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经典雷达资料-第5章__固态发射机3.doc

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    • AN/SPS—40AN/SPS—40 雷达原是 UHF 频段、真空管型、远程、两坐标舰载搜索雷达系统,由美 西屋电器公司为美国海军舰艇司令部改装,用新的固态发射机取代真空管发射机[10]其发 射机的现存波形不变,并把固态单元作为直接改装部分安装在其中这并不像通常的那样 有太大的难度,因为原真空管型系统已经采用了宽脉冲和脉冲压缩技术,而且脉冲的占空 比接近 2%,远高于较早的 0.1%的占空比系统尽管期望较高的占空比和较低的峰值功率, 以使固态化改造更容易,但海军宁可选择不改造其他系统图 5.13 铺路爪收发模块框图(BPF 为带通滤波器)图 5.14 铺路爪收发模块峰值功率为 250 kW 的发射机总共使用了 128 个大功率放大模块,发射机、功率合成 器、预驱动器、驱动器以及控制电路被安装在三个独立的机柜内共有 112 个末级功率输 出模块,分成两组,每组 56 个当脉宽为 60 s,占空比为 2%时,每个模块产生的峰值功 率为 2500 W,平均功率为 50 W两组末级输出模块的驱动功率(17.5 kW)由驱动器组中 12 个相同模块的输出的合成来提供,预驱动器和备用预放大器作为前驱动级。

      功率放大模块由 10 个相同的硅双极功率晶体管组成,为了在 400~450 MHz 带宽内产生大于 2500 W 的峰值功率输出,采用 2 驱动 8 的放大器结构发射机模块的照片如图 5.15 所示每个晶体管是按平衡推挽电路设计的、峰值功率为 400 W 的器件通过使用推 挽结构,电路设计者避免了一些与高功率晶体管共存的低负载阻抗匹配问题模块的射频 驱动峰值功率为 120 W,用于驱动两个器件大于 600 W 的合成功率被分成八路,分别驱 动八个相同的输出级输出环行器、末级功率合成和故障检测电路的损失将合成功率值降 为 2500 W为保证正常的工作,输出模块采用液冷,但在主冷却系统故障时,提供了一个 紧急备用的强制风冷系统由于系统工作于低占空比状态,热耗是可以接受的图 5.15 AN/SPS—40 发射机放大模块每一个输出机柜的功率合成由 56:1 合成器组成电抗功率合成器由 7 组 8:1 合成器组 成,这些合成器安装在 0.5 in 接地平面间距的通风带状线内7 组合成器的输出由一个 7:1 的通风带状线合成器(地平面间距为 1.0 in)合成两个 56:1 合成器的 130 kW 输出由一个2:1 的隔离混合电路合成,其中混合器由 3.125 in 的同轴传输线加工而成。

      广告称,2:1 和 56:1 合成器的损耗分别为 0.1 dB 和 0.25 dB 系统的其他特性还包括自监控和自调整驱动器组的功率输出电平输出值被监测,其 大小改变为可编程的 24~40 V 的直流电源电压,以便使随时间和温度变化的驱动器输出保 持恒定海军空间监视系统(NAVSPASUR)NAVSPASUR 的固态发射机是由美雷声公司设备部设计并制造的[24]NAVSPASUR 是 一部工作于 217 MHz 的连续波雷达,用于探测和跟踪飞经美国大陆的卫星或其他飞行物 固态发射机直接用于取代老式的真空管型发射机该系统产生很高的平均功率输出(850 kW) ,加之系统的天线增益,可产生高于 98 dBW 的有效辐射功率 主发射阵地位于得克萨斯州的伊尔曼湖,较小的辅助发射阵地位于亚利桑那州的计勒 河,以及阿拉巴马州的约旦湖发射阵地设有由同轴分支馈电系统驱动的相控阵偶极子天 线在伊尔曼湖的主发射阵地包括了 2556 个天线单元,每个单元是由位于天线下面的 300 W 的固态模块驱动此固态系统优于真空管系统的主要优点: (1)由于发射模块与天线是一体的,所以分支馈电的传输损耗低得多,总阵地效率接 近原来的两倍,因而全寿命费用更低。

      (2)故障弱化结构使得整机的可用度接近 1模块的平均无故障时间为 100 000 h,在 发射机输出功率减小 1 dB 之前,有近两年的时间内可不对故障模块进行修理图 5.16 示出 原来的真空管发射机与改造后的固态发射机的对照图 5.16 NAVSPASUR 发射机设计比较固态模块是一个 300 W 的连续波放大器,放大器使用 1 驱 4 的硅双极型晶体管结构, 它们工作于共发射极方式,使用丙类偏置和 28 V 直流电源模块的工作特性列于表 5.6,图 5.17 和图 5.18 示出模块的照片和框图在 300 W 输出功率时,需要 6.2 W 的输入 功率驱动模块进入饱和模块在底板上消耗 200 W 的功率,与室外环境通过对流和热辐 射来散热其他模块特性包括自动故障检测、关断、谐波的滤波,以及用于插入相移匹配 的厂方可调的延迟线停机坪(RAMP)RAMP(加拿大雷达现代化计划)雷达是雷声公司生产的 L 波段雷达系统,加拿大运 输部用它取代担负空中交通管制任务的较早期的一次和二次警戒雷达[25][26]一次警戒雷达包括可转动的反射面天线,由固态发射机馈电的喇叭口和冗余的接收通道(包括接收机、 激励器和信号处理器) 。

