雷达原理雷达接收机ppt课件.ppt

第三章第三章 雷达接收机雷达接收机1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。6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9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10一、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。11图1 超外差式雷达接收机简化方框图 接收机保护器低噪声高频放大器混频器中频放大器(匹配滤波器)检波器视 频放大器至终端设备本振高 频 部 分高频输入优点：优点：灵敏度高、增益高、选择性好、适应性广。 雷达接收机的组成雷达接收机的组成121.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132.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（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14低噪声放大器(Low Noise Amplifier，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152、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。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161、噪声系数（Noise Figure）：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（Gain Flatness）：通带内最大增益与最小增益的差值。4、驻波比（Standing Wave Ratio）：最大电压与最小电压之比。5、输出功率（Power Out）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17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：1n21n213121GGG1FGG1FG1FFF雷达接收机的组成雷达接收机的组成18（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191. 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20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21 通常采用工作衰减LA来描述滤波器的幅值特性。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22Aup0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23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： tVtvLOLOLOcos)(射频信号射频信号： tVvRFRFRFcos相乘得相乘得： ttVVvvLORFLORFRFLORFLOcoscos21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24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LvSvIv雷达接收机的组成雷达接收机的组成25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减少组合频率分量为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261. 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27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RFIFVVVA RFIFPPPG 两者关系两者关系？LSVSRFLIFRFIFPRRARVRVPPG222/雷达接收机的组成雷达接收机的组成282. 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射频而言是线性，可用线性网对射频而言是线性，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、G3G332111211FFFFGG G雷达接收机的组成雷达接收机的组成29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30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 fIMG IMG = = 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 产生两个中频信号，由干扰信号所产生的中频产生两个中频信号，由干扰信号所产生的中频信号称为镜频，用信号称为镜频，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31输入到混频器的射频信号输入到混频器的射频信号与镜频干扰信号频谱与镜频干扰信号频谱本振信号频谱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32镜频与接收有用信号关于本振对称！镜频与接收有用信号关于本振对称！14.0914.54545515RLIIMGfMHzfMHzfkHzfMHz雷达接收机的组成雷达接收机的组成33非线性非线性 器件器件本振本振 中频中频滤波器滤波器RFfIFfIFf3. 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RFfIFfF付波道付波道中频中频 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：LORFIFfff（二次方项二次方项）组合组合频率频率RFLOpfqfnpq（ 次方项次方项 ）雷达接收机的组成雷达接收机的组成34（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 中频中频滤波器滤波器RFfIFfIFf主主中频：中频：LORFIFfff干扰信号与本振的组合频率干扰信号与本振的组合频率LOmqfpfIFf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1, 0pq 镜像镜像频率干扰频率干扰IFLOmfffRFfLOfmf特征：输入伴有特征：输入伴有干扰信号干扰信号mf1, 1pq变换能力与主中频一样变换能力与主中频一样2npq 中频干扰中频干扰IFmff直通直通不需要混频不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35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） RFfLOf2RFLOmfffLOmqfpf2,2qp22222LORFLOmLOIFffffff4npqmf0IFf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36（3 3）互调失真）互调失真非线性非线性 器件器件本振本振 中频中频滤波器滤波器RFfIFfIFf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1mf2mf但是当但是当组合频率组合频率11()mmRFrfsff每个干扰和本振混频每个干扰和本振混频1LOmIFqfpff2LOmIFqfpff由非线性器件的由非线性器件的 次方项次方项 产生产生1nrs IFLOmmffsfrf)(11互调干扰互调干扰称称 三阶互调三阶互调 3 sr4n 满足满足RFmmfff212或或RFmmfff122雷达接收机的组成雷达接收机的组成374. 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 成正比成正比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38（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1RFf2RFfRFf输入信号输入信号有用有用信号信号RFf1RFf2RFf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 12(2)RFRFLOIFffff主主中频中频LORFIFfff幅度相等，三阶截点幅度相等，三阶截点截点对应的输入、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39（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405. 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信号强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，被滤除零中频方案时：零中频方案时：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41信号强信号强频率相近频率相近tVtv111cos)(tVtv222cos)(射频输入为：射频输入为：)()()()(21tvtvtvtvRF设设LNALNA特性为：特性为：)()()(221tvatvati偶次方偶次方项产生的项产生的差拍差拍 )cos(21212VVa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零中频零中频方案中，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426. 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43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：)cos()cos(2coscosABBA和频，上变频和频，上变频差频，下变频差频，下变频 高 频 放 大 fs fs 本 地 振 荡 fo 混 频 fofs=fi fi 低 频 放 大 检 波 中 频 放 大 F F （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44RLIfff )()(RLLRRLRLRLIfffffffffff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：If雷达接收机的组成雷达接收机的组成 射频信号射频信号本振信号本振信号混频输出混频输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46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soifffMHz)67 . 