雷达原理与系统 第八讲 固态雷达发射机
1. 雷达发射机所采用的放大器件，主要有两类——
1). 电真空器件——
A. 早起雷达采用电真空器件放大器。
B. 自动1948年半导体二极管发明之后，晶体管使用的频率从VHF, UHF向微波波段推进，功率电平水平在不断提高。
C. 固态雷达发射机的发展就是随着微波功率晶体管的发展而发展起来的。
D. 随着微波功率晶体管不断提高输出功率，扩展工作频段，固态雷达发射机目前已经实现了对于短波、VHF、UHF波段等低频频段的全面覆盖，已经逐步延伸到了L, S波段。
E. 在S波段及以下的全固态雷达发射机技术已经成熟，并大量替换以前的电子管雷达发射机。
2). 半导体器件——
2. 固态发射机——
1). 定义：相对于常规电真空器件（也就是电子管）而言，它只用半导体材料（例如：晶体管、硅基材料、砷化镓、场效应管、氮化镓）。
2). 组成：一般固态雷达发射机，由10~1000个固态发射机模块组成的雷达发射机。
3). 固态发射机模块：有多个微波功率器件、微波单片、集成电路构成的基本功能模块。
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1. 固态发射机特点
1). 随着新型砷化镓、氮化镓、场效应管技术的成熟，固态放大器件的工作频率不断扩展，输出功率在不断提高，最高实现30~100GHz频率，目前C波段单管输出功率超过50W，且X波段单管输出功率超过20W。
2). 微波功率晶体管随着工作频段的扩展和输出功率不断的增大，未来更多电子管发射机被全固态雷达发射机取代。
3). 由于微波功率晶体管放大器输出功率远小于真空管放大器，所以全固态雷达发射机必须采用多管并联、多级串联、高功率合成技术，或者采用多个辐射单元的有源相控阵的空间合成技术，实现大功率的输出。
4). 与真空管发射机相比固态雷达发射机有以下6个有点——
(1) 不需要阴极加热、寿命长。
A. 解释：固态发射机不消耗阴极加热的功率，也没有发射机的预热延时，理论上没有工作寿命的限制。
(2) 具有很高的可靠性。
A. 固态发射模块本身具有很高可靠性，平均无故障时间超过10wh。
B. 固态发射模块已经标准化生产。
(3) 体积小、重量轻。
A. 固态发射模块工作电压低（一般低于40V）。
B. 不需要高压电源和防护X射线的设备。
(4) 工作频带宽、效率高。
A. 能做到50%甚至更宽的带宽。
B. 能量利用效率高。
(5) 系统设计和运用灵活。
A. 一种设计性能比较好的固态发射模块，能满足多种雷达的应用。
B. 发射机的输出功率可以用模块并联数量的多少来控制。
C. 不同输出的波形可以用波形发生器和一些定时器件按照一定程序实现。
(6) 维护方便，成本较低。
A. 通常采用空气冷却的方式，不需要体积庞大的风冷、水冷设备。
B. 由于固态发射模块都是批量生产的，在L波段的固态发射模块成本非常低，在X, S波段的成本也在逐年降低。
C. 固态发射机大多由多个功率放大器组成，所用的功率组件的数目非常多，个别器件的损坏对系统性能不会造成破坏性影响。
D. 固态雷达发射机特别适合：高占空比、脉冲宽度很宽的工作方式，在雷达、通信、对抗都得到了广泛应用。
2. 微波功率晶体管分类
A. 硅微波双极晶体管。
a. 特点——
(1) 工作频率从短波到S波段。
(2) 功率——L波段及以下：几百瓦-几千瓦；S波段：200W。
(3) 脉冲宽度：100us~几个ms。
(4) 最大工作比：10%~25%。
(5) 功率增益：7~10dB。
(6) 集电极效率：50%。
b. 参数变化——
(1) 随着晶体管工作频率的上升，单管的输出功率在下降。
(2) 随着晶体管工作频率的上升，最大脉冲宽度也在下降。
(3) 随着晶体管工作频率的上升，功率增益也在降低。
(4) 随着晶体管工作频率的上升，集电极效率也在下降。
(5) 随着晶体管工作频率的上升，硅微波双极晶体管相关性能在下降。
B. 场效应晶体管
a. 分类——
① 金属氧化物半导体场效应管
i. 一般工作中500MHz（频段）以下，随着工艺的进步，也可以提高到S波段，功率可以在300W以上。
ii. 一般应用于移动基站，因为线性度比较好、增益高、效率较高、热稳定性较好。
② 砷化镓场效应晶体管
i. 应用——
I. 砷化镓场效应晶体管是金属半导体场效应管应用最广泛的一类固态微波器件。
ii. 特点——
