多普勒天气雷达发射机主要参数测量初探【摘要】多普勒天气雷达发射机是雷达系统的重要组成部分，其性能和品质直接影响或决定着雷达整机的性能和品质。发射机担负着大功率射频信号的放大任务，主要包括了速调管、灯丝电源、调制器等主要部件，其中包含大量的高功率、高电压、大电流的器件，是多普勒天气雷达故障高发部位。因此，必须经常检测这些参数的最新数值，监控其变化趋势，根据变化趋势及时做有针对性的预防维护，消除发射机潜在的安全隐患，把安全关口前移。本文根据多年来的多普勒天气雷达发射机参数测量实践，归纳了其中主要参数的测量操作方法，力求提炼出适用于不同型号天气雷达的操作方法，作为天气雷达设备维护现场发射机参数测量的一个参考。 【关键词】雷达；发射机；参数；测量 1.引言 多普勒天气雷达发射机是雷达系统的重要组成部分，其性能和品质直接影响或决定着雷达整机的性能和品质。发射机担负着大功率射频信号的放大任务，主要包括了速调管、灯丝电源、调制器等主要部件，其中包含大量的高功率、高电压、大电流的器件，是多普勒天气雷达故障高发部位。通过对发射机参数的分析、对比，即能够从中判断出设备性能参数的变化趋势，也能在设备出现故障时通过具体的参数值的大小、波形的形状从中判断出可能的故障点，为快速排出故障提供参考。相同的参数有不同的测量方法，相同的测量方法更是有多种多样的测量步骤，根据多年的天气雷达参数测
量实践，提取发射机的峰值功率及波形、发射高压及电流、灯丝电压及电流等各型多普勒天气雷达共有的性能参数，归纳其测量过程中共性的操作方法，力求为各型多普勒天气雷达的现场参数测量操作提供有益的帮助。 2.测量方法 2.1发射机输出正向峰值功率测量 仪表及测量配件： 峰值功率计及探头、衰减器若干个、测量电缆若干条。 仪表配置： 峰值功率计频率设在被测量雷达的工作频率（如5.625ghz），偏置设置（设备方波导耦合器正向功率输出耦合度+接入的衰减器衰减值+测量电缆在此频率上的衰减值），工作模式为峰值功率测量； 雷达设置： 设置雷达为单prf工作，设置某个发射脉冲宽度； 准备工作： 1）开启雷达，使发射机辐射工作30分钟以上； 2）开启仪表，使其预热15分钟以上（或以仪表使用手册为准）； 3）对峰值功率计进行归零； 测量步骤： 1）用适当的衰减器连接方波导耦合器正向输出口，衰减器按衰减值大小依次连接，然后连接测量电缆（如有需要），再连接功率计探头，待功率计读数稳定后，记录功率计读数即为此脉冲宽度时
第4章发射机 T. A.Weil 4.1引言 发射机是脉冲雷达系统的一个组成部分 图4.1示出典型的脉冲雷达系统框图。在这些方框中，公共媒体一般只标注天线和显示器，其余部分则成为“幕后英雄”。这些不被媒体看重的部分对雷达系统同等重要，而且从设计角度而言也同样有趣。 图4.1 典型雷达系统框图 发射机在雷达系统的成本、体积、重量、设计投入等方面占有非常大的比重，也是对系统电源能量以及维护要求最多的部分。它通常是竖在雷达设备间角落里的大机柜，嗡嗡叫着，身上挂着“高压危险”的牌子，所以人们都宁愿远离它。其内部结构奇特，更像一个酿酒厂，而不是电脑或电视。本章试图解释雷达发射机为何如此，希望给读者展示一个不神秘的雷达发射系统。 为何如此大的功率 发射机体积大，重量重，成本高、消耗功率大，原因是它需产生大功率射频输出，而这种要求来自雷达系统设计的综合考虑。 搜索雷达作用距离的4次方与平均射频功率、天线孔径面积（确定天线增益）、扫描需要覆盖立体角的时间（限制了每个方向上收集信号及为提高信噪比而积累信号的时间长短）成正比，即 4（4.1） ∝ ? A R? T P 探测距离随功率的4次方根变化是因为，输出的发射功率密度与返回的目标回波能量密度随其经过距离的平方而衰减。用提高发射机功率的方法增大雷达作用距离需付出大的代价：
