雷达发射机

子模块四　雷达发射机

学习目标：掌握雷达发射机各组成部分结构和作用；

　　　　　熟悉磁控管的工作条件和使用注意事项。

重点难点：雷达发射机各组成部分结构和作用。

一、组成及各部分作用

雷达发射机由脉冲调制器（一般包括预调制器和调制器）、磁控管振荡器及发射机电源等部分组成，如图1-6所示。

1. 预调制器

在触发脉冲控制下，预调制器（Pre-Modulator）产生一个具有一定宽度、一定幅度的正极性矩形脉冲（预调制脉冲）去控制调制器的工作。对预调制脉冲的波形和幅度的要求，视所用调制器的类型而定。在刚性调制器中，预调制脉冲的宽度和波形决定着发射脉冲的宽度和波形，因此对预调制器有着较严格的要求，而且雷达脉冲宽度的转换在这一级进行。

图1-6　发射机组成框图

图1-7　触发脉冲、发射机各级波形图

（a）—中频交流电；（b）—触发脉冲；（c）—预调制脉冲；（d）—调制脉冲；（e）—射频脉冲

2. 调制器

调制器（Modulator）的作用是在预调制脉冲或触发脉冲的作用下产生一个具有一定宽度、一定幅度（约1万伏特）的负极性高压矩形脉冲（调制脉冲）加给磁控管的阴极。

3. 磁控管振荡器

磁控管振荡器（Magnetron Oscillator）是一种被调制大功率超高频振荡器，它在调制脉冲的控制下产生宽度与调制脉冲相同的大功率超高频振荡脉冲（射频脉冲）经波导送天线向外辐射。触发脉冲及发射机各级波形的时间关系如图1-7所示。

4. 发射机电源

发射机电源（Power Supplies）提供发射机所需的各种交直流电源及调制器、磁控管工作所需的特高压电源。分别设有保险丝及指示灯，保险丝及指示灯般都装在明显易见又便于拆装的地方。

低压电源与接收机电源装在一起，产生除特高压以外的其他所需的各种交直流电源。由变压器及各整流滤波电路组成。

高压电源部件一般与调制器、磁控管振荡器一起装在一个标有醒目“高压危险”（DANGER!　HIGH VOLTAGE）字样的屏蔽盒（罩）内，以引起使用维护人员的注意。高压电源的输入电路中一般都有几个继电器控制触点，如图1-6所示。中频电源经过收发机总保险丝、高压保险丝、雷达高压（发射）开关控制的触点、高压自动延时电路控制的触点及门开关控制的触点才能送到高压变压器的初级绕组，以实现对人及对雷达设备的安全保护。

高压自动延时电路的作用是为了保证磁控管有足够的（3～5min）的预热时间。

想一想

雷达发射机各组成部分都起什么作用？

二、主要技术指标

1. 工作波段

现代船用雷达采用微波波段中X和S两个工作波段，这两个波段相应的工作频率f_s及工作波长λ 分别为：

X波段——f_s=9 400±100MHz　λ≈3.2cm（简称3cm）

S波段——f_S=3 000±100MHz　λ≈10cm

其中：f_S与λ 二者关系为λ=c/f_S，c为电波传播速度。

2. 发射脉冲宽度τ

每个发射脉冲的射频振荡持续时间称为脉冲宽度τ。现代船用雷达的发射脉冲宽度在0.05～1.2µs之间，随量程不同而改变。近量程用窄脉冲发射，远量程用宽脉冲发射。

3. 脉冲重复周期T=1/f（或脉冲重复频率f）

每相邻两次发射的间隔时间称为脉冲重复周期T，其单位为µs，常用符号P.R.F（Pulse Repeat Frequency）表示。雷达发射脉冲重复频率即触发脉冲的重复频率f为400～4 000Hz之间。f随量程不同而改变，近量程用高脉冲重复频率，远量程用低脉冲重复频率。

4. 发射峰值功率P_t

雷达在每一次发射瞬间所能达到的最大功率称为雷达发射峰值功率P_t，又称发射脉冲功率。雷达的发射峰值功率很大，通常为3～75kW，而发射的平均功率P_c却很小，只有峰值功率P_t的几百至几千分之一。P_t与P_c的关系如下式所示：

