雷達原理-三-雷達接收機

第三章雷達接收機huangchuanbocq@126.com電話網(wǎng):66299

上次課作業(yè)上次課作業(yè)上次課作業(yè)上次課作業(yè)上次課作業(yè)5、某放大鏈末級速調(diào)管采用調(diào)制陽極脈沖調(diào)制器，已知E0=120KV，Eg=70V，C0=100pF，充放電電流I=80A，試畫出a,b,c三點的電壓波形及電容C0的充電電流ic波形與時間關(guān)系圖。若重頻為600Hz，求G1、G2的平均功率和調(diào)制脈沖的上升時間、下降時間。上次課作業(yè)上次課作業(yè)1.雷達接收機的組成和主要質(zhì)量指標(biāo)2.接收機的噪聲系數(shù)和靈敏度3.雷達接收機的高頻部分4.接收機的動態(tài)范圍和增益控制5.自動頻率控制（AFC）6.濾波與接收機帶寬本章題綱雷達接收機的組成和主要質(zhì)量指標(biāo)一、雷達接收機的組成二、雷達接收機的主要質(zhì)量指標(biāo)一、超外差式雷達接收機的組成

雷達接收機的組成雷達接收機任務(wù)：不失真的放大所需的微弱信號，抑制不需要的其他信號（噪聲、干擾等）。其任務(wù)是從噪聲背景中提取目標(biāo)回波信息。主要組成部分是:

按照雷達接收機中回波信號的頻率變換過程，可以將超外差式雷達接收機劃分為高頻、中頻和視頻三部分。高頻部分指接收機的微波電路，又稱雷達接收機的高端，包括接收機保護電路、低噪聲高頻放大器、混頻器和本機振蕩器。中頻部分指中頻放大器、匹配濾波器、檢波器。視頻部分為視頻放大器等信號頻率為視頻的電路。第二混頻器及相關(guān)電路包含在中頻放大器中。圖1超外差式雷達接收機簡化方框圖優(yōu)點：靈敏度高、增益高、選擇性好、適應(yīng)性廣。

雷達接收機的組成1.高頻部分：

T/R及保護器：發(fā)射機工作時，使接收機輸入端短路，并對大信號限幅保護。低噪聲高放：提高靈敏度，降低接收機噪聲系數(shù)，熱噪聲增益。Mixer，LD，AFC（自動頻率微調(diào)）：保證本振頻率與發(fā)射頻率差頻為中頻，實現(xiàn)變頻。雷達接收機的組成2.中頻部分及AGC：

匹配濾波：(S/N)omaxAGC（自動增益控制）：是一種反饋技術(shù),用來自動調(diào)整接收機的增益,以便在雷達系統(tǒng)跟蹤環(huán)路中保持適當(dāng)?shù)脑鲆娣秶?.視頻部分：

檢波：包絡(luò)檢波，同步（頻）檢波（正交兩路），相位檢波。放大：線形放大，對數(shù)放大，動態(tài)范圍。雷達接收機的組成低噪聲放大器(LowNoiseAmplifier，簡稱LNA)是射頻接收機前端的主要部分。它主要有以下幾個特點：1、處于接收機的前端就要求它的噪聲系數(shù)越小越好。為了抑制后面幾級噪聲對系統(tǒng)的影響，還要求有一定的增益，為了不使后級器件過載，產(chǎn)生非線性失真它的增益又不能太大。在此放大器在工作頻段內(nèi)應(yīng)該是絕對穩(wěn)定的。（一）關(guān)于低噪聲放大器雷達接收機的組成2、它所接收的信號都很微弱，所以放大器必定是一個小信號放大器。另外由于受傳輸路徑的影響，信號強弱又是變化的，在接收信號的同時又有可能伴隨著許多強干擾信號混入，因此要求放大器要有足夠的線性范圍，而且最好是增益可調(diào)。3、低噪聲放大器一般是通過傳輸線直接和天線或天線濾波器相連，放大器的輸入端必須和他們有很好的匹配，以達到功率的最大傳輸或最小的噪聲系數(shù)。雷達接收機的組成1、噪聲系數(shù)（NoiseFigure）：輸入信號與輸出信號的信噪比（SNR）之比。NF=（SNR）in/（SNR）out通常情況下，它是以分貝為單位的。2、增益（Gain）：負(fù)載吸收功率與信源資用功率之比。3、帶內(nèi)平坦度（GainFlatness）：通帶內(nèi)最大增益與最小增益的差值。4、駐波比（StandingWaveRatio）：最大電壓與最小電壓之比。5、輸出功率（PowerOut）低噪聲放大器的主要指標(biāo)雷達接收機的組成具體指標(biāo)在實際中的應(yīng)用：在實際應(yīng)用中，為了有足夠的增益，放大器通常是若干級放大管（或模塊）級聯(lián)而成，即由單個的放大管組成一個低噪聲放大器。那么，在設(shè)計之初這個低噪聲的放大器的一些指標(biāo)就得通過一定公式來計算得到。下面以噪聲系數(shù)為例，給出級聯(lián)后的噪聲系數(shù)的計算公式：雷達接收機的組成（二）射頻濾波器射頻濾波器在雷達接收機的作用是抑制進入接收機的外部干擾。濾波器的功能及技術(shù)指標(biāo)

濾波器功能：對信號在特定頻率或頻段內(nèi)的頻率分量做加重或衰減處理(保持有用頻帶、抑制無用頻帶)。

技術(shù)指標(biāo)：工作頻率：3dB帶寬(相對)、插損帶寬(絕對、常用)插入損耗：電阻性損耗及反射損耗帶內(nèi)波紋：插損在帶內(nèi)的波動范圍帶外抑制：濾波器矩形度的一種描述承受功率：決定了濾波器的實現(xiàn)形式和選材雷達接收機的組成濾波電路的分類1.按信號性質(zhì)分類模擬濾波器和數(shù)字濾波器2.按所用元件分類無源濾波器和有源濾波器3.按電路功能分類:

4.按階數(shù)分類:

一階，二階…高階低通濾波器；高通濾波器；帶通濾波器；帶阻濾波器雷達接收機的組成通常把能夠通過的信號頻率范圍定義為通帶，而把受阻或衰減的信號頻率范圍稱為阻帶，通帶和阻帶的界限頻率稱為截止頻率。低通濾波器電路（LPF），高通濾波器電路（HPF），帶通濾波器電路（BPF），帶阻濾波器電路（BEF），全通濾波器電路（APF）濾波的要求：不改變(或同等改變)有用頻帶的幅度特性和相位特性。雷達接收機的組成

通常采用工作衰減LA來描述濾波器的幅值特性。根據(jù)衰減特性不同，低通、高通、帶通和帶阻濾波器的特性如下圖。雷達接收機的組成四種功能濾波器的幅頻特性Aup0通帶阻帶實際理想(a)fHf|Au|低通理想實際阻帶通帶0fLf(b)|Au|Aup高通理想實際0f(c)|Au|AupfHfLf0帶通理想實際0f(d)|Au|AupfHfLf0帶阻通帶的電壓增益截止頻率雷達接收機的組成發(fā)射機—上混頻器——將已調(diào)制中頻信號搬移到射頻接收機—下混頻器——將接收到的射頻信號搬移到中頻本振信號：

射頻信號：

相乘得：

基本方法：乘法器＋濾波器非線性器件＋濾波器中頻濾波器（三）混頻器雷達接收機的組成調(diào)幅接收機—混頻器的結(jié)構(gòu)框圖

混頻器結(jié)構(gòu)：三個端口——輸入信號、本振信號、中頻信號非線性器件帶通濾波器本地振蕩器雷達接收機的組成時域特性——輸出、輸入波形相同、載頻不同

混頻本質(zhì)線性頻譜搬移頻域特性——輸出、輸入頻譜結(jié)構(gòu)、帶寬相同，載頻不同混頻電路的實現(xiàn)1.

乘法器2.

