雷达原理第三章-雷达接收机

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1、第三章第三章 雷达接收机雷达接收机电话电话:15182388504 V网网: 66299 西南科技大学国防科技学院西南科技大学国防科技学院黄传波黄传波上次课作业上次课作业上次课作业上次课作业上次课作业上次课作业上次课作业上次课作业上次课作业上次课作业5、某放大链末级速调管采用调制阳极脉冲调制器，已知E0=120KV，Eg=70V，C0=100pF，充放电电流I=80A，试画出a,b,c 三点的电压波形及电容C0 的充电电流ic 波形与时间关系图。若重频为600Hz，求G1、G2 的平均功率和调制脉冲的上升时间、下降时间。上次课作业上次课作业上次课作业上次课作业1.1.雷达接收机的组成和主要质量

2、指标雷达接收机的组成和主要质量指标2.2.接收机的噪声系数和灵敏度接收机的噪声系数和灵敏度3.3.雷达接收机的高频部分雷达接收机的高频部分 4.4.接收机的动态范围和增益控制接收机的动态范围和增益控制5.5.自动频率控制自动频率控制（AFCAFC）6.6.滤波与接收机带宽滤波与接收机带宽本章题纲本章题纲雷达接收机的组成和主要质量指标雷达接收机的组成和主要质量指标一、雷达接收机的组成一、雷达接收机的组成二、雷达接收机的主要质量指标二、雷达接收机的主要质量指标一、一、 超外差式雷达接收机的组成超外差式雷达接收机的组成 雷达接收机的组成雷达接收机的组成雷达接收机任务：雷达接收机任务：不失真的放大所需

3、的微弱信号，抑制不需要的其他信号（噪声、干扰等）。其任务是从噪声背景中提取目标回波信息。主要组成部分是主要组成部分是: 按照雷达接收机中回波信号的频率变换过程，可以将超外差式雷达接收机划分为高频高频、中频中频和视频视频三部分。 高频部分指接收机的微波电路接收机的微波电路，又称雷达接收机的高端，包括接收机保护电路、低噪声高频放大器、混频器和本机振荡器。 中频部分指中频放大器中频放大器、匹配滤波器匹配滤波器、检波器检波器。 视频部分为视频放大器视频放大器等信号频率为视频的电路。第二混频器及相关电路包含在中频放大器中。图1超外差式雷达接收机简化方框图优点：优点：灵敏度高、增益高、选择性好、适应性广。

4、 雷达接收机的组成雷达接收机的组成1.高频部分：高频部分： T/R 及保护器及保护器：发射机工作时，使接收机输入端短路，并对大信号限幅保护。低噪声高放低噪声高放：提高灵敏度，降低接收机噪声系数，热噪声增益。 Mixer，LD，AFC（自动频率微调）（自动频率微调）：保证本振频率与发射频率差频为中频，实现变频。 雷达接收机的组成雷达接收机的组成2.中频部分及中频部分及 AGC： 匹配滤波匹配滤波：(S/N) omaxAGC（自动增益控制）（自动增益控制）：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.视频部分：视频部分： 检波检波：包络检波，同步

5、（频）检波（正交两路），相位检波。 放大放大：线形放大，对数放大，动态范围。 雷达接收机的组成雷达接收机的组成低噪声放大器(LowNoiseAmplifier，简称LNA)是射频接收机前端的主要部分。它主要有以下几个特点：它主要有以下几个特点：1、处于接收机的前端就要求它的噪声系数越小越好。为了抑制后面几级噪声对系统的影响，还要求有一定的增益，为了不使后级器件过载为了不使后级器件过载，产生非线性失真它的增益又不能太大。在此放大器在工作频段内应该是绝对稳定的。（一）关于低噪声放大器（一）关于低噪声放大器雷达接收机的组成雷达接收机的组成2、它所接收的信号都很微弱，所以放大器必定是一个小信号放大器。

6、另外由于受传输路径的影响，信号强弱又是变化的，在接收信号的同时又有可能伴随着许多强干扰信号混入，因此要求放大器要有足够的线性范围，而且最好是增益可调。3、低噪声放大器一般是通过传输线直接和天线或天线滤波器相连，放大器的输入端必须和他们有很好的匹配，以达到功率的最大传输或最小的噪声系数。雷达接收机的组成雷达接收机的组成1、噪声系数（NoiseFigure）：输入信号与输出信号的信噪比（SNR）之比。NF=（SNR）in/（SNR）out通常情况下，它是以分贝为单位的。2、增益（Gain）：负载吸收功率与信源资用功率之比。3、带内平坦度（GainFlatness）：通带内最大增益与最小增益的差值。

7、4、驻波比（StandingWaveRatio）：最大电压与最小电压之比。5、输出功率（PowerOut）低噪声放大器的主要指标雷达接收机的组成雷达接收机的组成具体指标在实际中的应用：在实际应用中，为了有足够的增益，放大器通常是若干级放大管（或模块）级联而成，即由单个的放大管组成一个低噪声放大器。那么，在设计之初这个低噪声的放大器的一些指标就得通过一定公式来计算得到。下面以噪声系数为例，给出级联后的噪声系数的计算公式：雷达接收机的组成雷达接收机的组成（二）射频滤波器（二）射频滤波器射频滤波器射频滤波器在雷达接收机的作用是抑制进入接收机的外部干扰。滤波器的功能及技术指标滤波器的功能及技术指标滤波

8、器的功能及技术指标滤波器的功能及技术指标滤波器功能：对信号在特定频率或频段内的频率分量做加重或衰减处理(保持有用频带、抑制无用频带)。技术指标：n工作频率：3dB带宽(相对)、插损带宽(绝对、常用)n插入损耗：电阻性损耗及反射损耗n带内波纹：插损在带内的波动范围n带外抑制：滤波器矩形度的一种描述n承受功率：决定了滤波器的实现形式和选材雷达接收机的组成雷达接收机的组成滤波电路的分类滤波电路的分类滤波电路的分类滤波电路的分类1. 按信号性质分类按信号性质分类模拟滤波器和数字滤波器模拟滤波器和数字滤波器2. 按所用元件分类按所用元件分类无源滤波器和有源滤波器无源滤波器和有源滤波器3. 按电路功能分类

9、按电路功能分类: 4. 按阶数分类按阶数分类: 一阶，二阶一阶，二阶 高阶高阶低通滤波器；高通滤波器；低通滤波器；高通滤波器；带通滤波器；带阻滤波器带通滤波器；带阻滤波器雷达接收机的组成雷达接收机的组成通常把能够通过的信号频率范围定义为通带通带，而把受阻或衰减的信号频率范围称为阻带阻带，通带和阻带的界限频率称为截止频率截止频率。低通滤波器电路（LPF），高通滤波器电路（HPF），带通滤波器电路（BPF），带阻滤波器电路（BEF），全通滤波器电路（APF）滤波的要求：滤波的要求：不改变(或同等改变)有用频带的幅度特性和相位特性。雷达接收机的组成雷达接收机的组成 通常采用工作衰减LA来描述滤波器的

10、幅值特性。根据衰减特性不同，低通、高通、带通和带阻滤波器的特性如下图。雷达接收机的组成雷达接收机的组成四种功能滤波器的幅频特性四种功能滤波器的幅频特性四种功能滤波器的幅频特性四种功能滤波器的幅频特性Aup0通带阻带实际理想(a)fHf|Au|低通低通理想实际阻带通带0fLf(b)|Au|Aup高通高通理想实际0f(c)|Au|AupfHfLf0带通带通理想实际0f(d)|Au|AupfHfLf0带阻带阻通带的电压增益截止频率雷达接收机的组成雷达接收机的组成发射机发射机上上混频器混频器将已调制中频信号搬移到射频接收机接收机下下混频器混频器将接收到的射频信号搬移到中频本振信号本振信号： 射频信号射

11、频信号： 相乘得相乘得： 基本方法基本方法：乘法器乘法器滤波器滤波器非线性器件非线性器件滤波器滤波器中频滤波器中频滤波器（三）混频器（三）混频器雷达接收机的组成雷达接收机的组成调幅调幅接收机接收机混频器的结构框图混频器的结构框图 混频器结构：三个端口混频器结构：三个端口输入输入信号、信号、本振本振信号、信号、 中频中频信号信号非线性器件带通滤波器本地振荡器雷达接收机的组成雷达接收机的组成时域时域特性特性输出、输入输出、输入波形波形相同、载频不同相同、载频不同 混频本质混频本质线性频谱搬移线性频谱搬移频域频域特性特性输出、输入输出、输入频谱结构、频谱结构、带宽带宽相相 同，载频不同同，载频不同混

12、频电路的实现混频电路的实现1.1. 乘法器乘法器2.2. 非线性器件非线性器件双极晶体管双极晶体管场效应管场效应管二极管二极管为为减少组合频率分量减少组合频率分量工作于工作于线性时变状态线性时变状态雷达接收机的组成雷达接收机的组成1. 1. 增益增益变频变频增益增益 =输出输出中频中频输入输入射频射频混频器的主要指标混频器的主要指标雷达接收机的组成雷达接收机的组成射频口射频口阻抗阻抗中频口中频口阻抗阻抗按按增益增益划分混频器划分混频器有源有源混频器混频器增益大于增益大于1 1无源无源混频器混频器增益小于增益小于1 1电压增益电压增益功率增益功率增益两者关系两者关系？雷达接收机的组成雷达接收机的

13、组成2. 2. 噪声噪声讨论混频器噪声的意义讨论混频器噪声的意义接收机前端，对系统噪声影响大接收机前端，对系统噪声影响大对对射频而言是线性，可用线性网射频而言是线性，可用线性网络噪声计算公式络噪声计算公式混频器的噪声来源混频器的噪声来源混频器的噪声来源混频器的噪声来源电路器件噪声电路器件噪声两个输入噪声两个输入噪声射频输入射频输入本振输入本振输入混频器的输出噪声混频器的输出噪声位于中频段位于中频段频谱搬移频谱搬移低噪放低噪放 F1F1、G1G1带通滤波器带通滤波器 F2F2、G2G2混频器混频器F3F3、G3G3雷达接收机的组成雷达接收机的组成混频器的混频器的单边噪声单边噪声和和双边噪声双边噪

