第3章雷达接收机讲义

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1、第 3 章 雷 达 接 收 机,3.1 雷达接收机的组成和主要质量指标 3.2 接收机的噪声系数和灵敏度 3.3 雷达接收机的高频部分 3.4 本机振荡器和自动频率控制 3.5 接收机的动态范围和增益控制 3.6 滤波和接收机带宽,3.1 雷达接收机的组成和主要质量指标,3.1.1 超外差式雷达接收机的组成,超外差式雷达接收机的简化方框图如图3.1所示。 它的主要组成部分是: (1) 高频部分, 又称为接收机“前端”, 包括接收机保护器、低噪声高频放大器、混频器和本机振荡器; (2) 中频放大器, 包括匹配滤波器; (3) 检波器和视频放大器。,图3.1 超外差式雷达接收机简化方框图,从天线接

2、收的高频回波通过收发开关加至接收机保护器, 一般是经过低噪声高频放大器后再送到混频器。在混频器中, 高频回波脉冲信号与本机振荡器的等幅高频电压混频, 将信号频率降为中频(IF), 再由多级中频放大器对中频脉冲信号进行放大和匹配滤波, 以获得最大的输出信噪比, 最后经过检波器和视频放大后送至终端处理设备。 更为通用的超外差式雷达接收机的组成方框图如图3.2所示。 它适用于收、发公用天线的各种脉冲雷达系统。实际的雷达接收机可以不(而且通常也不)包括图中所示的全部部件。,图3.2 超外差式雷达接收机的一般方框图,对于非相参雷达接收机, 通常需要采用自动频率微调(AFC)电路, 把本机振荡器调谐到比发

3、射频率高或低一个中频的频率。 而在相干接收机中, 稳定本机振荡器(STALO)的输出是由用来产生发射信号的相干源(频率合成器)提供的。 输入的高频信号与稳定本机振荡信号或本机振荡器输出相混频, 将信号频率降为中频。 信号经过多级中频放大和匹配滤波后, 可以对其采用几种处理方法。 对于非相干检测, 通常采用线性放大器和包络检波器来为检测电路和显示设备提供信息。 当要求宽的瞬时动态范围时, 可以采用对数放大器检波器, 对数放大器能提供大于80 dB的有效动态范围。,对于相干处理, 中频放大和中频滤波之后有二种处理方法, 见图3.2。第一种方法是经过线性放大器后进行同步检波, 同步检波器输出的同相(

4、I)和正交(Q)的基带多卜勒信号提供了回波的振幅信息和相位信息。第二种方法是经过硬限幅放大(幅度恒定)后进行相位检波, 此时正交相位检波器只能保留回波信号的相位信息。 在图3.2中, 灵敏度时间增益控制(STC)使接收机的增益在发射机发射之后, 按R-4规律随时间而增加, 以避免近距离的强回波使接收机过载饱和。灵敏度时间控制又称为近程增益控制, 可以加到高频放大器和前置中频放大器中。自动增益控制(AGC)是一种反馈技术, 用来自动调整接收机的增益, 以便在雷达系统跟踪环路中保持适当的增益范围。,3.1.2 超外差式雷达接收机的主要质量指标 1. 灵敏度 灵敏度表示接收机接收微弱信号的能力。能接

5、收的信号越微弱, 则接收机的灵敏度越高, 因而雷达的作用距离就越远。 雷达接收机的灵敏度通常用最小可检测信号功率Si min来表示。 当接收机的输入信号功率达到Si min时, 接收机就能正常接收而在输出端检测出这一信号。如果信号功率低于此值, 信号将被淹没在噪声干扰之中, 不能被可靠地检测出来, 如图3.3所示。由于雷达接收机的灵敏度受噪声电平的限制, 因此要想提高它的灵敏度, 就必须尽力减小噪声电平, 同时还应使接收机有足够的增益。,图3.3 显示器上所见到的信号与噪声,目前, 超外差式雷达接收机的灵敏度一般约为(10-1210-14)W, 保证这个灵敏度所需增益约为106108(120

6、dB160 dB), 这一增益主要由中频放大器来完成。,2. 接收机的工作频带宽度 接收机的工作频带宽度表示接收机的瞬时工作频率范围。 在复杂的电子对抗和干扰环境中, 要求雷达发射机和接收机具有较宽的工作带宽, 例如频率捷变雷达要求接收机的工作频带宽度为(1020)%。接收机的工作频带宽度主要决定于高频部件(馈线系统、高频放大器和本机振荡器)的性能。 需要指出, 接收机的工作频带较宽时, 必须选择较高的中频, 以减少混频器输出的寄生响应对接收机性能的影响。,3. 动态范围 动态范围表示接收机能够正常工作所容许的输入信号强度变化的范围。最小输入信号强度通常取为最小可检测信号功率Si min, 允

