现代雷达系统分析与设计-雷达系统的基本知识(1)
雷达系统的基本组成
雷达系统的基本组成框图如图所示，包括天线及其伺服控制、发射机、波形产生器、接收机、信号处理机、数据处理机、终端显示等设备。各部分的功能简要概述如下:
(1)天线。辐射大功率信号，接收目标散射回波信号。
(2)波形产生器，也称频率综合器(简称频综)。产生10mW ;到1W量级的射频激励信号，同时给雷达接收机提供相干本振信号。
(3)发射机，即高功率发射部分。对射频激励信号进行放大、滤波，输出功率一般在100W到1mW的量级。
(4接收机，即低功率接收部分。接收信号功率一般在uWw到mW的量级，对接收信号进行放大、混频、滤波等。
(5)信号处理机。对回波信号进行相应的处理，提高目标回波的信噪比，同时抑制杂波和干扰，并检测目标。
(6)数据处理机。对检测结果进行航迹管理与跟踪滤波。
(7)终端显示与数据传输。显示回波信号的原始视频、点迹，上传目标的点迹信息。
雷达发射机
发射机的基本组成
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距离、方位、高度和速度等参数。因此，雷达工作时要求发射一种特定的大功率信号。发射机为雷达提供一个载波受到调制的大功率射频信号，经馈线和收发开关由天线辐射出去。
雷达发射机有单级振荡式和主振放大式两类，其中单级振荡式发射机又可分为两种:一种是初期雷达使用的三极管、四。极管振荡式发射机，其工作频率为VHF或UHF频段;另一种为磁控管振荡式发射机。单级振荡式发射机比较简单，如下图(a)所示，它所提供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，因此振荡器的输出是受到调制的大功率射频信号。例如，一般的脉冲雷达辐射的是包络为矩形脉冲调制的大功率射频信号，所以控制振荡器工作的脉冲调制器的输出也是一个矩形的射频脉冲信号。
主振放大式发射机的组成如下图(b)。它的特点是由多级组成。从各级功能来看，一是主控振荡器用来产生低功率、高稳定的射频信号;二是放大射频信号，即提高信号的功率电平，达到发射所需要的功率，称为射频放大链。主振放大式的名称就是由此而来的。
振荡器是连续工作的。主振放大器的脉冲实际上是从连续波上“切”下来的，如图所示。若键控开关的时钟是以振荡器为时钟基准产生的，则其脉冲是相干的，对于脉冲信号而言，所谓相干性(也称相参性)，是指从一个脉冲到下一个脉冲的相位具有一致性或连续性。若脉冲与脉冲之间的初始相位是随机的，则发射信号是不相干的。
射频放大链如图所示，通常采用多级放大器组成。末级的高功率放大器经常采用多个放大器并联工作，再通过大功率合成器达到要求的发射功率。
单级振荡式发射机与主振放大式发射机相比，最大的优点是简单、经济，也比较轻便，实践表明，同样的功率电平，单级振荡式发射机的重量大约只有主振放大式的三分之一。但是，其性能指标较低，抗干扰能力弱，发射信号在每个脉冲之间不具备相干特性，尤其是频率稳定性差，不适合复杂波形的应用场合。这种雷达也无法利用目标回波的多普勒信息进行测速。当整机对发射机有较高要求时，单级振荡式发射机往往无法满足实际需要，而必须采用主振放大式发射机。现代雷达大多采用主振放大式发射机。
主振放大式发射机的组成相对复杂，其主要特点有：(1)具有很高的频率稳定度。(2)发射相参信号，可实现脉冲多普勒测速。在要求发射相参信号的雷达系统(例如脉冲多普勒雷达等)中，必须采用主振放大式发射机。相参性是指两个信号(两个脉冲重复周期之间雷达发射的信号)的相位之间存在着确定的关系。只要主振荡器有良好的频率稳定度，射频放大器有足够的相位稳定度，发射信号就可以具有良好的相参性，而具有这些特性的发射机就称为相参发射机。发射信号、本振电压、相参振荡电压和定时器的触发脉冲等均由同一时钟基准信号提供，所有这些信号之间保持相位相参性，这样的发射系统称为全相参系统。(3)适用于雷达工作频率捷变的情形。(4)能产生复杂波形，例如线性非线性调频信号、相位编码信号等。
发射机功率放大器的主要器件有：磁控管、正交场放大器、速调管、行波管、固态晶体管放大器等。其中，磁控管(Magnetron)是一个由调制器启动的振荡器，但是开始振荡时，初始相位是随机的，因此不易实现脉冲之间的“相干性”，难以利用多普勒(Doppler)频率来区分目标和杂波，宽带噪声分量也会辐射出去。早期的雷达均采用磁控管发射机，其它四种器件常用于主控振荡器的功率放大链中。