14、声讨论射频噪声的搬移讨论射频噪声的搬移单边单边噪声噪声 射频信号位于本振的一边射频信号位于本振的一边 被搬移到被搬移到中频中频的噪声的噪声射频射频信号段信号段镜像镜像频段频段双边双边噪声噪声射频信号位于本振的两边射频信号位于本振的两边不存在镜像频率（如零中频方案）不存在镜像频率（如零中频方案）单边单边噪声是噪声是双边双边的两倍的两倍（高（高3dB3dB）雷达接收机的组成雷达接收机的组成有一个射频输入信号有一个射频输入信号f fR R一个干扰信号一个干扰信号f fIMGIMG = = f fR R 2 2 f fI I，与本振，与本振f fL L 混频后混频后可能产生频率相同的中频信号：可能产生

15、频率相同的中频信号： f fL L - - f fR R = = f fI I = = f fIMGIMG - - f fL L 产生两个中生两个中频信号，由干信号，由干扰信号所信号所产生的中生的中频信号称信号称为镜频，用，用fIMG表示。表示。 镜像频率（镜像频率（ImagesImages） 雷达接收机的组成雷达接收机的组成输入到混入到混频器的射器的射频信号信号与与镜频干干扰信号信号频谱本振信号本振信号频谱混频结果混频结果 镜像频率的产生镜像频率的产生雷达接收机的组成雷达接收机的组成镜频与接收有用信号关于本振与接收有用信号关于本振对称！称！雷达接收机的组成雷达接收机的组成非线性非线性 器件器

16、件本振本振 中频中频滤波器滤波器3. 3. 失真失真混频混频频谱线性搬移频谱线性搬移非线性器件非线性器件平方项平方项非线性器件非线性器件高次方项高次方项产生组合频率产生组合频率干扰、失真干扰、失真（1 1）干扰哨声干扰哨声特征：接收机音频出现哨叫特征：接收机音频出现哨叫混频输入：混频输入：仅有仅有有用射频有用射频付付波道波道中频中频 主中频主中频付波道中频付波道中频进入检波（解调）进入检波（解调）形成形成哨叫哨叫主主中频中频：（二次方项二次方项）组合组合频率频率（ 次方项次方项 ）雷达接收机的组成雷达接收机的组成（2 2）寄生通道干扰寄生通道干扰非线性非线性 器件器件本振本振 中频中频滤波器滤

17、波器主主中频：中频：干扰信号与本振的组合频率干扰信号与本振的组合频率寄生通道干扰寄生通道干扰最最主要主要的寄生通道干扰的寄生通道干扰 镜像镜像频率干扰频率干扰特征：输入伴有特征：输入伴有干扰信号干扰信号变换能力与主中频一样变换能力与主中频一样 中频干扰中频干扰直通直通不不需要混频需要混频变换能力最强变换能力最强雷达接收机的组成雷达接收机的组成变换能力：变换能力： 由非线性器件的由非线性器件的4 4次方引起次方引起 靠得靠得最近最近的干扰（半中频干扰）的干扰（半中频干扰） 0三种比较主要的三种比较主要的寄生通道干扰寄生通道干扰见图见图雷达接收机的组成雷达接收机的组成（3 3）互调失真互调失真非线

18、性非线性 器件器件本振本振 中频中频滤波器滤波器特征：输入端伴有多个干扰信号特征：输入端伴有多个干扰信号但是当但是当组合频率组合频率每个干扰和本振混频每个干扰和本振混频由由非线性器件的非线性器件的 次方项次方项 产生产生互调干扰互调干扰称称 三阶互调三阶互调 满足满足或或雷达接收机的组成雷达接收机的组成4. 4. 线性范围线性范围问题问题: :混频是一种非线性功能，为什么有“线性”指标？混频混频射频射频本振本振中频中频混频器的混频器的非线性非线性 输出、输入输出、输入频率不同频率不同混频器的混频器的线性线性 输出输出中频中频幅度幅度 输入输入射频射频幅度幅度 成成正比正比线性指标线性指标线性指

19、标线性指标变频增益变频增益下降下降1-dB1-dB时相应的输入（或输出）功率值时相应的输入（或输出）功率值 （1 1） 1-dB 1-dB 压缩点压缩点雷达接收机的组成雷达接收机的组成（2 2）三阶互调截点三阶互调截点混频混频射频射频本振本振中频中频输入信号输入信号有用有用信号信号干扰干扰信号信号（设输入信号幅度相同）设输入信号幅度相同）互调互调信号产生信号产生 的中频的中频 主主中频中频幅幅度度相相等等，三三阶阶截截点点截点对应的输入、输出截点对应的输入、输出雷达接收机的组成雷达接收机的组成（3 3）线性动态范围线性动态范围定义：定义：1-dB 压缩点与混频器的噪声基底之比，用dB表示。混频

20、器位于低噪放后，因此对它线性范围要求比低噪放高雷达接收机的组成雷达接收机的组成5. 5. 口间隔离口间隔离射频口射频口本振口本振口中频口中频口本振泄漏本振泄漏影响影响LNALNA天线辐射天线辐射频率频率牵引牵引强强信号信号堵塞堵塞射频口射频口 中频口中频口一般情况一般情况射频射频中频，被滤除中频，被滤除零零中频方案时：中频方案时：低噪放的偶次谐波失真会窜入中频低噪放的偶次谐波失真会窜入中频雷达接收机的组成雷达接收机的组成信号强信号强频率相近频率相近射频输入为：射频输入为：设设LNALNA特性为：特性为：偶次方偶次方项产生的项产生的差拍差拍 差拍信号从射频口差拍信号从射频口 中频口中频口干扰干扰

21、零零中频中频方案中，射频口方案中，射频口 中频口的影响中频口的影响直通泄漏直通泄漏雷达接收机的组成雷达接收机的组成6. 6. 阻抗匹配阻抗匹配对混频器三个口对混频器三个口 的的阻抗要求阻抗要求混频器混频器低噪放低噪放中频中频滤波器滤波器本振源本振源 匹配匹配最佳传输最佳传输 每个口对每个口对另外另外两个口的信号两个口的信号 力求短路力求短路 减少口间干扰减少口间干扰雷达接收机的组成雷达接收机的组成和频为上变频（和频为上变频（Up-conversionUp-conversion）；）；差频为下变频（差频为下变频（Down-conversionDown-conversion）混频器是一种频率变换器

22、件，理想混频器是把两输入信号在时域中混频器是一种频率变换器件，理想混频器是把两输入信号在时域中相乘：相乘：和和频，上，上变频差频，下变频差频，下变频（以调幅为例（以调幅为例 ） 超外差式接收机超外差式接收机 混频器的工作原理混频器的工作原理雷达接收机的组成雷达接收机的组成上混频上混频下混频下混频混频原理混频原理(时域时域) 中频频率中频频率 可以有两种关系式表达：可以有两种关系式表达：雷达接收机的组成雷达接收机的组成射射频信号信号本振信号本振信号混混频输出出混频原理混频原理(频域频域)从频域角度来看，混频是一种频谱的线性搬移，输出IF与输入RF的频谱结构相同。 雷达接收机的组成雷达接收机的组成

23、举例：举例： 经过混频器变频后，输出频率为经过混频器变频后，输出频率为 混频的结果：较高的不同的载波频率变为固定的较低的载波频率，而振混频的结果：较高的不同的载波频率变为固定的较低的载波频率，而振幅包络形状不变。幅包络形状不变。雷达接收机的组成雷达接收机的组成图线性频率变换变频前后的频谱图图线性频率变换变频前后的频谱图图线性频率变换变频前后的频谱图图线性频率变换变频前后的频谱图混频的实质混频的实质频谱搬移频谱搬移雷达接收机的组成雷达接收机的组成图2超外差式雷达接收机的一般方框图雷达接收机的组成雷达接收机的组成本机振荡器：本机振荡器：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

24、, 把本机振荡器调谐到比发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。 混频器：混频器：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。 雷达接收机的组成雷达接收机的组成灵敏度时间增益控制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。信号经过多级中频放大和匹配滤波后信号经过多级中频放大和匹配滤波后, 可以对其采用几可以对

25、其采用几种处理方法：种处理方法：自动增益控制自动增益控制(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。雷达接收机的组成雷达接收机的组成对于非相干检测对于非相干检测, 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。对于相干处理对于相干处理, 中频放大和中频滤波之后有二种处理方法：第一种方法是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(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

26、种方法是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。雷达接收机的组成雷达接收机的组成灵灵敏敏度度表表示示接收机接收微弱信号的能力。能接收的信号越微弱,则接收机的灵敏度越高,因而雷达的作用距离就越远。雷雷达达接接收收机机的的灵灵敏敏度度通通常常用用最最小小可可检检测测信信号号功功率率Si min来来表表示示。当接收机的输入信号功率达到Simin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，如下图所示。雷达接收机的主要质量指标雷达接收机的主要质量指标1. 1. 灵敏度

27、灵敏度显示器上所见到的信号与噪声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。雷达接收机的主要质量指标雷达接收机的主要质量指标目前,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(120dB160dB),这一增益主要由中频放大器来完成。雷达接收机的主要质量指标雷达接收机的主要质量指标2. 2. 噪声系数噪声系数雷达接收机的主要质量指标雷达接收机的主要质量指标噪声系数：噪声系数：接收机灵敏度与噪声系数的关系：接收机灵敏度与噪声系数的关系：接接收收机机的的工工作作频频带带宽

