(fā)射機(jī)基礎(chǔ)知識(shí)概述作者：日期：第4章 發(fā) 射 機(jī)T. A. Weil 引言發(fā)射機(jī)是脈沖雷達(dá)系統(tǒng)的一個(gè)組成部分。在這些方框中，公共媒體一般只標(biāo)注天線和顯示器，其余部分則成為“幕后英雄”。 典型雷達(dá)系統(tǒng)框圖發(fā)射機(jī)在雷達(dá)系統(tǒng)的成本、體積、重量、設(shè)計(jì)投入等方面占有非常大的比重，也是對系統(tǒng)電源能量以及維護(hù)要求最多的部分。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)奇特，更像一個(gè)釀酒廠，而不是電腦或電視。為何如此大的功率發(fā)射機(jī)體積大，重量重，成本高、消耗功率大，原因是它需產(chǎn)生大功率射頻輸出，而這種要求來自雷達(dá)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的綜合考慮。用提高發(fā)射機(jī)功率的方法增大雷達(dá)作用距離需付出大的代價(jià)：功率需要提高16倍才能使探測距離增加一倍。功率孔徑積是衡量雷達(dá)性能的基本參數(shù)。接收機(jī)靈敏度未在式（）中出現(xiàn)，這是由于熱噪聲對接收機(jī)的靈敏度有明確的限制，在這個(gè)簡單距離方程中，默認(rèn)接收機(jī)總是工作在最高的靈敏度狀態(tài)。而且成本又很高，為何還要求如此之高的功率？用減小功率但增加天線孔徑或掃描時(shí)間的辦法來補(bǔ)償是否為較好的辦法？回答是天線孔徑增加使成本增加得更快。公式中另一個(gè)因子——掃描時(shí)間由一些確定系統(tǒng)工作的要求決定。在雷達(dá)系統(tǒng)中使用一部巨大、昂貴的天線配接小功率、便宜的發(fā)射機(jī)顯然是不合情理的，反之亦然。因此，系統(tǒng)總成本最小化要求合理地平衡這兩個(gè)子系統(tǒng)的成本。當(dāng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是基于存在遠(yuǎn)距離人為干擾（Standoff jammer）（而非僅僅存在熱噪聲）的距離覆蓋要求時(shí)，也會(huì)導(dǎo)致同樣的結(jié)果。結(jié)論與前述十分相似：功率與天線孔徑依然是決定性因子，均衡的系統(tǒng)設(shè)計(jì)再次引出大的發(fā)射機(jī)功率。期望獲得最佳的雷達(dá)工作性能多半意味著天線尺寸和發(fā)射功率二者都被推到可以忍受的極限。這種情況在采用新型射頻發(fā)射管時(shí)尤為突出，例如，AN/FPN—10 L波段雷達(dá)研制計(jì)劃被迫中斷，是由于供應(yīng)商未能使磁控管在大占空系數(shù)范圍內(nèi)足夠穩(wěn)定；在使用內(nèi)部真空腔而不是外部真空腔的大功率速調(diào)管的第二只管子（備份管）的合同履行前，彈道導(dǎo)彈早期預(yù)警系統(tǒng)（BMEWS）的研制也面臨過同樣的危險(xiǎn)[1]。迫使射頻管開發(fā)超出（或無意地超過）當(dāng)前技術(shù)水平面臨的風(fēng)險(xiǎn)，特別是當(dāng)期望達(dá)到的功率超過單管的能力時(shí)，使用多個(gè)射頻發(fā)射管進(jìn)行功率合成的想法變得十分有吸引力。因?yàn)閱蝹€(gè)固態(tài)射頻器件與單個(gè)真空管相比，只能承受很小的功率，所以，能功率合成、易實(shí)現(xiàn)、可靠性高是固態(tài)發(fā)射機(jī)實(shí)用化的原因。