功率需要提高16倍才能使探测距离增加一倍。反之，降低距离要求可显著地减少系统成本。 功率孔径积是衡量雷达性能的基本参数。这个参数如此重要，以至于在第一阶段限制战略武器条约中被专门提到，并作为限制反弹道导弹（ABM ）雷达性能的基础。 接收机灵敏度未在式（4.1）中出现，这是由于热噪声对接收机的灵敏度有明确的限制，在这个简单距离方程中，默认接收机总是工作在最高的灵敏度状态。 平均发射功率仅仅是雷达距离方程中的一个因子。而且成本又很高，为何还要求如此之高的功率？用减小功率但增加天线孔径或扫描时间的办法来补偿是否为较好的办法？回答是天线孔径增加使成本增加得更快。这是因为天线的重量、结构的复杂程度、尺寸误差以及对底座的要求都随着天线孔径的增加而迅速增加。公式中另一个因子——扫描时间由一些确定系统工作的要求决定。例如，每4s 观测一次100mile 内的所有飞机，以便及时发现目标航线的改变；所以扫描时间一般是不可变的（这些也许可以解释为什么要讨论雷达的“功率孔径积”，而不是它的“功率孔径扫描时间积”）。 在雷达系统中使用一部巨大、昂贵的天线配接小功率、便宜的发射机显然是不合情理的，反之亦然。因为将弱小的部分加倍，可使巨大的部分减小一半，从而显著减小系统成本。因此，系统总成本最小化要求合理地平衡这两个子系统的成本。其结果是对任何复杂的雷达系统，系统设计师总是要求大的发射机功率。 当系统的设计是基于存在远距离人为干扰（Standoff jammer ）（而非仅仅存在热噪声）的距离覆盖要求时，也会导致同样的结果。 对探测携带自卫干扰机的目标，距离方程变为 ))(2j j r r A P A P R ??∝ （4.2） 式中，P r 和A r 为雷达的发射功率与孔径；P j 和A j 为干扰机的功率及孔径。结论与前述十分相似：功率与天线孔径依然是决定性因子，均衡的系统设计再次引出大的发射机功率。 无可争辩的结论是，“前端瓦特数才是算数的”。期望获得最佳的雷达工作性能多半意味着天线尺寸和发射功率二者都被推到可以忍受的极限。 迫使发射机按其最大可获得功率设计往往导致研制时间、开发经费出现问题和其他风险。这种情况在采用新型射频发射管时尤为突出，例如，AN/FPN —10L 波段雷达研制计划被迫中断，是由于供应商未能使磁控管在大占空系数范围内足够稳定；在使用内部真空腔而不是外部真空腔的大功率速调管的第二只管子（备份管）的合同履行前，弹道导弹早期预警系统（BMEWS ）的研制也面临过同样的危险[1]。即使是“成功”的射频管开发工作也可能因为打火率临界、冷却设计（导致可靠性问题）、过份的维护和后勤经费问题以及用户的不愉快等因素而终止。 迫使射频管开发超出（或无意地超过）当前技术水平面临的风险，特别是当期望达到的功率超过单管的能力时，使用多个射频发射管进行功率合成的想法变得十分有吸引力。这原来是一种将在后面（4.5节）讨论的十分实用的方法。因为单个固态射频器件与单个真空管相比，只能承受很小的功率，所以，能功率合成、易实现、可靠性高是固态发射机实用化的原因。无疑，将一些射频管组合以获得需要的大功率电平，增加了发射机的复杂程度，但另一方面，组合大量射频器件（在固态发射机中常这样做）会带来一些如第5章中所讨论的故障软化以及可靠性高的优点。