28、宽度度表表示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。雷达接收机的主要质量指标雷达接收机的主要质量指标 3. 3. 接收机的工作频带宽度接收机的工作频带宽度需要指出：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。雷达接收机的主要质量指标雷达接收机的主要质量指标 4.4.接收机的滤波特性接收机的滤波特性接收机的滤波特性主要取决于接收机的滤波特

29、性主要取决于中频频率的选择和中频部分的频率特性。减少接收机噪声的关键是中频的滤波特性。减少接收机噪声的关键是中频的滤波特性。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，则信号能量将会损失。这都会使接收机的信噪比减小。在白噪声背景下，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。动动态态范范围围表表示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Simin,允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

30、始出现过载时的输入功率与最小可检测功率之比,叫做动态范围做动态范围。 5.5.接收机的动态范围接收机的动态范围雷达接收机的主要质量指标雷达接收机的主要质量指标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。雷达接收机的主要质量指标雷达接收机的主要质量指标 6.6.接收机的增益接收机的增益雷达接收机的主要质量指标雷达接收机的主要质量指标接收机的增益表示对回波信号的放大能力，通常表示为输出信号功率与输入信号功率之比，称之为“功率增益”。有时也用输出信号与输入信号的电压比表示，称为“电压增益”。为了防止接收机饱和、扩展动态范

31、围和保持接收机增益的稳定性，应增加灵敏时间控制（STC）和自动增益控制（AGC）。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30MHz到4GHz之间。当需要在中频增加某些信号处理部件,如脉冲压缩滤波器,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。 7.7.接收机中频的选择接收机中频的选择雷达接收机的主要质量指标雷达接收机的主要质量指标工作稳定性是指当环境条件(例如温度、湿度、机械振动等)和电源电压发生变

32、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”。 8.8.工作稳定性和频率稳定度工作稳定性和频率稳定度雷达接收机的主要质量指标雷达接收机的主要质量指标雷达接收机的主要质量指标雷达接收机的主要质量指标 9.9.正交鉴相器的正交度正交鉴相器的正交度 正交鉴相器分为模拟正交鉴相器（又称为“零中频”鉴相器）和数字正交鉴相器，它是同时提取回波信号的幅度信息和相位信息的有效方法

33、。 正交鉴相器的正交度表示鉴相器保持信号幅度和相位信息的准确度。由于鉴相器的不正交产生的幅度误差和相位误差将导致信号失真，在频域中，幅度和相位误差将产生镜像频率，影响雷达系统的动目标改善因子；在时域中，幅度和相位失真将会使脉冲压缩信号的主副瓣比变坏。接收机的中频实信号表示为：接收机的中频实信号表示为：雷达接收机的主要质量指标雷达接收机的主要质量指标模拟正交鉴相器又称为“零中频鉴相”，这是指相干振荡器的频率与中频信号的中心频率相等（未考虑多普勒频移），使其差频为零。模拟正交鉴相器将回波信号分解为同相分量和正交分量：回波信号此时称为“零中频信号”，它的复信号表示为：雷达接收机的主要质量指标雷达接收

34、机的主要质量指标数字正交鉴相器的工作原理是直接用A/D变换器对中频信号进行采样，然后进行I/Q分离。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。有有源源干干扰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；无无源源干干扰扰主要是指从海浪、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工作。 10.10.抗干扰能力抗干扰能力雷达接收机的主要质量指标雷达接收机的主要质量指标 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

35、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。雷达接收机的主要质量指标雷达接收机的主要质量指标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)。其其主主要要优优点点是体积小、重量轻,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。 11.11.微电子化和模块化结构微电子化和模块化

36、结构雷达接收机的主要质量指标雷达接收机的主要质量指标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。雷达接收机的主要质量指标雷达接收机的主要质量指标接收机的噪声系数和灵敏度接收机的噪声系数和灵敏度一、雷达接收机的噪声系数一、雷达接收机的噪声系数二、雷达接收机的灵敏度二、雷达接收机的灵敏度 雷达接收机是

37、在噪声背景中检测信号的。这是由于接收机在接收所需信号的同时，不可避免地会同时接收某些干扰和噪声。 雷达接收机中的噪声或干扰可分为两种： 内部噪内部噪声声和外部噪声外部噪声。雷达接收机的噪声系数雷达接收机的噪声系数(一一)接收机的噪声接收机的噪声 外部噪声外部噪声是由雷达天线进入接收机的天线的热噪声和各种干扰，包括天电干扰天电干扰、宇宙干扰宇宙干扰、工业干扰工业干扰及人为干人为干扰扰。1. 电电阻阻热热噪噪声声：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

38、斯特定律,电阻产生的起伏噪声电压均方值：雷达接收机的噪声系数雷达接收机的噪声系数内部噪声内部噪声主要是由接收机中的馈线、放电保护电路、高频放大器和混频器等元器件产生的。干扰在时间上是连续的，而振幅和相位是随机的。(3.4.1)式式(3.4.1)表表明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。电电阻阻热热噪噪声声的的功功率率谱谱密密度度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(3.4.1)求得p(f)=4kTR(3.4.2)显然,电阻热噪声的功率谱密度是与频率无关的常数。通常把功率谱密度为常数的噪声称为“白白噪噪声声”,电阻热噪声在无线电频率范围内就

39、是白噪声的一个典型例子。雷达接收机的噪声系数雷达接收机的噪声系数 2. 额定噪声功率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3.18),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“额额定定”信信号号功功率率(有时也称为“资用资用”功率功率、或“有效有效”功率功率),用Sa表示,其值是(3.4.3)图3.18“额定”信号功率的示意图雷达接收机的噪声系数雷达接收机的噪声系数同同理理,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3.19。假设

40、接收机高频前端的输入阻抗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“额额定定”噪声功率噪声功率,用No表示,其值为：(3.4.4)图3.19“额定”噪声功率的示意图雷达接收机的噪声系数雷达接收机的噪声系数因因此此可可以以得得出出重重要要结结论论: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。雷达接收机的噪声系数雷达接收机的噪声系数 3. 天线噪声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

41、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为天线等效电阻。雷达接收机的噪声系数雷达接收机的噪声系数天线噪声温度天线噪声温度TA决定于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3.20所示。图3.20天线噪声温度与频率波瓣仰角的关系图中天线噪声温度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。雷达接收机的噪声系数雷达接收机的噪声系数在旁瓣指向地面的典型情况下,Tg=36K,因此修正后的天线总噪声温度为：由图3.20可以看出,天

42、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。雷达接收机的噪声系数雷达接收机的噪声系数 4. 噪声带宽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。图3.21噪声带宽的示意图雷达接收机的噪声系数雷达接收机的噪声系数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“等等效效噪噪声声功功率率谱谱宽宽度度”,一般简称 “噪噪声

43、声带带宽宽 ” 。因此,噪声带宽可由下式求得:(3.4.7)即：式中, H2(f0)为线性电路在谐振频率f0处的功率传输系数。雷达接收机的噪声系数雷达接收机的噪声系数(3.4.8)表表3.1 噪声带宽与信号带宽的比较噪声带宽与信号带宽的比较 式（3.4.8 ）表明，噪声带宽Bn 与信号带宽（即半功率带宽）B一样，只由电路本身的参数决定。当电路型式和级数确定后， Bn 与B之间有一定的关系，见表3.1谐振电路级数越多时， Bn 就越接近于B雷达接收机的噪声系数雷达接收机的噪声系数（二）（二） 噪声系数和噪声温度噪声系数和噪声温度 1. 噪声系数噪声系数噪噪声声系系数数：是接收机输入端信号噪声比与

44、输出端信号噪声比的比值。噪声系数的说明见图3.22。通常用噪声系数和噪声温度来衡量接收机的噪声性能。图3.22噪声系数的说明图雷达接收机的噪声系数雷达接收机的噪声系数式中,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。根据定义, 噪声系数可用下式表示:(3.4.9)雷达接收机的噪声系数雷达接收机的噪声系数噪噪声声系系数数F有有明明确确的的物物理理意意义义:它表示由于接收机内部噪声的影响,使接收机输出端的信噪比相对其输入端的信噪比变差的倍数。式(3.2.9)可以改写为(3.4.10)式中，Ga为接收机的额定功率增益;NiGa是

45、输入端噪声通过“理想接收机”后,在输出端呈现的额定噪声功率。因此，噪噪声声系系数数的的另另一一定定义义为为:实际接收机输出的额定噪声功率No与“理想接收机”输出的额定噪声功率NiGa之比。雷达接收机的噪声系数雷达接收机的噪声系数实实际际接接收收机机的的输输出出额额定定噪噪声声功功率率No由由两两部部分分组组成成：一一部部分分是是NiGa(NiGa=kT0BnGa),另另一一部部分分是是接收机内部噪声在输出端所呈现的额定噪声功率N,即：No=NiGa+N=kT0BnGa+N 将No代入式(3.2.10)可得(3.4.11)(3.4.12)雷达接收机的噪声系数雷达接收机的噪声系数从式(3.4.12

46、)可更明显地看出：噪声系数与接收机内部噪声的关系,实际接收机总会有内部噪声(N0),因此F1,只有当接收机是“理想接收机”时,才会有F=1。雷达接收机的噪声系数雷达接收机的噪声系数对噪声系数的几点说明对噪声系数的几点说明:噪噪声声系系数数只只适适用用于于接接收收机机的的线线性性电电路路和和准准线线性性电电路路, 即即检检波波器器以以前前部部分分。检波器是非线性电路,而混频器可看成是准线性电路,因其输入信号和噪声都比本振电压小很多,输入信号与噪声间的相互作用可以忽略。为为使使噪噪声声系系数数具具有有单单值值确确定定性性, 规规定定输输入入噪噪声声以以天天线线等等效效电电阻阻RA在在室室温温T0=