非線性器件雙極晶體管場效應(yīng)管二極管為減少組合頻率分量工作于線性時變狀態(tài)雷達接收機的組成1.增益變頻增益=輸出中頻輸入射頻混頻器的主要指標(biāo)雷達接收機的組成射頻口阻抗中頻口阻抗按增益劃分混頻器有源混頻器——增益大于1無源混頻器——增益小于1電壓增益功率增益兩者關(guān)系？雷達接收機的組成2.噪聲討論混頻器噪聲的意義接收機前端，對系統(tǒng)噪聲影響大對射頻而言是線性，可用線性網(wǎng)絡(luò)噪聲計算公式混頻器的噪聲來源電路器件噪聲兩個輸入噪聲射頻輸入本振輸入混頻器的輸出噪聲——位于中頻段頻譜搬移低噪放F1、G1帶通濾波器F2、G2混頻器F3、G3雷達接收機的組成混頻器的單邊噪聲和雙邊噪聲——討論射頻噪聲的搬移單邊噪聲①射頻信號位于本振的一邊

②被搬移到中頻的噪聲射頻信號段鏡像頻段雙邊噪聲射頻信號位于本振的兩邊不存在鏡像頻率（如零中頻方案）單邊噪聲是雙邊的兩倍（高3dB）雷達接收機的組成有一個射頻輸入信號fR一個干擾信號fIMG=fR＋2fI，與本振fL混頻后可能產(chǎn)生頻率相同的中頻信號：

fL-fR=fI=fIMG-fL

產(chǎn)生兩個中頻信號，由干擾信號所產(chǎn)生的中頻信號稱為鏡頻，用fIMG表示。

鏡像頻率（Images）

雷達接收機的組成輸入到混頻器的射頻信號與鏡頻干擾信號頻譜本振信號頻譜混頻結(jié)果

鏡像頻率的產(chǎn)生雷達接收機的組成鏡頻與接收有用信號關(guān)于本振對稱！雷達接收機的組成非線性器件本振

中頻濾波器3.失真混頻——頻譜線性搬移——非線性器件——平方項非線性器件——高次方項——產(chǎn)生組合頻率——干擾、失真（1）干擾哨聲特征：接收機音頻出現(xiàn)哨叫混頻輸入：僅有有用射頻付波道中頻

主中頻付波道中頻進入檢波（解調(diào)）——形成哨叫主中頻：（二次方項）組合頻率（次方項）雷達接收機的組成（2）寄生通道干擾非線性器件本振

中頻濾波器主中頻：干擾信號與本振的組合頻率寄生通道干擾最主要的寄生通道干擾②鏡像頻率干擾特征：輸入伴有干擾信號變換能力與主中頻一樣①中頻干擾直通不需要混頻變換能力最強雷達接收機的組成變換能力：由非線性器件的4次方引起③靠得最近的干擾（半中頻干擾）0三種比較主要的寄生通道干擾——見圖雷達接收機的組成（3）互調(diào)失真非線性器件本振中頻濾波器特征：輸入端伴有多個干擾信號但是當(dāng)組合頻率每個干擾和本振混頻由非線性器件的次方項產(chǎn)生互調(diào)干擾稱三階互調(diào)——滿足或雷達接收機的組成4.線性范圍問題:混頻是一種非線性功能，為什么有“線性”指標(biāo)？混頻射頻本振中頻混頻器的非線性——輸出、輸入頻率不同混頻器的線性——輸出中頻幅度

輸入射頻幅度

成正比線性指標(biāo)變頻增益下降1-dB時相應(yīng)的輸入（或輸出）功率值

（1）1-dB壓縮點雷達接收機的組成（2）三階互調(diào)截點混頻射頻本振中頻輸入信號有用信號干擾信號（設(shè)輸入信號幅度相同）互調(diào)信號產(chǎn)生的中頻

主中頻幅度相等，三階截點截點對應(yīng)的輸入、輸出雷達接收機的組成（3）線性動態(tài)范圍定義：1-dB壓縮點與混頻器的噪聲基底之比，用dB表示?；祛l器位于低噪放后，因此對它線性范圍要求比低噪放高雷達接收機的組成5.口間隔離射頻口本振口中頻口本振泄漏影響LNA天線輻射頻率牽引強信號堵塞射頻口中頻口一般情況射頻>>中頻，被濾除零中頻方案時：低噪放的偶次諧波失真會竄入中頻雷達接收機的組成信號強頻率相近射頻輸入為：設(shè)LNA特性為：偶次方項產(chǎn)生的差拍

差拍信號從射頻口中頻口——干擾零中頻方案中，射頻口

中頻口的影響直通泄漏雷達接收機的組成6.阻抗匹配對混頻器三個口的阻抗要求混頻器低噪放中頻濾波器本振源①匹配——最佳傳輸②每個口對另外兩個口的信號

力求短路——減少口間干擾雷達接收機的組成和頻為上變頻（Up-conversion）；差頻為下變頻（Down-conversion）混頻器是一種頻率變換器件，理想混頻器是把兩輸入信號在時域中相乘：和頻，上變頻差頻，下變頻（以調(diào)幅為例）超外差式接收機混頻器的工作原理雷達接收機的組成上混頻下混頻混頻原理(時域)中頻頻率可以有兩種關(guān)系式表達：雷達接收機的組成

射頻信號本振信號混頻輸出混頻原理(頻域)從頻域角度來看，混頻是一種頻譜的線性搬移，輸出IF與輸入RF的頻譜結(jié)構(gòu)相同。雷達接收機的組成舉例：

經(jīng)過混頻器變頻后，輸出頻率為

混頻的結(jié)果：較高的不同的載波頻率變?yōu)楣潭ǖ妮^低的載波頻率，而振幅包絡(luò)形狀不變。雷達接收機的組成圖線性頻率變換變頻前后的頻譜圖混頻的實質(zhì)頻譜搬移雷達接收機的組成圖2超外差式雷達接收機的一般方框圖雷達接收機的組成本機振蕩器：對于非相參雷達接收機,通常需要采用自動頻率微調(diào)(AFC)電路,把本機振蕩器調(diào)諧到比發(fā)射頻率高或低一個中頻的頻率。而在相干接收機中,穩(wěn)定本機振蕩器(STALO)的輸出是由用來產(chǎn)生發(fā)射信號的相干源(頻率合成器)提供的?；祛l器：輸入的高頻信號與穩(wěn)定本機振蕩信號或本機振蕩器輸出相混頻,將信號頻率降為中頻。雷達接收機的組成靈敏度時間增益控制(STC)：使接收機的增益在發(fā)射機發(fā)射之后,按R-4規(guī)律隨時間而增加,以避免近距離的強回波使接收機過載飽和。靈敏度時間控制又稱為近程增益控制,可以加到高頻放大器和前置中頻放大器中。信號經(jīng)過多級中頻放大和匹配濾波后,可以對其采用幾種處理方法：自動增益控制(AGC)：是一種反饋技術(shù),用來自動調(diào)整接收機的增益,以便在雷達系統(tǒng)跟蹤環(huán)路中保持適當(dāng)?shù)脑鲆娣秶?。雷達接收機的組成對于非相干檢測,通常采用線性放大器和包絡(luò)檢波器來為檢測電路和顯示設(shè)備提供信息。當(dāng)要求寬的瞬時動態(tài)范圍時,可以采用對數(shù)放大器—檢波器,對數(shù)放大器能提供大于80dB的有效動態(tài)范圍。對于相干處理,中頻放大和中頻濾波之后有二種處理方法：第一種方法是經(jīng)過線性放大器后進行同步檢波,同步檢波器輸出的同相(I)和正交(Q)的基帶多卜勒信號提供了回波的振幅信息和相位信息。第二種方法是經(jīng)過硬限幅放大(幅度恒定)后進行相位檢波,此時正交相位檢波器只能保留回波信號的相位信息。雷達接收機的組成

靈敏度表示接收機接收微弱信號的能力。能接收的信號越微弱,則接收機的靈敏度越高,因而雷達的作用距離就越遠。

雷達接收機的靈敏度通常用最小可檢測信號功率Simin來表示。當(dāng)接收機的輸入信號功率達到Simin時,接收機就能正常接收而在輸出端檢測出這一信號。如果信號功率低于此值,信號將被淹沒在噪聲干擾之中,不能被可靠地檢測出來，如下圖所示。雷達接收機的主要質(zhì)量指標(biāo)1.靈敏度顯示器上所見到的信號與噪聲由于雷達接收機的靈敏度受噪聲電平的限制，因此要想提高它的靈敏度，就必須盡力減小噪聲電平，同時還應(yīng)使接收機有足夠的增益。雷達接收機的主要質(zhì)量指標(biāo)目前,超外差式雷達接收機的靈敏度一般約為(10-12~10-14)W,保證這個靈敏度所需增益約為106~108(120dB~160dB),這一增益主要由中頻放大器來完成。雷達接收機的主要質(zhì)量指標(biāo)2.噪聲系數(shù)雷達接收機的主要質(zhì)量指標(biāo)噪聲系數(shù)：接收機靈敏度與噪聲系數(shù)的關(guān)系：

接收機的工作頻帶寬度表示接收機的瞬時工作頻率范圍。在復(fù)雜的電子對抗和干擾環(huán)境中,要求雷達發(fā)射機和接收機具有較寬的工作帶寬,例如頻率捷變雷達要求接收機的工作頻帶寬度為(10~20)%。接收機的工作頻帶寬度主要決定于高頻部件(饋線系統(tǒng)、高頻放大器和本機振蕩器)的性能。雷達接收機的主要質(zhì)量指標(biāo)

3.接收機的工作頻帶寬度需要指出：接收機的工作頻帶較寬時,必須選擇較高的中頻,以減少混頻器輸出的寄生響應(yīng)對接收機性能的影響。雷達接收機的主要質(zhì)量指標(biāo)

4.接收機的濾波特性接收機的濾波特性主要取決于中頻頻率的選擇和中頻部分的頻率特性。減少接收機噪聲的關(guān)鍵是中頻的濾波特性。如果中頻濾波特性的帶寬大于回波信號帶寬，則過多的噪聲進入接收機。反之，如果所選擇的帶寬比信號帶寬窄，則信號能量將會損失。這都會使接收機的信噪比減小。在白噪聲背景下，接收機的頻率特性為“匹配濾波器”時，輸出的信號噪聲比最大。