脉冲雷达发射机举例 一、单级振荡式发射机 单级振荡式发射机是应用最广泛的一种雷达发射机。诸如导航雷达、气象雷达、搜索引导雷达和炮瞄雷达几乎都采用这一种程式。下面介绍一部航海导航雷达中的发射机。 某工作在X波段的航海导航雷达，其发射机的主要技术指标是： 工作频率f0=9370±30MHz 发射脉冲的脉冲宽度τ和重复频率F 150~80 τ=ns相应的Fr1=200Hz 20.16~0.2 τ=us相应的Fr2=2000Hz 30.45~0.6 τ=us相应的Fr3=1000Hz 脉冲功率Pτ≥14kW 该发射机由预调器、调制器和磁控管振荡器三大部分组成，图画出了其方框图。 1.预调器 预调器除产生激励调制器的调制开关脉冲外，同时输出一个幅度为8~15V的正极性触发脉冲去触发显示器作为定时信号。此外还提前输出一个极性为正、幅度大于8V的脉冲去触发海浪抑制（时间增益控制）电路。预调器由控制脉冲形成电路、触发脉冲产生器和预调脉冲形成电路三部分组成。 控制脉冲形成电路的原理线路如图所示。由电源变压器来的21V、1000Hz的交流电压对称地加至二极管D1和D2的负端，在其正端得到一个负的脉动电压，此电压经过稳压管D3和D4限幅后形成方波，它再经电容C1和电阻R3组成的微分电路变成正负相间的尖脉冲送至由BG1组成的限幅放大器，由于BG1处于零偏置的截止状态，故正极性尖脉冲不起作用，而当负尖顶脉冲输入时，它便由截止状态进入导通状态，在其集电极获得一正极性脉冲波，该脉冲一路经过电阻R2进入海浪抑制电路，作为该电路的触发信号；另一路则经耦合电容C2和由R5、C5组成的积分电路变成有较长上升边的脉冲波，然后经由BG2组成的射极跟随器输出至触发脉冲产生器去启动可控硅SCR工作。积分电路R5C5的作用是使海浪抑制触发脉冲能提前于发射脉冲，以防止由于海浪抑制电路的接入而干扰接收机工作。继电器J3用来转换触发脉冲的重复频率，当雷达工作在量程为0.5~4浬范围内时，继电器J3动作，二极管D1和D2同时工作，相当于全波整流，此时重复频率为2000Hz（相应的脉冲宽度为80mus或0.25us），在其它量程则继电器J3不动作，只有二极管D1工作，相当于半波整流，脉冲重复频率转换为1000Hz。 触发脉冲发生器的电路如图所示，实质上是一个最简单的线型调制器，SCR作为调制开关，电容C7用作储能和脉冲形成，当控制极触发脉冲还没有到来时，SCR的控制极电流Ig=0，管子处于正向阻断状态，这时电源电压Ec就通过电感L1、二极管D5向电容C7谐振充电。当控制极触发脉冲到来且达到规定的触发电平后，SCR就进入正向导通状态，于是电容C7就经SCR、脉冲变压器MB初级绕组放电。与此同时，在脉冲变压器MB的次级绕组感应出一个幅度近于300V的正极性脉冲，它被送至下一级去触发它激式间歇振荡器工作。当放电电流减少到SCR的维持电流时，SCR恢复到正向阻断状态，重复前述过程，如此周而复始就得到一系列的脉冲串。 预调脉冲形成电路采用它激式间歇振荡器，图画出了它的电原理图。在脉冲间歇期内，电子管G1因栅极接有负偏压而处于截止状态，一旦正极性的触发脉冲到来，电子管G1导通，