47、290K时时产产生生的的热热噪噪声声为为标标准准,所以由式(3.4.12)可以看出,噪声系数只由接收机本身参数确定。雷达接收机的噪声系数雷达接收机的噪声系数 噪声系数噪声系数F是没有单位的数值是没有单位的数值, 通常用分贝表示通常用分贝表示F=10lgF(dB)(3.4.13) 噪噪声声系系数数的的概概念念与与定定义义, 可可推推广广到到任任何何无无源源或或有有源源的的四四端端网网络络。接收机的馈线、放电器、移相器等属于无源四端网络,其示意图见图3.23,图中Ga为额定功率传输系数。图3.23无源四端网络雷达接收机的噪声系数雷达接收机的噪声系数由由于于具具有有损损耗耗电电阻阻, 因因此此也也会

48、会产产生生噪噪声声, 下下面面求求其其噪噪声系数：声系数：从网络的输入端向左看,是一个电阻为RA的无源二端网络,它输出的额定噪声功率为：(3.4.14)经过网络传输,加于负载RL上的外部噪声额定功率为:(3.4.15)雷达接收机的噪声系数雷达接收机的噪声系数从负载电阻RL向左看,也是一个无源二端网络,它是由信号源电阻RA和无源四端网络组合而成的,同理,这个二端网络输出的额定噪声功率仍为kT0Bn,它也就是无源四端网络输出的总额定噪声功率,即(3.4.16)根据式(3.4.10)可得(3.4.17)由于无源四端网络额定功率传输系数Ga1,因此其噪声系数F1。雷达接收机的噪声系数雷达接收机的噪声系

49、数 2. 等效噪声温度等效噪声温度接收机外部噪声可用天线噪声温度TA来表示,如果用额定功率来计量,接收机外部噪声的额定功率为：NA=kTABn(3.4.18)为了更直观地比较内部噪声与外部噪声的大小,可可以以把把接接收收机机内内部部噪噪声声在在输输出出端端呈呈现现的的额额定定噪噪声声功功率率N等等效效到到输输入入端端来来计计算算,这时内部噪声可以看成是天线电阻RA在温度Te时产生的热噪声,即：N=kTeBnGa(3.4.19)温度Te称为“等效噪声温度等效噪声温度”或简称“噪声温度噪声温度”。雷达接收机的噪声系数雷达接收机的噪声系数图3.24接收机内部噪声的换算此时接收机就变成没有内部噪声的“

50、理想接收机”,其等效电路见图3.24。雷达接收机的噪声系数雷达接收机的噪声系数将式(3.4.19)代入式(3.4.12),可得：(3.4.20)Te=(F-1)T0=(F-1)290(K)(3.4.21)此式即为等效噪声温度Te的定义表示式,它它的的物物理理意意义义：是把接收机内部噪声看成是“理想接收机”的天线电阻RA在温度Te时所产生的,此时实际接收机变成如图3.24所示的“理想接收机”。雷达接收机的噪声系数雷达接收机的噪声系数图中TA为天线噪声温度。系统噪声温度Ts由内、外两部分噪声温度所组成,即(3.4.22)表3.2给出Te与F的对应值。从表中可以看出,若用噪声系数F来表示两部低噪声接

51、收机的噪声性能时,例如它们分别为1.05和1.1,有可能误认为两者噪声性能差不多。但若用噪声温度Te来表示其噪声性能时,将会发现两者的噪声性能实际上已相差一倍(分别为14.5K和29.K)。雷达接收机的噪声系数雷达接收机的噪声系数表3.2Te与F的对照表 只要直接比较Te和TA,就能直观地比较接收机内部噪声与外部噪声的相对大小。因此,对于低噪声接收机和低噪声器件,常用噪声温度来表示其噪声性能。雷达接收机的噪声系数雷达接收机的噪声系数 3. 相对噪声温度相对噪声温度噪声比噪声比雷达接收机中的晶体混频器是一个有源四端网络,它除了可用噪噪声声系系数数Fc表示其噪声性能外,还经常用相相对对噪噪声声温温

52、度度来表示。相对噪声温度有时简称为噪噪声声比比tc,其其意意义义为为实际输出的中频额定噪声功率(FckT0BnGc)与仅由等效损耗电阻产生的输出额定噪声功率(kT0Bn)之比,即：(3.4.23)式中，Gc为混频器的额定功率增益或额定功率传输系数。雷达接收机的噪声系数雷达接收机的噪声系数噪噪声声比比tc表表示示有源四端网络中除损耗电阻以外的其它噪声源的影响程度。雷达接收机的噪声系数雷达接收机的噪声系数为了简便,先考虑两个单元电路级联的情况,如图3.25所示。图中F1、F2和G1、G2分别表示第一、二级电路的噪声系数和额定功率增益。雷达接收机的噪声系数雷达接收机的噪声系数（三）（三） 级联电路的

53、噪声系数级联电路的噪声系数图3.25两级电路的级联为了计算总噪声系数F0,先求实际输出的额定噪声功率No。由式(3.4.10)可得：No=kT0BnG1G2F0而(3.4.24a)(3.4.24b)No由由两两部部分分组组成成:一一部部分分是是由第一级的噪声在第二级输出端呈现的额定噪声功率No12,其数值为kT0BnF1G1G2,第第二二部部分分是是由第二级所产生的噪声功率N2,由式(3.4.12)可得N2=(F2-1)kT0BnG2(3.4.25)雷达接收机的噪声系数雷达接收机的噪声系数于是式(3.4.24)可进一步写成No=kT0BnG1G2F0=kT0BnG1G2F1+(F2-1)kT0

54、BnG2化简后可得两级级联电路的总噪声系数(3.4.26)同理可证,n级电路级联时接收机总噪声系数为：(3.4.27)噪声系数只适用于检波器以前的线性电路雷达接收机的噪声系数雷达接收机的噪声系数 式式(3.4.27)给给出出了了重重要要结结论论:为了使接收机的总噪声系数小,要求各级的噪声系数小、额定功率增益高。而各级内部噪声的影响并不相同,级数越靠前,对总噪声系数的影响越大。所以总噪声系数主要取决于最前面几级,这就是接收机要采用高增益低噪声高放的主要原因。雷达接收机的噪声系数雷达接收机的噪声系数图3.26典型雷达接收机的高、中频部分将图3.26中所列各级的额定功率增益和噪声系数代入式(3.4.

55、27),即可求得接收机的总噪声系数:(3.4.28)雷达接收机的噪声系数雷达接收机的噪声系数一般都采用高增益(GR20dB)低噪声高频放大器,因此式(3.2.28)可简化为：(3.4.29)若不采用高放,直接用混频器作为接收机第一级,则可得：(3.2.30)式中 tc为混频器的噪声比,本振噪声的影响一般也计入在内。雷达接收机的噪声系数雷达接收机的噪声系数若接收机的噪声性能用等效噪声温度Te表示,则它与各级噪声温度之间的关系为(3.4.31)雷达接收机的噪声系数雷达接收机的噪声系数接收机的灵敏度接收机的灵敏度表示接收机接收微弱信号的能力。噪声总是伴随着微弱信号同时出现,要能检测信号,微弱信号的功

56、率应大于噪声功率或者可以和噪声功率相比。因此,灵敏度用接收机输入端的最小可检测信号功率Simin来表示。在在噪噪声声背背景景下下检检测测目目标标,接收机输出端不仅要使信号放大到足够的数值,更重要的是使其输出信号噪声比So/No达到所需的数值。通常雷达终端检测信号的质量取决于信噪比。雷达接收机的灵敏度雷达接收机的灵敏度接收机噪声系数F0为：(3.4.32)或者写成：(3.4.33)此时,输入信号额定功率为：(3.4.34)式中,Ni=kT0Bn为接收机输入端的额定噪声功率。于是进一步得到：(3.4.35)雷达接收机的灵敏度雷达接收机的灵敏度为了保证雷达检测系统发现目标的质量(如在虚警概率为10-

57、6的条件下发现概率是50%或90%等),接收机的中频输出必须提供足够的信号噪声比,令So/No(So/No)min时对应的接收机输入信号功率为最小可检测信号功率,即接收机实际灵敏度为：(3.4.36)通常,我们把(So/No)min称为“识识别别系系数数”,并用M表示,所以灵敏度又可以写成：(3.4.37)雷达接收机的灵敏度雷达接收机的灵敏度为了提高接收机的灵敏度,即减少最小可检测信号功率Simin,应做到:尽量降低接收机的总噪声系数F0,所以通常采用高增益、低噪声高放;接收机中频放大器采用匹配滤波器,以便得到白噪声背景下输出最大信号噪声比;式中的识别系数M与所要求的检测质量、天线波瓣宽度、扫

58、描速度、雷达脉冲重复频率及检测方法等因素均有关系。在保证整机性能的前提下,尽量减小M的数值。雷达接收机的灵敏度雷达接收机的灵敏度 匹配滤波器匹配滤波器：指滤波器的性能与信号的特性取得某种一致，使滤波器输出端的信号瞬时功率瞬时功率与噪声平均功率噪声平均功率的比值最大的线性滤波器。雷达接收机的灵敏度雷达接收机的灵敏度 因此匹配滤波器对信号做两种处理：因此匹配滤波器对信号做两种处理： 1、滤波器的相频特性与信号相频特性共轭，使得输出信号所有频率分量都在输出端同相叠加而形成峰值。2、按照信号的幅频特性对输入波形进行加权，以便最有效地接收信号能量而抑制干扰的输出功率。即当信号与噪声同时进入滤波器时，它使

59、信号成分在某一瞬间出现尖峰值，而噪声成分受到抑制。雷达接收机的灵敏度雷达接收机的灵敏度匹配滤波器的作用是：匹配滤波器的作用是： 1、提高信噪比。任何电子系统都有匹配滤波或近似匹配滤波的环节，目的是提高信噪比。2、对于大时间带宽积信号，匹配滤波等效于脉冲压缩。因此可以提高雷达或声纳的距离分辨率和距离测量精度。在扩频通信中，可以实现解扩。 雷达接收机的灵敏度以额定功率表示,并常以相对1mW的分贝数计值,即：(3.4.39)雷达接收机的灵敏度雷达接收机的灵敏度为了比较不同接收机线性部分的噪声系数F0和带宽Bn对灵敏度的影响,需要排除接收机以外的诸因素,因此通常令M=1,这时接收机的灵敏度称为“临临界

