经典雷达资料-第19章导弹的雷达制导-4.doc

天线天线可能是最关键的子系统，因为它的设计决定了导引头的探测性能，进而决定视轴误差测量的质量角度处理（即圆锥扫描或单脉冲网络）常常被认为是天线子系统指标的一部分天线的主要指标是最大可能的增益、最窄的波束宽度、低副瓣、最高的误差灵敏度（即单脉冲斜率）和大带宽（ARH 应用） [5][6]在主动式应用中，天线还必须能解决发射功率的问题，并能很好地与其匹配，使发射机反射回接收机的功率最小尽管除干涉仪和一些机身固定的 ARH 类型之外，大多数天线都是用万向支架固定的，但人们谈论更多是电控相控阵的可能应用它要么与天线罩共形，要么安装在天线罩里面特别是，有源阵列被认为是高性能主动式导引头的解决方案在现有的系统中，采用万向支架安装的天线完全能满足硬件较简单、费用较少的要求这类型的天线将继续在该领域占主导地位，除非可得到一种可靠的、低成本的单元（移相器、收发（TR）模块） 即使有效孔径最大和使伺服回路稳定度要求简单化，对万向型天线也有另外的要求为达到这一要求，天线必须重量轻、惯性力矩小，而且还要坚固 [16]为使孔径最大，天线应加工得很薄以便其表面贴近旋转轴中心普通的前馈式抛物面天线要在大万向支架角上获得间距，由于其深度，它明显小于平面天线（如图 19.15 所示） 。

图 19.15 用万向支架固定的天线的物理布局将很薄的天线就近安装在旋转轴心可得到最大的天线孔径第一 代 圆 锥 扫 描 天 线 是 抛 物 反 射 面 ， 即 通 常 的 卡 塞 格 伦 型 单 脉 冲 导 引 头 一 般 使 用 裂 缝波 导 或 微 波 带 状 线 平 板 ， 通 过 4 个 象 限 输 出 的 结 合 可 提 供 相 位 单 脉 冲 测 角 ， 且 受 导 弹 直 径5～20in 的限制，只能开非常少的槽对于锥状幅度分布，少量的槽不允许其分布有很大的第 19 章 导弹的雷达制导·750·自由度，因而难于实现低副瓣为减小杂波和干扰的数量及有助于多目标的分辨，主波束应尽可能窄为做到这一点必须限制幅度的锥削（以防止波束展宽） [6]另一个重要的设计是决定接收机哪些部分应放在万向支架上，哪些应放在万向支架外面为减小噪声和保持单脉冲通道适当的增益及相位跟踪，把微弱的微波信号通过可弯曲电缆从万向支架上引出是不切实际的这就需要用转动铰链（三通道或二通道，取决于单脉冲处理的结构）或在万向支架上完成 IF 转换后再用电缆把 IF 信号引出在较强信号、较低的 IF 频率上，噪声的影响明显低于其在微波段的影响。

但是，在万向支架上增加的重量必须保持最小，电缆的转矩或转动铰链的摩擦力必须最小，以便使万向支架的转矩适中，并使造成极限周期振荡问题的非线性影响最小液压伺服系统虽有足够大的转矩容量，但对电驱动来说，其可获得的转矩是有限的，且必须考虑它们的影响当然，在主动式导引头中，损耗和功率传送能力（对大功率而言）将迫使系统使用转动铰链来向天线发送发射机信号 [16]由于以上诸多的原因，因此用万向支架固定的平面反射面（逆卡塞格伦）天线是一个非常吸引人的解决方法 [48][49]如图 19.16 所示，天线由一个固定的馈源和抛物反射面、一个用万向支架固定的可转动平面反射器组成馈源辐射的线性极化能量被抛物面反射反射面由金属网格组成，其目的是对发射的极化波进行反射被反射的平面波照射在可转动的平板反射器上，该反射器实质上是 1/4 波长平板，反射、入射能量并将其极化平面旋转90°因此，平板反射面网格对被反射的极化是透明的这个布局不需要转动铰链，容许所有的处理单元和接收机单元不放在万向支架上该天线还有一个优点：要到达给定的波束视角  ，则万向支架上的反射面只需转动  /2由于要转动反射面，且万向支架转矩最小，加上 2:1 的角度关系，因此它有利于更简单的万向支架设计。

