船用导航雷达发射机的研究

船用导航雷达发射机的研究 论文 政研论文下载论文大学下载论文大学下载关于长拳的论文浙大论文封面下载 题 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 目 : 船用 导 航雷达发 射机的 研 究 专 业:通信 与 信息系统 学 生:袁银 奇 签 名___________ 指导教师 :王亚 民 签 名___________ 摘 要 随着经济和科技的发展, 船舶对导航雷达的测距与测速精度的要求不断提高。 导航 雷达的测距和测速精度, 甚至雷达的整体性能, 都与导航雷达发射机的性能指标密切相 关。因此,对导航雷达发射机的研究具有极其重要的意义。 本文对导航 雷达发射机进行研究,主要依据磁控管 工作原理和 V-I 特 性对脉冲变压 器及磁控管灯丝电压进行研究, 通过原理性设计和实际的电路实现来完成 导航雷达发射 机研究 工作。 发射机电路 按功能可分为脉冲调制 器, 磁控管灯丝电压, 直流高压 三个模 块。 脉冲变压器 是脉冲调制 器中重要 的一部分。 磁控管作为导航雷达发射机中的微波功 率器件,其 V-I 特性的 研究是进行导航雷达发射机研究的基础,同时也是 双输出脉冲变 压器研究的重要依据。基于磁控管 V-I 特性进 行的脉冲变压器研究和基于磁控管工作原 理设计灯丝电源, 是导航雷达发射机的研究重点, 因此作为本课题的中心 进行研究。 本 文也对为调制器提供高压电源的直流高压模块进行了分析。 本文 在着重理论研究 ??进行原理性的公式推导和演算 的同时, 通过实际雷达发射 机电路的设计来验证理论研究的成果, 具有理论指导价值 和实际应用价值 。 本课题提出 的基于磁控管 V-I 特性 研究脉冲变压器 和基于磁控管工作原理设计 灯丝电源 的方法,使 发射机中 各功能电路与磁控管相匹配, 确保发射机内部匹配 度达到最好。 通过这种方法 进行的 船用导航雷达发射机 设计,可极大改进雷达发射机的性能。 关 键 字:雷达发射机 ;脉冲变压器;灯丝电压 ;脉冲调制;脉冲信号 研究类型: 应用研究 Subject : The Research of Marine Navigation Radar Transmitter Specialty : Communication and Information Systems Name : Yuan Yinqi Signature Instructor : Wang Yamin Signature ABSTRACT With the development of economy and technology, ranging speed accuracy requirements of ship navigation radar is also rising. Ranging and velocimetry precision of navigation radar, even as the overall performance of the radar, depends on the performance of navigation radar transmitter. Therefore, the study of navigation radar transmitter has an extremely important significanceIn this paper, the research and analysis on the navigation radar transmitter is researching on pulse transformer and magnetron filament voltage based on primarily on the V-I characteristics of the magnetron. It completed the work of improving design of transmitter, by the principle of the design and the actual circuit implementation. Transmitter can be divided into three modules of Pulse Modulator, magnetron filament voltage, DC high voltage by function. The pulse modulator include pulse transformer which is important part of the pulse modulator. As the Microwave power device of navigation radar transmitter, V-I characteristic of magnetron is the basis of the study of the navigation radar transmitter, and is an important basis of the theoretical study on the dual output pulse