雷达原理与系统 第七讲 真空管雷达发射机
脉冲雷达的发射机真空管按照不同原理，可以分为——
1. 真空微波三极管、四极管——
A. 介绍：实际上，在静电控制电子管的基础之上，发展起来的，工作在微波波段的三极管、四极管。
B. 工作原理：基于栅极的静电控制。
C. 传统三极管、四极管问题：由于普通静电控制管不能在微波波段工作，因此通过对电子管结构升级改进，减少电子多跃效应、引线电感、极间电容的影响。
D. 优点：对电源要求低，环境性能好，结构简单，频率和效率稳定性较好，线性度好，交调失真低，频谱特性好，脉冲功率大。
E. 已经在各种雷达整机得到了广泛应用。
F. 缺陷：受制于工作原理的限制，真空微波三极管、四极管在更高的频段（例如：6GHz以上），效率会变低，输出功率变小，因此应用范围也受到了限制。
G. 在连续波低功率电平的应用不如半导体器件。
H. 应用局限性：因此微波三极管、四极管应用主要限制于地基搜索、警戒、测控雷达；没有像线性柱管或正交场微波管应用广泛。
2. 线性电子柱微波管（O型管）——
A. 分类——
a. 行波管
b. 速调管
c. 行波速调管
注解——本文主要讲线性电子柱微波管和正交场微波管原理和性能。
a. 行波管
A. 原理——
a. 电子枪产生直线电子注，这是含有高能量的直线电子注，在相互作用区（图a中间区域），电子注与输入的射频信号形成的射频场相互作用。
b. 电子注收到输入射频场的调制，形成群聚。
c. 群聚电子注把直流场获得的能量传递给射频场，由此，射频信号得到了放大。
d. 这些电子注以一定的速度通过互作用区之后，被收集极吸收。
e. 为了保证直线电子注在穿越（或度跃）过程中，在通过相互作用区能量转换的时候，保持比较好的形态（比如细长的圆柱形态），需要在与电子注平行的方向添加直流磁场，防止电子注发散。
B. 简介——
a. 在O型管中，应用最广泛的是行波管；小功率行波管通常用于前级激励放大器，然后推动大功率的速调管。
b. 在机载场景，也会用栅极行波管作为末级放大器。
c. 行波管根据互作用区能量转换结构（或称漫播结构）不同，可以分为螺旋线行波管、耦合腔行波管两种。
i. 螺旋线行波管（图a）：
I. 容易实现大带宽；
II. 容易实现高功率放大。
ii. 耦合腔行波管（图b）：
I. 漫播结构不是金属丝，而是金属腔体。
II. 射频信号和电子注在金属腔体传播，然后进行能量转换。
III. 金属腔体行波管由于是全金属结构，因此功率容量很大，容易实现冷却，适合高功率发射机（例如峰值功率在200kW以上，平均功率10kW以上）。
b. 速调管
A. 定义：速调管与行波管不同的是，速调管依靠腔体之间缝隙处的外加磁场，对电子注中的电子进行速度调制而实现能量交换。
B. 分类：
a. 单注多腔速调管
i. 优缺点：高增益、大功率、多注宽带宽（单注带宽很窄）、高效率、体积小、重量轻；
ii. 如果需要提高管子的增益，只需要增加腔体的数量（一般3~5个腔体）；
iii. 多腔速调器的增益可达到30~65dB；
iv. 在L频段雷达，高功率速调管输出的峰值功率可以超过5MW，转换效率可达20%~65%；
v. 瞬时带宽可以是1%~10%工作频率的范围；
图1. 单注多腔速调管结构
b. 多注速调管
i. 为了实现更大的带宽，可以采用多注速调管的形式；
ii. 多注速调管特点——
I. 电子注多于1；
II. 电子腔是控制电极的电子腔；
III. 多注速调管结构复杂；
IV. 优点：瞬时带宽大、效率高、体积小、重量轻；
V. 适用于移动式雷达；
c. 行波速调管
i. 结构特点：采用了速调管的输入部分+行波管的输出部分，具备两种管子共同的优点；
ii. 优点——
I. 频段比速调管宽，没有行波管宽；
II. 效率高，适合用于功率大、瞬时带宽大的场合；
III. 例如在S波段的主振式放大机，采用行波速调管的放大电路，能够实现3.5MW以上的峰值功率，6kW以上的平均功率，瞬时带宽可以达到200M以上；
3. 正交场微波管（M型管）——
A. 分类——
a. 谐振型微波管
i. 磁控管是典型谐振型微波管。
ii. 磁控管是一类震荡管，它只有输出没有输入，直接产生大功率的射频振荡信号，应用于自激振荡式发射机。
iii. 磁控管分类为普通磁控管和同轴磁控管。
iv. 优点：工作电压低、效率高、体积重量小、成本低。
v. 缺点：频率的稳定度差，不能产生相参信号，只适用于简单波形。
b. 非谐振型微波管
i. 前向波管和反波管是非谐振型微波管。
ii. 前向波管性能比磁控管更好，应用更广泛。
iii. 前向波管分类为：阴极调制结构前向波管和直流运用结构的前向波管（应用最广泛）。
iv. 直流运用结构的前向波管，由输入射频的激励启动而产生的射频放大。
v. 射频脉冲在接收后，由熄灭脉冲关断。
vi. 优点：由于采用冷阴极工作方式，工作寿命长，能输出较大的射频功率，同时保持良好的输出波形、能量转换效率高、瞬时带宽大。
vi.适用于脉冲压缩体制、相位编码体制的雷达。
vii. 采用控制极的调试，电路简单，只需要稳压的高压电源和小功率脉冲调制器。
viii. 因此，体积小、重量轻，适用于机动性强的场合。
ix. 只需要断开前向波管的电压，降低高压电源的电压，就可以快速实现变射频功率的输出。