然而，对于机身固定式天线，安装在万向支架上的陀螺仪影响了 LOS 的稳定性利用惯性基准则需要有很低的稳定性第 19 章 导弹的雷达制导 ·751·图 19.16 平面扫描天线可提供馈源固定的机械扫描波束，不需转动铰链或可弯曲电缆来传送 RF 信号干涉仪天线可用在导弹弹头无法使用的场合，如用冲压式喷气发动机推进的导弹（采用前端进气） [5][50]其典型的结构是在导弹周围使用两对阵子天线从概念上讲，干涉仪是相位单脉冲天线，而小单元尺寸只能得到宽的波束宽度和低的增益并且还要解决几个干涉仪波瓣间的模糊问题干涉仪已被半主动式和被动式（ARH）系统所采用如 19.3 节所述，机身固定式结构使用了其他类型的宽带天线例如，锥形螺旋天线，由于其长度超出必需的视场，因此不便用万向支架固定在天线罩内第 19 章 导弹的雷达制导·752·接收机接收机的前端将天线输出的低电平微波信号转换成频率适于处理的高电平信号该信号可能是驱动早期系统速度波门的基带多普勒信号或一串驱动数字处理器的比特流在这两种情况中，信号都必须放大到恒定（相对的）的幅度、被滤波和频率变换（通常要几次变换） ，同时保存目标信号的角度信息。

因此避免饱和和消除干扰是它的主要要求单脉冲系统还要求通道间对增益和相位进行跟踪相比之下，接收机后端的动态范围要小得多，而信号要大得多，所以其形式较为简单在滤波、接收机保护和频率变换部件中有许多要求与接收机前端的相同接收机的微波部分按复杂性可以从一个简单混频器变化到一个带 RF 预放和预选的相当精细的二次变换系统（其一个通道的框图如图 19.17 所示） [6]最早的系统使用平衡混频器把微波能量转换为 IF 能量，并且没有其他滤波或放大混频器通常位于天线的后面，并用电缆与 IF 预放大器（没有放在万向支架上）相连，采用平衡混频器可消除 LO 信号中的AM 噪声最小的系统噪声系数是十分重要的要求图 19.17 普通的接收机方框图其可能的实现范围，从最简单的单变换混频器到带 RF 预放和接收机保护的最精细的双变换系统二次变频微波接收机位于频谱的另一端，其高的第一 IF 在 UHF～2GHz 频段，紧随其后的普通 IF 是 60MHz 或更低的频率大多数结构的 IF 都在这些范围之内具有代表性的某种类型的限幅器放在第一混频器之前，以保护混频器不被友方或敌方雷达的大功率信号烧坏RF 预选可由一个覆盖工作带宽的固定滤波器或一个可调谐的预选器，如钇铁石榴石（YIG）滤波器 [51][52] 组成。

某些系统包括 RF 预放大器低噪声场效应三极管（FET ）技术提供了非常低的噪声系数（低至 2~3dB） ，但是与二极管混频器相比，它降低了动态范围如果是以 ECM（如在作战情况下）为主的环境，这些低噪声系数似乎能对灵敏度（即捕获距离）提供明显的改善，那么决定检测门限的不是热噪声而是干扰但事实上，FET 预放大器不能提高性能 [6]为了维持大信号环境下的线性，预放大器可用开关旁路或接入另外的衰减（步进 AGC） 在二次变频接收机中，第一次变换通常使用固定 LO；在倒置接收机结构中，第二次变换用于闭合多普勒跟踪环路如果只使用一次变换，则倒置接收机中的多普勒跟踪环路将由混频器闭合在普通接收机中，LO 是一个由后面的 AFC 回路控制的可调谐振荡器其他型式可使用镜频抑制混频器代替带通滤波器来抑制镜频和避免噪声折叠 [52]第 19 章 导弹的雷达制导 ·753·主动式导引头需要用收发开关来提供收发隔离随着集成度的提高，接收机可视做一个部件而不是一个子系统，单块芯片能集成其中的大部分或整体 [53][54]低噪声频率基准也许，最困难的设计挑战是低噪声频率基准在半主动式导引头中，最困难的部分就是 LO；而在主动式结构中，最困难的部分就是提供发射机 RF 的激励源。