      一次警戒雷达工作于 1250~1350 MHz,输出峰值功率为 25 kW 在对 2 m2目标的检测概率为 80%时,其探测距离为 80 n mile,高度为 23 000 ft,方位、 距离分辨力分别为 2.25和 0.25 n mile接收机-激励器高效地利用了采用高占空比波形的 固态发射机在频率捷变系统中,采用了双脉冲对,并用四脉冲动目标检测器处理回波 脉冲对包括 1 s 宽的连续波脉冲和 100 s 的非线性调频脉冲,其中窄脉冲覆盖 8 n mile 内的区域,宽脉冲覆盖至 80 n mile 的区域100 s 的脉冲被压缩为 1 s,以获得较高的 占空比而不降低距离分辨力表 5.6 NAVSPASUR 固态功率放大器模块性能参 数性 能技 术 指 标频率216.98 MHz216.98 MHz射频功率输出(CW)320.0 W300 W+0.5 dB增益17.1 dB16.8 dB寄生射频输出(近端)–75 dBc最大–70 dBc寄生射频输出(远端)–85 dBc最大–80 dBc射频直流效率61.5%最小 58%输入反射损失14 dB14 dB功率输出相似性(1)0.29 dB0.5 dB相位相似性(1)3.0°3.0直流电压28 V/16.5 A 和 8.9 V/0.18 A28 V/19 A 和 8.9 V/0.2 A尺寸21 in×16 in×4.3 in21 in×26 in×4.3 in重量47 lb47 lb工作温度0F~116F0F~116F加压压力5 lb/in25 lb/in2图 5.17 NAVSPASUR 发射机放大模块发射机由 14 个模块组成,每个模块具有 2000 W 的功率输出,合成后产生大于 25 kW 的峰值功率。

      两个模块和一个 33 V 直流电源组成一个发射组模块由硅双极功率晶 体管的 2-8-32 放大器结构组成,32 个末端输出器件和 8 个驱动器件是 100 W 的晶体管, 工作带宽大于 100 MHz,占空比为 10%,集电极效率大于 52%每个模块均采用风冷, 当平均占空比为 8.2%时,实测的效率大于 25%模块的功率增益大于 16 dB,图 5.19 是 50 lb 模块的照片,晶体管沿模块中脊排成一条直线输出端口用环行器来保护100 W 的晶体管免遭天线反射功率的损害控制电路用于在冷却系统故障时关断模块14:1 的重复大功率合成器[21]采用电抗性和电阻性相结合的功率合成技术在空气介质带状线上构造,用于将模块输出合成为 25 kW图 5.19 RAMP 发射机放大模块参 考 资 料1 Skolnik, M.I.: The Application of Solid-State RF Transmitters to Navy Radar, NRL Memo.Rept.3074,Naval Research Laboratory, Washington, June 1975.2 Considine, B.: personal communication, Raytheon Company, January 19883 Watkins, E.T. ,et al. :A 60 GHz GaAs FET Amplifier, IEEE MTT-S Int .Microwave Symp. Dig., pp. 145-147, 1983.4 Soares, R.,J., Graffeuil, and J.Obregon, “Applications of GaAs MESFETs” Artech House, Norwood, Mass.1983,pp.157-207.5 Cooke ,H.: Microwave Transistors: Theory and Design,proc.IEEE,vol.59,pp.1163-1181,August 1971.6 Ostroff,E.M. Borkowski, H.Thomas, and J.Curtis:“Solid-State Radar Transmitters”Artech House, Norwood, Mass ,1985.7 DiLorenzo,J.V., and D.D.Khandelwal :“Gasa FET Principles and Technology”Artech House, Norwoood, Mass, 1982,pp.75-152.8 Browne, J.: RF Devices Gain Higher Power Levels, Microwave & RF,p.148, November 1987.9 Bhartia, P., and I.j. Bahl: “Millimeter Wave Engineering and Applications” John Wiley & Sons, New York,1984,pp.75-152.10 Lee,K., C. Corson, and G.Mols:A 250 kW Solid-State AN/SPS-40 Radar Transmitter , Microwave J.,pp.93-105,July 1983.11 Krauss ,H.L. ,C.W.Bostian, and F.H.Raab: “Solid State Radio Engineering” John Wiley & Sons, New York,1980,pp.394-431..12 Pitzalis,O., and R.Gilson: Broadband Microwave Class-C Transmitter Amplifiers, IEEE Trans., vol. MTT-21,PP.660-668,November 1973.13 Lavallee, L .R .: Two-Phased Transistors Shortchange Class-C Amps, Microwave,pp.48-54,February 1975.14 Ferry, D. K.: “Gallium Arsenide Technology”Howard W. Sams & Co., Indinnapolis, 1985,pp.189-300.15 Laighton,D.G.:private communication,Raytheon Company,Janaury 1988.16 Pierro,J.,and R.Clouse:An Ultraminiature 5-10 GHz,2-Watt Trasmit Module for Active Apertur。

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