经典雷达资料经典雷达资料-第19章__导弹的雷达制导-4

·784· 雷 达 手 册 ·759· 第19章 导弹的雷达制导 天线 天线可能是最关键的子系统，因为它的设计决定了导引头的探测性能，进而决定视轴误差测量的质量。角度处理（即圆锥扫描或单脉冲网络）常常被认为是天线子系统指标的一部分。 天线的主要指标是最大可能的增益、最窄的波束宽度、低副瓣、最高的误差灵敏度（即单脉冲斜率）和大带宽（ARH应用）[5][6]。在主动式应用中，天线还必须能解决发射功率的问题，并能很好地与其匹配，使发射机反射回接收机的功率最小。 尽管除干涉仪和一些机身固定的ARH类型之外，大多数天线都是用万向支架固定的，但人们谈论更多是电控相控阵的可能应用。它要么与天线罩共形，要么安装在天线罩里面。特别是，有源阵列被认为是高性能主动式导引头的解决 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 。在现有的系统中，采用万向支架安装的天线完全能满足硬件较简单、费用较少的要求。这类型的天线将继续在该领域占主导地位，除非可得到一种可靠的、低成本的单元（移相器、收发（TR）模块）。 即使有效孔径最大和使伺服回路稳定度要求简单化，对万向型天线也有另外的要求。为达到这一要求，天线必须重量轻、惯性力矩小，而且还要坚固[16]。为使孔径最大，天线应加工得很薄以便其表面贴近旋转轴中心。普通的前馈式抛物面天线要在大万向支架角上获得间距，由于其深度，它明显小于平面天线（如图19.15所示）。 图19.15 用万向支架固定的天线的物理布局 将很薄的天线就近安装在旋转轴心可得到最大的天线孔径。 第一代圆锥扫描天线是抛物反射面，即通常的卡塞格伦型。单脉冲导引头一般使用裂缝波导或微波带状线平板，通过4个象限输出的结合可提供相位单脉冲测角，且受导弹直径5～20in的限制，只能开非常少的槽。对于锥状幅度分布，少量的槽不允许其分布有很大的自由度，因而难于实现低副瓣。为减小杂波和干扰的数量及有助于多目标的分辨，主波束应尽可能窄。为做到这一点必须限制幅度的锥削（以防止波束展宽）[6]。 另一个重要的设计是决定接收机哪些部分应放在万向支架上，哪些应放在万向支架外面。为减小噪声和保持单脉冲通道适当的增益及相位跟踪，把微弱的微波信号通过可弯曲电缆从万向支架上引出是不切实际的。这就需要用转动铰链（三通道或二通道，取决于单脉冲处理的结构）或在万向支架上完成IF转换后再用电缆把IF信号引出。在较强信号、较低的IF频率上，噪声的影响明显低于其在微波段的影响。但是，在万向支架上增加的重量必须保持最小，电缆的转矩或转动铰链的摩擦力必须最小，以便使万向支架的转矩适中，并使造成极限周期振荡问题的非线性影响最小。液压伺服系统虽有足够大的转矩容量，但对电驱动来说，其可获得的转矩是有限的，且必须考虑它们的影响。当然，在主动式导引头中，损耗和功率传送能力（对大功率而言）将迫使系统使用转动铰链来向天线发送发射机信号[16]。 由于以上诸多的原因，因此用万向支架固定的平面反射面（逆卡塞格伦）天线是一个非常吸引人的解决方法[48][49]。如图19.16所示，天线由一个固定的馈源和抛物反射面、一个用万向支架固定的可转动平面反射器组成。馈源辐射的线性极化能量被抛物面反射。反射面由金属网格组成，其目的是对发射的极化波进行反射。被反射的平面波照射在可转动的平板反射器上，该反射器实质上是1/4波长平板，反射、入射能量并将其极化平面旋转90°。因此，平板反射面网格对被反射的极化是透明的。