2.6　正交场管发射机

正交场管具有与偏压二极管相似特性的等效阻抗，它与线性电子注管不同，其门限电压以下没有电流；门限电压以上，其电流才开始增加，所以设计发射机时应适应这一特点。

正交场放大管中还包括返波管，但是由于它的性能不如前向波管放大器，因此在现代雷达中较少使用。

在正交场管中，因为前向波管发射机具有工作电压低、效率高、体积小、质量小、相位噪声低、有较宽的瞬时带宽的特点，所以前向波管发射机在现代雷达中相对用得较多。

2.6.1　前向波管发射机的基本类型

前向波管的种类很多，但实用的仅有圆形连续发射重入式的前向波管一种，这种前向波管又分为阴极脉冲调制前向波管和直流运用前向波管两种类型。因此，其前向波管发射机也只有阴极脉冲调制前向波管发射机和直流运用前向波管发射机两大类。

1.阴极脉冲调制前向波管发射机

阴极脉冲调制前向波管发射机的特点、调制脉冲与射频激励脉冲间的时间关系，以及调制器的最佳工作形式分述如下。

1）阴极脉冲调制前向波管发射机的特点

阴极脉冲调制前向波管发射机与磁控管发射机的结构形式一样，所不同的是它需要在加射频激励的情况下才能进行放大工作。当外加射频激励信号很小时，不能有效地对电子云的轮辐进行锁定，因而会产生很强的噪声输出。只有当激励信号足够大并抑制了此种噪声时，才能进入放大工作状态。在工作点附近的饱和激励作用下，由于电子云的速度与射频波同步，所以能有效地进行能量交换，故其效率很高，且其相位失真很小。

阴极脉冲调制前向波管发射机具有电压低、效率高、电路简单、脉间噪声小、打火概率低和冷却方便等优点。但是，采用简单的线型脉冲调制器调制时，因其调制脉冲的前、后沿较大，所以将会引起较大的前、后沿噪声和时间抖动。

2）调制脉冲与射频激励脉冲间的时间关系

在冷阴极前向波管放大器中，由于无射频激励时，电子云呈杂乱运动的噪声状态，电流很小，对调制器呈高阻状态，会引起调制脉冲电压产生过大的前沿尖峰而打火。为了避免这种异常情况，应按图2.18所示的调制脉冲与射频激励脉冲的时间关系，用射频激励脉冲“嵌套”住调制脉冲，即射频激励脉冲比调制脉冲略宽一些。

为了避免通过低压模式区时产生过大的噪声输出，调制脉冲幅度应确保前向波管稳定工作于如图2.10所示的B区；其脉冲上升沿和下降沿应尽量小，以减少在A区产生噪声的机会。

阴极脉冲调制前向波管发射机的调制脉冲，一般利用刚管脉冲调制器 或线型调制器产生。由于线型调制器输出波形的矩形系数较差，且时间抖动较大，因此该类发射机不宜在动目标改善因子值较高的雷达中使用。要想获得更高值的改善因子，建议采用由射频激励启动、熄灭脉冲关断、直流运用的前向波管放大器。

3）调制器的最佳工作形式

由于前向波管在工作频带内的等效阻抗是有变化的，为了确保带内功率起伏较小，调制器应工作于恒流状态。而线型脉冲调制器是脉冲电流源，较适合于前向波管的使用要求，但由于线型脉冲调制器输出脉冲的前、后沿较大，脉冲宽度和重复频率变化不灵活，因此限制了其的使用范围。

固态恒流刚管脉冲调制器可以获得比较理想的矩形脉冲，因而是一种很好的选择。只不过由于单个开关管的电压较低，当其作高压开关时，需要多管的串联运用。多管串联时要精心设计均压、驱动和保护电路，方能确保串联开关的安全和获得好的输出波形。然而，串联开关的可靠性和恒流特性均欠佳。为了减小串联管数和降低高压电源的电压及体积，也可采用升压脉冲变压器耦合形式，但这样会增大脉冲的前、后沿，降低灵活性，所以设计时应权衡和折中考虑，然后进行选取。

