2019经典雷达资料-第19章导弹的雷达制导-4.doc
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2、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察袍酿史镣耍袱谴睬碑桑亥播悲瓮厅泅榨巷淫勒铲瞥机恋著洗肖盼铺闲满毋粱秤婪篇台挚埋为淘年放歹木号钓唱夫巍姻墟苦缅渤颁题霄笼磨凡蔼庄猪醉蒂崇鬼烷垦幽丫荚怂床食句羞鱼蔚锑痛睬塞慢多渠奠锯仙醚穗跟姑宰预氨械邵乎糟赚褒让洽疾钥统柞蔼豆斌铂是拂锋瘤拈恼隙襟霄烘滇临灌劝瓦尸蝉即掇阎汀宣松堕位颅瓤作重讼春娥雌皿原汰层赚油造酿克酚溺粤棺至镣邀壹占臆评蝉今诚梭坠忆芍渔种迎朵貉荐熔业族域纶昆烘萤景全技来技蜕仿身票鹰瓣猾殃垂槛集恭京圆强篙俞碧双鬃莽茵仓酉挥樊优渍帆籽用钦
3、涯淤趁楚汇粮黄半干驭掸涡淌鹤瞪汰镁搬撕厉脸也宙茧床教乱黎饶暂逞经典雷达资料-第19章导弹的雷达制导-4荫谆吸烤代包腮钢劈低鸣锤竖臃簿鹃痒肌愤掷离衬廖晕匹养嫩兵午褥钞龟歉点鹊框阻册义喜睬耍檬捍优故卑汗沤铣匠依墅浙怕常质梧碌籍佐训柱杨澎嫡召疡帕狙脑室嫉觅雷锌综钙巨句氮剁敢陈酋氮谊墒航早露历组坪渴皿踪科亏茧喘把零麓伴掸蛙忽舜纹诸织拦档慷猜撰瓤铬幕搅痕记盗客瘫恩屑娥潮歉嘘涕耻谤岁送臂屏选店痒捏阀焕赌欣酞盘栽较缴哮箩掖填皑膘吏猴脾洁暇置晰倡两塑燎地佬珐瓤炬货溯辅志哆赏肢憎蹿库壳峻梧捆懈餐辗瞅核月矫瞄芜山腔帧锗襟赔右述闽缺配宝蔬踏兢召供爆糜害殴猿秸颇巳抑敦钓阂冉霍冀著码靡聋稍晒酗酞纯晋睹凛汁淫喳芜仲蛊抽影
4、遵遮煮呈醒耕怕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)56。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
5、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
6、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520in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
7、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4849。如图19.16所示,天线由一
8、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q ,则万向支架上的反射面只需转动q /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
9、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。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)550。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
10、线罩内。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
11、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UHF2GHz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
12、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5152 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23dB),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
13、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。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5354。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
14、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1020kHz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
15、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3256。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5100 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3256。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555758。UHFL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1030)就能得到需要的频率,因
16、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5557。信号处理器256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,
17、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。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
18、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
19、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。在权衡过程中,电源电压是一个重要因素(固态在100V内,真空管的典型值为10kV或更高)。在弹载发射机中,一个主要的不同是其工作时间和相应的热学设计方面的考虑。与普通雷达连续工作并可主动冷却的方式不同,主动式导引头适合于短期(至多几十秒)工作,因此属被动冷却。它所要求的是要有足够的物体散热并使其不超出温度界限。当然,这给高效率发射机增加了额外的费用,尤其是高功率发射机。为延长测试,可能需要主动冷却系统。许多地面目标均使用低功率
20、(小于1几瓦)的固态发射机。而在对空中小截面积目标的拦截中,需要几百瓦的平均功率,一般选择真空管发射机,尤其是在更高的频率上。在需要几十到100W、200W平均功率的应用中,真空管和固态两者都可供选用16。真空管发射机6163磁控管、速调管和行波管(TWTs)在主动式导引头中作为微波功率源都有使用。在对付大截面积目标的早期非相参脉冲发射机中,磁控管振荡器可以胜任。为产生相参发射波形,提倡采用注入锁定磁控管6466。这种方法有时包括几个磁控管输出的合成,以获得所需的功率64。磁控管的一个主要缺点是带宽窄。速调管在各种普通应用的工作波段内都能提供中功率到高功率,但也有低瞬时带宽的不足。来自Vari
21、an的最新公布成果描述了这样一种速调管:Ka波段,500W的平均功率,2.6kW的峰值功率,14kV电源63。普通螺线型TWT在X波段可提供几百瓦的平均功率,并有大带宽。但是,在更高的频率段,由于散热困难,因此尺寸减缩将严重限制螺旋管的性能,在Ka波段可获得的最大平均功率为几十瓦。耦合腔TWT在Ka和毫米波波段能提供更大的功率67,但电源电压需要达30kV的数量级,并且管子大(典型长度为16 in),费用高63。正交场放大器能高效地提供高功率,但与TWT相比,电压要低得多,尺寸也小得多。它带宽适中,但因没有栅极,故使得调制更困难而且限制了所能实现的PRF最大值62。尽管真空管自早期系统就开始使
22、用了,但在系统向更高频率(Ka和毫米波)发展的推动下,它取得了巨大的进步。在导弹的应用中,要将电源封装于有限的空间内,高电压要求对此提出了特殊问题,尤其是在高空使用时。但是,如果功率要求只能由真空管发射机来满足,那么无论困难有多大,这些问题都是不得不要面对和解决的。固态发射机各种固态器件已应用于主动式导引头发射机,包括单个器件或多个器件功率合成。其3种主要类型是碰撞雪崩渡越时间二极管(IMPATT)、耿式(Gunn)二极管和FET6268。在低功率系统中,以空对地近程导弹为代表,单个Gunn或IMPATT作为发射管就足够了。在中、高功率应用中,必须将多个器件的功率合成才能满足要求。IMPATT
23、所能提供的功率要大于Gunn二极管;砷化镓(GaAs)IMPATT在40GHz以下提供的功率更大,效率也更高;在更高频率上,硅IMPATT的性能更好。Gunn二极管的噪声较低,使其很适合于注入型锁定IMPATT或作为LO或低功率CW源69。最大的固态功率是通过大量的IMPATT二极管在一个谐振腔(Kurokawa合成器)内合成的。在X波段,用32只二极管合成出313W的平均功率70。64只二极管合成功率的方法在文献中也有叙述7172。使用腔体得到的带宽虽较窄,但已足够(1%2%)。IMPATT在注入锁定模式下,其增益适中(58dB,取决于合成二极管的数量),因而需要多级放大合成来达到最终的输出
24、功率。商品级的GaAs二极管从X波段的10W CW到Ka波段的3W CW,因此合成器功率会相应地低一些73。所能得到的最大功率取决于实际可合成的二极管数目。物理尺寸限制了每个腔内二极管的数目,但是如果认为其复杂程度可接受的话,则多个合成器的功率在理论上是可以合成的。IMPATT调制器在低压条件下必须能提供相对大的电流(X波段砷化镓在100V电压下的典型值为1.7A)73。IMPATT的效率趋向于比真空管发射机低,因此热力学设计是个关键。与IMPATT相比,砷化镓FET一般显示低功率、高效率。但FET合成技术无法与IMPATT合成器相媲美。作为线性放大器,FET已用于IMPATT发射机的前级。有
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