这个布局不需要转动铰链，容许所有的处理单元和接收机单元不放在万向支架上。该天线还有一个优点：要到达给定的波束视角( ，则万向支架上的反射面只需转动( /2。由于要转动反射面，且万向支架转矩最小，加上2:1的角度关系，因此它有利于更简单的万向支架设计。然而，对于机身固定式天线，安装在万向支架上的陀螺仪影响了LOS的稳定性。利用惯性基准则需要有很低的稳定性。 图19.16 平面扫描天线 可提供馈源固定的机械扫描波束，不需转动铰链或可弯曲电缆来传送RF信号。 干涉仪天线可用在导弹弹头无法使用的场合，如用冲压式喷气发动机推进的导弹（采用前端进气）[5][50]。其典型的结构是在导弹周围使用两对阵子天线。从概念上讲，干涉仪是相位单脉冲天线，而小单元尺寸只能得到宽的波束宽度和低的增益。并且还要解决几个干涉仪波瓣间的模糊问题。干涉仪已被半主动式和被动式（ARH）系统所采用。如19.3节所述，机身固定式结构使用了其他类型的宽带天线。例如，锥形螺旋天线，由于其长度超出必需的视场，因此不便用万向支架固定在天线罩内。 接收机 接收机的前端将天线输出的低电平微波信号转换成频率适于处理的高电平信号。该信号可能是驱动早期系统速度波门的基带多普勒信号或一串驱动数字处理器的比特流。在这两种情况中，信号都必须放大到恒定（相对的）的幅度、被滤波和频率变换（通常要几次变换），同时保存目标信号的角度信息。因此避免饱和和消除干扰是它的主要要求。单脉冲系统还要求通道间对增益和相位进行跟踪。 相比之下，接收机后端的动态范围要小得多，而信号要大得多，所以其形式较为简单。在滤波、接收机保护和频率变换部件中有许多要求与接收机前端的相同。 接收机的微波部分按复杂性可以从一个简单混频器变化到一个带RF预放和预选的相当精细的二次变换系统（其一个通道的框图如图19.17所示）[6]。最早的系统使用平衡混频器把微波能量转换为IF能量，并且没有其他滤波或放大。混频器通常位于天线的后面，并用电缆与IF预放大器（没有放在万向支架上）相连，采用平衡混频器可消除LO信号中的AM噪声。最小的系统噪声系数是十分重要的要求。 图19.17 普通的接收机方框图 其可能的实现范围，从最简单的单变换混频器到带RF预放和接收机保护的最精细的双变换系统。 二次变频微波接收机位于频谱的另一端，其高的第一IF在UHF～2GHz频段，紧随其后的普通IF是60MHz或更低的频率。大多数结构的IF都在这些范围之内。具有代表性的某种类型的限幅器放在第一混频器之前，以保护混频器不被友方或敌方雷达的大功率信号烧坏。RF预选可由一个覆盖工作带宽的固定滤波器或一个可调谐的预选器，如钇铁石榴石（YIG）滤波器[51][52] 组成。 某些系统包括RF预放大器。低噪声场效应三极管（FET）技术提供了非常低的噪声系数（低至2~3dB），但是与二极管混频器相比，它降低了动态范围。如果是以ECM（如在作战情况下）为主的环境，这些低噪声系数似乎能对灵敏度（即捕获距离）提供明显的改善，那么决定检测门限的不是热噪声而是干扰。但事实上，FET预放大器不能提高性能[6]。为了维持大信号环境下的线性，预放大器可用开关旁路或接入另外的衰减（步进AGC）。 在二次变频接收机中，第一次变换通常使用固定LO；在倒置接收机结构中，第二次变换用于闭合多普勒跟踪环路。如果只使用一次变换，则倒置接收机中的多普勒跟踪环路将由混频器闭合。在普通接收机中，LO是一个由后面的AFC回路控制的可调谐振荡器。 其他型式可使用镜频抑制混频器代替带通滤波器来抑制镜频和避免噪声折叠[52]。 主动式导引头需要用收发开关来提供收发隔离。 