正交场放大器(CrossedFieldAmplifier，CFA)：由于其效率高(25％～65％)和低工作电压的原因而用于很多功率较高的地面雷达系统。它是线性放大的，调制起来比较容易。不过，其增益相当低(7～16 dB)，而且必须用其它CFA、TWT或速调管来激励。其噪声输出要比磁控管低得多，但比其它器件高。
速调管(Klystron)放大器具有高功率、高增益、寿命长(几万小时)的特点。高功率(兆瓦)和高可靠性的速调管器件可用于3 GHz的交通管制和远程气象雷达，数千瓦级的速调管已进入毫米波段。速调管的噪声输出非常小，适用于相干多脉冲波形。速调管的缺点是相对带宽窄(8%左右)，要达到高功率及高效率就需要更高的电压。如果牺牲其它一些性能，则带宽可以增大。
行波管(TravelingWaveTube，TWT)放大器：与速调管一样，也可以输出低噪声的高功率信号，工作频率可达到毫米波段。但行波管的功率、增益、效率都比速调管稍低一些。它还可以在非常高的带宽范围内使用。TWT的增益往往会超过45 dB，而且相位对工作电压变化的敏感性比CFA高得多。稳定性问题主要涉及到高性能的电源设计。固态晶体管放大器：这种放大器的带宽比其他射频功率放大器的宽。
它采用硅二极管和砷化镓场效应管，单个晶体管放大器的功率和增益都低，但是它们的工作电压低，可靠性高，容易维护且寿命长。为了提高功率，晶体管可以并联工作，而且可以用多级来提高其增益。为了提高效率，工作时的占空比D(即发射脉宽与脉冲重复周期之比)较高，因而需要产生宽脉冲信号并且采用脉冲压缩技术。
发射机通常需要经过多级放大才能达到需要的高功率，射频放大链的组成及其特点如下：
(1)行波管—行波管放大链，具有较宽的频带，可用较少的级数提供高的增益，结构较为简单。但是输出功率不大，效率也不是很高，常用于机载雷达及要求轻便的雷达系统。(2)行波管—速调管放大链，可以提供较大的功率，在增益和效率方面的性能也比较好，但是它的频带较窄，放大链较为笨重，所以这种放大链多用于地面雷达。(3)行波管—前向波管放大链，是一种比较好的折衷方案。行波管虽然效率低，但可以发挥其高增益的优点。后级可以采用增益较低的前向波管，而前向波管的高效率特性提高了整个放大链的效率。这种放大链频带较宽，体积重量相对不大，应用广泛。
发射机的主要性能指标
根据雷达的用途不同，需对发射机提出一些具体的技术要求和性能指标。发射机的具体组成和对各部分的要求都应该从这些性能指标出发进行考虑。下面对发射机的主要性能指标作简单介绍。
工作频率或波段
雷达的工作频率或波段是根据雷达的用途确定的。为了提高雷达系统的工作性能和抗干扰能力，有时还要求它能在几个频点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，它首先涉及到发射管种类的选择，例如在1000 MHz以下(即VHF、UHF频段)主要采用微波三、四极管，在1000 MHz以上(即L波段、S波段、C波段和X波段等)则有多腔磁控管、大功率速调管、行波管及正交场放大管等。自20世纪60年代以来，微波功率晶体管技术飞速发展，固态放大器设计应用技术日趋成熟，全固态发射机也应运而生。目前工作频率在S波段以下的发射机大量采用全固态发射机。
输出功率
发射机的输出功率直接影响雷达的威力和抗干扰能力。通常规定发射机送至天线输入端的功率为发射机的输出功率，有时为了测量方便，也可以规定在指定负载上(馈线上一定的电压驻波比)的功率为发射机的输出功率，并且规定在整个工作频带中输出功率的最低值，或者规定在一定工作频带内输出功率的变化不得大于多少分贝。
脉冲雷达发射机的输出功率又可分为峰值功率Pt和平均功率Pav。Pt是指发射脉冲期间射频放大的平均输出功率(注意不要与射频正弦振荡的最大瞬时功率相混淆)，Pav是指在脉冲重复周期内输出功率的平均值。如果发射波形是简单的矩形脉冲调制，发射脉冲宽度为Te，脉冲重复周期为Tr，则有
式中fr＝1/Tr是脉冲重复频率。Te/Tr＝Tefr＝D，称为雷达的工作比。常规的脉冲雷达工作比只有百分之几，最高达百分之几十；连续波雷达的D＝1。
单级振荡式发射机的输出功率取决于振荡管的功率容量，主振放大式发射机则取决于输出级(末级)发射管的功率容量。考虑到耐压和高功率击穿等问题，从发射机的角度，宁愿提高平均功率而不希望过分增大它的峰值功率。
总功率