60、界灵灵敏敏度度”，其为：(3.4.38)将kT0的数值代入式(3.4.38), Si min仍取常用单位dBmW,则可得到简便计算公式为：Simin(dBmW)=-114dB+10lgBn(MHz)+10lgF0(3.2.41)雷达接收机的灵敏度雷达接收机的灵敏度一般超外差接收机的灵敏度为-90-110dBmW。对米波雷达,可用最小可检测电压ESimin表示灵敏度(3.4.40)图3.27不同噪声带宽(Bn=BRI)时接收机灵敏度与噪声系数的关系曲线雷达接收机的灵敏度雷达接收机的灵敏度作作 业业作作 业业雷达接收机的高频部分雷达接收机的高频部分 一、收发转换开关和接收机保护器一、收发转换开关和

61、接收机保护器 二、低噪声高频放大器的种类和特点二、低噪声高频放大器的种类和特点三、混频器的变频特性三、混频器的变频特性四、本机振荡器和自动频率控制四、本机振荡器和自动频率控制 雷达接收机的高频部分雷达接收机的高频部分 图3.28雷达接收机的高频部分由雷达作用距离方程(见第五章5.2节)可知,当雷达其它参数不变时,为了增加雷达的作用距离,提高接收机的灵敏度(降低噪声系数)与增大发射机功率是等效的。对比两者的耗电、体积、重量和成本,显然前者有利。因此,人们重视对低噪声高频放大器的研究,20世纪末已不断研制出许多新型的低噪声高频放大器件。雷达接收机的高频部分雷达接收机的高频部分 混频器的作用是将高频

62、信号与本振电压进行混频并取出其差频,使信号在中频(一般为30MHz至500MHz)上进行放大。某些超外差式雷达接收机不采用低噪声高放,而在接收机第一级直接采用混频器,称为“直接混频式前端”。虽然混频器的噪声系数较某些高放的噪声系数为高,但它具有动态范围大、设备简单、结构紧凑和成本低等优点。所以,在对体积重量等限制严格的某些雷达(例如机载雷达和制导雷达等)中,直接混频式前端仍得到广泛应用。雷达接收机的高频部分雷达接收机的高频部分 （一）收发转换开关和接收机保护器（一）收发转换开关和接收机保护器 1. 收发转换开关收发转换开关由高频传输线和气体放电管组成的收发开关主要有两种型式:一种是分支线型收发

63、开关,另一种是平衡式收发开关。分支线式收发开关的原理电路如下图所示：分支线式收发开关的原理电路如下图所示：雷达接收机的高频部分雷达接收机的高频部分 在发射时,气体放电管TR(称为“接收机保护放电器”)和ATR(称为“发射机隔离放电器”)被电离击穿,对高频短路。它们到主馈线的距离约为1/4波长,因此在主馈线aa和bb处呈现的输入阻抗为无穷大,发射的高功率信号能顺利送至天线。因为此时TR短路,发射能量不能进入接收机。接收时,TR和ATR都不电离放电。雷达接收机的高频部分雷达接收机的高频部分 此时ATR支路的1/4波长开路线在主馈线aa呈现短路,aa与接收支路bb处相距1/4波长,从bb端向发射机看

64、去的阻抗相当于开路,所以从天线来的回波信号全部进入接收机。由于分支线型收发开关带宽较窄,承受功率能力较差,通常已被平衡式收发开关所代替。雷达接收机的高频部分雷达接收机的高频部分 平衡式收发开关的原理图如图平衡式收发开关的原理图如图3.16所示：所示：(a)发射状态;(b)接收状态雷达接收机的高频部分雷达接收机的高频部分 图中TR1、TR2是一对宽带的接收机保护放电管。在这一对气体放电管的两侧,各接有一个3dB裂缝波导桥,整个开关的四个波导口的连接如图所示。3dB裂缝桥的特性为:在四个端口中,相邻两端(例如端口1和2)是相互隔离的,当信号从其一端输入时,从另外两端输出的信号大小相等而相位相差90

65、。雷达接收机的高频部分雷达接收机的高频部分 2 . 接收机保护器接收机保护器 图环行器和接收机保护器雷达接收机的高频部分雷达接收机的高频部分 大功率铁氧体环行器具有结构紧凑、承受功率大、插入损耗小(典型值为0.5dB)和使用寿命长等优点,但它的发射端1和接收端3之间的隔离约为(2030)dB。一般来说,接收机与发射机之间的隔离度要求(6080)dB。所以在环行器3端与接收机之间必须加上由TR管和限幅二极管组成的接收机保护器。雷达接收机的高频部分雷达接收机的高频部分 TR放放电电管管分分为为有有源源和无无源源两类。有源的TR气体放电管工作时必须加一定的辅助电压,使其中一部分气体电离。它它有有两两

66、个个缺缺点点:第第一一是是由于外加辅助电压产生的附加噪声使系统噪声温度增加50K(约0.7dB);第第二二是是雷达关机时没有辅助电压,TR放电管不起保护作用,此时邻近雷达的辐射能量将会烧毁接收机。现在已出现了一种新型的无源TR放电管,它内部充有处于激发状态的氚气,不需要外加辅助电压,因此在雷达关机时仍能起保护接收机的作用。雷达接收机的高频部分雷达接收机的高频部分 二极管限幅器可用二极管限幅器可用PIN二极管二极管和变容二极管变容二极管构成。PIN二二极极管管限限幅幅器器的的主主要要优优点点是是：功率容量较大,单个PIN管承受的脉冲功率可达(10100)kW。缺缺点点：由于PIN管的本征层比较厚

67、,因而响应时间较长,前沿尖峰泄漏功率较大。变变容容二二极极管管多用于低功率限幅器,它的响应时间极短,在10ns以下,故而在TR放电管后面作限幅器效果很好。雷达接收机的高频部分雷达接收机的高频部分 （二）低噪声高频放大器的种类和特点（二）低噪声高频放大器的种类和特点 1. 低噪声非致冷参数放大器低噪声非致冷参数放大器对于致冷参数放大器,在微波和毫米波频段范围内,当致冷温度为20K时,可以得到的等效噪声温度Te为(1050)K,但设备相当复杂、成本昂贵,实际使用较少。雷达接收机的高频部分雷达接收机的高频部分 近近年年来来在在改改进进非非致致冷冷参参数数放放大大器器噪噪声声性性能能方方面面采采用用的

68、的关关键键技技术术是是采采用用了了以以下下器器件件或或设设计计、工工艺艺:超高品质因素、高截止频率、极低分布电容的砷化镓变容二极管;极低损耗的波导型环行器;高稳定的毫米波固态泵浦源(fp=(50100)GHz);高效率的热电冷却器;新的微带线路结构和微波集成电路的优化设计及先进工艺。因此，非致冷参数放大器的噪声温度已非常接近致冷参数放大器,而且结构精巧,性能稳定,全固态化。雷达接收机的高频部分雷达接收机的高频部分 2 . 低噪声晶体管放大器低噪声晶体管放大器低噪声砷化镓场效应管和硅双极晶体管放大器的研制已取得了新的进展,在在电电路路的的设设计计和和工工艺艺结结构构上上进进行行了了革革新新，采采

69、用用了了：计算机辅助设计;精巧的微带线工艺;多级组件式结构。这样,使它们的低噪声性能仅次于参量放大器,并已在实用中逐步取代行波管高放和遂道二极管放大器。雷达接收机的高频部分雷达接收机的高频部分 图3.29几种典型低噪声器件的噪声系数雷达接收机的高频部分雷达接收机的高频部分 随着现代混频二极管噪声性能的不断提高,现在很多超外差式雷达接收机直接使用混频器作高频前端。目前高性能的镜像抑制混频器在1100GHz频率范围内,可使噪声系数降至35dB。（三）混频器的变频特性（三）混频器的变频特性雷达接收机的高频部分雷达接收机的高频部分 一般来说,混频器用来把低功率的信号同高功率的本振信号在非线性器件中混频

70、后,将低功率的信号频率变换成中频(本振和信号的差频)输出。同同时时，非非线线性性混混频频的的过过程程将将产产生生许许多多寄寄生生的的高高次次分分量量。这些寄生响应将会影响非相参雷达和相参雷达对目标的检测性能,而对相参雷达的检测性能影响更为严重。雷达接收机的高频部分雷达接收机的高频部分 混频器的寄生响应对雷达性能的影响：混频器的寄生响应对雷达性能的影响：（1）将会使脉冲多谱勒雷达的测距和测速精度下降；（2）使动目标显示(MTI)雷达对地物杂波的相消性能变坏；（3）使高分辨脉冲压缩系统输出的压缩脉冲的副瓣电平增大。混混混混频频频频器器器器的的的的非非非非线线线线性性性性效效效效应应应应是是是是产产

71、产产生生生生各各各各种种种种寄寄寄寄生生生生响响响响应应应应的的的的主主主主要要要要原原原原因因因因。加在混频器上的电压u(t)为本振电压u1ejw1t与信号电压u2ejw2t之和，即(3.5.1)雷达接收机的高频部分雷达接收机的高频部分 混频器输出的非线性电流i(t),可以用u(t)的幂级数表示，即i(t)=a0+a1u(t)+a2u2(t)+anun(t)(3.5.2)根据式(3.5.2),可以得到一个非常有用的向下混频的寄生效应图,见图3.30。图3.30中H表示高输入频率,L表示低输入频率,横轴为归一化的输入频率L/H,纵轴为归一化的输出差频(H-L)/H。图3.30中输出的(H-L)