transformer. The research of the pulse transformer based on the magnetron V-I characteristics and filament voltage based on the V-I characteristics of the magnetron, to a certain extent, is the focus of navigation radar transmitter, so it can be made into the major work of the study of the subject. A detailed study and analysis on the DC high voltage providing high-voltage power supply for the modulator is carried out in this articleThis paper mainly focuses on theoretical study, derive and calculus through the principle of the formula, and design the actual transmitter to test verification by the theoretical results of the study, having theoretical guidance value. The topics proposed the method which research on pulse transformer and filament voltage based on the V-I characteristics of the magnetron, can make other functions of the transmitter circuit match to the magnetron, and make all of the circuit best Match to each other. The design of the navigation radar by this method, can greatly improve the performance of the radar transmitter Key words: Radar Transmitter; Pulse Transformer; Filament Voltage; Pulse Modulation; Pulse Signal Thesis : Application Research 目 录 目 录 1 绪论1 1.1 本课题研究的现实意义1 1.2 雷达发射机的历史发展1 1.3 船用导航雷达研究现状1 1.4 本课题主要研究内容 2 1.5 论文结构2 2 船用导航雷达发射机的原理. 4 2.1 船用导航雷达的原理. 4 2.2 导航雷达发射机的原理 5 2.3 发射机的技术参数7 2.3.1 发射机功率 7 2.3.2 发射机的频率8 2.3.3 发射机输出脉冲信号波形 8 2.3.4 发射机效率 9 2.3.5 信号的稳定度或频谱纯度 9 2.3.6 发射机的抗干扰性 9 2.4 发射机设计的基本要求 9 2.5 功率器件及发射机工作方式的选择10 2.6 本章小结. 11 3 船用导航雷达发射机的研究12 3.1 发射机中磁控管的研究 12 3.1.1 磁控管的特点 13 3.1.2 磁控管原理. 13 3.1.3 磁控管的工作特性分析13 3.2 脉冲调制器的研究 16 3.3 脉冲变压器的研究 20 3.3.1 脉冲变压器的原理及分类. 21 3.3.2 脉冲变压器 的主要技术指标 22 3.4 脉冲变压器的等效分析. 23 3.4.1 普通变压器工作时的物理过程23 3.4.2 脉冲变压器的等 值线路23 3.5 直流高压电源的研究34 I目 录 3.6 磁控管灯丝电压的研究. 35 3.7 本章小结. 38 4 发射机整体设计及试验平台的搭建39 4.1 发射机研究结果分析. 39 4.2 发射机电路的整体设计 41 4.3 发射机试验平台的搭建 43 4.3.1 发射机电路实验分析 43 4.3.2 发射机及测试设备. 44 4.3.3 发射机实验平台的搭建46 4.4 本章小结 48 5 发射机实验结果及结论分析50 5.1 发射机试验50 5.2 发射机试验结果分析. 50 5.3 本章小结 54 6 总结与展望 55 6.1 总结 55 6.2 展望 55 致 谢57 参考文献58 附 录60 II1 绪论 1 绪论 1.1 本 课题研 究的现 实 意义 随着科技的发展, 雷达在越来越多的领域 ( 包括探测, 导航, 火控, 监测, 电子 战 [ ] 1 等)起着重要的作用 和 意义 。经济发展和国 家战略利益 越来越多 的 依赖于海洋 经济的 发展, 这 些都 对船舶设备提出了 更高更严的要求。 作为船舶 “眼睛” 的导航雷达,其性 能就受到更为严格的要求限制。船 用导航雷达,主要 是指安装在港口 VTSvessel traffic servers 系统中或船舶上 , 依靠收发微波信号在有 海杂波的海洋环境中识别出相关的船舶 [2] 目标 。 