x. 缺点：增益低、信号动态范围小。
图2. 直流运用结构的前向波管结构
B. 特点：工作电压低、效率高、体积小、重量轻、成本低。
C. 结构：由阴极、阳极、射频输入输出、磁钢组成。
D. 正交场微波管大多是二极管器件，是由发射电子的阴极和用作谐振腔或漫播结构的阳极组成。
3. 性能比较——
图3. O型管/M型管性能对比
1. O型管（30~70dB）增益远高于M型管（6~20dB）。
2. M型管的重量优势巨大。
3. O型管动态范围远大于M型管。
4. O型管需要防护措施，M型管不需要。
图4. 线性电子注管(LBT)与正交场管(CFT)对比
1. 除了磁控管式的振荡器（是一类震荡管，它只有输出没有输入，直接产生大功率的射频振荡信号），其余所有管子都属于信号放大器。
2. 从频率的应用范围来看，除了多注速调管只能支持L~Ku，其他管子都能支持UHF波段。
3. 速调管峰值功率5MW，平均功率10kW，远大于其他类型管子。
图5. 线性电子注管(LBT)与正交场管(CFT)对比
1. 螺旋行波管喝耦合腔行波管可以实现很高的30~65dB增益。
2. 磁控管效率高，可以达到80%。
4. 组合放大链路——
1). 目的——
A. 为了实现不同类型真空管的优缺点互补。
B. 在实际工程应用当中，对不同类型真空管组合，形成组合放大链路。
2). 例如在1G以上的放大链，经常由——
A. 行波管-行波管；
B. 行波管-速调管；
C. 行波管-前向波管；
等组合方式构成。
图6. 组合放大电路优缺点
5. 实际应用过程如何选择放大链路不同管子组合——
1). 要求1：精密跟踪雷达在C波段输出脉冲功率2.5MW，其中1dB带宽为1%，射频脉冲宽度0.8μs，脉冲重复频率(PRF)在600~800Hz跳变（PRF可调）。
2). 要求2：可以对目标多普勒测速（如果要测速则必须用相参雷达、必须用主振放大式发射机），主振器（或固态频率源）输出功率20mW，输出脉冲宽度为4μs的射频脉冲。
图7. 时序图
1. 问题分析——
1). 固态频率源（输出20mW）作为射频放大链路的输入，射频输出2.5MW，那么(射频输入/射频输出=放大倍数$G=10\times \log_{10} \frac{2.5MW}{20mW}= 81$dB)。
2). 带宽为1%是窄带的。
3). 那么前级、中间级、末级采用什么放大链路的组合呢？
2. 问题解决：对照“图6. 组合放大电路优缺点”我们发现——
1). 大功率——可以采用：B. 行波管-速调管；C. 行波管-前向波管。
2). 带宽为1%是窄带的——可以采用：B. 行波管-速调管；C. 行波管-前向波管。
6. 微波功率模块和功率合成
1). 背景——
A. 雷达频率越来越高C, S, K，对雷达发射机的功率提供了更高的要求。
B. 当采用单个真空微波管功率不够的时候，有2种方式提高发射机的功率——
a. 采用多个末级管，进行微波功率合成。
i. 每个发射机满足：幅度相同、相位相等时，才能获得最大的微波功率合成的输出。
ii. 速调管和行波管电子群较大，会造成输出信号相位差异大；前向波管长度短，使得输出的信号对相位要求小，适合微波功率合成。
b. 将多部发射机输出的微波功率经过天线辐射在空间进行合成（例如：相控阵）。
i. 使用空间功率合成的核心部件是微波功率模块(MPM)。
ii. 微波功率模块(MPM)使用频率范围广（从微波到毫米波）。
iii. 微波功率模块是高度集成的超小型微波功率放大器。
iv. 微波功率模块内部组成有：激励源（通常是固态放大器）+大功率真空管放大器（使用最多是行波管放大器，有宽频带高增益的特点）+电源。
2). 在S波段以下的频率，固态功率放大器组件已经很成熟了，它单管的功率和效率都很高。
3). 但随着频段上升（例如V频段以上），如果用固态TR组件实现大功率做相控阵的时候，所需要的组件数量会大幅度上升，会给系统调制带来困难。
4). 并且，如果频段越高，相同材料的单管固态放大器的功率和效率就会变低。
5). 频率越高，实现的难度越大。
6). 在微波功率模块中，用单管功率大的、效率高的行波管作为发射机的TR组件比较合理，因为它可以实现高频、宽带、大功率的TR组件。
7. 真空微波管的发展方向——
A. 未来发展方向——真空微波管未来发展方向是向着，高频段、高功率、高可靠发展。
B. 未来发展需求——
1). 微波武器的发展需求；
a. 微波武器要求输出：大功率、高效率、宽频带。
2). 高分辨、超宽带雷达的发展需求；
a. 真空微波管向毫米波（甚至更高的频段发展），要求：超宽带、微型化、长寿命。
3). 固态（电子器件）+真空微波管的微波功率模块发展需求；
a. 未来的重要方向。
b. 在更高的频段，要实现更高的辐射功率，固态器件受限于材料。
c. 但如果固态（电子器件）+真空微波管相互组合，能满足近期没有高效率、大功率固态TR组件需求，满足更高频段、更高功率、更高效率的放大链路的需求。
C. 未来趋势——由于固态微波管在低频很有优势，在C波段以下将彻底取代真空微波管。
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