72、分量是由幂级数的平方项产生的,其它输出的寄生响应是从立方项和更高阶项产生的。雷达接收机的高频部分雷达接收机的高频部分 图3.30混频器的寄生响应图雷达接收机的高频部分雷达接收机的高频部分 混频器的寄生效应图使系统设计者对究竟哪些输哪些输入频率和带宽相结合入频率和带宽相结合不会产生强的低阶寄生分量的情况能一目了然。 图中的粗线表示归一化输出频率(H-L)/H随归一化输入频率L/H的变化。 图中输出的（H-L）分量是由幂级数的平方项产生的，图上其他各线表示由幂级数中3次方和高次方项产生的寄生效应。雷达接收机的高频部分雷达接收机的高频部分 在图3.30中给出了七种特别有用的输出区间,在这些区间中没有

73、寄生响应输出。区域A表示以L/H=0.63为中心可得到的最宽无寄生带宽，以此说明该图的使用。适用的射频通带在0.610.65之间，则相应的中频通带为0.350.39。然而，0.34(4H-6L)的寄生中频频率和0.4(3H-4L)的寄生中频频率产生在射频通带的两端。瞬时射频带宽的任何延伸都会引起中频频率的重叠，且这种情况不能由中频滤波改正。雷达接收机的高频部分雷达接收机的高频部分 应该注意：应该注意：在任一指定区域中，有效的无寄生带宽有效的无寄生带宽约约为中心频率的为中心频率的10%或或(H-L)/10H。要求带宽宽的接收机应当采用位于其中一个区域的中心的高中频。对低对低于于(H-L)/H=0

74、.14的中频而言，的中频而言，寄生频率产生于幂级数寄生频率产生于幂级数模型中相当高的高次方项，因此，它的幅度低到常常模型中相当高的高次方项，因此，它的幅度低到常常被忽略不计。被忽略不计。基于以上原因，单变频接收机通常比双变频接收机提供更好的寄生响应抑制。当信号瞬时频当信号瞬时频率超过率超过A区间的范围时区间的范围时, 由于幂级数中的立方项和更由于幂级数中的立方项和更高阶项的影响高阶项的影响, 将会产生寄生的互调中频分量将会产生寄生的互调中频分量0.34(4H-6L)和和0.4(3H-4L)。雷达接收机的高频部分雷达接收机的高频部分 早期的微波接收机采用单单端端混混频频器器,但由于输出的寄生响应

75、大而且对本振的影响严重,噪声性能也差,目前已很少使用。平平衡衡混混频频器器可以抑制偶次谐波产生的寄生响应,还可以抑制本振噪声的影响,因此被广泛使用。由于采用了硅点接触二极管和砷化镓肖特基二极管作混频器,使平衡混频器的噪声性能得到较大改善,工作频率和抗烧毁能力都有明显提高。雷达接收机的高频部分雷达接收机的高频部分 近年来采用镜像抑制技术和低变频损耗的砷化镓肖特基混频二极管,使混频器的噪声性能进一步得到改善,见图下图。镜像抑制混频器原理图雷达接收机的高频部分雷达接收机的高频部分 同相等幅的高频信号分别加至两个二极管混频器(也可以是平衡混频器),本振电压经90混合接头后分别加至两个混频器,两个混频器

76、输出的中频信号加到具有90相移的中频混合接头。在中频输出端,使得镜像干扰相消,中频信号相加。理论分析和实践证明,镜像抑制混频器的噪声系数比一般镜像匹配混频器低2dB左右。雷达接收机的高频部分雷达接收机的高频部分 镜像抑制混频器具有噪声系数低、动态范围大、抗烧毁能力强和成本低等优点。在0.520GHz频率范围,噪声系数为46dB。进一步采用计算机辅助设计、高品质因素低分布电容的肖特基二极管和超低噪声系数(F11dB)的中频放大器,在1100GHz频率范围内,可使噪声系数降至35dB。雷达接收机的高频部分雷达接收机的高频部分 接收机的动态范围和增益控制接收机的动态范围和增益控制 （1）增量增益定义

77、的动态范围）增量增益定义的动态范围对一般放大器,当信号电平较小时,输出电压Uom随输入电压Uim线性增大,放大器工作正常。但信号过强时,放大器发生饱和现象,失去正常的放大能力,结果输出电压Uom不再增大,甚至反而会减小,致使输出-输入振幅特性出现弯曲下降,见图3.35。这种现象称为放大器发生“过载过载”。1.1.动态范围动态范围接收动态范围的表示方法有多种，在此我们主要讲两种：增增量增益定义的动态范围量增益定义的动态范围和1dB增益压缩点的动态范围增益压缩点的动态范围。图3.35信号与宽脉冲干扰共同通过中频放大器的示意图接收机的动态范围和增益控制接收机的动态范围和增益控制 图中表示宽脉冲干扰与

78、回波信号共同通过中频放大器的情况(为了简便起见,仅画出它们的调制包络):当干扰电压振幅Unm较小时,输出电压中有与输入信号Uin相对应的增量;但当Unm较大时,由于放大器饱和,致使输出电压中的信号增量消失,即回波信号被丢失。同理,视频放大器也会发生上述的饱和过载现象。接收机的动态范围和增益控制接收机的动态范围和增益控制 因此,对于叠加在干扰上的回波信号来说,其放大量应该用“增量增益”表示,它是放大器振幅特性曲线上某点的斜率(3.6.1)由图3.35所示的振幅特性,可求得Kd-Uim的关系曲线,如图3.36所示。接收机的动态范围和增益控制接收机的动态范围和增益控制 图3.36信号与宽脉冲干扰共同

79、通过中频放大器的示意图接收机的动态范围和增益控制接收机的动态范围和增益控制 由此可知,只要接收机中某一级的增量增益Kd0,接收机就会发生过载,即丢失目标回波信号。接收机抗过载性能的好坏,可用动态范围D来表示,它是当接收机不发生过载时允许接收机输入信号强度的变化范围,其定义式如下:(3.6.2)(3.6.3)接收机的动态范围和增益控制接收机的动态范围和增益控制 或式中,Pimin、Uimin为最小可检测信号功率、电压;Pimax、Uimax为接收机不发生过载所允许接收机输入的最大信号功率、电压。接收机各部件的动态范围典型值见下表：接收机的动态范围和增益控制接收机的动态范围和增益控制 通过该表可迅

80、速判明哪些部件影响动态范围。但需注意:表中各部件的动态范围是用各部件输出端的最大信号与系统噪声电平进行比较而算出的,该部件的所有滤波应在饱和之前完成。表中同时还给出了与动态范围有关的一些重要参数。接收机的动态范围和增益控制接收机的动态范围和增益控制 （1）1dB增益压缩点的动态范围增益压缩点的动态范围1dB压压缩缩点点：放大器有一个线性动态范围，在这个范围内，放大器的输出功率随输入功率线性增加。这种放大器称之为线线性性放放大大器器，这两个功率之比就是功功率率增增益益G。随着输入功率的继续增大，放大器进入非线性区，其输出功率不再随输入功率的增加而线性增加，也就是说，其输出功率低于小信号增益所预计

81、的值。通常把增益下降到比线性增益低1dB时的输出功率值定义为输输出出功功率率的的1dB压压缩点，用缩点，用P1dB表示表示。接收机的动态范围和增益控制接收机的动态范围和增益控制 接收机的动态范围和增益控制接收机的动态范围和增益控制 式中， 为产生1dB压缩时接收机输入端的信号功率； 为产生1dB压缩时接收机输出端的信号功率；G为接由机的增益。 1dB增益压缩点动态范围增益压缩点动态范围定义为：当接收输出功率大到产生1dB增益压缩时，输入信号功率Pi-1与最小可检测信号功率Pimin之比，即：3.6.43.6.5接收机的动态范围和增益控制接收机的动态范围和增益控制 2. 接收机的增益控制接收机的

82、增益控制接收机的增益控制主要包括：灵敏度时间控制灵敏度时间控制（STC）和自动增益控制（自动增益控制（AGC）。）。 灵敏度时间控制灵敏度时间控制（STC）主要用来：主要用来：扩展接收机动态范围，防止近程杂波使接收机过载。 自动增益控制（自动增益控制（AGC）主要用来：）主要用来：控制接收机的增益，以维持整机输出恒定，使之几乎不随外来信号的强弱变化。（常规（AGC）；瞬时自动增益控制（IAGC）；噪声AGC；单脉冲雷达接收机AGC和多通道接收机AGC等） 接收机的动态范围和增益控制接收机的动态范围和增益控制 灵敏度时间控制(STC)又称“近程增益控制”，它用来防止近程杂波干扰所引起的中频放大器

83、过载。杂波干扰(如海浪杂波和地物杂波干扰等)主要出现在近距离,干扰功率随着距离的增加而相对平滑地减小,如图3.37（a）所示。如果把发射信号时刻作为距离的起点,则横轴实际上也就是时间轴。灵敏度时间控制灵敏度时间控制(STC)接收机的动态范围和增益控制接收机的动态范围和增益控制 图3.37STC电路中控制电压与灵敏度的关系曲线接收机的动态范围和增益控制接收机的动态范围和增益控制 根据试验,海浪杂波干扰功率Pim随距离R的变化规律为：(3.6.9)式中，K为比例常数,它与雷达的发射功率等因素有关;a为由试验条件所确定的系数,它与天线波瓣形状等有关,一般a=2.74.7。接收机的动态范围和增益控制接

