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雷达发射机新技术

作译者：郑新,李文辉,潘厚忠等

出版时间：2024-03 千字数：830 版次：01-01 页数：624

开本：16开装帧： I S B N ：9787121475047

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纸质书定价：￥240.0

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目  录
第1章  概论	001
1.1  概述	002
1.2  雷达发射机的功能	004
1.3  脉冲雷达发射机的主要技术参数	007
1.3.1  工作频率	007
1.3.2  输出功率	008
1.3.3  脉冲波形	008
1.3.4  发射信号的稳定性和频谱纯度	009
1.3.5  发射机效率	014
1.4  脉冲雷达对发射机的要求	014
1.4.1  脉冲压缩雷达对发射机的要求	014
1.4.2  动目标显示雷达对发射机的要求	021
1.4.3  脉冲多普勒雷达对发射机的要求	027
1.5  常用的雷达发射机	037
1.5.1  地面雷达发射机	037
1.5.2  机载雷达发射机	039
1.5.3  星载雷达发射机	040
1.5.4  舰载雷达发射机	040
1.6  发射机应用一览	040
参考文献	041
第2章  真空管雷达发射机	043
2.1  概述	044
2.2  方案考虑	044
2.2.1  确定发射机类型	044
2.2.2  确定发射机组成形式	045
2.2.3  真空微波管的选择	046
2.2.4  指标分配与计算	047
2.3  常用真空微波管	047
2.3.1  常用真空微波管的结构及功能	047
2.3.2  常用真空微波管的工作原理及性能	051
2.3.3  常用真空微波管的比较	062
2.4  高功率微波管发射机设计	063
2.4.1  阴极调制微波管发射机的设计	064
2.4.2  真空微波管发射机的功率合成	074
2.5  栅控微波管发射机	077
2.5.1  控制电极的调制形式及特点	077
2.5.2  工作状态控制	080
2.6  正交场管发射机	082
2.6.1  前向波管发射机的基本类型	082
2.6.2  前向波管发射机的设计要点	086
2.7  多注速调管发射机	088
2.7.1  多注速调管发射机稳定工作的条件	089
2.7.2  多注速调管的供电设计	090
2.8  微波功率模块	091
2.8.1  固态放大器的设计	092
2.8.2  真空功率放大器的设计	093
2.8.3  集成电源调整器的设计	094
2.8.4  组装设计	095
2.8.5  可靠性	096
参考文献	097
第3章  固态雷达发射机技术	099
3.1  概述	100
3.1.1  双极型微波功率晶体管	101
3.1.2  金属氧化物半导体场效应微波功率晶体管	106
3.1.3  砷化镓场效应微波功率晶体管	108
3.1.4  雪崩二极管	110
3.2  微波功率晶体管大信号S参数的表征和测试	111
3.3  阻抗匹配	116
3.3.1  微波功率晶体管的动态阻抗测试	117
3.3.2  阻抗匹配方法	118
3.4  微波功率晶体管放大器的指标要求和设计方法	139
3.4.1  微波功率晶体管放大器的稳定性	139
3.4.2  微波功率晶体管放大器的增益和输出功率	144
3.4.3  绝对稳定微波功率晶体管放大器的设计	148
3.4.4  潜在不稳定微波功率晶体管放大器的设计	152
3.4.5  宽带微波功率晶体管放大器的设计	156
3.4.6  宽带线性微波功率晶体管放大器的设计	164
3.4.7  宽带C类微波功率晶体管放大器的设计	166
3.4.8  平衡微波功率晶体管放大器的设计	169
3.4.9  最小结温微波功率晶体管放大器的设计	170
3.4.10  集电极负载等值线微波功率晶体管放大器的设计	172