雷达发射机是雷达系统的一个重要组成部分，它产生满足要求的大功率射频发射信号，经馈线系统再由天线辐射出去，从而照射远处目标。典型脉冲雷达框图如下，其中发射机(Transmitter)主要由三部分组成：高压电源，脉冲调制器和射频放大器。 发射机性能的好坏直接影响雷达整机的性能和质量，首先发射的电磁波信号必须具备一定的发射功率，对于不同体制和不同任务的雷达，发射机功率量级差别很大，例如，脉冲雷达的峰值功率可达到兆瓦级，而连续波雷达功率几十瓦就已经很高了。雷达发射机输出功率的大小将直接影响雷达的探测威力，通常可分为峰值功率和平均功率。 通常规定发射机送至天线输入端的功率为发射机的输出功率，峰值功率指脉冲期间射频振荡的平均功率，用Pt 表示；而平均功率则是脉冲重复周期(PRI)输出功率的平均值，常用Pav 表示。 对于简单的矩形脉冲列来说，峰值功率和平均功率有如下关系： av t t P P P PRF T ττ=?=?? 其中T 表示脉冲重复周期，τ表示脉冲宽度。由于平均功率是决定雷达潜在探测距离的一个关键因素，雷达发射总能量等于平均功率乘以时间。 之前有人问：对于相参雷达，在不改变雷达设备硬件的基础下，怎么提高探测距离？ 这里从雷达发射机的角度给出几个方法：不改变雷达设备，说明峰值功率功率也已调制最高了，那么可以做的一种方法是：提高雷达的占空比D ，也就是要么增大脉冲宽度，要么增大PRF ；另外，多个脉冲积累会有效提高信噪比，从而改善雷达对目标的发现能力，也就是提高积累时间来获得更多的发射能量。 对于这个问题还需要结合具体的雷达和修正后的雷达方程来分析哪些参数是不能变的，哪些参数是方便改变的。修正的雷达方程相关知识可见：
龙源期刊网 https://www.doczj.com/doc/b76869687.html, 机载气象雷达天线控制系统 作者：方智觅 来源：《科技视界》2015年第34期 【摘要】机载气象雷达天线控制系统是机载气象雷达的重要组成部分，用来控制天线的 运动，是飞机进行气象目标和地形探测的前提。机载气象雷达天线控制系统是自动控制技术在雷达中具体应用的产物，它涉及多方面的技术知识。 【关键词】天线控制；步进电机；光电脉冲发生器 随着航空技术的不断发展，人们对飞机的要求也越来越高，这促进了雷达技术的不断发展。机载气象雷达是雷达的一种，民用机载气象雷达的应用与发展则为飞行的安全性提供了可靠的保障。目前，具有风切变预警功能的机载气象雷达在民航飞机上的重要作用不可低估，已成为民航飞机必不可或缺的重要电子设备。机载气象雷达除了可以探测航路上的危险气象区域外，还可以用于观察地形并实现其他一些功能。现代机载气象雷达可实现的功能有以下几个方面： （1）探测航路前方扇形区域中的降雨区、冰雹区等气象区域； （2）探测夹带着雨粒的湍流区域； （3）观察飞机前下方的地形； （4）发现航路上的山峰等障碍物； （5）显示由其他系统输入的文字或图形信息； （6）用作雷达导航信标。 气象雷达天线是一种方向性很强的X波段微波天线。气象雷达发射机与接收机通过收发 转换开关通过天线实现雷达信号的辐射与回波信号的接收。在发射脉冲持续期内，气象雷达天线将发射机所产生的射频脉冲信号会聚成能量高度集中的雷达波束辐射到空中，在脉冲间隙期内（接收期内），目标所形成的反射回波由天线接收，输送给雷达接收机。 为了探测飞机前方广阔的扇形区域中的气象目标或观测飞机前方广阔的扇形区域中的气象目标或观测飞机前下方的地形，天线在辐射和接收雷达信号的同时，进行着往返的方位扫掠运动。与此同时，天线还必须根据飞机俯仰姿态和倾斜姿态的实时变化，自动地进行相对于飞机机身平面的俯仰修正运动，以保持天线扫掠平面的稳定。此外，还可在一定范围内对天线进行俯仰调节。为了实现雷达系统对天线运动及姿态的控制，天线组中除了用以辐射雷达信号的天