7、许最大的输入信号强度则根据正常工作的要求而定。 当输入信号太强时, 接收机将发生饱和而失去放大作用, 这种现象称为过载。使接收机开始出现过载时的输入功率与最小可检测功率之比, 叫做动态范围。为了保证对强弱信号均能正常接收, 要求动态范围大, 就需要采取一定措施, 例如采用对数放大器、 各种增益控制电路等抗干扰措施。,4. 中频的选择和滤波特性 接收机中频的选择和滤波特性是接收机的重要质量指标之一。 中频的选择与发射波形的特性、 接收机的工作带宽以及所能提供的高频部件和中频部件的性能有关。在现代雷达接收机中, 中频的选择可以从30 MHz到4GHz之间。当需要在中频增加某些信号处理部件, 如脉冲

8、压缩滤波器, 对数放大器和限幅器等时, 从技术实现来说, 中频选择在30MHz至500MHz更为合适。 对于宽频带工作的接收机, 应选择较高的中频, 以便使虚假的寄生响应减至最小。 减小接收机噪声的关键参数是中频的滤波特性, 如果中频滤波特性的带宽大于回波信号带宽, 则过多的噪声进入接收机。 反之, 如果所选择的带宽比信号带宽窄, 信号能量将会损失。这两种情况都会使接收机输出的信噪比减小。 在白噪声(即接收机热噪声)背景下, 接收机的频率特性为“匹配滤波器”时, 输出的信号噪声比最大。,5. 工作稳定性和频率稳定度 一般来说, 工作稳定性是指当环境条件(例如温度、 湿度、 机械振动等)和电源电

9、压发生变化时, 接收机的性能参数(振幅特性、 频率特性和相位特性等)受到影响的程度, 希望影响越小越好。 大多数现代雷达系统需要对一串回波进行相参处理, 对本机振荡器的短期频率稳定度有极高的要求(高达10-10或者更高), 因此，必须采用频率稳定度和相位稳定度极高的本机振荡器, 即简称的“稳定本振”。,6. 抗干扰能力 在现代电子战和复杂的电磁干扰环境中, 抗有源干扰和无源干扰是雷达系统的重要任务之一。 有源干扰为敌方施放的各种杂波干扰和邻近雷达的异步脉冲干扰, 无源干扰主要是指从海浪、雨雪、地物等反射的杂波干扰和敌机施放的箔片干扰。 这些干扰严重影响对目标的正常检测, 甚至使整个雷达系统无法

10、工作。现代雷达接收机必须具有各种抗干扰电路。 当雷达系统用频率捷变方法抗干扰时, 接收机的本振应与发射机频率同步跳变。 同时接收机应有足够大的动态范围, 以保证后面的信号处理器有高的处理精度。,7. 微电子化和模块化结构 在现代有源相控阵雷达和数字波束形成(DBF)系统中, 通常需要几十路甚至几千路接收机通道。如果采用常规的接收机工艺结构, 无论在体积、重量、耗电、成本和技术实现上都有很大困难。采用微电子化和模块化的接收机结构可以解决上述困难, 优选方案是采用单片集成电路, 包括微波单片集成电路(MMIC)、 中频单片集成电路(IMIC)和专用集成电路(ASIC)；其主要优点是体积小、重量轻,

11、 另外，采用批量生产工艺可使芯片电路电性能一致性好，成本也比较低。用上述几种单片集成电路实现的模块化接收机, 特别适用于要求数量很大、幅相一致性严格的多路接收系统, 例如有源相控阵接收系统和数字多波束形成系统。 一种由砷化镓(GaAs)单片制成的C波段微波单片集成电路, 包括完整的接收机高频电路, 即五级高频放大器、可变衰减器、移相器、 环行器和限幅开关电路等, 噪声系数为2.5dB, 可变增益为30 dB。,3.2 接收机的噪声系数和灵敏度,3.2.1 接收机的噪声,1. 电阻热噪声 它是由于导体中自由电子的无规则热运动形成的噪声。因为导体具有一定的温度, 导体中每个自由电子的热运动方向和速