3.5  全固态雷达发射机	175
3.5.1  全固态雷达发射机的类型	176
3.5.2  全固态雷达发射机的特殊设计考虑	176
参考文献	177
第4章  全固态雷达发射机的设计和实践	179
4.1  概述	180
4.2  全固态雷达发射机的系统设计	181
4.2.1  全固态雷达发射机的功率合成技术	182
4.2.2  集中放大式高功率全固态雷达发射机	202
4.2.3  有源相控阵雷达全固态发射机	209
参考文献	221
第5章  脉冲调制器	223
5.1  概述	224
5.2  方案考虑	224
5.2.1  脉冲调制器的基本电路形式及其特点	226
5.2.2  脉冲调制器的方案选择	229
5.3  线型脉冲调制器的设计	230
5.3.1  线型脉冲调制器的设计考虑	230
5.3.2  对已知参数及技术要求的确认	231
5.3.3  放电回路的工程设计	231
5.3.4  反峰电路的设计	240
5.3.5  线型脉冲调制器的充电电路	241
5.4  栅极脉冲调制器的设计	250
5.4.1  常用浮动板栅极脉冲调制器的主要类型	253
5.4.2  开关管的选择	255
5.4.3  栅极调制电源	258
5.4.4  浮动板栅极脉冲调制器的控制与保护	261
5.5  刚管脉冲调制器的设计	262
5.5.1  刚管脉冲调制器的充电电路	262
5.5.2  固态刚管脉冲调制器	266
参考文献	273
第6章  发射机电源	274
6.1  概述	275
6.2  发射机电源的特点	275
6.2.1  发射机常用的电源	276
6.2.2  发射机电源的技术指标	277
6.3  组合式大功率高压开关电源	282
6.3.1  设计要求和组合形式	282
6.3.2  高压电源变换器的电路形式	282
6.3.3  串联谐振高压电源变换器的设计和计算	286
6.3.4  设计的主要难点和解决方法	288
6.3.5  提高可靠性和减小干扰的方法	290
6.3.6  功率合成	291
6.4  带降压收集极的行波管放大器的开关电源系统	291
6.4.1  浮在高电位上的电源	292
6.4.2  高压电源	294
6.4.3  提高稳定性指标的方法	298
6.5  组合式大功率低压开关电源	299
6.5.1  设计的特点及难点	299
6.5.2  设计与计算	300
6.5.3  组合式大功率低压开关电源与组合式大功率高压开关电源的差异	304
6.5.4  提高效率、降低纹波的方法	305
6.6  电源的控制和保护电路	306
6.6.1  开关电源的控制方式	306
6.6.2  开关电源的闭环调节	308
6.6.3  检测与保护	311
6.7  电源稳定、可靠工作的措施	314
6.7.1  软启动	314
6.7.2  正确选择、设计功率开关及关键元器件	315
6.8  电源的功率因数补偿	317
6.8.1  功率因数补偿的必要性	317
6.8.2  功率因数补偿的方法	317
6.9  电路拓扑的优化设计和仿真	320
参考文献	321
第7章  雷达发射机特种元件	322
7.1  概述	323
7.2  充电电感及充电变压器	324
7.2.1  充电电感的工作原理	324
7.2.2  充电电感参数的计算	325
7.2.3  充电电感的设计	326
7.2.4  充电变压器	329
7.3  脉冲形成网络	332
7.3.1  脉冲形成网络的放电原理	332
7.3.2  脉冲形成网络的设计	334
7.3.3  多线并联脉冲形成网络的应用	335
7.3.4  Blumlein脉冲形成网络	336
7.4  脉冲变压器	336
7.4.1  脉冲变压器的脉冲波形参数	337
7.4.2  脉冲变压器的等效电路分析及波形参数计算	338
7.4.3  脉冲变压器的铁芯	342
7.4.4  脉冲变压器的绕组	348
7.4.5  铁芯截面积的确定	355
7.4.6  脉冲变压器的设计步骤	355
7.5  开关电源变压器	356
7.5.1  开关电源变压器的分类	357
7.5.2  漏感和分布电容	358
