雷达原理与系统 第九讲 脉冲调制器
1. 雷达发射机——
1).定义:为雷达提供一种载波受到调制的满足特定要求的大功率射频信号,经馈线和收发开关由天线辐射出去。
2). 分类——
(1) 按照波形方式分类——
A. 连续式发射机
B. 脉冲式发射机
Ba. 分类——
a. 单级振荡式:用一级大功率振荡器,产生射频信号的脉冲调试发射机。
b. 主振放大式:由频率稳定性高的主振器产生震荡,经过多级放大器放大之后,得到所需要输出功率的发射机。
Bb. 脉冲质量指标——
a. 脉冲宽度
b. 脉冲上升宽度
c. 脉冲下降宽度
d. 脉冲顶部波动
e. 脉冲顶部倾斜
图1. 脉冲质量指标参数
Bc. 由于产生脉冲的方法和器件水平不同,会造成脉冲质量的差异。
Bd. 产生脉冲最核心的部件是,脉冲调制器(本文核心)。
2. 脉冲调制器的功能和组成——
1). 无论是单级振荡式发射机,或者主振放大式发射机,核心部件之一就是脉冲调制器。
2). 脉冲调制器的作用——
A. 用于脉冲工作方式的雷达发射机。
B. 提供大功率的视频调制脉冲信号。
C. 实际电路中,脉冲调制器产生的信号是在时钟信号(或矩形脉冲信号)的激励下,产生的负极性特高压、矩形调制脉冲。
3). 除了电压和负载,脉冲调制器由3个主要元件组成——
A. 充电元件
B. 储能元件
a. 储能元件:电容、电感、仿真线。
b. 限制器:在充放电过程中,包含的电源和开关器件,包括:限流电阻、二极管、扼流圈。
C. 调制开关
a. 调制开关的类型决定了脉冲调制器的类型,这里分类为——
i. 刚性开关:能进行硬性通/断的开关,既能决定形成脉冲前沿的时刻,又能决定形成脉冲后沿的时刻,从而形成具有一定宽度的脉冲信号。
ii. 软性开关:能决定脉冲前沿的时候,不能决定脉冲后沿的时刻(不能决定脉冲什么时候结束)。
b. 包括:电子管(刚性开关)、闸流管(软性开关)、磁开关(固态开关)、可控硅(固态开关)。
c. 浮动板调制器也属于刚性开关。
d. 从这3类脉冲调制器所产生脉冲灵活性的角度分析,分类为——
i. 刚性开关
ii. 软性开关
iii. 浮动板调制器
D. 脉冲调制器有并联、串联(两种)连接方式。
a. 并联电路——
i. 有单刀双置开关。
ii. 当开关K打到1:电压给储能器件充电。
iii. 当开关K打到2:储能器件向负载放电。
b. 串联电路——
i. 有单刀单置开关。
ii. 当开关K断开:充电;当开关K闭合:放电。
iii. 工作原理——
I. 当开关K断开:电源以小功率、长时间对储能器件充电。
II. 当开关K闭合:储能器件在短时间内以大功率释放到负载,形成高能的矩形脉冲。
4. 软性开关脉冲调制器——
1). 组成部分——
A. 电压+电感+二极管:组成保护电路。
B. $V_1$是软性开关,它能在时钟信号的激励下导通,它在电路电流趋于0时自动断开(无法主动闭合)。
C. PFN(称为:人工线、仿真线、脉冲形成网络)是储能器件,由电容、电感组成,在电源和保护电路的作用下,慢慢储存能量;当$V_1$闭合时,短时间释放能量。
D. $V_{D2}$和$R_1$组成放电保护电路,防止在负载短路时造成的负压,损坏调制开关$V_1$。
E. $R_2$和$C_2$是反接通电路,由于负载$V_2$大多是非线性的。当负载的电阻与人工线的电阻不匹配时,这种放大会在调制脉冲的前沿形成一个“尖峰”。这个RC电路是为了减小“尖峰”的影响。
F. $B_1$是升压变压器。
G. 休止期($V_1$断开)——电源$E$通过$L_{ch}$和$V_{D1}$对PFN充电,那么PFN电压将会上升。当电感$L_{ch}$为0时,PFN电压为为$2E$。
H. 工作期($V_1$闭合)——$V_1$收到脉冲信号激励时闭合,PFN通过$V_1$向负载放电。如果负载和PFN阻抗匹配,那么PFN储存的能量可以全部传递给负载。
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I. 对于这种软性开关的脉冲调制器而言,激励信号是一个时钟信号,产生脉冲的宽度由PFN储能大小决定了放电的时间。一旦PFN规格确定,则脉冲宽度也就确定了。
J. PFN储能能力决定了最小充电时间。最小充电时间与脉冲重复周期(PRI)关系密切。
K. 现代雷达要求高脉冲重复频率(PRF),且PRF去决定储能器件的充电时间。
L. 软性开关的脉冲调制器要求负载阻抗与PFN阻抗匹配,否则能量转换的效率就会降低。
M. 软性开关的脉冲调制器能够实现很大的功率,对于波形要求不严格但是需要大功率的发射机(例如:远程预警雷达),应用广泛。