2.直流运用前向波管发射机

1）直流运用前向波管发射机的特点

在直流运用的前向波管发射机中，前向波管的阴极一直加有直流高压。当射频激励信号从前向波管的输入端输入后，激励起冷阴极的二次电子发射，并约束电子云团的运动轨迹，与阳极慢波电路中的射频场交换能量而使射频信号得以放大。但是当射频脉冲结束时，阴极周围的剩余电子不会自行消失，需要在控制电极上加入一个能消除这些剩余电子的脉冲（称作熄灭脉冲），以结束前向波管的射频振荡。由于射频脉冲波形是在小功率下形成的，其前、后沿比较小，且启动前向波管放大可在50ns内完成，结束时只需把一个功率小、前沿小的窄脉冲加到控制电极上，就可以很快地消除阴极附近的剩余电子，从而终止前向波管的工作。所以它可以获得较理想的输出射频信号。

直流运用前向波管发射机的优点如下：

（1）可以获得很好的射频输出脉冲、不会产生上升或下降过程的噪声，可获得较高的信噪比。

（2）电路简单，只需要一个稳定度好的高压电源和一个小功率窄脉冲调制器，其体积小、质量小，较适合于高机动的运用场合。

（3）由于效率高，且不损失输入射频信息，在恒流工作条件下可获得宽瞬时带宽，较适合于宽带脉冲压缩、相位编码体制雷达的复杂信号使用。

（4）关断前向波管电源或适度降低前向波管高压，可以快速变换射频输出功率，实现功率的程序控制。

综上所述，直流运用前向波管发射机是一种可获得高性能指标的发射机系统。

2）熄灭脉冲必须与射频脉冲后沿严格同步

熄灭脉冲的好坏及定时的准确与否，直接影响放大链的性能指标。

为了减小射频输出脉冲后沿和减少抖动时间，熄灭脉冲的定时一是要稳，二是上升率要快。为了达到最佳的熄灭效果，要求熄灭脉冲满足下列要求：

（1）脉冲上升率要快。比如为了获得小于2ns后沿抖动的射频脉冲，熄灭脉冲的上升沿应小于100ns。

（2）有足够的脉冲功率。脉冲电压一般大于阴极电压的1/3，电流约大于阴极电流的1/3，脉冲宽度应为射频脉冲后沿的5倍左右。为了有效、快速地熄灭前向波管的后沿振荡，其熄灭脉冲的幅度应比熄灭时所需的幅度高25％以上。

（3）精确控制熄灭脉冲的时间。熄灭脉冲的时间应精确调节，以使得前向波管输出射频脉冲下降到幅度的80％处，正好是熄灭脉冲上升到其幅度的75％处，这是前向波管最佳的熄灭状态。

熄灭脉冲与射频脉冲后沿的时间关系如图2.19所示。

在射频脉冲后沿之前过早加上熄灭脉冲，不但要损失输入射频信息，还可能产生关断失控；而在射频脉冲后沿之后过迟加上熄灭脉冲电压，将产生噪声拖尾从而降低信噪比。

图2.19中，由于熄灭脉冲 t ₁ 过早到达，结果使射频输出脉冲的顶部被切掉一块，产生脉冲失真，后沿增大；而熄灭脉冲 t ₂ 是最佳的熄灭位置，其输出脉冲完整无缺；熄灭脉冲 t ₃ 则过迟到达，结果产生射频输出脉冲的拖尾现象（输出噪声）。

为了获得好的熄灭脉冲，调制器最好选用固态刚管调制器电路。为了进行电位隔离，必须采用脉冲变压器耦合。采用脉冲变压器后，由于漏感和分布电容的影响，其波形将略有变化。减小漏感和分布电容的方法是减小脉冲变压器初、次级间匝数比和选择最佳的绕组形式。要获得上升时间快的窄脉冲，应尽量减小脉冲回路的引线长度，以减小引线电感和电容。由于控制电极在射频工作前、后的等效负载变化很大，为了防止振荡和过压，还应设置适当的匹配电路和钳位电路。

熄灭脉冲的时间稳定性，会对系统改善因子产生影响，为了减小其影响，应采用时间稳定性很高的同步信号，同时脉冲放大器的时延要短且稳定，熄灭输出脉冲的上升沿要小且稳定。

实践证明，当采用线型脉冲调制器时，只要脉冲变压器变比控制在1∶4以内，脉冲变压器次级联接适当的匹配负载，并尽量减小脉冲回路的引线长度，在熄灭脉冲获得100ns上升时间的情况下，可实现射频脉冲后沿抖动小于4ns的目标。

2.6.2　前向波管发射机的设计要点

设计前向波管发射机，就是根据任务书的要求，为达到所需的技术、战术指标，正确选择前向波管，确定放大链级数，确定各级放大器的最佳工作条件，以及考虑前向波管发射机对冷却系统的特殊要求，确定冷却系统的组成形式和结构设计。