7.5.3  开关电源变压器的材料	359
7.5.4  双极性开关电源变压器的设计	360
7.5.5  单极性反激式开关电源变压器的设计	365
7.5.6  单极性正激式开关电源变压器的设计	369
参考文献	371
第8章  发射机系统监控与可靠性设计	372
8.1  概述	373
8.2  监控设计	373
8.2.1  发射机的开机和关机程序	373
8.2.2  发射机的工作状态指示	378
8.2.3  发射机参数检测及故障保护	378
8.2.4  发射机监控系统的电路设计	391
8.3  可靠性设计	399
8.3.1  发射机可靠性的数学模型与分析	399
8.3.2  可靠性指标的分配	402
8.3.3  发射机系统的可靠性设计	402
8.3.4  发射机的可靠性预计	410
8.3.5  故障模式影响及危害性分析	412
参考文献	414
第9章  雷达发射机技术参数的测试	415
9.1  概述	416
9.2  雷达发射机技术参数的通用测试方法	416
9.3  雷达发射机主要技术参数的测试	417
9.3.1  雷达发射机所用微波管的参数测试	418
9.3.2  雷达发射机的输出功率测试	421
9.3.3  雷达发射机的放大器功率增益测试	421
9.3.4  雷达发射机的瞬时带宽测试	422
9.3.5  雷达发射机射频脉冲检波包络的测试	422
9.3.6  雷达发射机频谱分布的测试	423
9.3.7  雷达发射机频谱纯度的测试	423
9.3.8  雷达发射机效率的测试	423
9.4  雷达发射机一些关键技术参数的测试	424
9.4.1  真空管雷达发射机高压电源的测试	424
9.4.2  真空管雷达发射机高压脉冲调制器的测试	425
9.4.3  雷达发射机噪声功率、噪声系数、相位灵敏度和相位噪声的测试	428
9.4.4  全固态雷达发射机电源纹波的测试	431
9.4.5  全固态雷达发射机功率放大器组件的扫频测试	431
9.4.6  有源相控阵雷达全固态发射机幅相特性的测试	432
参考文献	434
第10章  发射机冷却及电磁兼容的设计	435
10.1  发射机的热设计与冷却	436
10.1.1  概述	436
10.1.2  发射机冷却方式的选择	437
10.1.3  自然冷却	439
10.1.4  强迫风冷却	445
10.1.5  强迫液体冷却	454
10.1.6  蒸发冷却	459
10.2  电磁兼容设计	461
10.2.1  概述	461
10.2.2  电磁干扰源的种类	461
10.2.3  电磁干扰的耦合途径	464
10.2.4  雷达发射机的抗干扰设计	468
参考文献	474
第11章  第三代半导体全固态雷达发射机	475
11.1  概述	476
11.2  第三代半导体微波功率器件	477
11.2.1  SiC微波功率器件	479
11.2.2  GaN微波功率器件	483
11.2.3  半导体微波功率器件发展展望	490
11.3  第三代半导体全固态雷达发射机的设计	500
11.3.1  GaN微波功率放大器的指标要求和设计方法	502
11.3.2  第三代半导体全固态雷达发射机系统设计	516
参考文献	533
第12章  真空微波管雷达发射机新技术	535
12.1  概述	536
12.2  毫米波真空微波管	537
12.2.1  Ka和W波段真空微波管	538
12.2.2  太赫兹波段真空微波管	551
12.2.3  真空微波管发展展望	555
12.3  毫米波真空微波管雷达发射机	557
12.3.1  Ka和W波段真空微波管发射机	557
12.3.2  太赫兹波段真空微波管发射机	574
12.4  分布式空间合成真空微波管发射机	579
12.4.1  小型化行波管	580
12.4.2  分布式空间合成小型化行波管发射机系统的设计	581
12.5  全固态脉冲调制器	588
12.5.1  高压高功率模块化脉冲调制器	592
12.5.2  高压模块化长脉冲调制器	595
12.5.3  高速高集成脉冲调制器	598
参考文献	603