(1)工作频率：30~100Ghz
(2)功率——C波段：50瓦；X波段：20瓦
(3)电控器件
aa. 它是电压控制器件，依靠栅极电压控制波束载流子的移动。
bb. 具有电流、电压双增益。
cc. 具有低噪声性能。
dd. 有较高效率。
ee. 与双极晶体管相比，它的抗辐射性能较强。
(4)电流+电压增益
(5)低噪声+高效率
(6)抗辐射性能强
b. 应用——
i. 在C, S波段使用砷化镓制成的功率放大器件，已经广泛用于雷达发射机。
ii. 在低噪声功率放大器、中小功率放大器、回波振荡器、混频器、移相器、开关、高速逻辑电路都有应用。
iii. 工作频段也扩展到了毫米波频段。
3. 固态发射机的分类与特点——
① 集中合成式全固态雷达发射机
A. 可以单独用于中小功率雷达发射机。
B. 多种集中合成的基本结构作为基本单元，再次集中合成、空间合成，组成更复杂的架构获得更高的射频功率，构造超大功率的全固态雷达发射机。
图1. 集中合成输出结构
② 分布式空间合成雷达发射机
A. 相控阵雷达发射机的设计中，首先考虑目标检测、跟踪所需要的发射机的功率（第一需求）。
B. 与常规机械扫描相比，实现高功率方面，相控阵雷达有更多优势。
C. 由于相控阵天线提供了功率合成的可能性，包括空间功率合成的可能性。
D. 根据任务和性能不同，相控阵雷达可以分为：(1) 集中式发射机，(2) 分布式发射机。
E. 实现高功率发射机的器件可以是：(1) 大功率电真空发射管，(2) 低功率的固态功率晶体管，(3) 单片微波晶体电路。
F. 集中式大功率发射机，大多用于作用距离不远的战术相控阵雷达，因为用1部集中式发射机就能满足要求，发射机功率不高，雷达能提供足够的初级电源功率。
G. 发射单元的总数不多，采用多部电真空发射机，或多部固态发射机合成集中式发射机，就能满足雷达天线系统功率要求。
H. 针对于频率高的X, Ku, Ka波段的战术相控阵雷达、火控雷达、导弹制导雷达，采用单部集中式发射机，能很好满足雷达系统要求。
I. 发射机的输出信号经过功率分配器，将输出信号分为N路，在相移器经过移项后，送到N个天线单元，见图2。
J. 集中式发射机有2种方案选择：1) 电真空发射机；2) 固态发射机。
K. 电真空发射机一般由单个大功率真空管构成，固态发射机由多个固态功率放大器组成。
L. 从刚才集中式结构的发射机可以看到，系统只有一部发射机和多个天线单元，通常这样的相控阵雷达成为无源相控阵雷达。
M. 这种无源相控阵采用集中功率发射，利用无源网络（例如：波导）去分配发射功率，或者利用透镜系统利用自由空间将功率分发到相位可控的辐射单元。
N. 这种无源相控阵与机械扫描雷达的区别在于——阵列的每一个辐射单元（或天线）都有一个移相器。
O. 无源相控阵雷达只有一个发射机和一个接收机，发射机产生的高频能量经过计算机分配到天线的各个辐射器。
P. 目标反射信号经过接收机进行统一放大，这一点无源相控阵与普通机械扫描雷达一样，没有区别。
Q. 这种无源相控阵雷达的主要优点——
a. 发射机易于与天线阵面分离
i. 对于固定式雷达，发射机可以放在距离天线较远的地方。
ii. 采用低损耗的传输线与天线阵面连接。
iii. 有利于发射机安装和使用，例如把发射机放在洞口、底下，用于提高发射机抗轰炸能力。
b. 战场生存能力强
i. 由于发射机和接收机分离，因此发射机可以安装在很远的地方。
ii. 容易实现冷天线阵面，有利于抗红外侦查，有利于抗红外制导反辐射导弹攻击，有利于实现天线的武装。
c. 成本比较低
R. 还有一种无源相控阵雷达，称为“分布式子阵相控阵雷达”；它在子阵级别（而不是在每一个天线）实现分布式的发射和接收。
S. 在天线级别实现发射机的方法，属于完全分布式发射机的方法，它的每一个单元通道都是有源电路，它的每一个天线都是有功率放大器的——称为“有源相控阵”发射天线阵列。
U. 为什么要采样分布式子阵的发射方式呢？因为，为了实现更高的输出功率。对于一些远程预警雷达、探测远程低可见目标的战术相控阵雷达，都需要采用这种方式。
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V. 有源相控阵雷达——
a. 有源相控阵雷达每一个辐射器上都装配了发射、接收组件，因此在频宽信号处理、冗余度设计方面，都比无源相控阵雷达更有优势。
b. 有源相控阵雷达造价昂贵。