動態(tài)范圍表示接收機能夠正常工作所容許的輸入信號強度變化的范圍。最小輸入信號強度通常取為最小可檢測信號功率Simin,允許最大的輸入信號強度則根據(jù)正常工作的要求而定。當(dāng)輸入信號太強時,接收機將發(fā)生飽和而失去放大作用,這種現(xiàn)象稱為過載。使接收機開始出現(xiàn)過載時的輸入功率與最小可檢測功率之比,叫做動態(tài)范圍。

5.接收機的動態(tài)范圍雷達接收機的主要質(zhì)量指標(biāo)為了保證對強弱信號均能正常接收,要求動態(tài)范圍大,就需要采取一定措施,例如采用對數(shù)放大器、各種增益控制電路等抗干擾措施。雷達接收機的主要質(zhì)量指標(biāo)

6.接收機的增益雷達接收機的主要質(zhì)量指標(biāo)接收機的增益表示對回波信號的放大能力，通常表示為輸出信號功率與輸入信號功率之比，稱之為“功率增益”。有時也用輸出信號與輸入信號的電壓比表示，稱為“電壓增益”。為了防止接收機飽和、擴展動態(tài)范圍和保持接收機增益的穩(wěn)定性，應(yīng)增加靈敏時間控制（STC）和自動增益控制（AGC）。中頻的選擇與發(fā)射波形的特性、接收機的工作帶寬以及所能提供的高頻部件和中頻部件的性能有關(guān)。在現(xiàn)代雷達接收機中,中頻的選擇可以從30MHz到4GHz之間。當(dāng)需要在中頻增加某些信號處理部件,如脈沖壓縮濾波器,對數(shù)放大器和限幅器等時,從技術(shù)實現(xiàn)來說,中頻選擇在30MHz至500MHz更為合適。對于寬頻帶工作的接收機,應(yīng)選擇較高的中頻,以便使虛假的寄生響應(yīng)減至最小。

7.接收機中頻的選擇雷達接收機的主要質(zhì)量指標(biāo)工作穩(wěn)定性是指當(dāng)環(huán)境條件(例如溫度、濕度、機械振動等)和電源電壓發(fā)生變化時,接收機的性能參數(shù)(振幅特性、頻率特性和相位特性等)受到影響的程度,希望影響越小越好。大多數(shù)現(xiàn)代雷達系統(tǒng)需要對一串回波進行相參處理,對本機振蕩器的短期頻率穩(wěn)定度有極高的要求(高達10-10或者更高),因此，必須采用頻率穩(wěn)定度和相位穩(wěn)定度極高的本機振蕩器,即簡稱的“穩(wěn)定本振”。

8.工作穩(wěn)定性和頻率穩(wěn)定度雷達接收機的主要質(zhì)量指標(biāo)雷達接收機的主要質(zhì)量指標(biāo)

9.正交鑒相器的正交度正交鑒相器分為模擬正交鑒相器（又稱為“零中頻”鑒相器）和數(shù)字正交鑒相器，它是同時提取回波信號的幅度信息和相位信息的有效方法。正交鑒相器的正交度表示鑒相器保持信號幅度和相位信息的準(zhǔn)確度。由于鑒相器的不正交產(chǎn)生的幅度誤差和相位誤差將導(dǎo)致信號失真，在頻域中，幅度和相位誤差將產(chǎn)生鏡像頻率，影響雷達系統(tǒng)的動目標(biāo)改善因子；在時域中，幅度和相位失真將會使脈沖壓縮信號的主副瓣比變壞。接收機的中頻實信號表示為：雷達接收機的主要質(zhì)量指標(biāo)模擬正交鑒相器又稱為“零中頻鑒相”，這是指相干振蕩器的頻率與中頻信號的中心頻率相等（未考慮多普勒頻移），使其差頻為零。模擬正交鑒相器將回波信號分解為同相分量和正交分量：回波信號此時稱為“零中頻信號”，它的復(fù)信號表示為：雷達接收機的主要質(zhì)量指標(biāo)數(shù)字正交鑒相器的工作原理是直接用A/D變換器對中頻信號進行采樣，然后進行I/Q分離。在現(xiàn)代電子戰(zhàn)和復(fù)雜的電磁干擾環(huán)境中,抗有源干擾和無源干擾是雷達系統(tǒng)的重要任務(wù)之一。有源干擾為敵方施放的各種雜波干擾和鄰近雷達的異步脈沖干擾；無源干擾主要是指從海浪、雨雪、地物等反射的雜波干擾和敵機施放的箔片干擾。這些干擾嚴(yán)重影響對目標(biāo)的正常檢測,甚至使整個雷達系統(tǒng)無法工作。

10.抗干擾能力雷達接收機的主要質(zhì)量指標(biāo)

現(xiàn)代雷達接收機必須具有各種抗干擾電路。當(dāng)雷達系統(tǒng)用頻率捷變方法抗干擾時,接收機的本振應(yīng)與發(fā)射機頻率同步跳變。同時接收機應(yīng)有足夠大的動態(tài)范圍,以保證后面的信號處理器有高的處理精度。雷達接收機的主要質(zhì)量指標(biāo)

在現(xiàn)代有源相控陣?yán)走_和數(shù)字波束形成(DBF)系統(tǒng)中,通常需要幾十路甚至幾千路接收機通道。如果采用常規(guī)的接收機工藝結(jié)構(gòu),無論在體積、重量、耗電、成本和技術(shù)實現(xiàn)上都有很大困難。采用微電子化和模塊化的接收機結(jié)構(gòu)可以解決上述困難,優(yōu)選方案是采用單片集成電路,包括微波單片集成電路(MMIC)、中頻單片集成電路(IMIC)和專用集成電路(ASIC)。

其主要優(yōu)點是體積小、重量輕,另外，采用批量生產(chǎn)工藝可使芯片電路電性能一致性好，成本也比較低。

11.微電子化和模塊化結(jié)構(gòu)雷達接收機的主要質(zhì)量指標(biāo)用上述幾種單片集成電路實現(xiàn)的模塊化接收機,特別適用于要求數(shù)量很大、幅相一致性嚴(yán)格的多路接收系統(tǒng),例如有源相控陣接收系統(tǒng)和數(shù)字多波束形成系統(tǒng)。一種由砷化鎵(GaAs)單片制成的C波段微波單片集成電路,包括完整的接收機高頻電路,即五級高頻放大器、可變衰減器、移相器、環(huán)行器和限幅開關(guān)電路等,噪聲系數(shù)為2.5dB,可變增益為30dB。雷達接收機的主要質(zhì)量指標(biāo)接收機的噪聲系數(shù)和靈敏度一、雷達接收機的噪聲系數(shù)二、雷達接收機的靈敏度

雷達接收機是在噪聲背景中檢測信號的。這是由于接收機在接收所需信號的同時，不可避免地會同時接收某些干擾和噪聲。雷達接收機中的噪聲或干擾可分為兩種：內(nèi)部噪聲和外部噪聲。雷達接收機的噪聲系數(shù)(一)接收機的噪聲

外部噪聲是由雷達天線進入接收機的天線的熱噪聲和各種干擾，包括天電干擾、宇宙干擾、工業(yè)干擾及人為干擾。

1.電阻熱噪聲：它是由于導(dǎo)體中自由電子的無規(guī)則熱運動形成的噪聲。因為導(dǎo)體具有一定的溫度,導(dǎo)體中每個自由電子的熱運動方向和速度不規(guī)則地變化,因而在導(dǎo)體中形成了起伏噪聲電流,在導(dǎo)體兩端呈現(xiàn)起伏電壓。根據(jù)奈奎斯特定律,電阻產(chǎn)生的起伏噪聲電壓均方值：雷達接收機的噪聲系數(shù)內(nèi)部噪聲主要是由接收機中的饋線、放電保護電路、高頻放大器和混頻器等元器件產(chǎn)生的。干擾在時間上是連續(xù)的，而振幅和相位是隨機的。(3.4.1)

式(3.4.1)表明電阻熱噪聲的大小與電阻的阻值R、溫度T和測試設(shè)備的通帶Bn成正比。

電阻熱噪聲的功率譜密度p(f)是表示噪聲頻譜分布的重要統(tǒng)計特性,其表示式可直接由式(3.4.1)求得p(f)=4kTR

(3.4.2)顯然,電阻熱噪聲的功率譜密度是與頻率無關(guān)的常數(shù)。通常把功率譜密度為常數(shù)的噪聲稱為“白噪聲”,電阻熱噪聲在無線電頻率范圍內(nèi)就是白噪聲的一個典型例子。雷達接收機的噪聲系數(shù)2.額定噪聲功率根據(jù)電路基礎(chǔ)理論,信號電動勢為Es而內(nèi)阻抗為Z=R+jX的信號源,當(dāng)其負(fù)載阻抗與信號源內(nèi)阻匹配,即其值為Z*=R-jX時(見圖3.18),信號源輸出的信號功率最大,此時,輸出的最大信號功率稱為“額定”信號功率(有時也稱為“資用”功率、或“有效”功率),用Sa表示,其值是(3.4.3)圖3.18“額定”信號功率的示意圖雷達接收機的噪聲系數(shù)