发射机的总效率是指发射机的输出功率与它的输入总功率之比。因为发射机通常在整机中是最耗电和需要冷却的部分，总效率越高，不仅可以省电，而且有利于减轻整机的体积和重量。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。
信号形式（调制形式）
根据雷达体制的不同，可能选用各种各样的信号形式，常用的几种信号形式列于下表。雷达信号形式的不同对发射机的射频部分和调制器的要求也各不相同。对于常规雷达的简单脉冲波形而言，调制器主要应满足脉冲宽度、脉冲重复频率和脉冲波形(脉冲的上升沿、下降沿和顶部的不稳定)的要求，一般困难不大。但是对于复杂调制，射频放大器和调制器往往要采用一些特殊的措施才能满足要求。
三种典型雷达信号和调制波形如图所示：(a)表示简单的固定载频矩形脉冲调制信号波形；(b)线性调频脉冲信号；(c)相位编码脉冲信号(图中所示为5位巴克码信号)。后两种信号常用于脉冲压缩雷达。
信号的稳定度和频谱纯度
信号的稳定性是指信号的各项参数，例如振幅、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。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，它会产生对消剩余，在脉冲压缩系统中会抬高目标的距离旁瓣以及在脉冲多普勒系统中会造成假目标等。信号参数的不稳定可分为有规律的和随机的两类，有规律的不稳定往往是由电源滤波不良而造成的；而随机性的不稳定则是由发射管的噪声和调制脉冲的随机起伏所引起的。
信号的不稳定可以在时域或频域内衡量。在时域可用信号某项参数的方差来表示，例如信号的振幅方差 \(\sigma_{A}^{2}\) 、相位方差\(\sigma_{\varphi}^{2}\) 、定时方差\(\sigma_{t}^{2}\)及脉冲宽度方差\(\sigma_{T_{e}}^{2}\)等。
对于某些雷达体制可能采用信号稳定度的频域定义较为方便。信号稳定度在频域中的表示又称为信号的频谱纯度，所谓信号的频谱纯度就是指信号在应有的频谱之外的寄生输出。以典型的矩形调幅的射频脉冲信号为例，它的理想频谱(振幅谱)是以载频f0为中心、包络呈sinc函数状、间隔为脉冲重复频率的梳齿状频谱，如图所示。
实际上，由于发射机各部分的不完善，发射信号会在理想的梳齿状谱线之外产生寄生输出，如图所示。
图中只画出了在主谱线周围的寄生输出，有时在远离信号主频谱的地方也会出现寄生输出。从图中还可看出，存在着两种类型的寄生输出：一类是离散的，一类是连续分布的。前者相应于信号的规律性不稳定，后者相应于信号的随机性不稳定。对于离散分量的寄生输出，信号频谱纯度定义为该离散分量的单边带功率与信号功率之比，以dB(分贝)计。对于分布型的寄生输出则以偏离载频若干赫兹的每单位频带的单边带功率与信号功率之比来衡量，以dBHz计。
因为存在离散型寄生输出和分布型寄生输出，所以对于信号频谱纯度的衡量 两个都要衡量，一个是衡量离散型寄生谱，一个是衡量分布型寄生谱
离散型寄生谱频谱纯度：用主副瓣比来衡量---->\(10lg\frac{信号谱的最大功率}{寄生谱的最大功率}\)，也就是最高峰值曲线的功率比上寄生谱的最大功率，单位是分贝值dB。
分布型寄生谱频谱纯度：\(频谱纯度=L(fm)=10lg\frac{距主频f_{m}处单边带\Delta B内功率}{\Delta B×信号功率}\)，从第一谱线的主频往左取\(f_{m}\)的范围，然后加一个滤波器，滤波器的带宽是\(\Delta B\),可以取出带宽内滤波器的输出功率取出来，单位是dB/Hz。
通常把偏离载波频率fm(Hz)，在1 Hz带宽内一个相位调制边带的功率PSSB与载波功率PS之比L(fm)称为“单边带相位噪声”，简称“相位噪声”，即
如果用 \(S_{Δ \varphi}(f_{m})\)表示相位噪声的功率谱密度，则有
其中\(Δ\varphi_{rms}\)为相位变化的均方根值。相位噪声的功率谱密度与频率起伏谱密度\(S_{Δ \varphi}(f_{m})\)之间的关系为
现代雷达对信号的频谱纯度提出了很高的要求，例如对于脉冲多普勒雷达，一个典型的要求是频谱纯度优于－80 dB。为了满足信号频谱纯度的要求，需要精心设计发射机。除了上述对发射机的主要电性能要求外，还有结构上、使用上及其它方面的要求。在结构方面，应考虑发射机的体积和重量、通风散热方式(风冷、水冷)、防震防潮防盐等问题；就使用方面看，应考虑便于控制监视、便于检查维修、保证安全可靠等。由于发射机往往是雷达系统中最昂贵的部分，所以还应考虑到它的经济性。