式中：τ /T为脉冲工作比，其值很小。例如，当τ =1µs，T=1 000µs时，τ /T=1/1 000，意即P_c的1‰。

5. 发射脉冲波形

这里指的是发射脉冲的波形，即发射脉冲的包络形状。一般来说，波形越接近矩形越好。在相同的脉冲宽度下，越接近矩形，能量越大，作用距离越远；前后沿越陡，测距精度和距离分辨力越高；矩形脉冲顶部越平坦，脉冲持续期中的发射功率和频率越稳定。

三、磁控管振荡器

（一）磁控管的结构

磁控管振荡器（Magnetron Oscillator）中的磁控管由灯丝、阴极、阳极、永久磁铁和输出耦合装置等组成。磁控管外形和结构剖面图如图1-8所示。

1. 磁控管阴极

磁控管阴极为圆柱形旁热式的氧化物阴极，它位于磁控管中央。阴极表面具有很强的发射能力。阴极圆筒里面装有灯丝，以加热阴极。灯丝电压一般为6.3V，也有用12V的。交直流均有使用。灯丝一端与阴极相连，两根引线穿过高压绝缘罩接入负向高压调制脉冲和灯丝电压。

图1-8　磁控管外形图和结构剖面图

2. 磁控管阳极

阳极是一块厚约1cm的圆形大铜环。环孔中央放着阴极，阴极和阳极块同心。阴极和阳极之间的空间称为作用空间。阳极块圆环四周沿其轴线方向开有偶数个（一般为8～14个）圆孔（谐振腔）。每个腔都开有缝隙与作用空间相通。圆孔（相当于电感L）和缝隙（相当于电容C）组成磁控管的高频振荡系统。腔体（圆孔L及缝隙）的尺寸大小基本决定了磁控管的振荡频率。工作时阳极块会发热，为了便于散热，阳极块外面往往装有散热片。另外，为了安全及便于高压与机壳间绝缘，磁控管的阳极接地（接机壳），而把负极性调制脉冲接到阴极上。

3. 永久磁铁

永久磁铁用来产生控制电子运动的恒定磁场，磁力线与阴极轴线平行。磁场要有一定的强度和均匀性，波长越短，所需磁场强度越大。例如，3cm磁控管中，磁感应强度B的数量级为0.5T（特斯拉），而在1cm磁控管中，B值增至1T。

4. 输出耦合装置

输出耦合装置的作用是通过装在一个谐振腔中的耦合环将磁控管振荡器产生的所有振荡能量取出并通过同轴线或波导耦合至主波导中去。

（二）磁控管的工作条件

要使磁控管正常工作，除磁控管本身要完好外，还必须满足如下条件：

（1）灯丝加上额定工作电压，将阴极加热到一定温度；

（2）阴-阳极间加上额定的负极性调制脉冲；

（3）应保证磁控管的输出负载匹配，即波导与天线应连续、不变形及内部光洁等，否则，磁控管输出功率及频率将发生波动，甚至使磁控管跳火，以至损坏。

（三）磁控管的检查

1. 磁控管未通电时

可用万用表测灯丝电阻，阻值应为几个欧姆，再用兆欧表测阳-阴极间绝缘电阻，阻值应大于200MΩ。

2. 磁控管通电工作时

可用下列方法进行检查。

（1）查磁控管电流

这是常用的方法。各量程段的电流值应分别在相应的规定范围内。如电流为零，说明磁控管不工作，无发射；如电流偏大或偏小，说明高压偏高或偏低，或磁控管已老化；如电流表指针抖动或很大（满刻度），表示磁控管内部有打火现象。

（2）用氖灯检查

用此法检查时，要先关掉高压，拆开收发机口波导接头并把波导从收发机口完全移开（不能半遮半开），然后将氖灯放在收发机波导出口处，再开高压。氖灯一般应在离波导口10～15cm发亮。如不亮，说明磁控管未工作。