在每种情况下，都有一个基本振荡器充为导引头的频率基准，其他需要的信号（如系统中用于其他变换的LO）通过混频或锁相技术由基本振荡器得出正如前面讲到的，普通半主动式导引头的 LO 已从宽可调谐范围微波源发展到本质上是固定调谐或频率略微可变的微波源它必须具有低的近载频噪声，而且根据具体应用，必须显示出很严格的长期频稳度或具有连续的、线性的、重复可调的特性基本振荡器常结合消噪技术以满足低噪声要求在偏离载频 10～20kHz 的频率上，典型的低噪声要求可能低至 140dBc/Hz（即 1Hz 带宽内比载频能量低 140dB） [55]早期系统的微波 LO 通常是采用机械粗调（以便覆盖工作带宽）和电子微调的反射速调管，需要用尾部回路来衰减噪声 [6]固态微波源使用较低频 VCO 和倍频器来产生所需的频率在典型的结构中，变容二极管调谐晶体管振荡器提供 1GHz 以内的可调谐度，变容二极管或阶跃恢复二极管可用做乘法器 [32][56]随着趋向于更精密的发射机频率的控制，这使导弹的 LO 采用晶控得以实现，用在5～100 MHz 范围内的基本晶体振荡器或压控晶体振荡器（VCXOs ）直接倍频到微波频率或用于 VCO 锁相。

但是，由于高次倍频（50MHz 要乘以 200 才到 X 波段） ，因此基本振荡器的噪声必须相当低才能满足最终的要求 [32][56]随后的设计是使用声表面波器件（延迟线或谐振器）作为振荡器的反馈元件 [55][57][58]UHF～L 波段范围内的 SAW 振荡器只需极低的倍频因子（ X 波段 LO 只需乘以 10～30）就能得到需要的频率，因此它们的 FM 噪声比晶体振荡器的低这不仅仅使倍频噪声的影响相应地减轻，而且硬件尺寸更小和更简单，且采用多路切换延迟线来提供频率捷变，采用SAW 谐振器作为反馈单元所产生的 FM 噪声要比采用延迟线的低（可降低 20dB） [56]其另一个有前景的方法是介电谐振振荡器（DRO） 上面的任何一种结构都必须特别注意减振如果在设计中不重视器件的安装和材料的选择等，则正常的导弹振动环境能将振荡器变成噪声产生器 [55]~[57]信号处理器 [2][5][6]作为硬件单元，信号处理器可完成目标检测、距离测量、多普勒测量、角度误差提取及闭合相应的跟踪环路接收机与信号处理器之间的划分有时是相当模糊的在第一代系统中，速度波门是很容易识别的，但在倒置接收机中，窄带状结构（多普勒信号处理）放在大多数接收机放大之前，因此在很大程度上它们的区别就消失了。

在现代数字实现方法中，主要的权衡是在何处划定模拟处理和数字处理间的界线大多数需要的功能能否用数字方法实现，取决于数字方法是否能得到更简单的硬件而又能保持同样的性能 [59]第 19 章 导弹的雷达制导·754·例如，一个多普勒滤波组的实现可能由许多窄带模拟滤波器组成或由一个宽多极带通模拟粗选滤波器后接一个数字 F F T 组成或完全由一个数字结构组成由于模拟粗选滤波器可大大地降低数字处理机所需的运算总量，因而是可选方案如果模拟式距离波门选通，则必须置于窄带多普勒滤波之前，因为它是宽带处理（必须维持窄脉冲形状） [60]可是，宽带模数转换可为全数字距离多普勒处理器作准备随着模/数转换器（ADC）朝更高速、更大位数（决定动态范围）的发展，数字化在导引头框图中的界限也将进一步向接收机前端推进理想的极限是在每个天线输出端口就有一个 ADC，但这离实际应用还有很长的距离发射机因为发射机在大多数应用中趋于支配重量/体积的预算，故是主动式导引头设计中的一个关键部分其他子系统的微型化对系统尺寸的减小是有限的，以至于发射机多半代表了导引头重量/体积的 50%或更多发射机的主要参数为平均功率、效率（因为发射机的大小必须考虑主要的动力能源及散热） 、波形限制、重量/体积、电源要求、频率带宽、噪声和稳定性。

主要的设计决策是采用真空管还是采用固态器件，且每一类型都有多种选择根据工作频率和距离的要求，再结合导弹尺寸（即有效天线孔径） ，发射机结构的选择主要是依据可利用的功率和功率/重量、功率 /体积方面的考虑。