随着 科学技术的进步, 雷达更高的测距精度和测速 精度对船舶有着重要的意义。 船用导航雷达的测距精度与测速精度在很大程度上取决于 发射机的各项性能指标 , 因此 导航雷达发射机的研究 是科技进步的要求, 同时也 是国家海洋经济发展及海洋战略实施 不可或缺的 重要组成部分。 本课题通过对导航雷达发射机的研究, 设计出的导航雷达发 射机具有更高的测距及测速精度,并能 显著提高整个雷达系统的性能。 1.2 雷达 发射 机 的历 史 发展 实用的雷达系统是在 19 世纪 80 年代后期出现, 船 用雷达则是在 20 世纪初发明的, 这些早期 雷达的发射机 均采用火花隙。 栅控真空管 (三极真空管) 的发明也为雷达的发 展提供了技术条件, 经过 20 世纪 30 年代早期的极大发展, 栅控真空管在第二次世界大 战期间被广泛 且成功地应用于防空雷达上。 真空三极管发射机,工作频率限于 VHF 和 UHF 。 在同一时期即 1940 年,英国物理学家 H.A.H. 布特和 J.T. 兰道尔制成了完全实用 [3] 化的微波腔体 磁控管,克服了渡越时间效应 。磁控管的发明 极其重要, 它使雷达信号 突破 VHF 和 UHF 频段 的限制, 为研制 高频段雷达 提供技术条件, 极大地促进了高频段 大功率雷达的发展 。 相继出现 的速调管、 磁控管 、 行波管等微波电子管, 促使雷达发射 机在微波频段获得大发展。 1.3 船 用导航 雷达研 究 现状 微波雷达自 1943 年被 美国正式推出以来,一直作为舰船的重要导航设备,并在不 停地得到改进和发展。船 用导航雷达出现至今已近 70 年,经历了电 子管、 晶体管、集 成电路三个时期, 现已发展到了超大规模集成电路VL1C 、 微波集成 电路和微处理器时 代。 船用雷达发射系统在未来几年里, 仍然会如过去几十年一样还是采用相同型式的脉 冲调制、磁控管振荡直接输出。船用雷达的工作频率主要在 X 、S 、C 、Ka 四波段,发 [4] 射机脉冲功率多在 20~50kW 之间,通常不超过 100kW 。随着雷达 接受原理的完善及 1西安科 技大 学硕 士学 位论 文 接收机精度的提高, 发射机的功率在保证雷达威力的前提下不断地降低。 目前, 导航雷 达发射机的发射功率在 4~30kW 之间。 发射 机脉冲调制器由 早期的软性管、 刚性管, 逐 步发展到固态调制 及三种型式并存。 由于调制管寿命成倍延长, 及调制器件、 调制型式、 磁控管质量不断改善,发射机可靠性 及整部雷达的工作可靠性随之 增大 。 在众多船用雷达生产厂家中, 在中小型船用雷达方面, 古野、 光电、 安利等公司仍 处于领先地位, 其中 古野 最为突出。 在中国市场上,80% 左右的中小型船用雷达为古野 [5] 产品。在国际市 场上,古野的中小型雷达也占领先地位 。 船 用导航雷达的研究受到一些经济与技术方面的原因,与其他同类别的雷达比较, 进展比较缓慢。 船用导航雷达大多是基于民用的, 这种导航雷达无法满足军用舰只的 雷 达体制及技术要求。 目前民用船舶导航雷达的市场竞争相对比较激烈, 雷达的研制与改 进需求也相对强烈。 作为船 用导航雷达最不可或缺 、 改进难度较大的部分, 发射机的研 究就成了极为迫切的任务。 1.4 本课题主 要研究 内 容 本文主要针对船 用 导航雷达发射机进行研究 。 通过对磁控管工作原理的分析, 依据 其 V-I 特性, 对脉冲调 制器和灯丝电压进行 研究 。 依据磁控管的工作原理 及其 V-I 特性, 对脉冲调制器, 主要是脉冲变压器进行研究与分析, 并完成对磁控管灯丝电压 的研究与 理论性设计。 通过对脉冲调制器和灯丝电压的研究, 使其最佳匹配于磁控管的 工作特性, 设计出性能优良的发射机。 因此作为发射机的 重要组成 部分的脉冲变压器 、 直流高压电 源及灯丝电压 电源将作为重点进行研究与分析。 1.5 论文结构 本文分为以下几个部分: 第 1 章 绪论。主要阐 述了本课题的研究意义,也详细地阐述了船舶导航雷达发射 机的发展历史及总 体的研究现状。 论述了本课题的研究内容, 总体描述了整个课题的框 架结构和研究思路。同时 对论文的整体 架构 酒店人事架构图下载公司架构图下载企业应用架构模式pdf监理组织架构图免费下载银行管理与it架构pdf 和各章节内容做了 简要概括。 第 2 章 船用导航雷达 发射机的原理 。此章节主要分析了导航雷达雷达的原理。 分 析了导航雷达发射机的基本原理, 描述 了导航雷达发射机的 基本参数要求。 对导航雷达 发射机 中的微波功率器件进行介绍,并对发射机的工作方式进行选择 。 第 3 章 船用导航雷达 发射机 的研究。磁控管作为导航雷达发射机中的微波功率器 件,对 其工作特性进行了详细 研究与分析。对磁控管的 V-I 特性的研 究,是进行脉冲调 制器研究的前提, 同时也 是双输出脉冲变压器研究的最重要依据。基于磁控管 V-I 非线 性特性研究 脉冲调制器 ??主要是脉冲变压器, 及基于磁控管工作原理设计灯丝电源, 是导航雷达发射机的研究重点, 同时也作为本课题的中心进行研究。 为调 制器提供直流 21 绪论 电源的直流高压模块也进行了 研究与分析。 第 4 章发射机整体设计 及试验平台的搭建。 