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。
图2. 软性开关脉冲调制器工作原理
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。
5. 阴极脉冲调制器（刚性开关）脉冲调制器
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。
图3. 脉冲调制器性能比较
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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