雷达原理与系统 第五讲 雷达发射机主要质量指标
1. 雷达发射机的工作频率
2. 信号波形
3. 输出功率
4. 信号形式
5. 脉冲波形
6. 信号稳定度
7. 频谱纯度
注解：雷达发射机的质量指标=主要技术参数，质量指标决定了发射机的类型。
1. 雷达发射机的工作频率
A. 选择雷达工作频率，需要考虑——
a. 大气层各种气候条件雷达电磁波的影响（包括气候对电磁波的吸收/散射/衰减）。
b. 雷达精度/分辨率、雷达平台、输出环境的要求。
c. 未来可实现的微波功率管的水平。
d. 一般而言，地面对空的搜索，远程的警戒雷达，会选择较低工作频率；精密跟踪雷达会选择较高的频率。
e. 大多数机载雷达收到体积、重量的限制，一般会选择高频（例如：X频段）。
f. 工作频率不同，则发射机类型不同：
i. 真空三极管/四级管工作在1GHz以下；
ii. 随着固态放大器的发展，工作在较高频的S, C波段的发射机已被开发；
iii. 砷化镓/氮化镓场效应管放大器和有源相控阵技术的结合，实现了X频段全固态成为可能。
g. 为了提高雷达系统的性能和抗干扰能力，希望雷达能在几个工作频率跳变/同时工作。
h. 雷达的波段不同对于发射机的设计影响很大。
i. 图显示了各类发射管所能提供的射频功率与贷款能力的关系。
j. 瞬时带宽：发射机工作的时候，再不做任何调整的时候，工作频率可变化的范围。在变化范围内，输出功率的值的变化小于(b)的范围。
k. 瞬时带宽主要针对于主振式放大器，发射机的瞬时带宽一定要大于，信号本身频率变化的范围（简称：信号带宽）。
l. 雷达工作频率（或波段）根据雷达的用途来确定。
雷达频率（工作带宽/瞬时带宽）对性能的影响——
1. 物理尺寸
A. 发射产生雷达电磁波信号的物理尺寸和波长成正比，例如：
a. 低频段→大体积重量；
b. 高频的→小体积重量。
2. 发射功率
A. 波长会间接影响发射功率的能力；
a. 低频→易大功率；
b. 高频→易小功率；
B. 雷达合理承受功率电频的能力，收到电压梯度限制、散热要求限制；
C. 工作在米(m)波长范围的又大又重雷达，可以发射非常高的（几兆kW）功率；
D. 毫米波雷达只能发送很小的（几百瓦）平均功率；
E. 在能够达到的功率范围内，发射机的功率通常由尺寸、重量、成本、可靠性、成本综合考虑确定。
3. 波束宽度
A. 波束宽度与【波长$\lambda$和孔径$d$之比】成正比；
B. 给定波束宽度，波长越长，天线就必须做得越大。
C. 如果在地面（低频段）要得到窄波束，必须使用非常大的天线。
D. 如果在高频段，使用较小的天线，可以实现较窄的波束。
E. 天线波束越窄，指定方向的功率也就越大，增益越大。
4. 大气衰减
A. 大气的吸收和散射，造成电磁波的衰减。
B. 吸收由于氧气、水蒸气引起。
C. 散射由于凝结的水蒸气、雨滴引起。
D. 吸收和散射，会随着频率的增加而增加。
E. 在0.1GHz以下，大气衰减可以忽略；在10GHz以上，大气衰减越来越严重。
F. 在某些频率会有吸收峰值，因此需要根据雷达应用场景，选择合理频率（或波段）范围，避开吸收严重的频段，降低大气衰减的影响。
5. 环境噪声
A. 在一些比较低的频段，比如HF，由雷达的外部噪声源产生的噪声比较大。
B. 外部噪声源会随着雷达频率（或波段）的升高而降低。
C. 外部噪声源在0.3~10GHz的某个频点达到最大值。
D. 外部噪声取决于太阳辐射、宇宙背景噪声电磁干扰的变化。
E. 在10GHz以上，大气的噪声占主导地位。
F. 在K波段或更高频域上，大气噪声的影响越来越严重。
6. 多普勒频移
A. 多普勒频移不仅和目标相对于雷达径向速度成正比，也和雷达频率（或波段）成正比。
B. 当目标运动速度一定时，雷达频率（或波段）越高，产生的多普勒频率越大。
C. 多普勒频移可能会限制雷达的使用频率。
D. 通过选择适当高的频率（或波段），克服（高速目标产生的较大多普勒频移带来的）限制。