本章节结合第三章节的研究结论, 设计 出实际的导航雷达发射机, 完成发射机电路的原理图及 PCB 电路板的设计 。通过发射 机的硬件调试 ,并结合雷达发射机实际的工作环境搭建测试平台 。 第 5 章发射机实验结果及结论分析。 本章节是基于上两章节的理论 分析和验证试验 取得的实验数据,通过对实验数据的分析和总结,得出结论性的成果。 第 6 章 总结与展望 。 本章节是对船用导航雷达发射机的整体研究过程进行概述, 并对具体的研究结果进行概括性的分析 与总结。 同时, 也对本课题研 究过程中存在的不 足之处进行分析及总结。 3西安科 技大 学硕 士学 位论 文 2 船 用 导航 雷达发射 机的原 理 2.1 船 用 导航 雷达的 原理 船用 导航雷达装在船上用于航行避让、 船舶定位、 狭水道引航 等, 在能见度不良时 为航海人员提供了必需的观察手段。 导航雷达作为船舶上重要的船电设备 之一, 被称为 船 舶 的 “ 眼 睛 ” 。 船 用导航雷达 作 为 安装 在 船舶 上 的 雷 达 可 以发 现 并跟 踪 周 围 其 工 作 范 [6] 围内的 目标及目标特性, 在船舶航行期间提早发现 碰撞等危险行为并避免其发生 。船 用导航雷达和其他雷达一样, 主要是通过发射和接受电磁波信号, 并通过对接收到的电 磁波信号进行一系列的处理,来获得相关目标及其特性。 图 2.1 是船用雷达整机的 原理框图。导航雷达整机主要包括船用电源、发射机、雷 达天线、接收机、数字信号处理模块及雷达显示装置等部分。 天 线 微 波传 输线 回 波 T/R 发 射 脉 冲 发射机 触 发 器 接收 机 回 波 船 首线 电源 显 示 器 方 位 船 用 电 源图 2.1 雷达 整机 原理 框图 船用导航雷达工作时, 雷达发射机产生 带有 足够电磁能量的微波信号 , 经收发转换 器 (环形器) 传输给雷达 天线。 雷达 天线在旋转的同时 将微波信号发射出去 , 发射出的 微波信号 遇到存在于波束 范围内的物体后, 电磁波 将在各个方向上产生反射, 其中 的部 分微波信号将由原路径 反射回雷达并被天线获取 , 经过收发转换器传送到接收机, 形成 雷达的回波信号 , 并通过一系列的数字信号处理后在雷达显示器上将目标及其重要的参 42 船用导 航雷 达发 射机 的 原理 [7] 数显示出来 。 图 2.2 是雷达收发机的功能框图。 在导航雷达系统中最重要的部分即为收发机模块, 其他的功能模块都是围绕这两个模块进行的。 时 序 产 生器 天 线 调 制器 波形 功率环 形器 激 振器 产生器 放 大器 相 参 稳定 振荡器 振荡 同步时 频 率 产 生 器 接 收机 钟信号图 2.2 雷达 收发 机的 功能 框图 导航雷达主要 用途是 测量船舶周围相关目标的参数,用于 保障船舶航行时的安全。 雷达最基础、 最重要的功能就是测定相关目标和雷达所在主体之间的距离。 目标方位的 测定也 是导航雷达的重要功能之一。 导航 雷达是通过 获取旋转的天线发现目标时 的方位 参数来实现 目标方位的测 定。 雷达的 作用距离是指雷达能够可靠发现目标的距离。 它取决于雷达的发射功率与 天 线口径的乘积, 同时也 与目标本身反射雷达电磁波的能力 (雷达散射截面积的大小) 等 因素有关。 雷达的威力范围指由最大作用距离、 最小作用距离、 最大仰角、 最小仰角及 [8][9] 方位角范围确定的区域 。 总 括起来,船舶导航 雷达主要的技术参数包括 发射机发射的微波信号的 工作频率 (波长) 、脉冲重复频率、脉冲宽度、发射功率、天线波束宽度、天线波束扫描方式、 接收机灵敏度等。 上述参数中 与发射 机相关的技术参数超过半数 , 因此在雷达 的研究工 作中, 发射机占据极其重要的位置。 2.2 导航雷达 发射机 的原理 雷达是利用物体反射电磁波的特性来发现并 确定目标的距离、 方位、 高度和速度等 参数的。 因此, 雷达工作时 需要发射特定的大功率 电磁波信号。 发射机在雷达中 产生特 [10] 定大功率 电磁波信号?? 载波受到调制的大功率射频信号,由天线辐射出去 。 雷达发射机可以分为两大类:单级振荡式和主振放大式。 主振放大式发射机的特点是有多级组成。 其中射频放大链通常是由二至三级射频功 5西安科 技大 学硕 士学 位论 文 率放大器级联组成。 对于脉冲雷达而言, 各级功率放大器都要由单独的脉冲调制器的进 行控制,并且通过定时器协调它们的工作。 图 2.3 为单级振荡式发射机原理框图。单级振荡式发射机所提供的大功率射频信号 是由一级大功率振荡器产生的。 振荡器工作过程受脉冲调制器的控制, 输出的是受到调 制的大功率射频信号。 单级振荡式发射机与主振式发射机相比, 较为突出的特点是简单、 经济及轻便。 实 [11] 践表明, 同样的功率电平, 单级振荡式发射机大约只有主振式发射机重量的三分之一 。 触发 调制 开 关 大功率 天 信号 刚 性/ 软性 射频 振荡器 线 电源图 2.3 单级 振荡 式 发 射机 原理框 图 作为 船用导航雷达,对发射机具体要求主要在于经济实用,安全性及可靠性要高。 基于导航雷达整机的使用环境及技术要求, 选单级振荡式发射机作为船舶 导航雷达的发 射机。 功率振荡器件中, 最常用的就是磁控管。 因此, 本文所研究的船用导航雷达发射 机即为 磁控管发射机。 