用此法时应特别注意两点：

① 开高压时切勿用睛眼直视波导口，以防大功率射频脉冲损伤眼睛；

② 试后立即关高压，以免损伤磁控管。

（四）磁控管使用注意事项

（1）在检修维护保养时，要谨防特高压触电伤人，接触管子阴极前，应先关机，并将高压放电。

（2）严防大功率超高频电磁波损伤人脑及眼睛。雷达发射时不要站在开口波导前或天线辐射窗面前。

（3）接触磁控管时，应先脱去手表，以防手表磁化。

（4）加高压前，应保证阴极已充分预热（3～5min）。频繁使用雷达时，可不关低压，只关高压，以免灯丝忽冷忽热而损坏。这样可保护阴极发射性能和延长使用寿命。

（5）要注意保护磁场。存放时离开铁磁体至少10cm，两个磁控管间至少离开20cm。严禁敲打、震动。

（6）要保证负载匹配，要防止波导或天线内积水或有污物堵塞或断裂、变形或连接不良等现象发生，否则，会使输出功率、频率发生变化，使磁控管内发生打火，甚至损坏。

（7）新管或长期保存（超过6个月）未用的管子，加高压前要先进行“老练”。“老练”的方法是：先给磁控管加上灯丝电压半小时以上，然后再加较低的高压，工作半小时或几小时，再将高压加到正常值。“老练”的时间视具体情况而定，应保持在逐渐加大高压的过程中管内不打火。

实践证明，轮流使用备品管，可延长磁控管使用寿命。

四、脉冲调制器

（一）作用与要求

脉冲调制器（Modulator）的作用如本模块“一”中所述。

由于调制脉冲的形状直接决定了磁控管振荡器工作的好坏，如前所述，调制脉冲的波形也要求前后沿要陡，平顶波动要小。

（二）组成及原理

磁控管需要的高压调制脉冲的脉冲功率很大，而平均功率却很小。脉冲调制器是产生这种高压调制脉冲的装置，一般由储能元件、限流元件、调制开关及储能通路元件组成，如图1-9所示。

在脉冲休止期内（预调制脉冲未到时），调制开关断开，特高压电源通过限流元件、储能通路缓慢地向储能元件充电。在脉冲持续期（预调制脉冲作用期间），调制开关接通，储能元件通过调制开关向负载（磁控管）放电，形成调制脉冲。

图1-9　脉冲调制器的组成

储能元件常用电容、电感或仿真线。所谓仿真线是由集中电感、集中电容组成的脉冲形成网络。其特性等效于由分布电感、电容构成的真实传输线。限流元件常用限流电阻或扼流圈及阻隔二极管。储能通路元件常用电阻、二极管等。开关元件常用的有真空电子管（刚性开关管）、闸流管或触发管（即软性开关管）及磁开关和可控硅开关（称为固态开关）等。

（三）分类、区别及特点

1. 分类

根据所用开关元件的不同，调制器可分为刚性调制器（Hard-Switch Modulator）、软调制器（Soft-Switch Modulator）、磁调制器（Magnetic Modulator）及可控硅调制器（SCR Modulator），后两者称为固态调制器（Solid-State Modulator）。

2. 区别

（1）不同的调制器，所用的储能元件也不同。刚性调制器常用电容作储能元件，软调制器和可控硅调制器常用仿真线作储能元件，磁调制器常用电容或仿真线作储能元件。它们的工作方式也不同。

（2）不同的调制器对预调制脉冲的要求也不同。刚性调制器要求预调制脉冲波形要好，而且幅度要高（约+600V），所以要有专门的预调制器，脉冲宽度也在预调制器内决定。因为软调制器产生的波形、宽度是由储能元件仿真线的结构、节数决定的，而且预调制脉冲仅决定软调制管的导通起始时间，而与软调制管截止时间无关，所以，软调制器对预调制脉冲的要求较低，只要有较陡的前沿、一定的幅度和功率（比刚性调制器要低得多）就可以了。因此，它的预调制器常用小功率电子管（或晶体管）间歇振荡器即可，有时用更简单的触发脉冲直接触发软性开关管。磁调制器和可控硅调制器不需要预调制器。

（3）船用雷达中，考虑了各种因素，脉冲宽度要随量程段变化，即近量程要用窄脉冲宽度，远量程要用宽脉冲宽度。在刚性调制器中，脉冲宽度的改变在预调制器中进行，较为方便。在软调制器中，有几个脉冲宽度就要有几组节数不同的仿真线，而在发射机工作时仿真线上有高压，所以转换脉冲宽度较困难。

3. 特点

四种调制器在电路结构、所用器件、工作方式及性能方面都有不同的特点。四种调制器比较如表1-2所示。

表1-2　四种调制器的特点比较

上述四种调制器在现代船用雷达中均有采用，但以软调制器及可控硅调制器居多。

五、发射机调整

1. 高压自动延时电路调整

雷达先停机冷却15～30min，再开机核查高压自动延时电路的继电器是否在3～5min内动作（或预备指示灯是否在规定时间内接通）。如不符合要求，则调整自动延时电位器或直接更换自动延时元件。