84、收机的动态范围和增益控制 灵灵敏敏度度时时间间控控制制的的基基本本原原理理是是:当发射机每次发射信号之后,接收机产生一个与干扰功率随时间的变化规律相“匹配”的控制电压UC,如图3.37(b)所示,控制接收机的增益按此规律变化。所以近程增益控制电路实际上是一个使接收机灵敏度随时间而变化的控制电路,它可以使接收机不致受近距离的杂波干扰而过载。接收机的动态范围和增益控制接收机的动态范围和增益控制 自动增益控制自动增益控制(AGC) 在雷达系统中,由于受发射功率大小、收发距离远近、电磁波传播衰落等各种因素的影响, 接收机所接收的信号强弱变化范围很大, 信号最强时与最弱时可相差几十分贝。因此, 必须采用

85、自动增益控制电路, 使接收机的增益随输入信号强弱而变化。接收机的动态范围和增益控制接收机的动态范围和增益控制 工作原理工作原理 自动增益控制电路是一种在输入信号幅值变化很大的情况下，通过调节可控增益放大器的增益，使输出信号幅值基本恒定或仅在较小范围内变化的一种电路。 接收机的动态范围和增益控制接收机的动态范围和增益控制 AGC系统组成接收机的动态范围和增益控制接收机的动态范围和增益控制 设输入信号振幅为Ux, 输出信号振幅为Uy, 可控增益放大器增益为g（uc）, 即其是控制信号uc的函数，则有：Uy=Ag(uc)Ux接收机的动态范围和增益控制接收机的动态范围和增益控制 比较过程比较过程 在A

86、GC电路里, 比较参量是信号电平, 所以采用电压比较器。反馈网络由电平检测器、低通滤波器和直流放大器组成。反馈网络检测出输出信号振幅电平（平均电平或峰值电平）, 滤去不需要的较高频率分量, 然后进行适当放大后与恒定的参考电平UR比较, 产生一个误差信号。 接收机的动态范围和增益控制接收机的动态范围和增益控制 控制信号发生器在这里可看作是一个比例环节, 增益为1。 若Ux减小而使Uy减小时, 环路产生的控制信号uc将使增益g增大, 从而使Uy趋于增大。若Ux增大而使Uy增大时, 环路产生的控制信号uc将使增益g减小, 从而使Uy趋于减小。无论何种情况, 通过环路不断地循环反馈, 都应该使输出信号

87、振幅Uy保持基本不变或仅在较小范围内变化。 接收机的动态范围和增益控制接收机的动态范围和增益控制 滤波器的作用滤波器的作用 环路中的低通滤波器是非常重要的。整个环路应具有低通传输特性, 这样才能保证仅对信号电平的缓慢变化有控制作用。尤其当输入为调幅信号时, 为了使调幅波的有用幅值变化不会被自动增益控制电路的控制作用所抵消（此现象称为反调制）, 必须恰当选择环路的频率响应特性, 使对高于某一频率的调制信号的变化无响应, 而仅对低于这一频率的缓慢变化才有控制作用。这就主要取决于低通滤波器的截止频率。 接收机的动态范围和增益控制接收机的动态范围和增益控制 控制过程说明控制过程说明 设输出信号振幅Uy

88、与控制电压uc的关系为: Uy=Uy0+kcuc=Uy0+Uy 又有: Uy=Ag(uc)Ux=Ag(0)+kgucUx 其中 Ag(uc)=Ag(0)+kguc 又有 Uy0=Ag(0)Ux0接收机的动态范围和增益控制接收机的动态范围和增益控制 式中的Uy0是控制信号为零时所对应的输出信号振幅, Ux0和g（）是相应的输入信号振幅和放大器增益, c和皆为常数。 若低通滤波器对于直流信号的传递函数为, 当误差 信 号 ue 时 , 写 出 UR和 Uy0、 x0之 间 的 关 系 : UR=k2k3Uy0=k2k3Ag(0)Ux0 当输入信号振幅UxUx0且保持恒定时, 环路经自身调节后达到新

89、的平衡状态, 这时的误差电压接收机的动态范围和增益控制接收机的动态范围和增益控制 u e=kb(R-k2k3y) 又 U y=Ag()+kck1u eUx 从以上两式可知, u e0, 否则将有Ux=Ux0, 与条件不符合。同时也说明U yy0, 即AGC电路是有电平误差的控制电路。式中，k2、k3和kb均为比例系数。接收机的动态范围和增益控制接收机的动态范围和增益控制 一种简单的一种简单的AGC电路电路几种常见的几种常见的AGC控制电路控制电路接收机的动态范围和增益控制接收机的动态范围和增益控制 上图示出了一种简单的AGC电路方框图,它由一级峰值检波器和低通滤波器组成。接收机输出的视频脉冲信

90、号,经过峰值检波,再由低通滤波器除去高频成分之后,就得到自动增益控制电压UAGC,将它加到被控的中频放大器中去,就完成了增益的自动控制作用。当输入信号增大时,视频放大器输出uo随之增大,引起控制电压UAGC增加,从而使受控中频放大器的增益降低；当输入信号减小时,情况正好相反,即中频放大器的增益将要增大。因此自动增益控制电路是一个负反馈系统。接收机的动态范围和增益控制接收机的动态范围和增益控制 图3.41瞬时自动增益控制电路的组成方框图瞬时自动增益控制瞬时自动增益控制(IAGC) 接收机的动态范围和增益控制接收机的动态范围和增益控制 瞬时自动增益控制的目的是使干扰电压受到衰减(即要求控制电压UC

91、能瞬时地随着干扰电压而变化),而维持目标信号的增益尽量不变。因此,电电路路的的时时常常数数应应这这样样选选择择:为了保证在干扰电压的持续时间n内能迅速建立起控制电压UC,要求电路时常数in;为了维持目标回波的增益尽量不变,必须保证在目标信号的宽度内使控制电压来不及建立,即i,为此电路时常数一般选为：i=(520)(3.6.10)接收机的动态范围和增益控制接收机的动态范围和增益控制 干扰电压一般都很强,所以中频放大器不仅末级有过载的危险,前几级也有可能发生过载。为了得到较好的抗过载效果,增大允许的干扰电压范围,可以在中放的末级和相邻的前几级,都加上瞬时自动增益控制电路。接收机的动态范围和增益控制

92、接收机的动态范围和增益控制 3. 对数放大器对数放大器 有的雷达接收机中设置了对数中频放大电路，以获得足够的动态范围，使雷达接收机既能高增益地放大微弱的回波信号，又不致在输入信号较强时发生过载现象。 对数放大器：对数放大器：是指输出电压u0与输入电压ui的对数成正比的放大器。 接收机的动态范围和增益控制接收机的动态范围和增益控制 雷达信号往往具有很宽的动态范围，接收机前端信号动态范围可达120dB以上。宽动态范围往往给应用设宽动态范围往往给应用设计带来很多问题：计带来很多问题：一方面，线性放大器无法处理这样宽的动态范围。另一方面，D/A变换中，在保证分辨率的情况下，模数转换器的位数会随动态范围

93、的增大而增大。因此，在处理宽动态范围的信号时，常常将其动态范围压缩到一个可以处理的程度。 接收机的动态范围和增益控制接收机的动态范围和增益控制 动态范围的压缩分为动态范围的压缩分为：“线性压缩线性压缩”和“非线性非线性压缩压缩”。线性压缩是指放大器的增益与信号的大小无关，输出基本保持恒定。线性压缩的特点使谐波失真小，其本质是一种“压控放大器”（VCA）。非线性压缩方面最好的例子就是对数放大器。它是输入输出信号成对数关系的器件，它对信号动态范围的压缩不需要像AGC系统那样提取输入信号的电平来控制增益，其增益与信号的大小成反比。 接收机的动态范围和增益控制接收机的动态范围和增益控制 对数放大器的显

94、著特点：对数放大器的显著特点：是在其每级中频输出回路的两端并联一个检波器；各路检波器通过相加网路将各检波器的输出视频脉冲相叠加。 对数放大器的振幅特性对数放大器的动态范围接收机的动态范围和增益控制接收机的动态范围和增益控制 自动频率控制（自动频率控制（AFC） 磁控管振荡器所产生的射频信号的频率稳定性较差，在雷达工作中会因温度等因素的变化而发生明显的频率漂移。此外，接收机本机振荡频率也可能受电源、温度变化的影响而有所变动。 为了保证接收机中频放大器的正常工作，必须在接收机中设置性能完善的自频调系统来调节本机振荡频率，以在发射频率或本机振荡频率漂移时保持两者差频 (中频)的稳定。 自动频率控制（

95、自动频率控制（AFC）1. AFC1. AFC系统的工作原理系统的工作原理自动频率控制（自动频率控制（AFC）也称自动频率微调自动频率微调，在通信及其他电子设备中得到广泛的应用。作用：作用：自动控制振荡器的振荡频率，以达到某一预定的要求。在雷达正常工作过程中，当磁控管振荡频率发生漂移时，自频调系统能自动地调整其输出的控制电压，以微调本机振荡频率，使两者的差频稳定在额定中频附近。AFC系统分类：系统分类：1）跟踪式：一般通信设备中多采用2）搜索式：多用于雷达设备中AFC系统原理方框图工作原理：工作原理：工作原理：工作原理：标准频率源：一般是石英晶体振荡器；压控振荡器（即VCO）：其输出信号频率随

96、输入控制电压uC而改变。输出uCuDfofofr标准频率源鉴频器低通滤波器压控振荡器AFC自动频率控制（自动频率控制（AFC）设标准频率源的频率为fr，压控振荡器的频率为fo。在鉴频器中fr与fo进行比较，输出一个与这两个频率之差（fofr）成正比的电压uD（称：误差电压），低通滤波器滤除交流成分，输出的直流控制电压uC迫使压控振荡器的振荡频率fo接近fr。经历上述循环过程，最后使fo与fr之差达到某一最小值f时，自动微调过程停止，环路进入锁定状态。f剩余频率误差，简称“剩余频差”。 fr+f电路振荡频率。自动频率控制（自动频率控制（AFC）2.AFC2.AFC系统的应用系统的应用采用AFC电