同理,把一個內(nèi)阻抗為Z=R+jX的無源二端網(wǎng)絡(luò)看成一個噪聲源,由電阻R產(chǎn)生的起伏噪聲電壓均方值,見圖3.19。假設(shè)接收機高頻前端的輸入阻抗Z*為這個無源二端網(wǎng)絡(luò)的負(fù)載,顯然,當(dāng)負(fù)載阻抗Z*與噪聲源內(nèi)阻抗Z匹配,即Z*=R-jX時,噪聲源輸出最大噪聲功率,稱為“額定”噪聲功率,用No表示,其值為：(3.4.4)圖3.19“額定”噪聲功率的示意圖雷達接收機的噪聲系數(shù)因此可以得出重要結(jié)論:任何無源二端網(wǎng)絡(luò)輸出的額定噪聲功率只與其溫度T和通帶Bn有關(guān)。雷達接收機的噪聲系數(shù)3.天線噪聲

天線噪聲是外部噪聲,它包括天線的熱噪聲和宇宙噪聲,前者是由天線周圍介質(zhì)微粒的熱運動產(chǎn)生的噪聲,后者是由太陽及銀河星系產(chǎn)生的噪聲,這種起伏噪聲被天線吸收后進入接收機,就呈現(xiàn)為天線的熱起伏噪聲。天線噪聲的大小用天線噪聲溫度TA表示,其電壓均方值為：式中,RA為天線等效電阻。雷達接收機的噪聲系數(shù)天線噪聲溫度TA決定于接收天線方向圖中(包括旁瓣和尾瓣)各輻射源的噪聲溫度,它與波瓣仰角θ和工作頻率f等因素有關(guān),如圖3.20所示。圖3.20天線噪聲溫度與頻率‘波瓣仰角的關(guān)系圖中天線噪聲溫度T′A是假設(shè)天線為理想的(無損耗、無旁瓣指向地面),但是大多數(shù)情況下必須考慮地面噪聲溫度Tg。雷達接收機的噪聲系數(shù)在旁瓣指向地面的典型情況下,Tg=36K,因此修正后的天線總噪聲溫度為：由圖3.20可以看出,天線噪聲與頻率f有關(guān),它并非真正白噪聲,但在接收機通帶內(nèi)可近似為白噪聲。毫米波段的天線噪聲溫度比微波段要高些,22.2GHz和60GHz的噪聲溫度最大,這是由于水蒸氣和氧氣吸收諧振引起的。雷達接收機的噪聲系數(shù)4.噪聲帶寬功率譜均勻的白噪聲,通過具有頻率選擇性的接收線性系統(tǒng)后,輸出的功率譜pno(f)就不再是均勻的了,如圖3.7的實曲線所示。圖3.21噪聲帶寬的示意圖

雷達接收機的噪聲系數(shù)為了分析和計算方便,通常把這個不均勻的噪聲功率譜等效為在一定頻帶Bn內(nèi)是均勻的功率譜。這個頻帶Bn稱為“等效噪聲功率譜寬度”,一般簡稱“噪聲帶寬

”。因此,噪聲帶寬可由下式求得:(3.4.7)即：式中,H2(f0)為線性電路在諧振頻率f0處的功率傳輸系數(shù)。雷達接收機的噪聲系數(shù)(3.4.8)表3.1噪聲帶寬與信號帶寬的比較

式（

3.4.8）表明，噪聲帶寬Bn與信號帶寬（即半功率帶寬）B一樣，只由電路本身的參數(shù)決定。當(dāng)電路型式和級數(shù)確定后，Bn與B之間有一定的關(guān)系，見表3.1諧振電路級數(shù)越多時，

Bn就越接近于B雷達接收機的噪聲系數(shù)（二）噪聲系數(shù)和噪聲溫度

1.噪聲系數(shù)

噪聲系數(shù)：是接收機輸入端信號噪聲比與輸出端信號噪聲比的比值。噪聲系數(shù)的說明見圖3.22。通常用噪聲系數(shù)和噪聲溫度來衡量接收機的噪聲性能。圖3.22噪聲系數(shù)的說明圖雷達接收機的噪聲系數(shù)式中,Si為輸入額定信號功率;Ni為輸入額定噪聲功率(Ni=kT0Bn);So為輸出額定信號功率;No為輸出額定噪聲功率。根據(jù)定義,噪聲系數(shù)可用下式表示:(3.4.9)雷達接收機的噪聲系數(shù)

噪聲系數(shù)F有明確的物理意義:它表示由于接收機內(nèi)部噪聲的影響,使接收機輸出端的信噪比相對其輸入端的信噪比變差的倍數(shù)。式(3.2.9)可以改寫為(3.4.10)式中，Ga為接收機的額定功率增益;NiGa是輸入端噪聲通過“理想接收機”后,在輸出端呈現(xiàn)的額定噪聲功率。因此，噪聲系數(shù)的另一定義為:實際接收機輸出的額定噪聲功率No與“理想接收機”輸出的額定噪聲功率NiGa之比。雷達接收機的噪聲系數(shù)

實際接收機的輸出額定噪聲功率No由兩部分組成：

一部分是NiGa(NiGa=kT0BnGa),另一部分是接收機內(nèi)部噪聲在輸出端所呈現(xiàn)的額定噪聲功率ΔN,即：No=NiGa+ΔN=kT0BnGa+ΔN將No代入式(3.2.10)可得(3.4.11)(3.4.12)雷達接收機的噪聲系數(shù)從式(3.4.12)可更明顯地看出：噪聲系數(shù)與接收機內(nèi)部噪聲的關(guān)系,實際接收機總會有內(nèi)部噪聲(ΔN＞0),因此F＞1,只有當(dāng)接收機是“理想接收機”時,才會有F=1。雷達接收機的噪聲系數(shù)

對噪聲系數(shù)的幾點說明:①噪聲系數(shù)只適用于接收機的線性電路和準(zhǔn)線性電路,即檢波器以前部分。檢波器是非線性電路,而混頻器可看成是準(zhǔn)線性電路,因其輸入信號和噪聲都比本振電壓小很多,輸入信號與噪聲間的相互作用可以忽略。②為使噪聲系數(shù)具有單值確定性,規(guī)定輸入噪聲以天線等效電阻RA在室溫T0=290K時產(chǎn)生的熱噪聲為標(biāo)準(zhǔn),所以由式(3.4.12)可以看出,噪聲系數(shù)只由接收機本身參數(shù)確定。雷達接收機的噪聲系數(shù)③噪聲系數(shù)F是沒有單位的數(shù)值,通常用分貝表示

F=10lgF(dB)(3.4.13)④噪聲系數(shù)的概念與定義,可推廣到任何無源或有源的四端網(wǎng)絡(luò)。接收機的饋線、放電器、移相器等屬于無源四端網(wǎng)絡(luò),其示意圖見圖3.23,圖中Ga為額定功率傳輸系數(shù)。圖3.23無源四端網(wǎng)絡(luò)雷達接收機的噪聲系數(shù)

由于具有損耗電阻,因此也會產(chǎn)生噪聲,下面求其噪聲系數(shù)：

從網(wǎng)絡(luò)的輸入端向左看,是一個電阻為RA的無源二端網(wǎng)絡(luò),它輸出的額定噪聲功率為：(3.4.14)經(jīng)過網(wǎng)絡(luò)傳輸,加于負(fù)載RL上的外部噪聲額定功率為:(3.4.15)雷達接收機的噪聲系數(shù)從負(fù)載電阻RL向左看,也是一個無源二端網(wǎng)絡(luò),它是由信號源電阻RA和無源四端網(wǎng)絡(luò)組合而成的,同理,這個二端網(wǎng)絡(luò)輸出的額定噪聲功率仍為kT0Bn,它也就是無源四端網(wǎng)絡(luò)輸出的總額定噪聲功率,即(3.4.16)根據(jù)式(3.4.10)可得(3.4.17)由于無源四端網(wǎng)絡(luò)額定功率傳輸系數(shù)Ga≤1,因此其噪聲系數(shù)F≥1。雷達接收機的噪聲系數(shù)2.等效噪聲溫度接收機外部噪聲可用天線噪聲溫度TA來表示,如果用額定功率來計量,接收機外部噪聲的額定功率為：NA=kTABn

(3.4.18)