2. 磁控管电流的调整

雷达发射后，检查各种脉宽（相应量程段）时的磁控管电流是否符合说明书要求。如不符合，则改变高压变压器初级输入端抽头位置，使电流符合要求。

六、发射机状态判断

发射机工作正常时应该输出额定的大功率超高频脉冲。这种脉冲是由磁控管产生、输出的，所以发射机正常与否，实际上只要判断磁控管工作是否正常。如前所述，检查磁控管工作是否正常有两种方法，一是查磁控管电流；二是用氖灯在收发机波导口检查是否发亮。具体方法见本节“三”之“（三）”所述，这里不再重复。

议一议

四种脉冲调制器的优缺点。

思考与训练

1. 雷达发射机产生射频脉冲，其特点是________。

A. 周期性大功率　　B. 周期性小功率

C. 连续等幅小功率　D. 连续等幅大功率

2. 有磁控管电流时，下列哪项的结论是不恰当的________。

A. 有特高压　　B. 有特高压调制脉冲

C. 有触发脉冲　D. 肯定天线有辐射

3. 判断雷达发射机工作是否正常的主要依据是________。

A. 预游离电流　B. 晶体电流　C. 荧光屏上的噪斑　D. 磁控管电流

4. 为延长雷达磁控管使用寿命，雷达的备用磁控管应________。

A. 只在磁控管坏了时才使用　B. 经常轮换使用

C. 选一个好的备用管使用　　D.　A和C

5. 在雷达设备中，三分钟自动延时电路的作用是________。

A. 保护显象管　B. 保护磁控管

C. 保护速调管　D. 使显示器与发射机同步工作

6. 磁控管所需要的是脉冲。

A. 正向高压射频　B. 负向高压射频　C. 正向高压调制　D. 负向高压调制

7. 当磁控管振荡器无灯丝电压时，在荧光屏上出现的故障现象是________。

A. 有扫描线但无噪声信号　　B. 有扫描线但无回波信号

C. 有回波信号，但无船首线　D. 无扫描线

8. 雷达磁控管在调制脉冲作用下产生发射脉冲，该发射脉冲的峰值功率，平均功率________。

A. 很大，很大　B. 很大，很小　C. 很小，很大　D. 很大，稍小

9. 雷达磁控管更换后，第一次灯丝预热的时间应不少于________。

A.　15分钟　B.　20分钟　C.　30分钟　D.　60分钟

10. 雷达发射脉冲的持续时间取决于________。

A. 延时线的调整　　B.　3分钟延时电路的调整

C. 调制脉冲的宽度　D. 方波宽度的调整

11. 刚性调制器的开关元件是________，储能元件是________。

A. 充氢闸流管，仿真线　B. 真空管，电容器

C. 收发开关管，电容器　D. 可控硅，仿真线

12. 船用雷达设备中，加在磁控管阴阳极间的电压是________。

A. 直流1万伏以上　　　　B. 交流1万伏以上

C. 负矩形脉冲1万伏以上　D. 负尖脉冲1万伏以上

13. 磁控管阴阳极间绝缘电阻应为________。

A.　1kΩ左右　B.　200MΩ以上　C. 接近0Ω　D.　100kΩ左右

14. 新磁控管在使用前必须“老练”________以上。

A.　3分钟　B.　30分钟　C.　300分钟　D.　30秒钟

15. 用氖灯检查磁控管上的特高压正常，但雷达无发射则说明________。

A. 磁控管坏　B. 没有触发脉冲　C. 调制器坏　D. 以上都有可能

16. 存放时，两个磁控管之间的间隔距离至少为________厘米

A.　10　B.　20　C.　30　D.　50

17. 磁控管在通电工作时，若磁控管电流指示电表指灯抖动，可能的原因是________。

A. 调制脉冲幅度太大　　B. 磁控管已老化

D. 磁控管内有打火现象　D. 磁控管特高压太高

18. 雷达调制器的任务是：在触发脉冲作用下，产生________脉冲，加到________。

A. 正高压巨形，磁控管阳极　B. 负高压矩形，磁控管阴极

C. 正高压锯形，磁控管阳极　D. 正高压锯形，磁控管阴极

19. 船用雷达产生大功率高频脉冲的元件是________。

A. 本机振荡器　B. 收发开关　C. 天线　D. 磁控管

20. 下列雷达器件中，哪种器件在新安装后使用前需进行老练________。

A. 速调管　B. 磁控管　C. 显像管　D. 闸流管