為何采用脈沖方式如果同廣播電臺(tái)那樣，只用連續(xù)波發(fā)射方式可以大大簡化雷達(dá)發(fā)射機(jī)并降低成本。有些射頻器件如C類放大器（真空管或固態(tài)器件）是自脈動(dòng)（Selfpulsing）工作方式，僅在射頻驅(qū)動(dòng)時(shí)吸收電流，但是大多數(shù)微波管需要采用不同類型的調(diào)制器（），使其不致浪費(fèi)功率，并在脈沖之間的接收期間不產(chǎn)生噪聲。在雷達(dá)系統(tǒng)中，如果發(fā)射機(jī)連續(xù)處于導(dǎo)通狀態(tài)，則發(fā)射機(jī)連續(xù)發(fā)射的信號(hào)對試圖接收來自遠(yuǎn)距離目標(biāo)微弱回波的接收機(jī)的干擾是一個(gè)難以解決的問題。當(dāng)天線不能分開足夠的距離以使發(fā)射機(jī)至接收機(jī)的泄漏低于接收機(jī)的噪聲電平時(shí)（例如兩個(gè)天線不得不裝在同一個(gè)車輛上），可采用饋通消除（Feedthrough nulling）技術(shù)，即在接收機(jī)輸入端用負(fù)反饋抵消發(fā)射載波的方法，減小發(fā)射泄漏信號(hào)對接收機(jī)的影響。因此，對連續(xù)波雷達(dá)靈敏度的基本限制是，對泄漏到接收機(jī)的發(fā)射機(jī)噪聲邊帶（由發(fā)射不穩(wěn)定引起）設(shè)置了一個(gè)極限，低于該極限的小動(dòng)目標(biāo)信號(hào)不能被發(fā)現(xiàn)；連續(xù)波雷達(dá)的最大探測能力往往受此因素限制。一般解決這個(gè)問題的方法是采用FMCW（調(diào)頻連續(xù)波）系統(tǒng)，即發(fā)射掃頻信號(hào)（通常隨時(shí)間線性變化），并對接收信號(hào)進(jìn)行適當(dāng)處理以一并提取距離和多普勒信息[2]；回波的頻率確定發(fā)射信號(hào)在多長時(shí)間前發(fā)射，從而確定目標(biāo)距離。在脈沖雷達(dá)系統(tǒng)中，近距和遠(yuǎn)距信號(hào)在不同的時(shí)間返回，可使用靈敏度時(shí)間控制（STC）調(diào)整接收機(jī)的靈敏度。但寬的不模糊多普勒覆蓋的多數(shù)優(yōu)點(diǎn)可用稱做脈組（Burst）方式的折中波形獲得，即發(fā)射有限組高重復(fù)頻率脈沖，脈組持續(xù)時(shí)間足夠短，以避免遠(yuǎn)距回波與近距雜波回波發(fā)生競爭。脈沖雷達(dá)正是把全部孔徑用在一部天線上；它通過使用收發(fā)開關(guān)使發(fā)射機(jī)和接收機(jī)共用一個(gè)天線[2]。收發(fā)管在發(fā)射脈沖后快速恢復(fù)（消電離），便允許將天線來的信號(hào)導(dǎo)向接收機(jī)。鐵氧體收發(fā)開關(guān)（（b）所示）使用鐵氧體環(huán)流器[3]替代收發(fā)管，把發(fā)射功率送到天線并將天線接收到的信號(hào)傳到接收機(jī)。無論是哪種情況，在脈沖雷達(dá)系統(tǒng)中用收發(fā)開關(guān)達(dá)到收發(fā)共用一副天線的目的。例如5J26，用于搜索雷達(dá)超過40年。當(dāng)脈沖寬度為1 ms，重復(fù)頻率每秒1000個(gè)脈沖（pps），或2 ms, 500 pps時(shí)，其典型峰值功率為500 kW。其40%的效率是磁控管的典型值。磁控管發(fā)射機(jī)在文獻(xiàn)中有詳細(xì)的描述[2]。脈沖磁控管的變化范圍從1 in3，1 kW峰值功率的信標(biāo)磁控管到數(shù)兆瓦峰值功率和數(shù)千瓦平均功率，制造過高達(dá)25 kW的連續(xù)波磁控管，以用于工業(yè)加熱。