N. 脉冲宽度主要由PFN组数决定。
5. 刚性开关脉冲调制器——
1). 分类——
A. 阴极脉冲调制器(阴极接地)
a. 组成:电压+限流电阻$R_1$构成的充电器件+储能电容$C$+二极管$V_3$构成的放电器件+磁控管负载$V_2$。
b. 电感$L$+二极管$V_3$是为了形成陡峭的脉冲下降沿。
c. 不工作期间——电源$E$通过限流电阻$R_1$向储能电容$C$充电;阴极$-E_g$接地(因此称为阴极脉冲调制器);此时磁控管$V_2$不工作、不输出。
d. 工作期间——当来了一个矩形激励(或时钟信号),时钟信号前沿让刚性开关$V_1$导通;此时,储能电容通过刚性开关,向负载$V_2$(磁控管)放电;当时钟信号后沿到来时,放电结束,($V_2$)形成负极性矩形脉冲信号。
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e. 产生的调制脉冲宽度完全由时钟信号决定。
f. 产生的调制脉冲宽度$\tau$最大值也是由储能器件的能力决定,储能越多那么放电时间也越长。
g. 如果储能器件储能能力很强,那么产生的调制脉冲顶部很平,脉冲上升沿/下降沿性能会很好。
h. 储能元件需要充电时间,因此脉冲重复周期(PRI)也有最小值。
i. 阴极脉冲调制器对负载的匹配要求不高,允许系统在一定失配情况下工作(软性开关脉冲调制器要求负载和PFN完全匹配)。
B. 浮动板调制器(阳极接地)
a. 有2个刚性开关,称为:开启管$V_1$、截尾管$V_2$。
b. 中间:有浮动板。
c. 浮动板与O型管(O型管是典型的微波管,在正负极施加电压,可以输出大功率脉冲信号)阳极相连。
d. 浮动板与开启管$V_1$阴极和截尾管$V_2$正极通过一个偏压$E_g$相连。
e. O型管负极直接连到电源$E$负极,电源正极直接接地。
f. 工作过程——
i. 脉冲间歇期间:开启管$V_1$和截尾管$V_2$不工作。
ii. 电容$C_1$, $C_2$不是为了储能,而是为了形成陡峭上升、陡峭下降边沿,有很快的充放电速度。
iii. 浮动板通过偏压$E_g$和电阻$R$与电源$E$负极相连。
iv. 浮动板正极与O型管相连,O型管只有很小的偏压$E_g$,这个偏压$E_g$不能让O型管工作。
v. 当时钟信号脉冲前沿来临时,开启管$V_1$导通、截尾管$V_2$断开,电容$C_1$放电,电容$C_2$充电。此时,浮动板正极通过$V_1$接到电源$E$正极,则O型管正负极压差约为电源$E$。此时,O型管开始工作,产生高功率脉冲信号。
vi. 当时钟信号脉冲后沿来临时,开启管$V_1$断开、截尾管$V_2$导通,电容$C_1$,电容$C_2$放电。此时,浮动板负极接到电压$E$负极,很小的偏压$E_g$不能让O型管工作,形成了脉冲后沿。
vii. 电容$C_1$, $C_2$充放电过程是能量损耗的过程。因此浮动板调制效率不高。功率损耗可以由电容容量、O型管电压、脉冲重复周期(PRF)计算。
g. 工作特点——
i. 工作信号是2个时钟信号,分别对应产生的射频脉冲的前沿、后沿。
ii 脉冲调制器产生的脉冲宽度由2个时钟信号的间隔决定,因此,产生的调制脉冲宽度$\tau$非常灵活。
iii. 除了脉冲宽度,脉冲重复周期(PRF)基本不受限制,可以根据需要产生不同调制脉冲宽度$\tau$和PRF。
iv. 相对于软性调制器、阴极接地的刚性开关脉冲调制器,它对负载的阻抗没有任何匹配的要求。
v. 可以产生现代雷达要求的宽脉冲、高占空比、高PRF调制脉冲。
vi. 例题——视频:33分30秒。
6. 脉冲调制器性能比较
1). 软性——
A. 转换功率高;
B. 输出效率高;
C. 设备简单、成本低。
D. 波形差;
E. 形成的调制脉冲宽度$\tau$无法调节;
F. 对负载匹配的要求高。
2). 阴极——
A. 转换效率高;
B. 脉冲宽度$\tau$一定范围内可变;
C. 波形较好;
D. 对负载匹配的要求不高。
E. 成本高。
3). 浮动板——
A. 容易实现大脉冲宽度$\tau$;
B. 波形好;
C. 结构简单;
D. 对负载没有任何要求;
E. 能用固态器件实现(固态器件比电子管器件可靠高)。
F. 转换效率低;
G. 功率容量小。
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7. 小结——
1). 软性→刚性→浮动板:灵活性逐步升高。
2). 脉冲调制器性能指标——脉冲宽度、重复周期(PRF)、负载匹配。
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