图2.4为雷达发射机的基本组成框图。 雷达发 射机主要由预调制器、 脉冲调制器、 磁 控管灯丝电压、 直流高压电源及磁控管组成。 预调制器是将雷达整机提供的触发脉冲信 号转换成脉冲波形符合调制器功率开关管要求的预调制器脉冲信号; 直流高压电源将雷 达 整 机 提 供 的 船 上 直 流 电 源 经 转 换 成 满 足 调 制 器 使 用 的 直 流 高 压 ; 在 触 发 脉 冲 间 隔 期 间,直流高压通过调制器中的充电电阻对储能电容进行充电 。 直流 高 压 电源 天 脉 冲调制 器 预 调 磁 控 管 调 制 器+ 脉 冲变压 器 线 制 器 直 流 磁 控 管 灯丝 电压 低压电源图2.4 雷达 发射 机的 基本 组成框 图 磁控管 正常工作时, 需 经灯丝电压对其进行 一定时间 (通常为2.5min ) 预热, 当触 62 船用导 航雷 达发 射机 的 原理 发脉冲到来, 调制器 中的 功率开关管 导通, 储能电容储存的电能在脉冲变压器初级形成 负电压 调制脉冲, 经转换 形成磁控管所需的负高压调制脉冲; 磁控管产生自激振荡, 输 [12] 出微波脉冲信号 。 2.3 发射机的 技术参 数 导航雷达 发射机是 根据导航雷达的具体使用任务、特点及工作环境 的要求设计的。 在导航雷达整机中, 最主要的部分为雷达发射机和接收机。 雷达接收机是将雷达发射机 机发射出的信号遇到目标反射回的回波信号接收、 处理及显示出来。 雷达接收机的前提 是存在发射机发射的信号, 因此, 发射机是导航雷达发射机不可或缺的部分, 其主要 任 [13][14] 务是为雷达 整机提供满足要求的大功率射频信号 。 2.3.1 发射机功 率 设雷达发射功率为 P ,发射天线增益为G , 则在距雷达 R 处的功率密度为 t t PG t t S2.1 1 2 4 ?R ' 若应答机天线的有效面积为 A r ' 2 G' r A2.2 r 4' 2 PG Gt t r P2.3 r 2 2 ?4 ?R由公 式 (2.3) 得出 : 将 雷达接收机和数字信号处理 部分进行理想化 处理, 雷达作用 [14] 距离的 4 次方与发射机输出功率成正比。 发射机的输出能量越大, 雷达作用距离越远 。 现代雷达设计中,在保证雷达作用距离的条件下,应综合考虑以下几点: (1) 保证最大的有效作用距离 :目前的船用导航雷达作用距离:96nm (120nm)。 (2 ) 发 射 机 输出 功 率越 大 , 雨 雪 、 海浪 产 生的 回 波 干 扰 信 号越 强 。 为了提高雷达抗雨 [16] 雪、 海浪及大雾的能力, 在 接收机的灵敏度一定 情况下, 发射 机输出功率应尽可能小 。 (3 ) 发射 机 输出 功 率越 大 , 其 电路 设计 和 结构 越 复 杂 , 采用大 功 率高 压 元 件 就 越 多 , 使发射 机系统发生故障的概率 增大, 同时造成生产 成本的提高。 从雷达的生产成本和提 高雷达发射机系统的工作可靠性方面考虑,发射机输出功率应力求降低。 综上所述, 在导航雷达发射机研究与设计过程中, 其输出功率的设计需要 兼顾雷达 距离、抗干扰能力及整个系统的可靠性等多方面因素,从中选取理想的折中 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 。 7西安科 技大 学硕 士学 位论 文 2.3.2 发射机的 频率 由经典 雷达作用距离的 关系式,可推导出雷达作用距离与功率孔径积的关系如式 4 R ?PA 2.4 其中: P 为发射机的发射功率, A 为雷达的天线增益。 由 式 (2.4) 可知, 理想 状态下 , 不考虑 路径损耗时, 在发射机功率 一定、 天线孔径 [17] 确定的情况下 ,雷达工作频率越高,雷达作用距离越大 。船用导航雷达的工作频率需要与国际通行 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 保持一致的, 船用导航雷达发射的脉 冲射频信号的频率是:9410MHz ,X 波段,属于 厘米波SHF 。 2.3.3 发射机输 出脉冲信号波形 在雷达 信号波形中, 由于脉冲宽度一定的情况下矩形脉冲的能量最大, 雷达 发射机 输出的脉冲 信号大多采用矩形 脉冲振幅调制: 矩形 脉冲信号陡直的前后沿有利于距离分 辩; 矩形脉冲顶部平坦, 在脉冲持续期间发射机功率和频率稳定, 采用矩 形振幅调制的 脉冲发射机称为简单脉冲发射机。 作为脉冲发射机, 其脉冲信号的 脉冲宽度增加 , 可以增加最大作用距离 , 减小海浪 尖峰的虚警率。 脉冲宽度减小, 可以减小 最小作用距离 , 提高距离鉴别力, 同时可以减 少海浪和雨雪的杂波干扰功率。 脉冲宽度 的选择需 考虑到调制器电路、 工艺、 元件、 材料 等情况。 最大作用距离要 求脉冲宽度宽, 而其它各种性能大都要求脉冲宽度窄, 为了兼顾, 有时一部雷达通常都 采用多 种脉冲宽度, 按需要进行切换。 发射机的脉冲宽度一般选取在 0.05 ~2us 范围内。 雷达测距原理公式为: ct R2.5 2 其中 t :信号在主体与目标往返时间, c :电磁波传播速度: R :主体与目标往返距离 [18] 在 雷达作用距离确定情况下 ,脉冲重复周期 需满足 : 2R min T2.6 c 脉冲重复频率: 为增加最大作用距离, 减小脉冲间隔所导致的测方位误差, 应提高 脉冲重复频率; 保证探测距离, 脉冲重复周期应比距离扫描时间大 20%。 