磁控管發(fā)射機(jī)廣泛用于動(dòng)目標(biāo)顯示（MTI）工作，在典型情況下可得到30～40 dB雜波對消。在每個(gè)脈沖磁控管開始振蕩時(shí)，起始射頻相位是任意的，所以必須使用鎖相相參振蕩器[4]或等效器件（測量發(fā)射相位，在接收信號(hào)處理時(shí)校正）。由環(huán)境震動(dòng)引起的磁控管頻率顫噪調(diào)制在一定條件下是一個(gè)限制因素。在調(diào)諧機(jī)構(gòu)精度限制范圍內(nèi)，自動(dòng)頻率控制可用于磁控管，能夠使它保持在一個(gè)設(shè)定的頻率上工作。（1）需要對頻率進(jìn)行精確控制，而要求的精度在考慮到齒輪間隙、熱漂移、頻推和頻牽等因素后，超過磁控管調(diào)諧所能達(dá)到的程度；（2）需要精確的頻率跳變，或在脈間或脈組內(nèi)的頻率跳變；（3）需要極高的頻率穩(wěn)定度。注入鎖相已被試用，但它需要較大的功率以至沒有吸引力。磁控管不能提供很純凈的頻譜，而是在比其信號(hào)帶寬寬得多的帶寬內(nèi)產(chǎn)生相當(dāng)可觀的電磁干擾（EMI）（同軸線磁控管稍好一些）；磁控管特性在磁控管適用的場合，其工作特性與早期比較有相當(dāng)大的改善。旋轉(zhuǎn)調(diào)諧在1960年左右研制出旋轉(zhuǎn)調(diào)諧（自旋調(diào)諧）的磁控管[5][6]。當(dāng)盤旋轉(zhuǎn)一周時(shí)，頻率在整個(gè)帶寬內(nèi)來回變化的次數(shù)等于沿圍繞陽極的腔體的數(shù)目，所以能夠?qū)崿F(xiàn)快速調(diào)諧。如轉(zhuǎn)速為1800 r/min，管子有10個(gè)腔體，則可在帶寬內(nèi)每秒調(diào)諧300次?？焖俑淖冋{(diào)制器的PRF或馬達(dá)轉(zhuǎn)速，能得到不規(guī)則的（偽隨機(jī)）頻率跳變。 磁控管的旋轉(zhuǎn)調(diào)諧旋轉(zhuǎn)調(diào)諧器的使用除高成本、大重量外，還帶來一些弊病：由于旋轉(zhuǎn)盤不易冷卻，管子的平均功率輸出小于采用一般調(diào)諧的磁控管。因?yàn)槊總€(gè)調(diào)諧周期都覆蓋了整個(gè)調(diào)諧范圍，又不允許指定帶寬以外的運(yùn)用，調(diào)諧范圍容限只能由帶寬承擔(dān)。穩(wěn)頻磁控管最普通的穩(wěn)頻磁控管是同軸磁控管，用一個(gè)高Q的環(huán)形腔和內(nèi)圓筒中的陽極翼片緊密耦合。以上技術(shù)[5][7][8]可使頻推和頻牽(在本節(jié)后面定義)穩(wěn)定度提高3～10倍。由于脈內(nèi)和脈間的頻率穩(wěn)定度提高，其MTI性能勝過普通磁控管，但這種優(yōu)點(diǎn)不一定能實(shí)現(xiàn)，除非每個(gè)脈沖前沿的抖動(dòng)和噪聲都很低。 同軸磁控管（引自參考資料8） 反同軸磁控管：（a）簡化的截面圖； （b）簡化的結(jié)構(gòu)示意圖常見問題磁控管使用時(shí)的傳統(tǒng)問題仍然存在，但人們對它們已有了更好的理解，并能加以控制。（1）打火。在跳?；蛳鐣r(shí)也有這種現(xiàn)象。（2）跳模。按希望的模式起動(dòng)要求磁控管陰極電壓上升率處于由管子起動(dòng)時(shí)間和鄰近?？拷潭人鶝Q定的范圍內(nèi)，上升過快會(huì)導(dǎo)致起動(dòng)失敗。技術(shù)上可以用尖峰平滑電路，通常是用簡單的串聯(lián)RC網(wǎng)絡(luò)來降低調(diào)制脈沖上升速率，或用二極管