為了更直觀地比較內(nèi)部噪聲與外部噪聲的大小,

可以把接收機內(nèi)部噪聲在輸出端呈現(xiàn)的額定噪聲功率ΔN等效到輸入端來計算,

這時內(nèi)部噪聲可以看成是天線電阻RA在溫度Te時產(chǎn)生的熱噪聲,即：ΔN=kTeBnGa

(3.4.19)溫度Te稱為“等效噪聲溫度”或簡稱“噪聲溫度”。

雷達接收機的噪聲系數(shù)圖3.24接收機內(nèi)部噪聲的換算

此時接收機就變成沒有內(nèi)部噪聲的“理想接收機”,其等效電路見圖3.24。雷達接收機的噪聲系數(shù)將式(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)此式即為等效噪聲溫度Te的定義表示式,它的物理意義：是把接收機內(nèi)部噪聲看成是“理想接收機”的天線電阻RA在溫度Te時所產(chǎn)生的,此時實際接收機變成如圖3.24所示的“理想接收機”。雷達接收機的噪聲系數(shù)圖中TA為天線噪聲溫度。系統(tǒng)噪聲溫度Ts由內(nèi)、外兩部分噪聲溫度所組成,即(3.4.22)表3.2給出Te與F的對應(yīng)值。從表中可以看出,若用噪聲系數(shù)F來表示兩部低噪聲接收機的噪聲性能時,例如它們分別為1.05和1.1,有可能誤認(rèn)為兩者噪聲性能差不多。但若用噪聲溫度Te來表示其噪聲性能時,將會發(fā)現(xiàn)兩者的噪聲性能實際上已相差一倍(分別為14.5K和29.K)。雷達接收機的噪聲系數(shù)表3.2Te與F的對照表

只要直接比較Te和TA,就能直觀地比較接收機內(nèi)部噪聲與外部噪聲的相對大小。因此,對于低噪聲接收機和低噪聲器件,常用噪聲溫度來表示其噪聲性能。雷達接收機的噪聲系數(shù)3.相對噪聲溫度——噪聲比雷達接收機中的晶體混頻器是一個有源四端網(wǎng)絡(luò),它除了可用噪聲系數(shù)Fc表示其噪聲性能外,還經(jīng)常用相對噪聲溫度來表示。相對噪聲溫度有時簡稱為噪聲比tc,其意義為實際輸出的中頻額定噪聲功率(FckT0BnGc)與僅由等效損耗電阻產(chǎn)生的輸出額定噪聲功率(kT0Bn)之比,即：(3.4.23)式中，Gc為混頻器的額定功率增益或額定功率傳輸系數(shù)。雷達接收機的噪聲系數(shù)噪聲比tc表示有源四端網(wǎng)絡(luò)中除損耗電阻以外的其它噪聲源的影響程度。雷達接收機的噪聲系數(shù)為了簡便,先考慮兩個單元電路級聯(lián)的情況,如圖3.25所示。圖中F1、F2和G1、G2分別表示第一、二級電路的噪聲系數(shù)和額定功率增益。雷達接收機的噪聲系數(shù)（三）級聯(lián)電路的噪聲系數(shù)

圖3.25兩級電路的級聯(lián)

為了計算總噪聲系數(shù)F0,先求實際輸出的額定噪聲功率No。由式(3.4.10)可得：No=kT0BnG1G2F0

而(3.4.24a)(3.4.24b)No由兩部分組成:

一部分是由第一級的噪聲在第二級輸出端呈現(xiàn)的額定噪聲功率No12,其數(shù)值為kT0BnF1G1G2,第二部分是由第二級所產(chǎn)生的噪聲功率ΔN2,由式(3.4.12)可得ΔN2=(F2-1)kT0BnG2(3.4.25)雷達接收機的噪聲系數(shù)于是式(3.4.24)可進一步寫成No=kT0BnG1G2F0=kT0BnG1G2F1+(F2-1)kT0BnG2

化簡后可得兩級級聯(lián)電路的總噪聲系數(shù)(3.4.26)同理可證,n級電路級聯(lián)時接收機總噪聲系數(shù)為：(3.4.27)噪聲系數(shù)只適用于檢波器以前的線性電路雷達接收機的噪聲系數(shù)式(3.4.27)給出了重要結(jié)論:為了使接收機的總噪聲系數(shù)小,要求各級的噪聲系數(shù)小、額定功率增益高。而各級內(nèi)部噪聲的影響并不相同,級數(shù)越靠前,對總噪聲系數(shù)的影響越大。所以總噪聲系數(shù)主要取決于最前面幾級,這就是接收機要采用高增益低噪聲高放的主要原因。雷達接收機的噪聲系數(shù)圖3.26典型雷達接收機的高、中頻部分將圖3.26中所列各級的額定功率增益和噪聲系數(shù)代入式(3.4.27),即可求得接收機的總噪聲系數(shù):(3.4.28)雷達接收機的噪聲系數(shù)一般都采用高增益(GR≥20dB)低噪聲高頻放大器,因此式(3.2.28)可簡化為：(3.4.29)若不采用高放,直接用混頻器作為接收機第一級,則可得：(3.2.30)式中tc為混頻器的噪聲比,本振噪聲的影響一般也計入在內(nèi)。雷達接收機的噪聲系數(shù)若接收機的噪聲性能用等效噪聲溫度Te表示,則它與各級噪聲溫度之間的關(guān)系為(3.4.31)雷達接收機的噪聲系數(shù)

接收機的靈敏度表示接收機接收微弱信號的能力。噪聲總是伴隨著微弱信號同時出現(xiàn),要能檢測信號,微弱信號的功率應(yīng)大于噪聲功率或者可以和噪聲功率相比。因此,靈敏度用接收機輸入端的最小可檢測信號功率Simin來表示。在噪聲背景下檢測目標(biāo),

接收機輸出端不僅要使信號放大到足夠的數(shù)值,更重要的是使其輸出信號噪聲比So/No達到所需的數(shù)值。通常雷達終端檢測信號的質(zhì)量取決于信噪比。雷達接收機的靈敏度接收機噪聲系數(shù)F0為：(3.4.32)或者寫成：(3.4.33)此時,輸入信號額定功率為：(3.4.34)式中,Ni=kT0Bn為接收機輸入端的額定噪聲功率。于是進一步得到：(3.4.35)雷達接收機的靈敏度為了保證雷達檢測系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)目標(biāo)的質(zhì)量(如在虛警概率為10-6的條件下發(fā)現(xiàn)概率是50%或90%等),接收機的中頻輸出必須提供足夠的信號噪聲比,令So/No≥(So/No)min時對應(yīng)的接收機輸入信號功率為最小可檢測信號功率,即接收機實際靈敏度為：(3.4.36)通常,我們把(So/No)min稱為“識別系數(shù)”,并用M表示,所以靈敏度又可以寫成：(3.4.37)雷達接收機的靈敏度為了提高接收機的靈敏度,即減少最小可檢測信號功率Simin,應(yīng)做到:①盡量降低接收機的總噪聲系數(shù)F0,所以通常采用高增益、低噪聲高放;②接收機中頻放大器采用匹配濾波器,以便得到白噪聲背景下輸出最大信號噪聲比;③式中的識別系數(shù)M與所要求的檢測質(zhì)量、天線波瓣寬度、掃描速度、雷達脈沖重復(fù)頻率及檢測方法等因素均有關(guān)系。在保證整機性能的前提下,盡量減小M的數(shù)值。雷達接收機的靈敏度匹配濾波器：指濾波器的性能與信號的特性取得某種一致，使濾波器輸出端的信號瞬時功率與噪聲平均功率的比值最大的線性濾波器。雷達接收機的靈敏度

因此匹配濾波器對信號做兩種處理：

1、濾波器的相頻特性與信號相頻特性共軛，使得輸出信號所有頻率分量都在輸出端同相疊加而形成峰值。2、按照信號的幅頻特性對輸入波形進行加權(quán)，以便最有效地接收信號能量而抑制干擾的輸出功率。即當(dāng)信號與噪聲同時進入濾波器時，它使信號成分在某一瞬間出現(xiàn)尖峰值，而噪聲成分受到抑制。雷達接收機的靈敏度匹配濾波器的作用是：

1、提高信噪比。任何電子系統(tǒng)都有匹配濾波或近似匹配濾波的環(huán)節(jié)，目的是提高信噪比。2、對于大時間帶寬積信號，匹配濾波等效于脈沖壓縮。因此可以提高雷達或聲納的距離分辨率和距離測量精度。在擴頻通信中，可以實現(xiàn)解擴。

雷達接收機的靈敏度以額定功率表示,并常以相對1mW的分貝數(shù)計值,即：(3.4.39)雷達接收機的靈敏度為了比較不同接收機線性部分的噪聲系數(shù)F0和帶寬Bn對靈敏度的影響,需要排除接收機以外的諸因素,因此通常令M=1,這時接收機的靈敏度稱為“臨界靈敏度”，其為：(3.4.38)將kT0的數(shù)值代入式(3.4.38),Simin仍取常用單位dBmW,則可得到簡便計算公式為：Simin(dBmW)=-114dB+10lgBn(MHz)+10lgF0

(3.2.41)雷達接收機的靈敏度一般超外差接收機的靈敏度為-90~-110dBmW。對米波雷達,可用最小可檢測電壓ESimin表示靈敏度(3.4.40)圖3.27不同噪聲帶寬(Bn=BRI)時接收機靈敏度與噪聲系數(shù)的關(guān)系曲線雷達接收機的靈敏度作業(yè)作業(yè)雷達接收機的高頻部分

一、收發(fā)轉(zhuǎn)換開關(guān)和接收機保護器二、低噪聲高頻放大器的種類和特點三、混頻器的變頻特性四、本機振蕩器和自動頻率控制雷達接收機的高頻部分