雷达发射机设 计过程中部分因素要求高的脉冲重复频率, 其 他因素要求低的重复频率, 为解决这种矛 盾,雷达常选取多个不同的脉冲重复频率。导航雷达的脉冲重复频率多选取在 500Hz 、 1000Hz 、1500Hz 、2000Hz 、2500Hz 、3000Hz 等。 当雷达需测远距离目标时, 采用 宽脉冲、 低重复频率 的脉冲信号; 当需测近距离目 82 船用导 航雷 达发 射机 的 原理 标时, 采用窄脉冲、高重复频率 的脉冲信号。 2.3.4 发射机效 率 发射机的效率 是发射机的输出功率与输入总功率之比。 效率 越高, 越节省电能, 可 有效减少常规雷达整机的体积与重量。 实际应用中, 为 节能和减小发射机体积、 减轻重 量、 降低成本, 在保证 发射功率的情况下,尽 量 提高发射机效率。 因此 需对发射机调制 器和直流高压电源等进行选择性设计。 2.3.5 信号的稳 定度或 频 谱纯度 信号的稳定度是指信号的各项参数 (信号的振幅、 频率/ 相位、 脉冲宽 度及脉冲重复 频率等 参数) 随时间作不应有的变化。 对于船用导航雷达而言, 其 信号的任何不稳定都 会严重影响 整部雷达的性能。 2.3.6 发射机的 抗干扰 性 结合雷达要求具有抗干扰能力,对发射机的要求主要有以下三个方面: 采用自适应 调频技术。 信号频段的划分只有 在国际通用的标准内进行频率选择性使 用才能得到认可,否则将被禁止使用。 选 择 最 佳 信 号 形 式 ( 波 形 设 计 ) , 使 发 射 信 号 具 有 大 的 时 频 宽 乘 积 , 不 易 被 干 扰 覆 盖; 具有高的分辨率; 易识别目标。 主要在于将脉冲信号输出波形设计成矩形或接近矩 形,这在一定程度上可以提高信号的抗干扰性能。 提高雷达的效率,需将雷达的能量在空间和时间上进行集中使用。 2.4 发射机设计的基 本要求 发射机的各项技术参数要符合国家制定的相关标准及部分行业规定。 本课题参与研 究 的 船 舶 导 航 雷 达 发 射 机 所 要 完 成 的 技 术 指 标 完 全 符 合 国 家 制 定 的 研 制 和 生 产 发 射 机 的相关技术指标的总体要求。 (1 ) 作 为 船 用 导 航 雷 达 系统 , 国 际 通 用 的 频 率 为 :9410MHz ,发射机输出信号频 率为 941030MHz 。 (2 ) 船 用 导 航 雷 达 发 射 机 功 率 , 在 一 定 程 度 上 决 定 了 雷 达 的 型 号 及 威力 ,本课题 研究的雷达型号按雷达威力分类为:HTR-XX , 其中 HTR 为雷达的命名,XX 为雷达的 型号,其数字代表着该型号的雷达的输出功率。 (3 ) 发 射 机 的 脉 冲 宽 度 及 脉 冲 重 复 频 率 可 调 , 在 不 同 的 量 程 范 围 内 , 选 取 不 同 脉 冲宽度和脉冲重复频率可以提高 整个雷达系统的精度。 船用导航雷达发射机的设计要求即为: 在脉冲重复频率 PRF 一定的情况下, 输出的 9西安科 技大 学硕 士学 位论 文 脉冲信号宽度在相应的范围内,其波形达到理想矩形或接近于理想矩形。 依据现有经济条件及国内国际 的船舶航行环境, 对船用导航雷达发射机的设计, 提 出以下电气性能要求。 发射机的主要电气性能指标如下: 频率 (MHz ) 941030 收发机型号 HTR-04 HTR-12 HTR-25 输出功率(kW ) 4 12 25 脉冲长度/PRF 量程(海里) 脉冲长度(us ) PRF (Hz ) 0.125, 0.25, 0.5, 0.75 0.07 3000 1.5 0.07, 0.12 3000 3 0.07, 0.12, 0.4 3000, 1000 6 0.12, 0.4, 0.5 3000, 1000, 500 12, 24, 48 0.5, 0.7 1000, 500 96 1.2 500 图 2.5 发射 机的 主要 电气 性能指 标 2.5 功率器件 及发射 机工作方 式的选 择 在导航雷达发射机中, 发射机产生的雷达信号通常为高功率微波信号, 脉冲调制器 仅提供发射机的调制信号,因此需要通过相应的微波功率器件来完成信号的功率转换, 产生出符合导航雷达要求的微波信号。 对微波功率器件而言, 不同工作方式发射机 采用的功率器件是不同的。 在雷达发射 机中, 最主要的功率 源 主要有两种: 功率振荡器和 功率放大器。 在功率 放大器中, 信号 在小功率时精确产生, 经功率放大器放大到要求的功率电平 信号,经雷达 天线辐射。 与通常 功率放大器 不同, 作为最典型的功率振荡器, 磁控管在灵活性 方面稍显不足, 同时在 噪声方面比通常 功率放大器要大。除了在某些情况下 ,同线性注管发射机相比, 磁控管发射机的低成本。 微波波段的磁控管尺寸紧凑, 工作高效, 使得第二次世界大战 [19] 中雷达体积小 比它提供的比线性注管低的 MTI 改 善因子更重要 。 作为船舶导航雷达 所使用脉冲信号的就是微波波段信号。 作为雷达发射机中超高压环境中工作的重要器件, 磁控管是一种用来 产生微波能的 电真空器件。 实质上是一个置于恒定磁场中的二极管。 