小结——
1. 雷达工作频率的确定，需要结合实际用途来确定；
2. 确定的工作频率，将作为雷达设计的基础；
3. 不同工作频率对雷达发射机的影响很大，例如：发射机在不同波段，将采用不同类型发射管；
雷达最佳工作频率的选择——
1. 设计雷达需要考虑：
A. 雷达完成的任务；
B. 使用环境工作平台（物理条件的限制）；
C. 成本。
2. 应用分类：
A. 路基应用；
a. 路基应用可以考虑所有频带内的信号，比如远程预警雷达：不受尺寸限制，可以很大、很重、功耗很高，便于在低波段工作，还能实现较高的角分辨率，比如超视距雷达工作在HF频段，这个频段上有非常好的反射特性。
b. 空间目标监视、远程预警雷达可以工作在UHF, VHF, P, L波段，这些波段环境的噪声影响较小，大气衰减可以忽略，可以使用磁控管、大功率速调管、行波管、正交场放大器等大功率的功率放大器件。
c. 对一些作用距离不高的对空搜索雷达，可以把工作频率升高到C, S波段，可以减小雷达尺寸，便于机动部署。
B. 海基应用；
a. 物理尺寸和功耗成为显著的影响因素。
b. 海基雷达要求在恶劣环境工作，对雷达工作频率选择进行了限制；如果不考虑检测作用距离，这些限制可以放宽。
c. 对于海面目标、低俯仰角目标，必须使用较高的频率——
i. 当仰角接近0°，目标直接接收的回波（目标直达回波），可以几乎完全被同一个目标但是由水面反射的回波抵消。
ii. 这是由于反射回波会发生180度相移引起。
iii. 这种现象称为——多径传播。
iv. 随着仰角的增加，直达回波与多径反射回波的路径长度产生差别，这种抵消的现象会减弱。
v. 波长越短，抵消的消失越快→对海基雷达越有利。
vi. 因此，海基通常采用波长较短的S, X波段雷达。
C. 空基应用；
a. 对尺寸限制严格。
b. 大型预警机（希望较远的作用距离）最低频率：UHF, S波段。
c. 战斗机（希望较高的分辨率）需要窄波束，必须选择较高的工作频率（例如：X, Ku波段）→收到空间尺寸的限制。
d. 例如C波段有较好的穿透云层的能力。
e. 如果雷达需要比较强的方向性，战斗机、轰炸机、侦察机应选择更高频率的X, Ku波段雷达。
f. 例如X频段（波长：3cm）有很多优势：
i. 大气衰减比较小；
ii. 比较小的尺寸，可以实现比较高功率的波束；
iii. 安装在战斗机机头，能够提供比较好的角分辨能力。
2. 信号波形
1) 连续波(CW)信号——
A. 定义：雷达连续发射电磁波，同时接收反射回波。
2) 脉冲信号——
A. 定义：窄脉冲形式，间隔向外发射信号，在2次发射间隔内接收目标回波。
B. 分类：
a) 脉冲多普勒雷达；
b) 不能测量多普勒频率的脉冲雷达→基本参数包括：
I. 载频
II. 脉冲宽度(PW)
III. 脉内调制方式
IV. 脉冲重复频率(PRF)
V. 相参性
I. 载频
1). 不是固定不变的，可以改变载频，以满足特定的系统和工作要求。
2). 一个脉冲→下一个脉冲：载频可以增加、可以减少、可以随机改变→称为：脉间调制。
3). 改变载频的目的：抗干扰。
II. 脉冲宽度
1). 定义：脉冲的持续时间($\tau=$0.1μs~10ms)。
2). 脉冲长度定义：$d=c\times\tau$→脉冲物理长度=300m/μs。
3). 脉冲宽度决定了雷达近距离目标分辨能力（分辨率）。
4). 经过脉冲压缩处理的信号，脉冲宽度更窄，距离分辨率更高。
III. 脉内调制（也称为脉冲的调制）
1). 目的：获得更好的距离分辨性能。
2). 最小脉冲长度对距离分辨率的限制可以用脉内调制克服。
3). 通过发射大时宽（$\tau$很大）的脉冲，在脉内用频率调制的方式，将发射的脉冲增量逐段编码，在接收回波的时候解调，称为脉冲压缩技术。
IV. 脉冲重复频率(PRF)
1). 定义：雷达发射脉冲的速率，即PRF=1/PRI，其中脉冲重复周期PRI=$T_r$。