总  序
雷达在第二次世界大战中得到迅速发展，为适应战争需要，交战各方研制出从米波到微波的各种雷达装备。战后美国麻省理工学院辐射实验室集合各方面的专家，总结第二次世界大战期间的经验，于1950年前后出版了雷达丛书共28本，大幅度推动了雷达技术的发展。我刚参加工作时，就从这套书中得益不少。随着雷达技术的进步，28本书的内容已趋陈旧。20世纪后期，美国Skolnik编写了《雷达手册》，其版本和内容不断更新，在雷达界有着较大的影响，但它仍不及麻省理工学院辐射实验室众多专家撰写的28本书的内容详尽。
我国的雷达事业，经过几代人70余年的努力，从无到有，从小到大，从弱到强，许多领域的技术已经进入了国际先进行列。总结和回顾这些成果，为我国今后雷达事业的发展做点贡献是我长期以来的一个心愿。在电子工业出版社的鼓励下，我和张光义院士倡导并担任主编，在中国电子科技集团有限公司的领导下，组织编写了这套“雷达技术丛书”（以下简称“丛书”）。它是我国雷达领域专家、学者长期从事雷达科研的经验总结和实践创新成果的展现，反映了我国雷达事业发展的进步，特别是近20年雷达工程和实践创新的成果，以及业界经实践检验过的新技术内容和取得的最新成就，具有较好的系统性、新颖性和实用性。
“丛书”的作者大多来自科研一线，是我国雷达领域的著名专家或学术带头人，“丛书”总结和记录了他们几十年来的工程实践，挖掘、传承了雷达领域专家们的宝贵经验，并融进新技术内容。
“丛书”内容共分3个部分：第一部分主要介绍雷达基本原理、目标特性和环境，第二部分介绍雷达各组成部分的原理和设计技术，第三部分按重要功能和用途对典型雷达系统做深入浅出的介绍。“丛书”编委会负责对各册的结构和总体内容审定，使各册内容之间既具有较好的衔接性，又保持各册内容的独立性和完整性。“丛书”各册作者不同，写作风格各异，但其内容的科学性和完整性是不容置疑的，读者可按需要选择读取其中的一册或数册。希望此次出版的“丛书”能对从事雷达研究、设计和制造的工程技术人员，雷达部队的干部、战士以及高校电子工程专业及相关专业的师生有所帮助。
“丛书”是从事雷达技术领域各项工作专家们集体智慧的结晶，是他们长期工作成果的总结与展示。专家们既要完成繁重的科研任务，又要在百忙中抽出时间保质保量地完成书稿，工作十分辛苦。在此，我代表“丛书”编委会向各分册作者和审稿专家表示深深的敬意！
本次“丛书”的出版意义重大，它是我国雷达界知识传承的系统工程，得到了业界各位专家和领导的大力支持，得到参与作者的鼎力相助，得到中国电子科技集团有限公司和有关单位、中国航天科工集团有限公司有关单位、西安电子科技大学、哈尔滨工业大学等各参与单位领导的大力支持，得到电子工业出版社领导和参与编辑们的积极推动，借此机会，一并表示衷心的感谢！