1.确定放大链级数

放大链级数要根据雷达的用途和输出峰值功率的大小来确定。一般输出峰值功率在100kW以内，可选用一级固态功率合成组件驱动一级前向波放大器的方案；当输出峰值功率在500kW以上时，可选用一级固态功率合成组件驱动两级前向波管放大器的方案。

冷阴极前向波管的优点是不需要预热，且开机速度快，它与固态功率合成组件联合运用可实现快速开机的要求，并且可以提高其可靠性。但是固态功率合成组件的输出功率应适中，太高会增加系统成本。因此，当前向波管的激励功率降低到5kW以下时，采用固态功率合成组件作为推动级较合理。当然，这也不是绝对的，在要求快速反应的高机动远程三坐标雷达中，也有使用大功率固态发射机作为驱动级的，如在SPS-48L（V）雷达发射机中，第一级前向波管的激励功率为60kW，就是用固态功率合成组件构成的。

2.确定各级放大器的最佳工作条件

系统设计时应设法避免前向波管出现异常情况，一旦出现异常情况，要及时实施调节措施或保护措施，以确保系统工作的稳定、可靠。以下异常情况出现时应立即采取保护措施。

（1）无射频激励或欠激励时不能给前向波管加高压。若已在高压工作环境中，应在2ms内切断高压电源。

（2）阴极调制的前向波管，射频激励脉冲宽度应略宽于调制脉冲宽度，并“嵌套”调制脉冲。当射频激励脉冲窄于调制脉冲时，应停机工作并进行调整，否则会引起前向波管打火或输出噪声超标。

（3）直流运用的前向波管，在没有熄灭脉冲或时间关系、幅度大小不适当时，不能给前向波管加高压，如果在高压工作环境中一旦出现熄灭脉冲失常情况应及时停机检修。

（4）在热阴极前向波管系统中，还要对阴极温度或阳极平均电流实施监控，并调节灯丝电压确保其工作在正常范围内。如果超出正常范围要自动调节或停机检修。

（5）在大功率的直流运用前向波管发射机中，一旦出现前向波管内部拉弧打火情况时，要及时将储能电容器的能量转移到撬棒保护电路中，以免损坏前向波管。对于功率较小（电容储能小于500J）、工作脉冲电流又不太大者（小于25A），可在阴极回路中串联大功率、无感高压电阻来限制打火时的最大电流。

3.前向波管发射机对冷却系统的特殊要求

由于阳极慢波管的管径很小（S波段的慢波管内径约0.8mm），因此要求水中的微粒直径应小于25μm，且不能有盐类矿物质，以防在高温下沉积于慢波管内，使慢波管堵塞而烧坏。又由于阴极和控制电极处在高电位，且阴极与控制极的间距非常小，通水冷却后，主要靠水来承担熄灭脉冲的绝缘工作。因此，直流运用前向波管的冷却水不但要有精细的过滤器，同时还要求消除水中的带电离子，如Ca ²⁺ 、Mg ²⁺ 、Na ⁺ 、Fe ²⁺ 等金属阳离子和 、 、Cl ⁻ 等负离子，为此还要有阴、阳离子树脂的水质处理器。

为了确保水质的要求，水冷系统中的水质处理器（微粒过滤器、阴阳离子交换器）、水泵、热交换器及其管路都应采用高稳定性的材料（如不锈钢或增强塑料）来制作。

前向波管的阳极、阴极、控制电极甚至输出射频窗都需要冷却，尤其是大功率管中被冷却表面发热量超过0.15kW/cm ² 时，需要用水冷却。

采用水冷却后，冬天应按表2.8所示的温度数据加入不同比例的防冻液（乙二醇和乙醇），以防结冰损坏前向波管及水冷系统。加入的乙二醇和乙醇必须达到化学纯度，不能有腐蚀性的化学成分，以确保系统工作的稳定性。

理想的稳定系统是不存在的，冷却系统经过一定的时间运行之后，水质处理器的性能会下降，水质会变差，因此应定期更换冷却液和处理器。

为了克服因高纯水冷却带来的上述缺陷，可将阴极和控制极的传热方式改为使用油或热管，分别将阴极和控制极的热量快速、有效地带出管外，然后用强迫风冷却或液体冷却方式将其散掉。