c. 有源相控阵雷达在功能上有独特优点，未来极有可能取代无源相控阵雷达。
d. 无源相控阵雷达技术难度相对较小，在功率、效率、波束控制、可靠性方面，不如有源相控阵。
e. 但无源相控阵雷达明显优于传统机械扫描式雷达，开发成本低。
f. 无源相控阵雷达是从机械扫描相控阵雷达到有源相控阵雷达的折衷方案。
W. 射频输入信号经过前级固态放大器和$n_1$哥固态功率放大器组件放大后，最后由$n_1 \times n_2$个T/R组件输出的射频功率信号，通过相对应的辐射单元，在空间合成为大功率的射频信号。
X. 分布式空间合成的输出结构主要用于全固态有源相控阵雷达。这种空间合成的输出结构可以作为全固态相控阵雷达的子阵。将多个子阵按要求组合，构成更大功率全固态有源相控阵雷达发射机。
Y. “T/R组件”主要包括一个发射支路、一个接收支路、射频转换开关。
a. 发射支路的主要功能——高功率放大器。
b. 发射支路有一个滤波器，抑制可能对其他无线电装置造成干扰的频谱分量和高次谐波。
c. 接收支路滤波器用于抑制外界干扰信号，在有干扰、杂波条件下控制接收信号的动态范围。
d. T/R组件的主要功能包括——
i. 发射信号的产生和放大
ii. 接收信号的放大与变频
iii. 实现天线波束扫描所需要的相移、波束控制
iv. 信号极化实现与控制
v. 组件监测功能
e. T/R组件（收发组件）是有源相控阵基本的构造单元。
f. 功率放大器是T/R组件最核心/最关键的部件。
g. T/R组件主要由2类组成——
① 微波单片集成(MMIC)收发模块
i. 采用模块设置方法，将固态收发模块的有源器件（线性放大器、低噪声放大器、饱和放大器、有源开关）和无源器件（电阻、电容、电感、二极管、传输线），都制作在了同一块砷化镓基片，大大提高固态砷化镓组件的技术性能，成品的一致性好，又小又轻。
ii. 特点：高集成度、高可靠性、多功能。
iii. 集成电路发展使T/R组件在相控阵雷达应用达到新阶段。
iv. 优点——
I. 成本低：有源和无源器件构成的高集成度、多功能电路用批量生产工艺制作在相同的（砷化镓）基片上，不需要常规电路焊接和装配的过程。
II. 高可靠性：集成电路工艺和优化的微波网络技术，没有常规的分离元器件的电路硬线连接和元器件的组装过程，因此单片集成收发模块可靠性大大提高。
III. 电路一致性好、成品率高：在相同（砷化镓）基片上批量生产，电路性能一致性好，使用维护中的替换性好。
IV. 尺寸小、重量轻：有源、无源器件制作在同一块（砷化镓）基片上，电路集成度高。
② 固态微波T/R组件
i. 相控阵天线中，每一个辐射单元都由单个辐射阵元+固态T/R模块组成。
ii. 相控阵天线利用相位扫描的方式，将每一个固态模块输出的能量在空间合成高功率输出。
iii. 避免了使用微波网络合成所引起的功率损耗。
图6. 固态微波T/R组件结构
4. 固态发射机的应用——【视频第33分钟】
1). 【雷达原理与系统 第八讲 固态雷达发射机】 https://www.bilibili.com/video/BV1kP4y1p7HW/?share_source=copy_web&vd_source=192f73fcd9f345c1999b21e9a54bb78a
2). 小结——固态发射机在功率、效率、可靠性都由大幅提升。
3). 改进的AN/FPS-132雷达——
A. 每一个独立T/R组件都能独立发射、接收电磁波信号。
B. 每一个阵面有56个子阵，每个子阵由各自发射机进行能量供给，由接收机接收回波。
C. 工作状态下，能形成$56 \times 3$个独立波束，分别执行搜索、识别、探测、跟踪等功能。
D. 最高仰角可以达到$105^{\circ}$。
E. 由于3个阵面的设计，此雷达没有盲区。
F. 主要用于早期目标发现，在后续精密跟踪雷达提供目标指引信息。
4). 导弹预警系统示意图
A. 导弹起飞之后，由预警卫星探测发现目标，经过1min左右时间，确定导弹发射位置。
B. 预警卫星将信息传递给地面的远程预警雷达。
C. 远程预警雷达对于导弹运动学参数、数量计算，对目标特性初步判断。
D. 在远程预警雷达获得信息后，传递给精密跟踪雷达（例如：X波段相控阵雷达），进行精密跟踪、识别。
E. 精密跟踪雷达实时引导拦截导弹对目标拦截。
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