管内电子在相互垂直的恒定磁场 和恒定电场的控制下, 与高频电磁场发生相互作用, 把从恒定电场中获得能量转变成微 [20] 波能量,从而达到产生微波能的目的 。 102 船用导 航雷 达发 射机 的 原理 作为船舶导航雷达, 其主要功能是用作船只的定位与导航。 这就决定了船舶导航雷 达只要求小功率,也不需要 MTI 能力,同时 考虑到船只的内部空间及船电设备的技术 要求, 磁控管是船舶导航雷达发射机的微波功率器件的首选。 磁控管振荡器还是用 于一 些中短距雷达。 磁控管发射机也广泛应用于民用航海雷达 。 所以本课题研究的船舶导航 雷达发射机是磁控管作为微波功率器件的发射机, 即称为磁控管发射机。 在磁控管发射 机中, 磁控管作为功率转换器, 发射机其他的功能模块的设计都是为了驱动磁控管正常 工作,发射出性能较好脉冲微波信号。 2.6 本章小结 本章内容主要是对导航雷达原理作 详细的研究 , 同时也对发射机的原理、 性能参数 及导航雷达对发射机的基本要求进行论述。 对发射机功率器件 和发射机工作方式 进行研 究及性能比较, 确定 磁控管 作为导航雷达发射机的 微波功率器件, 选择的发射机工作方 式为磁控管发射机 。 11西安科 技大 学硕 士学 位论 文 3 船 用 导航 雷达发射 机 的研究 本 课 题 研 究 的 导 航 雷 达 发 射 机 主 要 是 应 用 于 普 通 商 用 船 只 及 部 分 军 用 舰 船 的 雷达 中。 经过本课题第二章节的论述及综合分析, 船用导航雷达发射机应该采用磁控管发射 机。 磁控管发射机 , 在工程设计过程中的主要 工作是围绕磁控管的正确使用展开的 。 图 3.1 为 磁控管发射机原理框图。 直流 高 压电 源 预 调 功率放 天 磁 控管 大器 制 器 线 直 流 磁 控管 低 压电源 灯丝电 压图 3.1 磁控 管发 射机 框图 船用导航雷达发射机主要工作是产生接近于矩形脉冲信号的微波信号, 即由低压触 发脉冲信号通过波形调制及功率转换形成射频微波信号。 磁控 管发射机 工 作 原理: 雷达整机提供 的 触发脉 冲 ( 接 近 于 矩 形 脉冲信 号 ) ,经预 调制器形成脉冲宽度、幅度和驱动电流 均达到调制器开关管 使用条件的预调制器脉冲; 雷达整机提供的直流电源经直流高压电源形成满足调制器使用的直流高压; 在触发脉冲 间隔期间, 直流高压通过调制器中的充电电阻 对 储能电容进行充电: 磁控管灯丝电源产 生磁控管所需的灯丝加热电压, 经一定时间预热后, 触发脉冲到来, 主动开关调制器中 的开关导通, 储能电容经开关 管和脉冲变压器初级, 对负载放电, 形 成的负压调制脉冲, 经脉冲变压器升压到磁控管所需的负高压调制脉冲; 负高压电场和磁控管灯丝电压驱动 [21] 磁控管工作,使其 产生自激振荡,输出微波脉冲信号 。 3.1 发射机中 磁控管 的 研究 按船 用导航雷达总体要求, 该雷达为非相干雷达, 发射机采用简单脉冲磁控管发射 机,该 系列船用导航雷达 采用磁控管发射机。发射机工作在 9410MHz (X 波段) ,发射 机输出脉冲功率分为 4kW 、 6kW 、 10kW 、 12.5kW 、 25kW , 脉冲重复频 率为 500Hz 、 1000Hz 、 1500Hz 、3000Hz ,脉 冲宽度为 0.04~1.2us 。 123 船用导 航雷 达发 射机 的 研究 在 船用导航雷达发射机中, 磁控管作为产生及发射微波信号的功率器件, 其工作原 理及特性是发射机研究中重点考虑的对象。 3.1.1 磁控管的 特点 磁控管的使用历史至今已有七十多年, 在现代微波领域中仍起着重要作用, 主要是 在于其 输出功率大、 效率高, 工作电压低、 体积小、 重量轻等 显著特点 。 目前磁控管在 技术条件要求一般的雷达中仍得到广泛应用。 最普通的稳频磁控管是同轴磁控管。 千分之一同轴磁控管在脉冲输出功率与普通脉 冲磁控管一致的情况下, 其占空比可大于 10%, 因此 同轴磁控管的平均输出 功率高出普 通磁控管近百倍, 极大 提高了雷达的作用距离。 同轴磁控管具有较长的寿命, 一般可达 [22] 5000~10000 小时,且具有频率稳定性好、频谱纯度高和调谐范围宽等特点 。 经对国内 外磁控管的调研, 综合考虑磁控管的技术成熟性、 体积、 效率等, 参考国 际船舶导航雷达信号频段的规定, 选用 X 波段脉冲磁控管 。 3.1.2 磁控管原理 磁控管 的阴极通常为圆筒形, 其表面和阳极工作表面同轴安置。 阳极为一首尾相接 [23] 的谐振腔连,即谐振系统,常简称谐振腔。阴极与阳极之间的空间称为互作用空间 。 磁控管工作时, 阴极和阳极之间加有 数千伏 (船 用导航雷达所用的磁控管) 的直流 高压, 互作用空间内直流电场和直流磁场互相垂直。 阴极表面发射的在互作用空间内运 动的电子流, 首先从直流电源中获得能量, 然后在一定的条件下, 和从阳极渗透到互作 用空间的高频电场相互作用, 把从直流电源获得 的能量转交给高频场, 使高频场得到增 [24] 强。由于磁控管谐振系统首尾相接,易于形成正反馈而产生振荡 。 磁控 管通常工作在行模,从阴极发射出的电子在正交电磁场作用下作轮摆线运动。 调节直流电压和恒定磁场 , 电子就可以与微波场作同步运动。 