经典雷达资料-第5章 固态发射机

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1、·173·第5章固态发射机第5章固态发射机MichaelT.Borkowski5.1引言在逻辑电路和其他小功率电路，甚至在像电源和低于1MHz的能量转换器这样的大功率应用系统中，固态器件已广泛代替了真空器件。惟一的例外是阴极射线管（CRT），原因是它比等离子体显示器便宜得多。由于单个固态器件的输出功率是相当有限的，所以，在雷达发射机中，从高功率的速调管、行波管（TWT）、正交场放大管（CFA）和磁控管到固态器件的过渡是渐进的。然而，与真空管相比，固态器件有许多优点。（1）不需要热阴极。因此，不存在预热延迟、灯丝功率浪费，

2、且使用寿命几乎无限期。（2）器件工作在低得多的电压环境下。因此，要求的电源电压是伏特级而不是千伏级，这样就避免了大空间、充油或密封的要求，从而，节省了电源的体积和重量，使电源和微波放大器获得较高的可靠性。（3）用固态器件设计的发射机与真空管发射机相比，平均无故障时间（MTBF）得以提高。已经测过的放大模块的平均无故障时间大于100000h。（4）不需要脉冲调制器。用于雷达的固态微波器件通常采用C类工作方式，当射频驱动开和关时，它是自触发的。（5）模块故障时，系统具有故障弱化功能。这是因为发射机的输出功率是由大量的固态器件

3、合成提供的，而且当个别单元故障时，其他单元能很容易地重新组合以弱化故障。若以分贝表示，输出的总功率仅降低20lgr，其中r为工作的放大器与放大器总数之比。（6）可获得很宽的带宽。一般高功率的微波真空管能获得10%～20%的带宽，而固态发射模块可获得50%或更大的带宽，并具有好的效率。（7）在相控阵雷达应用中，可获得很好的灵活性。在相控阵雷达系统中，每个天线单元可以与单个有源收发组件相连接，这样就可消除通常存在于真空管系统中，位于点源管放大器与天线阵列表面之间的射频分配损耗。另外，用于波束控制的相位移动可在低电平上，在有源

4、阵列单元的输入馈电端实现。这样就避免了辐射单元移相器高功率损耗，并提高了整机的效率。因输出功率是在空间合成的，从而任一点的峰值射频功率相当低。另外，输出幅度锥削可通过关断或减弱单个的有源放大器来实现。高功率真空管被固态器件取代的进程比以前预想的要缓慢得多。事后分析，其原因是，在相同的峰值功率和占空比条件下，直接用固态器件取代脉冲工作的射频真空管过于昂贵且无法进行。与射频真空管相比，微波半导体器件的热时间常数短得多（是毫秒级，而不是秒级）。结果使平均功率为50W的微波晶体管在脉冲期间不过热的前提下，不能承受比100～200

5、W更大的脉冲功率。具有窄脉冲宽度和低占空比的真空管式老雷达只能非常低效地利用微波晶体管的平均功率能力。例如，要取代L波段平均射频功率为500W、占空比·173·第5章固态发射机的典型值为0.1%的磁控管5J26，需要上面提到的50W的晶体管2500～5000个。换句话说，若在较高占空比的条件下以较低的峰值功率提供所需的雷达平均功率时，微波晶体管的效费比将大得多。因此，很少直接用固态发射机取代低占空比的老发射机，对于这一规则AN/SPS—40雷达是一个例外，以后将会讨论。对于新的雷达系统，这些认识已经启发了系统设计师尽可能

6、地选择高的占空比，这不但减少了峰值功率的要求，而且也可在合适的价位上使用固态器件。例如，若占空比为10%，本节前面提到的500W的平均功率可仅由25～50个50W的晶体管来提供。决定使用高发射占空比对雷达系统的其他部分产生了显著的影响。工作在较高占空比的雷达系统，通常要求使用脉冲压缩技术以同时获得所要求的无模糊距离覆盖和高距离分辨力。另外影响是，使用脉冲压缩技术的宽发射脉冲会使雷达在近距离产生盲区。因此，需发射和处理一个插入在宽脉冲之前的窄脉冲。为了防止强点杂波掩盖弱动目标信号，信号处理器必须获得低脉压时间副瓣和高杂波对

7、消比。因此，设计一个固态发射机作为一个新雷达系统中的一部分，比用一个固态发射机改造一个不具有这些特性的老系统要容易得多。高功率的微波晶体管在HF～L波段比在更高频段发展更快，固态发射机的最广泛应用是在这些较低频段，见表5.1。也注意到，那些在UHF或低于此频段的固态发射机通常比L频段的固态发射机有更高的峰值和平均功率。表5.1已投入使用的固态发射机系统名称生产厂家频率（MHz）峰值功率（kW）占空比平均功率（kW）模块数模块峰值功率（W）使用日期ROTHRRaytheon5～30210CW2108430001986NAV

8、SPASUR*Raytheon218850CW85026663201986SPS—40Westinghouse400～4502501.6%411225001983PAVEPAWS**Raytheon420～45060025.0%15017923401978BMEWS*Raytheon420～45085030.0%25