12、度不规则地变化, 因而在导体中形成了起伏噪声电流, 在导体两端呈现起伏电压。 根据奈奎斯特定律, 电阻产生的起伏噪声电压均方值,(3.2.1),式中，k为玻尔兹曼常数, k=1.3810-23J/K; T为电阻温度, 以绝对温度(K)计量, 对于室温17, T=T0=290K; R为电阻的阻值; Bn为测试设备的通带。 式(3.2.1)表明电阻热噪声的大小与电阻的阻值R、温度T和测试设备的通带Bn成正比。 电阻热噪声的功率谱密度p(f)是表示噪声频谱分布的重要统计特性, 其表示式可直接由式(3.2.1)求得,p(f)=4kTR,(3.2.2),显然, 电阻热噪声的功率谱密度是与频率无关的常数。

13、 通常把功率谱密度为常数的噪声称为“白噪声”, 电阻热噪声在无线电频率范围内就是白噪声的一个典型例子。,2. 额定噪声功率 根据电路基础理论, 信号电动势为Es而内阻抗为Z=R+jX的信号源, 当其负载阻抗与信号源内阻匹配, 即其值为Z*=R-jX时(见图3.4), 信号源输出的信号功率最大, 此时, 输出的最大信号功率称为“额定”信号功率(有时也称为“资用”功率、或“有效”功率), 用Sa表示, 其值是,(3.2.3),图3.4 “额定”信号功率的示意图,同理, 把一个内阻抗为Z=R+jX的无源二端网络看成一个噪声源,由电阻R产生的起伏噪声电压均方值 , 见图3.5。假设接收机高频前端的输入

14、阻抗Z*为这个无源二端网络的负载, 显然, 当负载阻抗Z*与噪声源内阻抗Z匹配, 即Z*=R-jX时, 噪声源输出最大噪声功率, 称为“额定”噪声功率, 用No表示, 其值为,(3.2.4),因此可以得出重要结论: 任何无源二端网络输出的额定噪声功率只与其温度T和通带Bn有关。,图3.5 “额定”噪声功率的示意图,3. 天线噪声 天线噪声是外部噪声, 它包括天线的热噪声和宇宙噪声, 前者是由天线周围介质微粒的热运动产生的噪声, 后者是由太阳及银河星系产生的噪声, 这种起伏噪声被天线吸收后进入接收机, 就呈现为天线的热起伏噪声。天线噪声的大小用天线噪声温度TA表示, 其电压均方值为,式中, RA

15、为天线等效电阻。,天线噪声温度TA决定于接收天线方向图中(包括旁瓣和尾瓣)各辐射源的噪声温度, 它与波瓣仰角和工作频率f等因素有关, 如图3.6所示。图中天线噪声温度TA是假设天线为理想的(无损耗、无旁瓣指向地面), 但是大多数情况下必须考虑地面噪声温度Tg, 在旁瓣指向地面的典型情况下, Tg=36 K, 因此修正后的天线总噪声温度为,由图3.6可以看出, 天线噪声与频率f有关, 它并非真正白噪声, 但在接收机通带内可近似为白噪声。毫米波段的天线噪声温度比微波段要高些, 22.2GHz和60GHz的噪声温度最大, 这是由于水蒸气和氧气吸收谐振引起的。,图3.6 天线噪声温度与频率波瓣仰角的关

16、系,图3.7 噪声带宽的示意图,4. 噪声带宽 功率谱均匀的白噪声, 通过具有频率选择性的接收线性系统后, 输出的功率谱pno(f)就不再是均匀的了, 如图3.7的实曲线所示。 为了分析和计算方便, 通常把这个不均匀的噪声功率谱等效为在一定频带Bn内是均匀的功率谱。这个频带Bn称为“等效噪声功率谱宽度”, 一般简称“噪声带宽”。 因此, 噪声带宽可由下式求得:,(3.2.7),即,式中, H2(f0)为线性电路在谐振频率f0处的功率传输系数。,表3.1 噪声带宽与信号带宽的比较,3.2.2 噪声系数和噪声温度,1. 噪声系数 噪声系数的定义是: 接收机输入端信号噪声比与输出端信号噪声比的比值。 噪声系数的说明见图3.8。 根据定义, 噪声系数可用下式表示:,(3.2.9),式中, Si为输入额定信号功率; Ni为输入额定噪声功率(Ni =kT0Bn); So为输出额定信号功率; No为输出额定噪声功率。,图3.8 噪声系数的说明图,噪声系数F有明确的物理意义: 它表示由于接收