在同步运动过程中, 处在 微波减速场中的那部分电子将自己的直流位能逐渐交给微波场, 并向阳极靠拢, 最后为 [25] 阳极所收集 。 互作用 空间全部电子与微波场相互作用的 总体效果是: 电子将直流位能 交给微波场,在磁控管中建立起稳定的微波振荡。 3.1.3 磁控管的 工作特 性 分析 磁控管工作时, 其腔体内部有正交直流电磁场和高频电磁场相互作 用, 互作用空间 内的大量电子运动极为复杂,难以建立确切的物理模型。 从其 V-I 特性得出 ,磁控管属 于严重的非线性器件。 通过对其外部特性的研究和分析, 可以根据外部分析的数据建立 相关的物理模型。现有的 物理模型有 静态阻抗、 偏压二极管模型 及小信号模型三种。 小信号模型是研 13西安科 技大 学硕 士学 位论 文 究磁控管工作特性最理想的 模型。小信号等效过程如下: 磁控管 输入特性用泰勒级数 来进行表示,即围绕工作点 AV ,I 展开 为: 0 0 Vbb ?II? b ?II? b ?II? b ?II? b ?II 3.1 0 1 0 1 0 2 0 3 0 4 0 式中系数分别为:bV 3.20 0 dV b| 3.31 I ?I 0 dI 2 d V b| 3.4 2 I ?I 2 0 dI 将 磁控管的实际工作点 用增量模型来等效,忽略所有高次项 :V VV?II3.5 0 0 ?I ?V 令iII , vV ?V ,r ,上式转换为: s 0 s 0 ?I ?V viri 3.6 s s s ?I 磁控管 作为输入 V-I 特 性为 非线性的器件, 其工作点附近小信号范围 内, 可视为动 态阻抗为 r 的线性元件。 v i r i s s s r3.7 V V R I 0 0 o R : 磁控管工作点的静态 阻抗 ; r : 相应工作点的动态阻抗 。 通常情况下 R 比 r 大得 多。 i v R s s 3.8 I r V 0 0 公式 表明,脉冲电压变化 1% ,其阳极电流 将会出现 10% 以上的变化。 由于磁控管 V-I 特性的 严重非线性,在小信号等效下得到电流相对变化对电压相对 变化的放大作用。 其阳极工作电压对磁控管的工作特性的影响是非线性的。 下面主要从 磁控管的阳极电压的两个工作点进行分析磁控管工作特性。 当阳极电压 低于一定值时, 磁控管 处于截止状态, 电子 极少能到达 阳极, 只能围绕 阴极表面 一薄层内运动, 形成一个旋转的电子云。 此定值电压即为截止电压, 是指在磁 场一定 的条件下, 静态磁控管中电子刚好打到阳极 形成阳极电流的电压。 实际情况中存 在空间电荷等因素影响,截止并不是完全 截止。 门槛电压: 磁场一定时, 旋转电子云最外层电子旋转速度刚好和某一模式 的某一空 143 船用导 航雷 达发 射机 的 研究 间谐波相速同步,开始出现阳极电流的电压。 截止电压 、门槛电压,可由描述磁控管内单电子运动的微分方程求得: 2 2r? e r? Er B 3.9 2 ?t ?t m ?t2 ?reB ?r 2r3.10 2 ?t ?t ?t m ?t 式中: e ??电子的电荷; m ??电子的质量; E ??电场强度; B ??磁通密度; 假定阴极处于空间电荷限制状态, 阴极表面电子速度等于零, 可得截止电 压U 为: J 2 2er r 2 a K U1B 3.11 J? 8m r a 式中 r , r 分别为阴极阳极的半径。 K a 截止电压与磁场的关系在UB 平面上, 为一抛物线, 如图所示。 通常称为 截止电 J 压线。当磁场 B 一定时如阳极电压大于截止电压,电子还未经过一个轮摆就 打到阳极, 来不及和高频磁场进行能量交换,也就不会产生高频振荡。 理想状态下, 即不考虑空间电荷影响 和电子运动的回旋特性, 由第二个式 子得出门 槛电压U 为: tk 2 2 2 2?rrmr k a k a k UB3.12tk 2k 2e k? 式中U ??次序为 k 的空间谐波的门槛电压; tk??次序为 k 的谐振模式的振荡角频率; k , r 分别为阴极阳极的半径; 为磁通密度。 r B a K 门槛电压的物理意义在于, 在门槛电压线上, 旋转电子云刚好和高频场同步, 并刚 开始出现阳极电流和产生高频振荡。 理论上, 在门槛电压以 下, 旋转电子云最外层旋转 速度还不足以和高频场同步, 因而不能产生振荡。 磁控管只能工作在截止电压线和门槛 [26] 电压线之间 。图 3.2 即为磁控管中阳极电压与磁场的关系图。加载在磁控管阴极与阳极之间的电压值应大于截止电压且小于门槛电压, 即电压值 取在位于图示中的工作区内。即图中的无影区。 15西安科 技大 学硕 士学 位论 文 图 3.2 磁控 管中 阳极 电压 与磁场 的关 系 3.2 脉冲调制 器的研 究 目前在导航设备中, 大多采用脉冲信号体制雷达。 在非相参雷达中, 特别在船舶导 航雷达中, 为了提高雷达的距离分辨率和作用距离, 采用窄脉冲高脉冲功率发射机。 在 [27][28] 脉冲发射机中, 脉冲调制器的设计是发射机设计的核心 。 导航雷 达发射 机中, 调制 器的主要作用是为微波发生器提供所需的电压波形,此电压波形通常为高压脉冲波形。 调制器通常包括预调制器和调制器两部分; 预调制器是用来将触发脉冲调制器送来的触 发脉冲进行预处理, 形成适合调制 器使用的预调制信号; 调制器是通过预调制信号将由 高压电源部分储