随着集成度的提高，接收机可视做一个部件而不是一个子系统，单块芯片能集成其中的大部分或整体[53][54]。 低噪声频率基准 也许，最困难的设计挑战是低噪声频率基准。在半主动式导引头中，最困难的部分就是LO；而在主动式结构中，最困难的部分就是提供发射机RF的激励源。在每种情况下，都有一个基本振荡器充为导引头的频率基准，其他需要的信号（如系统中用于其他变换的LO）通过混频或锁相技术由基本振荡器得出。 正如前面讲到的，普通半主动式导引头的LO已从宽可调谐范围微波源发展到本质上是固定调谐或频率略微可变的微波源。它必须具有低的近载频噪声，而且根据具体应用，必须显示出很严格的长期频稳度或具有连续的、线性的、重复可调的特性。基本振荡器常结合消噪技术以满足低噪声要求。在偏离载频10～20kHz的频率上，典型的低噪声要求可能低至140dBc/Hz（即1Hz带宽内比载频能量低140dB）[55]。 早期系统的微波LO通常是采用机械粗调（以便覆盖工作带宽）和电子微调的反射速调管，需要用尾部回路来衰减噪声[6]。固态微波源使用较低频VCO和倍频器来产生所需的频率。在典型的结构中，变容二极管调谐晶体管振荡器提供1GHz以内的可调谐度，变容二极管或阶跃恢复二极管可用做乘法器[32][56]。 随着趋向于更精密的发射机频率的控制，这使导弹的LO采用晶控得以实现，用在5～100 MHz范围内的基本晶体振荡器或压控晶体振荡器（VCXOs）直接倍频到微波频率或用于VCO锁相。但是，由于高次倍频（50MHz要乘以200才到X波段），因此基本振荡器的噪声必须相当低才能满足最终的要求[32][56]。 随后的设计是使用声表面波器件（延迟线或谐振器）作为振荡器的反馈元件[55][57][58]。UHF～L波段范围内的SAW振荡器只需极低的倍频因子（X波段LO只需乘以10～30）就能得到需要的频率，因此它们的FM噪声比晶体振荡器的低。这不仅仅使倍频噪声的影响相应地减轻，而且硬件尺寸更小和更简单，且采用多路切换延迟线来提供频率捷变，采用SAW谐振器作为反馈单元所产生的FM噪声要比采用延迟线的低（可降低20dB）[56]。其另一个有前景的方法是介电谐振振荡器（DRO）。 上面的任何一种结构都必须特别注意减振。如果在设计中不重视器件的安装和材料的选择等，则正常的导弹振动环境能将振荡器变成噪声产生器[55]~[57]。 信号处理器[2][5][6] 作为硬件单元，信号处理器可完成目标检测、距离测量、多普勒测量、角度误差提取及闭合相应的跟踪环路。接收机与信号处理器之间的划分有时是相当模糊的。在第一代系统中，速度波门是很容易识别的，但在倒置接收机中，窄带状结构（多普勒信号处理）放在大多数接收机放大之前，因此在很大程度上它们的区别就消失了。 在现代数字实现方法中，主要的权衡是在何处划定模拟处理和数字处理间的界线。大多数需要的功能能否用数字方法实现，取决于数字方法是否能得到更简单的硬件而又能保持同样的性能[59]。 例如，一个多普勒滤波组的实现可能由许多窄带模拟滤波器组成或由一个宽多极带通模拟粗选滤波器后接一个数字F F T组成或完全由一个数字结构组成。 由于模拟粗选滤波器可大大地降低数字处理机所需的运算总量，因而是可选方案。 如果模拟式距离波门选通，则必须置于窄带多普勒滤波之前，因为它是宽带处理（必须维持窄脉冲形状）[60]。可是，宽带模数转换可为全数字距离多普勒处理器作准备。 随着模/数转换器（ADC）朝更高速、更大位数（决定动态范围）的发展，数字化在导引头框图中的界限也将进一步向接收机前端推进。