97、路的调幅接收机至低放调幅波输入混频器中频放大器包络检波器限幅鉴频器低通滤波器直流放大器压控振荡器AFC自动频率控制（自动频率控制（AFC）它比普通调幅接收机增加了限幅鉴频器、低通滤波器和直流放大器，同时将本振改为压控振荡器。混频器输出的中频信号经中频放大后，除送到包络检波器外，还送到限幅鉴频器进行鉴频。工作原理：工作原理：由于限幅鉴频器的中心频率调在规定的中频上，鉴频器就可以将偏离于中频的频差变换成电压，该电压经低通滤波器和直流放大器后作用于压控振荡器，压控振荡器的振荡频率发生变化，使偏离于中频的频率误差减小。自动频率控制（自动频率控制（AFC）这样，在AFC电路的作用下，接收机的输入调幅信号

98、载频和压控振荡器频率之差接近于中频。采用AFC电路后，中频放大器的带宽可以减小，从而有利于提高接收机的灵敏度和选择性。自动频率控制（自动频率控制（AFC）滤波和接收机带宽滤波和接收机带宽 1 . 匹配滤波器基本概念匹配滤波器基本概念匹配滤波器是在白噪声背景中检测信号的最佳线性滤波器,其输出信噪比在某个时刻可以达到最大。如果已知输入信号s(t),其频谱为S(),则匹匹配配滤滤波波器器在频率域的特在频率域的特性为：性为：H()=kS*()exp(-jt0)(3.8.1)式中，S*()为频谱S()的共轭值;k为滤波器的增益常数;t0是使滤波器实际上能够实现所必须的延迟时间,在t0时刻将有信号的最大输

99、出。匹配滤波器在时间域的函数匹配滤波器在时间域的函数,即其脉冲响应为：h(t)=ks*(t0-t)(3.8.2)式中，s*(t0-t)为输入信号的镜像,它与输入信号s(t)的波形相同,但从时间t0开始反转过来。滤波和接收机带宽滤波和接收机带宽 在对匹配滤波器作理论研究时,延时t0和增益常数k可以不予考虑,因此匹配滤波器的上述方程式特性可以简化为：H()=S*()h(t)=s*(-t)(3.8.3)(3.8.4)从式(3.8.3)和式(3.8.4)可以看出:匹匹配配滤滤波波器器的的传传输输函函数数是是输输入入信信号号频频谱谱的的复复共共轭轭值值, 匹匹配配滤滤波波器器的的脉脉冲冲响响应是输入信号

100、的镜像函数。应是输入信号的镜像函数。还可以进一步证明,匹配滤波器在输出端给出的最大瞬时信噪比为：(3.8.5)滤波和接收机带宽滤波和接收机带宽 式中,N0是输入噪声的谱密度,它是匹配滤波器输入端单位频带内的噪声功率;E是输入信号能量：(3.8.6)滤波和接收机带宽滤波和接收机带宽 匹配滤波准则：匹配滤波准则：输入信号能量 ，白噪声 ，选择 ， 使输出信噪比达到最大。结果：结果： 2 . 匹配滤波器的频率域及时间域响应函数匹配滤波器的频率域及时间域响应函数滤波和接收机带宽滤波和接收机带宽 其中， 为单边带功率谱密度值。3 . 单个矩形中频脉冲的匹配滤波器单个矩形中频脉冲的匹配滤波器多数常规雷达采

101、用简单矩形脉冲调制,所以有必要研究一下矩形包络的单个中频脉冲的匹配滤波器。设矩形脉冲的幅度为A,宽度为,信号波形的表达式为(3.8.22)滤波和接收机带宽滤波和接收机带宽 其图形表示见图3.56(a),用傅里叶变换可求得信号频谱见图3.56(b)为(3.8.23)因而由式(3.8.23)可得匹配滤波器的传输函数见图3.56(c)(3.8.24)滤波和接收机带宽滤波和接收机带宽 图3.56单个矩形中频脉冲及其匹配滤波器特性(a)矩形脉冲波形;(b)矩形高频脉冲频谱;(c)匹配滤波器特性滤波和接收机带宽滤波和接收机带宽 由式(3.8.24)可得匹配滤波器输出的最大信噪比为(3.8.25)理想匹配滤

102、波器的特性一般比较难于实现,例如对于单个矩形中频脉冲来说,图3.56(c)所示的频率特性H()就不易实现。因此需要考虑它的近似实现,即采用准匹配滤波器。滤波和接收机带宽滤波和接收机带宽 4 . 准匹配滤波器准匹配滤波器准准匹匹配配滤滤波波器器是指实际上容易实现的几种典型频率特性,例如对于图3.56(c)所示的频率特性,通常可以用矩形、高斯形或其它形状的频频率率特特性性来来作作近近似似。适当选择该频率特性的通频带,可获得准匹配条件下的“最大信噪比”。雷达中频放大器的级数较多,其合成频率特性有时可近似为矩形。采用矩形近似的准匹配滤波器输出“最大信噪比”(S/N)max与图3.56(c)所示的匹配滤

103、波器输出的最大信噪比(S/N)max相比较,二者之间的差别。滤波和接收机带宽滤波和接收机带宽 设矩形特性滤波器的角频率带宽为W,传输函数为(3.8.34)其频率特性见图3.58中的实线所示。准匹配滤波器输出的最大信噪比与理想匹配滤波器输出的最大信噪比之比值定义为失配损失,经过计算可求得(3.8.35)滤波和接收机带宽滤波和接收机带宽 根据上式画出对的函数曲线见图3.59。由图可以看出:当B1.37时,失配损失达到最大值max0.82。这就是说,采用带宽为的矩形特性滤波器时,这种准匹配滤波器相对于理想匹配滤波器来说,其输出信噪比损失仅约0.85dB,显然这损失不大。由图还可看出:按B1.37来选

104、择最佳带宽Bopt并不是很临界的,带宽稍微偏离最佳值并不会显著增大损失。滤波和接收机带宽滤波和接收机带宽 图3.58单个矩形中频脉冲及其匹配滤波器特性滤波和接收机带宽滤波和接收机带宽 图3.59对B的函数曲线滤波和接收机带宽滤波和接收机带宽 考虑到目标速度会引起多卜勒频移,接收机调谐也会有些误差,这些都会使回回波波频频谱谱与与滤滤波波器器通通带带之之间间产生某些偏差,因此雷达接收机的带宽一般都要稍微超过最佳值。正如上面已说明的,最最佳佳带带宽宽脉脉宽宽积积并并非非很很临临界界的的,如如果果允允许许检检测测能能力力再再降降低低0.5dB, 则则带带宽宽可可以以偏偏离离最最佳佳值值30%50%。接

105、收机带宽取宽些后,虽然会使雷达容易受到偏频窄带干扰的影响,但却减小了信号的波形失真,可以降低从脉冲干扰中恢复工作所需要的时间。滤波和接收机带宽滤波和接收机带宽 表表3.3各种准匹配滤波器各种准匹配滤波器 滤波和接收机带宽滤波和接收机带宽 图3.60各种滤波器的带通滤波特性滤波和接收机带宽滤波和接收机带宽 图3.61各种滤波器的冲击特性滤波和接收机带宽滤波和接收机带宽 5. 接收机带宽的选择接收机带宽的选择 (1) 警戒雷达警戒雷达(含引导雷达含引导雷达)这类雷达的主要要要求求是是接接收收机机灵灵敏敏度度要要高高, 而而对对波波形形失失真真的的要要求求不不严严格格,因此要求接收机线性部分(检波器

106、之前的高、中频部分)的输出信噪比最大,即高、中频部分的通频带BRI应取为最佳带宽Bopt,但考虑到发射信号频率和本振频率的漂移,需要加宽一个数值fx,应取为BRI=Bopt+fx(3.8.36)滤波和接收机带宽滤波和接收机带宽 式中，fx由振荡器的频率稳定度所决定。有自动频率控制的接收机,通常取为剩余失谐的两倍(fx=2f),其值一般为0.1MHz0.5MHz。接收机视频噪声的影响很小,因此视频部分(含检波器)的带宽Bv只要保证信号通过时幅值不减小,就可使接收机灵敏度仍然保持为最高。般选取带宽Bv等于或稍大于Bopt/2就能满足要求,即(3.8.37)滤波和接收机带宽滤波和接收机带宽 根据高、

107、中频部分谐振电路的型式和数目,就可把带宽BRI分配到各级电路。但需注意:混频器之前的电路要能抑制镜频干扰,因此其带宽不应过宽,以使滤波良好。滤波和接收机带宽滤波和接收机带宽 (2) 跟踪雷达跟踪雷达(含精确测距雷达含精确测距雷达)这类雷达是根据目标回波前沿位置来进行精确测距的,主要要要求求是是波波形形失失真真小小, 其其次次才才是是要要求求接接收收机机灵灵敏敏度度高高。因此要求接收机的总带宽B0(含视频部分带宽Bv)大于最佳带宽,一般取为(3.8.38)式中,为发射信号脉冲宽度。滤波和接收机带宽滤波和接收机带宽 作业作业1、某雷达接收机噪声系数为6dB，接收机带宽为1.8MHz，求其临界灵敏度。2、某雷达发射矩形脉冲宽度3s，接收机采用矩形频率特性匹配滤波，系统组成和参数如下图，求：接收机总噪声系数，当天线噪声温度为380k、M=3dB时的接收机灵敏度。 3、某雷达脉冲宽度1s，重复频率600Hz，发射脉冲包络和接收机准匹配滤波器均为矩形特性，接收机噪声系数3，天线噪声温度290k，求系统等效噪声温度Te、临界灵敏度Simin 和最大的单值测距范围。作业作业4、AGC电路有什么作用?它的基本组成是什么？5、什么叫做自动频率控制？借助图1简述AFC工作原理。作业作业至低放调幅波输入混频器中频放大器包络检波器限幅鉴频器低通滤波器直流放大器压控振荡器AFC图1