王小谟
中国工程院院士
2012年度国家最高科学技术奖获得者
2022年11月1日

前  言
随着社会需求的不断增长，雷达在国防建设和国民经济等多个领域得到了广泛应用，雷达发射机技术也取得了突飞猛进的进步。雷达发射机从它诞生之日起，就与新技术、新材料、新器件和新工艺的发展密切相关，每当出现与雷达技术有关的新材料、新工艺和新器件时，雷达发射机技术就会跃上一个新的台阶；同时，随着雷达发射机技术的不断发展，也牵引着新材料、新工艺和新器件的进一步发展。
现代雷达系统需要具有更强探测威力、更高探测精度和多目标跟踪能力，要求雷达发射机的性能和用途有根本性的提高和扩展。尤其是从21世纪初开始，第三代半导体微波功率器件的技术不断发展和进步，微波功率放大器和固态发射机系统的性能也得到迅速提升，并通过广泛的实际应用极大地促进了雷达系统技术和性能指标的提高。同时，新一代高分辨率雷达、目标特性和成像雷达等高性能雷达越来越朝着毫米波等高频段方向发展，毫米波真空微波管的设计方法、制造工艺和测量技术取得突破性的进展，也为毫米波及太赫兹波段低端雷达发射机成功应用于实际工程提供了坚实的技术基础。
20世纪80年代以来，国内外先后出版了几本论述雷达发射机技术的书籍，如1982年出版的《微带功率晶体管放大器》、1985年出版的《现代雷达发射机的理论设计和实践》、1985年出版的Solid State Radar Transmitters、1994年出版的Microwave Tube Transmitters、2016年出版的《宽禁带化合物半导体材料与器件》、2017年出版的《宽禁带半导体高频及微波功率器件与电路》和2021年出版的《微波和射频真空电子功率源》等书籍。这些书籍分别从不同的方面论述了雷达发射机的相关技术，一直是广大读者（特别是从事雷达发射机设计和研制工作的工程技术人员）很好的参考书，对实际工作也起到了指导和很大的促进作用。我们在学习和理解上述书籍中的基本概念和基本理论的基础上，结合工程实践经验和具体研究成果编著了本书。
编著本书的目的是使读者能系统、全面和快速地了解与掌握雷达发射机技术的基本概念和理论知识，了解和掌握雷达发射机的功能、基本原理、组成和特点，有针对性地学习和掌握雷达发射机设计与研制的知识、思路和具体设计方法及一些特殊考虑。
本书是一本全面、系统地论述真空管雷达发射机和固态雷达发射机及其相关技术的书籍。
由于本书重点讨论现代雷达发射机的设计原则、思路和方法，且以所研制成功的雷达发射机为例，从实际工程经验中归纳总结出一些对以后的工程实践有指导意义的内容，力图反映近年来在雷达发射机技术方面所取得的新成果和新技术。因此，对雷达发射机技术的基础理论和知识我们只进行了简要的论述，更详细的理论知识，请读者参阅上面提到的相关书籍。
全书共分12章，第1章概述了雷达发射机的发展史、功能和分类，讨论了雷达发射机的工作原理、组成和主要性能指标及要求；第2章介绍了真空管雷达发射机的工作原理、组成、性能和特点，讨论了其设计思路和方法；第3章和第4章主要介绍了固态雷达发射机的工作原理、组成、重要技术指标和特点，讨论了固态雷达发射机所用功率管的特性和固态雷达发射机的基本技术，重点阐述了用于实际工程中固态雷达发射机的设计思路和具体设计方法及特殊考虑；第5章和第6章概述了脉冲调制器和发射机电源的工作原理、指标和作用，主要讨论了线型脉冲调制器、栅极脉冲调制器、刚管脉冲调制器，速调管电源、行波管电源和固态发射机电源的指标要求和设计考虑；第7章主要讨论了雷达发射机特种元件的参数计算和设计方法；第8章介绍了发射机系统监控与可靠性设计等方面的内容；第9章指出了雷达发射机技术参数测试的重要性，研究了技术参数的含义和测试方法；第10章讨论了发射机冷却方式的选择与设计，以及在电磁兼容设计方面的考虑；第11章主要介绍了第三代半导体微波功率器件的特性、应用及发展展望，重点讨论了第三代半导体微波功率器件及全固态雷达发射机中GaN微波功率放大器和其系统的指标要求、方案选择、具体组成、工作原理、设计方法、特殊考虑和实践应用；第12章主要介绍了毫米波真空微波管和小型化真空微波管的特性、应用及发展展望，重点讨论了毫米波真空微波管雷达发射机、分布式空间合成真空微波管发射机、高压高功率模块化和高速高集成脉冲调制器的指标要求、方案选择、具体组成、工作原理、设计方法、特殊考虑和实践应用。
本书由直接从事雷达发射机设计和研制工作的工程技术人员编写，由于作者大都研制成功了多部雷达发射机，具有相当丰富的专业知识和实践经验，因此本书既可以作为从事雷达发射机设计和研制人员的学习用书和设计手册，也可以作为从事其他发射设备和雷达系统的研制人员及雷达使用人员的参考书，还可以作为高等学校雷达技术相关专业高年级本科生和研究生的教材或参考书。
本书的第1章、第3章、第4章、第9章由郑新、潘厚忠、杨明、余振坤编写，第2章由李文辉编写，第5章由张建华、李文辉编写，第6章由汪军编写，第7章由钟惠斌编写，第8章由戴大富、黄军编写，第10章由刘湛、李文辉编写，第11章由郑新、余振坤、张科编写，第12章由郑新、杨明、杨景红编写。郑新负责全书的统稿，并对各章节内容进行了调整、补充和完善。全书由魏智研究员和赵玉洁研究员审稿。在本书的编写过程中，得到了中国工程院王小谟院士和张光义院士的指导和帮助，原中国电子科学研究院的邱荣钦高级工程师和电子工业出版社“雷达技术丛书”特邀首席策划编辑刘宪兰、学术出版分社社长董亚峰给出了重要指导意见并为本书的编辑与出版付出了辛勤的努力，汤长岭、邢靖、靖江、丁卫菊对本书初稿进行了绘图工作，在此一并表示衷心的感谢。
我们编写本书的初衷是想为我国雷达事业的发展做出贡献，但鉴于水平和能力有限，书中难免存在错误和不足之处，敬请广大读者批评指正。

                                 郑  新    
                               2022年8月8日

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