理想的极限是在每个天线输出端口就有一个ADC，但这离实际应用还有很长的距离。 发射机 因为发射机在大多数应用中趋于支配重量/体积的预算，故是主动式导引头设计中的一个关键部分。其他子系统的微型化对系统尺寸的减小是有限的，以至于发射机多半代表了导引头重量/体积的50%或更多。 发射机的主要参数为平均功率、效率（因为发射机的大小必须考虑主要的动力能源及散热）、波形限制、重量/体积、电源要求、频率带宽、噪声和稳定性。 主要的设计决策是采用真空管还是采用固态器件，且每一类型都有多种选择。根据工作频率和距离的要求，再结合导弹尺寸（即有效天线孔径），发射机结构的选择主要是依据可利用的功率和功率/重量、功率/体积方面的考虑。在权衡过程中，电源电压是一个重要因素（固态在100V内，真空管的典型值为10kV或更高）。 在弹载发射机中，一个主要的不同是其工作时间和相应的热学设计方面的考虑。与普通雷达连续工作并可主动冷却的方式不同，主动式导引头适合于短期（至多几十秒）工作，因此属被动冷却。它所要求的是要有足够的物体散热并使其不超出温度界限。当然，这给高效率发射机增加了额外的费用，尤其是高功率发射机。为延长测试，可能需要主动冷却系统。 许多地面目标均使用低功率（小于1～几瓦）的固态发射机。而在对空中小截面积目标的拦截中，需要几百瓦的平均功率，一般选择真空管发射机，尤其是在更高的频率上。在需要几十到100W、200W平均功率的应用中，真空管和固态两者都可供选用[16]。 真空管发射机[61]~[63] 磁控管、速调管和行波管（TWTs）在主动式导引头中作为微波功率源都有使用。在对付大截面积目标的早期非相参脉冲发射机中，磁控管振荡器可以胜任。为产生相参发射波形，提倡采用注入锁定磁控管[64]~[66]。这种方法有时包括几个磁控管输出的合成，以获得所需的功率[64]。磁控管的一个主要缺点是带宽窄。 速调管在各种普通应用的工作波段内都能提供中功率到高功率，但也有低瞬时带宽的不足。来自Varian的最新公布成果描述了这样一种速调管：Ka波段，500W的平均功率，2.6kW的峰值功率，14kV电源[63]。 普通螺线型TWT在X波段可提供几百瓦的平均功率，并有大带宽。但是，在更高的频率段，由于散热困难，因此尺寸减缩将严重限制螺旋管的性能，在Ka波段可获得的最大平均功率为几十瓦。耦合腔TWT在Ka和毫米波波段能提供更大的功率[67]，但电源电压需要达30kV的数量级，并且管子大（典型长度为16 in），费用高[63]。 正交场放大器能高效地提供高功率，但与TWT相比，电压要低得多，尺寸也小得多。它带宽适中，但因没有栅极，故使得调制更困难而且限制了所能实现的PRF最大值[62]。 尽管真空管自早期系统就开始使用了，但在系统向更高频率（Ka和毫米波）发展的推动下，它取得了巨大的进步。在导弹的应用中，要将电源封装于有限的空间内，高电压要求对此提出了特殊问题，尤其是在高空使用时。但是，如果功率要求只能由真空管发射机来满足，那么无论困难有多大，这些问题都是不得不要面对和解决的。 固态发射机 各种固态器件已应用于主动式导引头发射机，包括单个器件或多个器件功率合成。其3种主要类型是碰撞雪崩渡越时间二极管（IMPATT）、耿式（Gunn）二极管和FET[62][68]。 在低功率系统中，以空对地近程导弹为代表，单个Gunn或IMPATT作为发射管就足够了。在中、高功率应用中，必须将多个器件的功率合成才能满足要求。IMPATT所能提供的功率要大于Gunn二极管；砷化镓（GaAs）IMPATT在40GHz以下提供的功率更大，效率也更高；在更高频率上，硅IMPATT的性能更好。