1、测定目标的角坐标, 其中包括目标的方位角和仰角。雷达测角的物理基础是电波在均匀介质中传播的直线性和雷达天线的方向性。方向图的主要技术指标是半功率波束宽度θ0.5以及副瓣电平。在角度测量时θ0.5的值表征了角度分辨能力并直接影响测角精度, 副瓣电平则主要影响雷达的抗干扰性能。 2、振幅法测角可分为最大信号法和等信号法两大类。最大信号法测角的优点：1、简单；2、用天线方向图的最大值方向测角，此时回波最强，故信噪比最大，有利于检测发现目标。缺点：1、直接测量时测角精度不很高，约为波速半功率宽度的20%左右；2、不能判别目标偏离波速轴线的方向，故不能自动测角。 3、雷达发射机两种基本形式：单级振荡式发射机：只由一级大功率振荡器产生发射信号，主振放大式发射机：先由高稳固体微波源产生，再经级联的放大电路，形成满足功率要求的发射信号。 单级振荡式发射机的性能特点：简单、经济、轻便；质量技术指标低；产生简单发射波形；主振放大式发射机的性能特点：复杂、昂贵、笨重；质量技术指标高；产生各种复杂发射波形；二者共性：都需要脉冲调制器为其提供大功率的脉冲波。 4、超外差式雷达接收机的主要质量指标：①灵敏度：表示接收机接收微弱信号的能力。灵敏度用接收机最小可检测信号功率(Simin)来表示。制约接收机灵敏度的主要因素是接收机噪声。要提高灵敏度,必须减少噪声电平，同时还应使接收机有足够的增益。②接收机的工作频带宽度：表示接收机的瞬时工作频率范围，频带宽度越宽，选择性越差③动态范围：表示接收机能够正常工作所容许的输入信号强度变化的范围，使接收机开始出现过载时的输入功率Simax 与最小可检测信号功率Simin 之。过载：当输入信号太强时，接收机将发生饱和而失去放大作用。④中频的选择与滤波特性。中频的滤波特性是减少接收机噪声的关键。 ⑤工作稳定性（指环境条件和电源电压发生变化时，接收机的性能受影响的程度。希望影响越小越好）和频率稳定度⑥抗干扰能力：抗有源和无源干扰的能力。⑦微电子化和模块化结构：模块化结构的程度，微电子化程度，减少体积、重量、耗电、成本、技术实现难度。⑧放大量：放大量表示接收机放大信号的能力，接收机必须有足够的放大量，才能使十分微弱的回波信号具有足够的幅度来处理与显示。⑨、保真度：用来表示接收机输出信号波形与输入波形（高频包络）的相似程度。⑩噪声、噪声系数与灵敏度 5、如何提高接收机灵敏度：①降低总噪声系数F0，通常采用高增益、低噪声高放；②接收机中频放大器采用匹配滤波器，以便得到白噪声背景下输出最大信号噪声比；③识别系数M 与所要求的检测质量、天线波瓣宽度、扫描速度、雷达脉冲重复频率及检测方法等因素均有关系。在保证整机性能的前提下，尽量减小M的数值。 6、为提高雷达系统的灵敏度，须尽量减小分辨信号功率S min这就需要：（1）尽可能减小接收机的噪声系数或有效噪声温度（2）尽可能减小天线噪声温度（3）接收机选用最佳带宽 B opt（4）在满足系统性能要求下，尽量减小识别因子M，经常通过脉冲积累的方式减小M 7、混频器作用：将高频信号与本振电压进行混频并取出其差频，使信号在中频上进行放大。 8、雷达系统为了获得大的信噪比一是要尽量减少接收机内部的噪声，二是要增大发射功率。当一个线性的传递函数为信号函数的共轭时，其信噪比将达到最大，这个线性系统叫匹配滤波器。 9、正交鉴相是同时提取信号幅度和相位信息的有效方法。模拟（数字）正交鉴相又称零中频处理。所谓零中频是指因相干振荡器的频率与中频信号的中心频率相等（不考虑多普勒转移），使其差频为零。零中频处理既保持了处理时的全部信息，同时又在视频实现，因而得到了广泛应用。 10、数字正交鉴相三种方法：数字混频低通滤波法、数字插值法、Hilbert变换法 11、应用广泛的频率源：直接合成频率源、间接合成频率源、直接数字合成频率源 12、天线作用：测角、波束扫描和目标跟踪、测高。 13、雷达天线的基本参量：（1）辐射方向图（包括波束宽度、副瓣电平）（2）增益（有效孔