圖3.28雷達接收機的高頻部分

由雷達作用距離方程(見第五章5.2節(jié))可知,當(dāng)雷達其它參數(shù)不變時,為了增加雷達的作用距離,提高接收機的靈敏度(降低噪聲系數(shù))與增大發(fā)射機功率是等效的。對比兩者的耗電、體積、重量和成本,顯然前者有利。因此,人們重視對低噪聲高頻放大器的研究,20世紀(jì)末已不斷研制出許多新型的低噪聲高頻放大器件。雷達接收機的高頻部分

混頻器的作用是將高頻信號與本振電壓進行混頻并取出其差頻,使信號在中頻(一般為30MHz至500MHz)上進行放大。某些超外差式雷達接收機不采用低噪聲高放,而在接收機第一級直接采用混頻器,稱為“直接混頻式前端”。雖然混頻器的噪聲系數(shù)較某些高放的噪聲系數(shù)為高,但它具有動態(tài)范圍大、設(shè)備簡單、結(jié)構(gòu)緊湊和成本低等優(yōu)點。所以,在對體積重量等限制嚴(yán)格的某些雷達(例如機載雷達和制導(dǎo)雷達等)中,直接混頻式前端仍得到廣泛應(yīng)用。雷達接收機的高頻部分

（一）收發(fā)轉(zhuǎn)換開關(guān)和接收機保護器

1.收發(fā)轉(zhuǎn)換開關(guān)由高頻傳輸線和氣體放電管組成的收發(fā)開關(guān)主要有兩種型式:一種是分支線型收發(fā)開關(guān),另一種是平衡式收發(fā)開關(guān)。

分支線式收發(fā)開關(guān)的原理電路如下圖所示：雷達接收機的高頻部分

在發(fā)射時,氣體放電管TR(稱為“接收機保護放電器”)和ATR(稱為“發(fā)射機隔離放電器”)被電離擊穿,對高頻短路。它們到主饋線的距離約為1/4波長,因此在主饋線aa′和bb′處呈現(xiàn)的輸入阻抗為無窮大,發(fā)射的高功率信號能順利送至天線。因為此時TR短路,發(fā)射能量不能進入接收機。接收時,TR和ATR都不電離放電。雷達接收機的高頻部分

此時ATR支路的1/4波長開路線在主饋線aa′呈現(xiàn)短路,aa′與接收支路bb′處相距1/4波長,從bb′端向發(fā)射機看去的阻抗相當(dāng)于開路,所以從天線來的回波信號全部進入接收機。由于分支線型收發(fā)開關(guān)帶寬較窄,承受功率能力較差,通常已被平衡式收發(fā)開關(guān)所代替。雷達接收機的高頻部分

平衡式收發(fā)開關(guān)的原理圖如圖3.16所示：(a)發(fā)射狀態(tài);(b)接收狀態(tài)

雷達接收機的高頻部分

圖中TR1、TR2是一對寬帶的接收機保護放電管。在這一對氣體放電管的兩側(cè),各接有一個3dB裂縫波導(dǎo)橋,整個開關(guān)的四個波導(dǎo)口的連接如圖所示。3dB裂縫橋的特性為:在四個端口中,相鄰兩端(例如端口1和2)是相互隔離的,當(dāng)信號從其一端輸入時,從另外兩端輸出的信號大小相等而相位相差90°。雷達接收機的高頻部分

2.接收機保護器圖環(huán)行器和接收機保護器

雷達接收機的高頻部分

大功率鐵氧體環(huán)行器具有結(jié)構(gòu)緊湊、承受功率大、插入損耗小(典型值為0.5dB)和使用壽命長等優(yōu)點,但它的發(fā)射端1和接收端3之間的隔離約為(20~30)dB。一般來說,接收機與發(fā)射機之間的隔離度要求(60~80)dB。所以在環(huán)行器3端與接收機之間必須加上由TR管和限幅二極管組成的接收機保護器。雷達接收機的高頻部分

TR放電管分為有源和無源兩類。有源的TR氣體放電管工作時必須加一定的輔助電壓,使其中一部分氣體電離。它有兩個缺點:

第一是由于外加輔助電壓產(chǎn)生的附加噪聲使系統(tǒng)噪聲溫度增加50K(約0.7dB);第二是雷達關(guān)機時沒有輔助電壓,TR放電管不起保護作用,此時鄰近雷達的輻射能量將會燒毀接收機?，F(xiàn)在已出現(xiàn)了一種新型的無源TR放電管,它內(nèi)部充有處于激發(fā)狀態(tài)的氚氣,不需要外加輔助電壓,因此在雷達關(guān)機時仍能起保護接收機的作用。雷達接收機的高頻部分

二極管限幅器可用PIN二極管和變?nèi)荻O管構(gòu)成。

PIN二極管限幅器的主要優(yōu)點是：功率容量較大,單個PIN管承受的脈沖功率可達(10~100)kW。缺點：由于PIN管的本征層比較厚,因而響應(yīng)時間較長,前沿尖峰泄漏功率較大。

變?nèi)荻O管多用于低功率限幅器,它的響應(yīng)時間極短,在10ns以下,故而在TR放電管后面作限幅器效果很好。雷達接收機的高頻部分

（二）低噪聲高頻放大器的種類和特點

1.低噪聲非致冷參數(shù)放大器對于致冷參數(shù)放大器,在微波和毫米波頻段范圍內(nèi),當(dāng)致冷溫度為20K時,可以得到的等效噪聲溫度Te為(10~50)K,但設(shè)備相當(dāng)復(fù)雜、成本昂貴,實際使用較少。雷達接收機的高頻部分

近年來在改進非致冷參數(shù)放大器噪聲性能方面采用的關(guān)鍵技術(shù)是采用了以下器件或設(shè)計、工藝:①超高品質(zhì)因素、高截止頻率、極低分布電容的砷化鎵變?nèi)荻O管;②極低損耗的波導(dǎo)型環(huán)行器;③高穩(wěn)定的毫米波固態(tài)泵浦源(fp=(50~100)GHz);④高效率的熱電冷卻器;⑤新的微帶線路結(jié)構(gòu)和微波集成電路的優(yōu)化設(shè)計及先進工藝。因此，非致冷參數(shù)放大器的噪聲溫度已非常接近致冷參數(shù)放大器,而且結(jié)構(gòu)精巧,性能穩(wěn)定,全固態(tài)化。雷達接收機的高頻部分

2.低噪聲晶體管放大器

低噪聲砷化鎵場效應(yīng)管和硅雙極晶體管放大器的研制已取得了新的進展,在電路的設(shè)計和工藝結(jié)構(gòu)上進行了革新，采用了：①計算機輔助設(shè)計;②精巧的微帶線工藝;③多級組件式結(jié)構(gòu)。這樣,使它們的低噪聲性能僅次于參量放大器,并已在實用中逐步取代行波管高放和遂道二極管放大器。雷達接收機的高頻部分

圖3.29幾種典型低噪聲器件的噪聲系數(shù)

雷達接收機的高頻部分

隨著現(xiàn)代混頻二極管噪聲性能的不斷提高,現(xiàn)在很多超外差式雷達接收機直接使用混頻器作高頻前端。目前高性能的鏡像抑制混頻器在1~100GHz頻率范圍內(nèi),可使噪聲系數(shù)降至3~5dB。（三）混頻器的變頻特性雷達接收機的高頻部分

一般來說,混頻器用來把低功率的信號同高功率的本振信號在非線性器件中混頻后,將低功率的信號頻率變換成中頻(本振和信號的差頻)輸出。同時，非線性混頻的過程將產(chǎn)生許多寄生的高次分量。這些寄生響應(yīng)將會影響非相參雷達和相參雷達對目標(biāo)的檢測性能,而對相參雷達的檢測性能影響更為嚴(yán)重。雷達接收機的高頻部分

混頻器的寄生響應(yīng)對雷達性能的影響：（1）將會使脈沖多譜勒雷達的測距和測速精度下降；（2）使動目標(biāo)顯示(MTI)雷達對地物雜波的相消性能變壞；（3）使高分辨脈沖壓縮系統(tǒng)輸出的壓縮脈沖的副瓣電平增大。

混頻器的非線性效應(yīng)是產(chǎn)生各種寄生響應(yīng)的主要原因。加在混頻器上的電壓u(t)為本振電壓u1ejw1t與信號電壓u2ejw2t之和，即(3.5.1)雷達接收機的高頻部分

混頻器輸出的非線性電流i(t),可以用u(t)的冪級數(shù)表示，即i(t)=a0+a1u(t)+a2u2(t)+…+anun(t)(3.5.2)根據(jù)式(3.5.2),可以得到一個非常有用的向下混頻的寄生效應(yīng)圖,見圖3.30。圖3.30中H表示高輸入頻率,L表示低輸入頻率,橫軸為歸一化的輸入頻率L/H,縱軸為歸一化的輸出差頻(H-L)/H。圖3.30中輸出的(H-L)分量是由冪級數(shù)的平方項產(chǎn)生的,其它輸出的寄生響應(yīng)是從立方項和更高階項產(chǎn)生的。雷達接收機的高頻部分