Gunn二极管的噪声较低，使其很适合于注入型锁定IMPATT或作为LO或低功率CW源[69]。 最大的固态功率是通过大量的IMPATT二极管在一个谐振腔（Kurokawa合成器）内合成的。在X波段，用32只二极管合成出313W的平均功率[70]。64只二极管合成功率的方法在文献中也有叙述[71][72]。使用腔体得到的带宽虽较窄，但已足够（1%～2%）。IMPATT在注入锁定模式下，其增益适中（5～8dB，取决于合成二极管的数量），因而需要多级放大合成来达到最终的输出功率。商品级的GaAs二极管从X波段的10W CW到Ka波段的3W CW，因此合成器功率会相应地低一些[73]。 所能得到的最大功率取决于实际可合成的二极管数目。物理尺寸限制了每个腔内二极管的数目，但是如果认为其复杂程度可接受的话，则多个合成器的功率在理论上是可以合成的。IMPATT调制器在低压条件下必须能提供相对大的电流（X波段砷化镓在100V电压下的典型值为1.7A）[73]。IMPATT的效率趋向于比真空管发射机低，因此热力学设计是个关键。与IMPATT相比，砷化镓FET一般显示低功率、高效率。但FET合成技术无法与IMPATT合成器相媲美。作为线性放大器，FET已用于IMPATT发射机的前级。有源阵列方法的讨论核心是功率FET，它是组成这种天线-发射机的TR模块的关键部件。 器件、合成器和调制器的改善不断地提高固态发射机的能力。固态管与真空管相比，虽提供的发射机重量更轻、结构更紧凑，但相当复杂。可靠性考虑倾向于通过“性能适度下降”的概念来补偿，因为一个或几个器件的故障不会导致整个发射机的故障。在中等功率的应用中，固态发射机将继续是一个具有吸引力的方案。 电源 主要电源由电池提供，尽管也可使用电机发电机。设计中需要决定的是使用多电压抽头还是用单电压电池和各种直流-直流转换器来提供各种电压。后一种方法较简单，但转换器断续频率是系统的潜在噪声源。其趋势已从较早系统所使用的银锌电池发展到后面的热电池。 现已发现，大电流需求的电源（如发射机、数字计算机所用电源）与其他较低电平子系统的隔离能明显地改善噪声和干扰问题。此外，有必要添加电压稳压器和滤波以降低子系统间的交互干扰。 除了电源外，某些系统还包括用于天线驱动和/或支撑面传动装置的液压或气压源。 集成 将各子系统成功地集成为一运转的导弹导引头，其关键是功能划分。有效地划分能按照功能实体确定、制造和测试每一个子系统，并能使其互连和系统级调整最少。 集成过程中的最重要的方面可能是维持子系统的独立测试能力，使其不需依靠“手工剪裁”即可与相邻子系统匹配。作为规则，应避免系统级的调整，具有零调整的子系统将是最终的目标。 各种测试和维护工程指导思想已应用在导弹中。广泛应用的机内在线自检是其中的一种方法。它可周期地、有时频繁地测试。故障隔离和故障单元的更换是该方法中的一部分。但是已发现现场可维修部件会带来更多的问题，这种维修最好只在中心基地或修理厂中进行。 一个很成功的方法是圆整木（Wooden-round）思想[28]。在这种方法中，导弹通常不进行试验而是被当做一发完整的炮弹。这种无现场测试的方法取得了极高的可靠性结果，且采用导弹抽样检验来保持批量生产产品的置信度。可靠性不能用硬件来测试。如果可靠性是在工厂建立的，就不需进一步测试，而且一旦按下点火按钮，导弹应高可靠地正常运行。 参 考 资 料 1 Phillips , T . 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