1 (MHz)465. 6165. 2(MHz465. 0 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。振幅包络形状不变。雷达接收机的组成雷达接收机的组成47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48收发开关低噪声高频放大器接收机保护器混 频 器中频放大器中频增益衰减中频滤波器线性放大器包络检波器同频检波器对数放大器限幅放大器相干本振相位检波器发射机稳定本振近程增益控制(STC)AGC视 频 放 大 器天线uI(t)uQ(t)cossin90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, 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50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, 可以对其采用几种可以对其采用几种处理方法：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51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52 灵敏度表示灵敏度表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。 雷达接收机的灵敏度通常用最小可检测信号功率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。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. 灵敏度灵敏度53显示器上所见到的信号与噪声发射脉冲噪声被噪声淹没的信号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54 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 dB160 dB), 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552. 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：ooiiNSNSF/FMBkTSnoimin56 接收机的工作频带宽度表示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。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。57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。58 动态范围表示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59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60 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）。61 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62 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63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。 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。64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)(cos)()(tttAtSi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：)(2cos)()(ttftAtId)(2sin)()(ttftAtQd回波信号此时称为“零中频信号”，它的复信号表示为：)()()()()(tjetAtjQtItu65雷达接收机的主要质量指标雷达接收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。66 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。 有源干有源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；无源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67 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。雷达接收机的主要质量指标雷达接收机的主要质量指标68 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)。 其主要优点其主要优点是体积小、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69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70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71 雷达接收机是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人为干扰干扰。72 1. 电阻热噪声：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： nnkTRBu42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) 73 式式(3.4.1)表明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(3.4.1)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“白噪声白噪声”, 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。 雷达接收机的噪声系数雷达接收机的噪声系数74 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“额定额定”信号功率信号功率(有时也称为“资用资用”功功率率、或“有效有效”功率功率), 用Sa表示, 其值是 RERRESssa4222(3.4.3) Z Rj XEsSaZ* Rj X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75 同理同理, 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3.19。假设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“额定额定”噪声功率噪声功率, 用No表示, 其值为：nnkTRBu42nnokTBRuN42(3.4.4) un4 kTRBnN0Z* Rj XZ Rj X2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76因此可以得出重要结论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。 雷达接收机的噪声系数雷达接收机的噪声系数77 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： nAAnABRkTu42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。7810 0001000100101100100010 000100 00005905900f / MHzTA/K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=36 K, 因此修正后的天线总噪声温度为： )(36876. 0KTTAA由图3.20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。 雷达接收机的噪声系数雷达接收机的噪声系数80 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。BnPno(f0)ofPno( f )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“等效噪声功率谱宽度等效噪声功率谱宽度”, 一般简称 “噪声带宽噪声带宽 ” 。 因此, 噪声带宽可由下式求得: nnonoBfpdffp)()(00(3.4.7) 即： )(| )(|)()(02200fHdffHfpdffpBnonon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) 82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83（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 噪声系数噪声系数：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3.22。通常用噪声系数和噪声温度来衡量接收机的噪声性能。接收机线性电路GaEsAEsiRASiNiSoNoRL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84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:ooiiNSNSF/(3.4.9) 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有明确的物理意义有明确的物理意义: 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。85式(3.2.9)可以改写为 aioGNNF (3.4.10) 式中，Ga为接收机的额定功率增益; NiGa是输入端噪声通过“理想接收机”后, 在输出端呈现的额定噪声功率。 因此，噪声系数的另一定义为噪声系数的另一定义为: 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86 实际接收机的输出额定噪声功率实际接收机的输出额定噪声功率No由两部分组成：由两部分组成： 一部分是一部分是NiGa(NiGa=kT0BnGa), 另一部分是另一部分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 anGBkTNF01(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87 从式(3.4.12)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