圖3.30混頻器的寄生響應(yīng)圖

雷達接收機的高頻部分

混頻器的寄生效應(yīng)圖使系統(tǒng)設(shè)計者對究竟哪些輸入頻率和帶寬相結(jié)合不會產(chǎn)生強的低階寄生分量的情況能一目了然。圖中的粗線表示歸一化輸出頻率(H-L)/H隨歸一化輸入頻率L/H的變化。圖中輸出的（H-L）分量是由冪級數(shù)的平方項產(chǎn)生的，圖上其他各線表示由冪級數(shù)中3次方和高次方項產(chǎn)生的寄生效應(yīng)。雷達接收機的高頻部分

在圖3.30中給出了七種特別有用的輸出區(qū)間,在這些區(qū)間中沒有寄生響應(yīng)輸出。區(qū)域A表示以L/H=0.63為中心可得到的最寬無寄生帶寬，以此說明該圖的使用。適用的射頻通帶在0.61～0.65之間，則相應(yīng)的中頻通帶為0.35～0.39。然而，0.34(4H-6L)的寄生中頻頻率和0.4(3H-4L)的寄生中頻頻率產(chǎn)生在射頻通帶的兩端。瞬時射頻帶寬的任何延伸都會引起中頻頻率的重疊，且這種情況不能由中頻濾波改正。雷達接收機的高頻部分

應(yīng)該注意：在任一指定區(qū)域中，有效的無寄生帶寬約為中心頻率的10%或(H-L)/10H。要求帶寬寬的接收機應(yīng)當(dāng)采用位于其中一個區(qū)域的中心的高中頻。對低于(H-L)/H=0.14的中頻而言，寄生頻率產(chǎn)生于冪級數(shù)模型中相當(dāng)高的高次方項，因此，它的幅度低到常常被忽略不計?；谝陨显颍瑔巫冾l接收機通常比雙變頻接收機提供更好的寄生響應(yīng)抑制。當(dāng)信號瞬時頻率超過A區(qū)間的范圍時,

由于冪級數(shù)中的立方項和更高階項的影響,將會產(chǎn)生寄生的互調(diào)中頻分量0.34(4H-6L)和0.4(3H-4L)。雷達接收機的高頻部分

早期的微波接收機采用單端混頻器,但由于輸出的寄生響應(yīng)大而且對本振的影響嚴(yán)重,噪聲性能也差,目前已很少使用。平衡混頻器可以抑制偶次諧波產(chǎn)生的寄生響應(yīng),還可以抑制本振噪聲的影響,因此被廣泛使用。由于采用了硅點接觸二極管和砷化鎵肖特基二極管作混頻器,使平衡混頻器的噪聲性能得到較大改善,工作頻率和抗燒毀能力都有明顯提高。雷達接收機的高頻部分

近年來采用鏡像抑制技術(shù)和低變頻損耗的砷化鎵肖特基混頻二極管,使混頻器的噪聲性能進一步得到改善,見圖下圖。鏡像抑制混頻器原理圖

雷達接收機的高頻部分

同相等幅的高頻信號分別加至兩個二極管混頻器(也可以是平衡混頻器),本振電壓經(jīng)90°混合接頭后分別加至兩個混頻器,兩個混頻器輸出的中頻信號加到具有90°相移的中頻混合接頭。在中頻輸出端,使得鏡像干擾相消,中頻信號相加。理論分析和實踐證明,鏡像抑制混頻器的噪聲系數(shù)比一般鏡像匹配混頻器低2dB左右。雷達接收機的高頻部分

鏡像抑制混頻器具有噪聲系數(shù)低、動態(tài)范圍大、抗燒毀能力強和成本低等優(yōu)點。在0.5~20GHz頻率范圍,噪聲系數(shù)為4~6dB。進一步采用計算機輔助設(shè)計、高品質(zhì)因素低分布電容的肖特基二極管和超低噪聲系數(shù)(F1≤1dB)的中頻放大器,在1~100GHz頻率范圍內(nèi),可使噪聲系數(shù)降至3~5dB。雷達接收機的高頻部分

接收機的動態(tài)范圍和增益控制

（1）增量增益定義的動態(tài)范圍

對一般放大器,當(dāng)信號電平較小時,輸出電壓Uom隨輸入電壓Uim線性增大,放大器工作正常。但信號過強時,放大器發(fā)生飽和現(xiàn)象,失去正常的放大能力,結(jié)果輸出電壓Uom不再增大,甚至反而會減小,致使輸出-輸入振幅特性出現(xiàn)彎曲下降,見圖3.35。這種現(xiàn)象稱為放大器發(fā)生“過載”。1.動態(tài)范圍接收動態(tài)范圍的表示方法有多種，在此我們主要講兩種：增量增益定義的動態(tài)范圍和1dB增益壓縮點的動態(tài)范圍。圖3.35信號與寬脈沖干擾共同通過中頻放大器的示意圖

接收機的動態(tài)范圍和增益控制

圖中表示寬脈沖干擾與回波信號共同通過中頻放大器的情況(為了簡便起見,僅畫出它們的調(diào)制包絡(luò)):當(dāng)干擾電壓振幅Unm較小時,輸出電壓中有與輸入信號Uin相對應(yīng)的增量;但當(dāng)Unm較大時,由于放大器飽和,致使輸出電壓中的信號增量消失,即回波信號被丟失。同理,視頻放大器也會發(fā)生上述的飽和過載現(xiàn)象。接收機的動態(tài)范圍和增益控制

因此,對于疊加在干擾上的回波信號來說,其放大量應(yīng)該用“增量增益”表示,它是放大器振幅特性曲線上某點的斜率(3.6.1)由圖3.35所示的振幅特性,可求得Kd-Uim的關(guān)系曲線,如圖3.36所示。接收機的動態(tài)范圍和增益控制

圖3.36信號與寬脈沖干擾共同通過中頻放大器的示意圖接收機的動態(tài)范圍和增益控制

由此可知,只要接收機中某一級的增量增益Kd≤0,接收機就會發(fā)生過載,即丟失目標(biāo)回波信號。接收機抗過載性能的好壞,可用動態(tài)范圍D來表示,它是當(dāng)接收機不發(fā)生過載時允許接收機輸入信號強度的變化范圍,其定義式如下:(3.6.2)(3.6.3)接收機的動態(tài)范圍和增益控制

或式中,Pimin、Uimin為最小可檢測信號功率、電壓;Pimax、Uimax為接收機不發(fā)生過載所允許接收機輸入的最大信號功率、電壓。接收機各部件的動態(tài)范圍典型值見下表：接收機的動態(tài)范圍和增益控制

通過該表可迅速判明哪些部件影響動態(tài)范圍。但需注意:表中各部件的動態(tài)范圍是用各部件輸出端的最大信號與系統(tǒng)噪聲電平進行比較而算出的,該部件的所有濾波應(yīng)在飽和之前完成。表中同時還給出了與動態(tài)范圍有關(guān)的一些重要參數(shù)。接收機的動態(tài)范圍和增益控制

（1）1dB增益壓縮點的動態(tài)范圍

1dB壓縮點：放大器有一個線性動態(tài)范圍，在這個范圍內(nèi)，放大器的輸出功率隨輸入功率線性增加。這種放大器稱之為線性放大器，這兩個功率之比就是功率增益G。隨著輸入功率的繼續(xù)增大，放大器進入非線性區(qū)，其輸出功率不再隨輸入功率的增加而線性增加，也就是說，其輸出功率低于小信號增益所預(yù)計的值。通常把增益下降到比線性增益低1dB時的輸出功率值定義為輸出功率的1dB壓縮點，用P1dB表示。接收機的動態(tài)范圍和增益控制

接收機的動態(tài)范圍和增益控制

式中，為產(chǎn)生1dB壓縮時接收機輸入端的信號功率；為產(chǎn)生1dB壓縮時接收機輸出端的信號功率；G為接由機的增益。

1dB增益壓縮點動態(tài)范圍定義為：當(dāng)接收輸出功率大到產(chǎn)生1dB增益壓縮時，輸入信號功率Pi-1與最小可檢測信號功率Pimin之比，即：3.6.43.6.5接收機的動態(tài)范圍和增益控制

2.接收機的增益控制接收機的增益控制主要包括：靈敏度時間控制（STC）和自動增益控制（AGC）。

靈敏度時間控制（STC）主要用來：擴展接收機動態(tài)范圍，防止近程雜波使接收機過載。自動增益控制（AGC）主要用來：控制接收機的增益，以維持整機輸出恒定，使之幾乎不隨外來信號的強弱變化。（常規(guī)（AGC）；瞬時自動增益控制（IAGC）；噪聲AGC；單脈沖雷達接收機AGC和多通道接收機AGC等）接收機的動態(tài)范圍和增益控制