文章编号:1006-4354(2010)01-0038-04 新一代天气雷达(CB)发射机的检测与维修 白水成,黄增林,张世昌,李崇福,李成伟 (陕西省大气探测技术保障中心,西安 710014) 中图分类号:P415.2 文献标识码:B 随着全国新一代天气雷达网的建成,新一代天气雷达在气象服务中发挥的作用日益凸显。作为机电一体化的复杂系统,故障随着使用年限的增加日益增多,这与发射机长期处于高功率、大电流的工作状态有关。为了更好地维护天气雷达,提高维修时效,根据作者的工作经验,介绍常用检测方法和检测结果,并对常见故障进行分析,给出解决方案。 1 发射机工作原理 发射机系统是围绕速调管设计的。CB雷达速调管是靠周期性地调制电子注的速度来实现放大或振荡功能的微波电子管,增益约为50dB。阴极发射的电子经加在阴极和收集极之间的高电压作用形成均匀的电子注,注入输入腔的信号电场与腔产生谐振,电子注通过腔的间隙时,受到高频场作用,正半周穿过的电子加速,负半周穿过的电子减速,电子速度变得有快有慢,在继续前进的过程中,快电子逐渐赶上慢电子,使电子注中的电子分布疏密不均,这种现象称为群聚。密度调制的电子注与输出腔隙缝的微波场进行能量交换,电子把动能交给微波场,完成放大或振荡功能[1]。速调管放大功能靠三方面的作用实现:阴极发射的电子、加在阴极和收集极之间的高电压、注入的信号电场。在CB雷达发射机系统中,这三个项分别对应于灯丝电源、全固态调制器输出高压、来自接收机的高频激励输入信号。 灯丝电源是交变稳流电源,通过灯丝中间变压器和位于油箱中的脉冲变压器及灯丝变压器为速调管灯丝供电,其输入是三相380V,输出是对称交变方波。 交流三相380V电压经整流滤波组件整流、滤波后,转换为约510V直流电压,输入充电开关组件。充电开关组件接收到充电定时信号后,通过充电变压器为调制组件的人工线充电。充电结束后,人工线电压达某一精确设定值。后充电校平器收到校平定时信号后,微量泄放人工线的多余储能。触发器收到放电定时信号后,输出放电触发信号,调制组件中的人工线放电,调制器输出2M W调制脉冲送至高压脉冲变压器初级,在其次级产生40～45kV负高压脉冲,加在速调管阴极(速调管阳极及管体接地),提供速调管工作所需的电压和能量。 由接收机提供的高频输入信号峰值功率约10mW,脉冲宽度约8 s,经前级功放组件放大后,该输入信号峰值功率大于7W,脉宽为0.8 s (窄脉冲)、2.5 s(宽脉冲),调节可变衰减器的衰减量,可使输入速调管的高频脉冲峰值功率达到最佳值(1W左右)。 2 发射机常用检测方法 2.1 发射机机外功率的测量 2.1.1 功率计的设置 功率计初始条件设置“offSet”选off、“Dutycycle”选off、“Frequenee”选雷达工作频率,如5430M Hz、“cal Fac”选与功率计探头标称相近的数值,如97.2%。 功率计标零→“Zero”→“cal”。设置结束,若标零操作正确,“pow er”选“o n”时,屏幕显示“1mW”左右。 系统设置输入(输人系统插损及工作占空比) System/input_+inputsetting_“offSet o n”→ 收稿日期:2009-07-09 作者简介:白水成(1980—),男,河南渑池人,硕士,助理工程师,从事气象探测技术研究。 38 陕 西 气 象 2010(1)