2). 雷达工作时，PRF也是可以随时变化的。
3). 下图展示了3种应用较多的脉冲雷达信号形式和调制波形的形式。
(a). 最简单的固定载频的矩形脉冲调制信号的波形；
(b). 脉冲压缩雷达使用的线性调频信号；
(c). 相位编码的脉冲压缩雷达使用的相位编码的信号（其中，$\tau_0$表示子脉冲的宽度）。
V. 相参性
1). 相参雷达、相参处理……什么是相参性？雷达的相参性，也称为相干性。
2). “信号相参”的定义：发射信号与雷达频率源的信号存在固定的相位关系。
3). 对于脉冲信号而言，从1个脉冲→到下1个脉冲，相位具有一致性或连续性。
4). 最普遍的一种信号相参是：每个脉冲的第一个波前，与上一个脉冲相同相位最后一个波前的间隔是波长$\lambda$的整数倍。
3. 输出功率
A. 定义：发射机的末级放大器（或振荡器）→送到→馈线系统的射频功率。
B. 脉冲雷达定义了2种功率：峰值功率或平均功率。
C. 雷达作用距离$R_{\min}$定义公式：
$$R_{\min}=[\frac{ P_t \times G \times A_e \times \sigma }{(4 \pi)^2 \times S_{\min}}]^{\frac{1}{4}}$$
D. 单纯增加雷达功率$P_t$来增加雷达作用距离$R_{\min}$并不划算。
E. 峰值功率——脉冲期间射频振荡的平均功率：$P_t$；平均功率——脉冲重复周期$T_r$的平均功率：$P_{av}$，即$P_t \times \tau= P_{av} \times T_r$。
F. 占空比：$\tau/ T_r$。
G. 连续波雷达效率约20%~30%。
H. 高峰值功率、低占空比脉冲雷达发射机效率相对较低。
I. 速调管/行波管效率较低，磁控管/单级振荡式发射机/前向微波管效率相对较高。
J. 分布式全固态发射机效率较高。
K. 发射机是最耗电、最需要冷却的部分。
L. 如果发射机有较高效率，不仅可以省电，还可以减轻体积重量。
M. 为了获得更大探测距离$R_{\min}$，可以增加功率$P_t$——
a. 增加PRF，减少PRI——缺陷：雷达无模糊距离$R_{\max}$减小；
b. 增加脉宽——缺陷：测速精度提升、测距精度下降；
c. 增大峰值功率——缺陷：峰值提升有限。
4. 信号形式
1). 固定载频矩形脉冲调制信号
A. 特点：脉宽$\tau$×带宽$B$≈1。
B. 要提高发射机能量，在峰值功率$P_0$受限时，必须增加脉冲宽度$\tau$。
C. 增加脉冲宽度$\tau$可以增加平均功率$P_{av}$，测速精度提升。
D. 但是增加脉冲宽度$\tau$，会导致带宽$B$降低，会使距离分辨性能（距离分辨率）下降。
2). 线性调频信号（也称为脉冲压缩信号）
A. 为什么采用线性调频信号？为了解决：脉宽$\tau$×带宽$B$≈1的矛盾。
B. 线性调频信号：有很大的脉宽$\tau$带宽$B$乘积，即$B\times \tau \gg 1$。
C. 通常是很宽的脉冲信号（$\tau$很大），调制一个载频受到线性变化的正弦信号。
D. 这个信号经过脉冲压缩/匹配滤波处理之后，在时域会形成非常窄的脉冲信号。
E. 脉冲压缩之后，脉宽$\tau$=1/带宽$B$。
F. 解决了当需要得到大的功率$P_t$时，测距精度和测速精度的矛盾。
G. 目前雷达大多采用这种脉冲压缩的体制。
3). 相位编码信号
5. 脉冲波形
1). 定义：信号的稳定度(频谱纯度) :指信号的各项参数（例如信号的振幅、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。
2). 规律性：不稳定由电源波纹、调制脉冲波形顶部波纹、有规律机械震动等原因引起。随机性：不稳定则是由发射管的噪声和调制脉冲的随机起伏引起的。
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