靈敏度時間控制(STC)又稱“近程增益控制”，它用來防止近程雜波干擾所引起的中頻放大器過載。雜波干擾(如海浪雜波和地物雜波干擾等)主要出現(xiàn)在近距離,干擾功率隨著距離的增加而相對平滑地減小,如圖3.37（a）所示。如果把發(fā)射信號時刻作為距離的起點,則橫軸實際上也就是時間軸。靈敏度時間控制(STC)接收機的動態(tài)范圍和增益控制

圖3.37STC電路中控制電壓與靈敏度的關(guān)系曲線接收機的動態(tài)范圍和增益控制

根據(jù)試驗,海浪雜波干擾功率Pim隨距離R的變化規(guī)律為：(3.6.9)式中，K為比例常數(shù),它與雷達的發(fā)射功率等因素有關(guān);a為由試驗條件所確定的系數(shù),它與天線波瓣形狀等有關(guān),一般a=2.7~4.7。接收機的動態(tài)范圍和增益控制

靈敏度時間控制的基本原理是:當(dāng)發(fā)射機每次發(fā)射信號之后,接收機產(chǎn)生一個與干擾功率隨時間的變化規(guī)律相“匹配”的控制電壓UC,如圖3.37(b)所示,控制接收機的增益按此規(guī)律變化。所以近程增益控制電路實際上是一個使接收機靈敏度隨時間而變化的控制電路,它可以使接收機不致受近距離的雜波干擾而過載。接收機的動態(tài)范圍和增益控制

自動增益控制(AGC)

在雷達系統(tǒng)中,由于受發(fā)射功率大小、收發(fā)距離遠近、電磁波傳播衰落等各種因素的影響,接收機所接收的信號強弱變化范圍很大,信號最強時與最弱時可相差幾十分貝。因此,必須采用自動增益控制電路,使接收機的增益隨輸入信號強弱而變化。接收機的動態(tài)范圍和增益控制

工作原理自動增益控制電路是一種在輸入信號幅值變化很大的情況下，通過調(diào)節(jié)可控增益放大器的增益，使輸出信號幅值基本恒定或僅在較小范圍內(nèi)變化的一種電路。

接收機的動態(tài)范圍和增益控制

AGC系統(tǒng)組成接收機的動態(tài)范圍和增益控制

設(shè)輸入信號振幅為Ux,輸出信號振幅為Uy,可控增益放大器增益為Ａg（uc）,即其是控制信號uc的函數(shù)，則有：Uy=Ag(uc)Ux接收機的動態(tài)范圍和增益控制

比較過程

在AGC電路里,比較參量是信號電平,所以采用電壓比較器。反饋網(wǎng)絡(luò)由電平檢測器、低通濾波器和直流放大器組成。反饋網(wǎng)絡(luò)檢測出輸出信號振幅電平（平均電平或峰值電平）,濾去不需要的較高頻率分量,然后進行適當(dāng)放大后與恒定的參考電平UR比較,產(chǎn)生一個誤差信號。

接收機的動態(tài)范圍和增益控制

控制信號發(fā)生器在這里可看作是一個比例環(huán)節(jié),增益為ｋ1。若Ux減小而使Uy減小時,環(huán)路產(chǎn)生的控制信號uc將使增益Ａg增大,從而使Uy趨于增大。若Ux增大而使Uy增大時,環(huán)路產(chǎn)生的控制信號uc將使增益Ａg減小,從而使Uy趨于減小。無論何種情況,通過環(huán)路不斷地循環(huán)反饋,都應(yīng)該使輸出信號振幅Uy保持基本不變或僅在較小范圍內(nèi)變化。

接收機的動態(tài)范圍和增益控制

濾波器的作用

環(huán)路中的低通濾波器是非常重要的。整個環(huán)路應(yīng)具有低通傳輸特性,這樣才能保證僅對信號電平的緩慢變化有控制作用。尤其當(dāng)輸入為調(diào)幅信號時,為了使調(diào)幅波的有用幅值變化不會被自動增益控制電路的控制作用所抵消（此現(xiàn)象稱為反調(diào)制）,必須恰當(dāng)選擇環(huán)路的頻率響應(yīng)特性,使對高于某一頻率的調(diào)制信號的變化無響應(yīng),而僅對低于這一頻率的緩慢變化才有控制作用。這就主要取決于低通濾波器的截止頻率。接收機的動態(tài)范圍和增益控制

控制過程說明

設(shè)輸出信號振幅Uy與控制電壓uc的關(guān)系為:Uy=Uy0+kcuc=Uy0+ΔUy

又有:Uy=Ag(uc)Ux=［Ag(0)+kguc］Ux其中Ag(uc)=Ag(0)+kguc

又有Uy0=Ag(0)Ux0接收機的動態(tài)范圍和增益控制

式中的Uy0是控制信號為零時所對應(yīng)的輸出信號振幅,Ux0和Ａg（０）是相應(yīng)的輸入信號振幅和放大器增益,ｋc和ｋｇ皆為常數(shù)。若低通濾波器對于直流信號的傳遞函數(shù)為１,當(dāng)誤差信號ue＝０時,寫出UR和Uy0、Ｕx0之間的關(guān)系:UR=k2k3Uy0=k2k3Ag(0)Ux0

當(dāng)輸入信號振幅Ux≠Ux0且保持恒定時,環(huán)路經(jīng)自身調(diào)節(jié)后達到新的平衡狀態(tài),這時的誤差電壓接收機的動態(tài)范圍和增益控制

ue∞=kb(ＵR-k2k3Ｕy∞)又Uy∞=［Ag(０)+kck1ue∞］Ux

從以上兩式可知,ue∞≠0,否則將有Ux=Ux0,與條件不符合。同時也說明Uy∞≠Ｕy0,即AGC電路是有電平誤差的控制電路。式中，k2、k3和kb均為比例系數(shù)。接收機的動態(tài)范圍和增益控制

一種簡單的AGC電路

幾種常見的AGC控制電路接收機的動態(tài)范圍和增益控制

上圖示出了一種簡單的AGC電路方框圖,它由一級峰值檢波器和低通濾波器組成。接收機輸出的視頻脈沖信號,經(jīng)過峰值檢波,再由低通濾波器除去高頻成分之后,就得到自動增益控制電壓UAGC,將它加到被控的中頻放大器中去,就完成了增益的自動控制作用。當(dāng)輸入信號增大時,視頻放大器輸出uo隨之增大,引起控制電壓UAGC增加,從而使受控中頻放大器的增益降低；當(dāng)輸入信號減小時,情況正好相反,即中頻放大器的增益將要增大。因此自動增益控制電路是一個負(fù)反饋系統(tǒng)。接收機的動態(tài)范圍和增益控制

圖3.41瞬時自動增益控制電路的組成方框圖

瞬時自動增益控制(IAGC)接收機的動態(tài)范圍和增益控制

瞬時自動增益控制的目的是使干擾電壓受到衰減(即要求控制電壓UC能瞬時地隨著干擾電壓而變化),而維持目標(biāo)信號的增益盡量不變。因此,電路的時常數(shù)應(yīng)這樣選擇:為了保證在干擾電壓的持續(xù)時間τn內(nèi)能迅速建立起控制電壓UC,要求電路時常數(shù)τi＜τn;為了維持目標(biāo)回波的增益盡量不變,必須保證在目標(biāo)信號的寬度τ內(nèi)使控制電壓來不及建立,即τi>>τ,為此電路時常數(shù)一般選為：τi=(5~20)τ

(3.6.10)接收機的動態(tài)范圍和增益控制

干擾電壓一般都很強,所以中頻放大器不僅末級有過載的危險,前幾級也有可能發(fā)生過載。為了得到較好的抗過載效果,增大允許的干擾電壓范圍,可以在中放的末級和相鄰的前幾級,都加上瞬時自動增益控制電路。接收機的動態(tài)范圍和增益控制

3.對數(shù)放大器

有的雷達接收機中設(shè)置了對數(shù)中頻放大電路，以獲得足夠的動態(tài)范圍，使雷達接收機既能高增益地放大微弱的回波信號，又不致在輸入信號較強時發(fā)生過載現(xiàn)象。

對數(shù)放大器：是指輸出電壓u0與輸入電壓ui的對數(shù)成正比的放大器。

接收機的動態(tài)范圍和增益控制

雷達信號往往具有很寬的動態(tài)范圍，接收機前端信號動態(tài)范圍可達120dB以上。寬動態(tài)范圍往往給應(yīng)用設(shè)計帶來很多問題：一方面，線性放大器無法處理這樣寬的動態(tài)范圍。另一方面，D/A變換中，在保證分辨率的情況下，模數(shù)轉(zhuǎn)換器的位數(shù)會隨動態(tài)范圍的增大而增大。因此，在處理寬動態(tài)范圍的信號時，常常將其動態(tài)范圍壓縮到一個可以處理的程度。

接收機的動態(tài)范圍和增益控制

動態(tài)范圍的壓縮分為：“線性壓縮”和“非線性壓縮”。線性壓縮是指放大器的增益與信號的大小無關(guān)，輸出基本保持恒定。線性壓縮的特點使諧波失真小，其本質(zhì)是一種“壓控放大器”（VCA）。非線性壓縮方面最好的例子就是對數(shù)放大器。它是輸入輸出信號成對數(shù)關(guān)系的