第_3_章__雷达接收机.

1、第号章當达接收机3 3 1 1 雷达接收机的组成和主要质量指标 3.23.2 接收机的噪声系数和灵敏虎3 3 3 3 雷达接收机的高频部分3 3 4 4 本机振荡器和自动频率控制3.53.5 接收机的动态范围和增益控制3 3 6 6 滤波和接收机带宽J 第 M 章當达接收机3.1 雷达接收机的组成和主要质量指标3.1.13.1.1 超外差式雷达接收机的组成(1)(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)(2) 中频放大器，包括匹配滤波器；(3)(3) 检波器和视频放大器。BACKBACK岛荻输入:图3.1超外差式雷达接收机简化方框图

2、中娠渡波攀1対业放人签线件放人器相 1 木按职幅放人卷*t90。11L包烙检波器问频检波粘|二占二 郴位检波器-*低吩声高频放大 2S t初蘇 i K，由 AM；控制(STC)qvtC9Ww2 疋平i*中頻放人器IAGC中频增益衰菽收发开关卜- 发射机接牧机保护器*绚。)*：也* COSf *视频放夫器图 3 3 丁超外差式雷达接收机的般琢图 q 申 M 章當达接收机3.1.23.1.2 超外差式雷达接收机的主要质量指标1.1.灵敏度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 S S：讪“来

3、表示。目前，超外差式雷达接收机的灵敏度一般约为(10(101212-10-10I4I4)W,)W,保证这个灵敏度所需增益约为 10101010 (120(120 dB160dB160 dB),dB),这一增益主要由中频放大器来完成。2.2. 接收机的工作频带宽度在复杂的电孑对抗和干扰环境中，要求雷达发射机和接收机具有较宽的I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 匸作频带宽度上要决疋于高频部件（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J 第*章當达接收机接收机的工作频带宽度表示接收机的瞬

4、时工作频率范EO图3.3显示器上所见到的信号与噪声J 第*章當达接收机出的寄生响应对接收机性能的影响。t t第 M 章當达接收机3.3.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。最小输入信兮强度通常取为最小可检测信号功率Sin，允许 域人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。4.4.中频的选择和滤波特性电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

5、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4GHZZ|HJO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，从技术实现來说，中频选择在30MHz至500MHz更为合适。 对于宽频带工作的接收机，应选择较高的屮频，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，如果屮频滤 波特性的带宽大丁-回波信号带宽，则过多的噪声进入接收机。反乙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

6、热噪声） 背景下， 接收机的频率特性为“匹配滤波器”时， 输出的 信号噪更比最広。比，叫做动态范eaMil 为了保证对强弱信号均能正常接收，要求动5.5. 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）和电源电压发主变化时，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总度有极高的要求（高达10。或者更高），因 此，必须采用频率稳赵度和相位稳左度极高的木机振荡器，即简 称的“稳定本振”。在现代电子战和复杂的电磁T扰环境中，抗有源T扰和无

7、 源干扰是雷达系统的重要任务Z-o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，无源干扰主耍是指从 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H标的正常检测，甚至使整个雷达系统无 法工作。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I：扰时，接收机的木振应与发射机频率同 步跳变。 同时接收机应有足够人的动态范围， 以保证后面的信 号处理器有高的处理精度。6.6.抗干扰能力u u； =4kTRB=4kTRB(3.2.1)在现代有源相控阵雷达和数字波束形成(DBF)(DBF)系统中，通常需要几十路甚至几千路接收机通道。如果采川常

8、规的接收机工艺结构，无论在体积、重量、耗电、成木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，包扌舌微波单片集成电路(MMIC)、小频单片集成电路(IMIC)和专用集成电路(ASIC)；其主要优点是 体积小、重量轻，另外，采用批量生产工艺可使芯片电路电性能致性好，成本也比较低。用上述儿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 种由神化(GaAs)单片制成的C波段微波单片集成电路，包插完 整的接收机高频电路，即五级高频放人器、可变衰减器、移相器

9、、 环行器和限幅开总电路等，噪声系数为2.5dB,旳变增益为刘1罪可Q 第 M 章當达接收机y 山3.2 接收机的噪声系数和灵敏度3.2.13.2.1 接收机的噪声1.1.电阻热噪声它是山于导体中自山电了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匕申 M 章雷达接收机电子化和模块化结构J 第 M 章當达接收机&为玻尔兹曼常数,*=1.38X,*=1.38X1()-23J/K；T T 为电阻温度，以绝对温度(K)(K)计量，对

10、于室温 1717C,C, T=rT=ro o=290K;=290K;/?为电阻的阻值;氏为测试设备的通带。电阻热噪声的功率谱密度X/)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(3.2.2)求得p(f)=4kTRp(f)=4kTR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”，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。2.2.额定噪声功率根据电路基础理论，信号电动势为耳而内阻抗为Z=R+jXZ=R+jX的信 号源，当其负载阻抗与信号源内阻匹配，即其值为 ZZRZZR jXjX 时，信号源输出的信号功率最大，此时，输岀的最大

11、信号功率称为“额定”信号功率， 丿IJS“表示， 其值是(3.2.3)(3.2.2)O第 M 章當达接收机p pc第 M 章當达接收机第 M 章當达接收机7,申、y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/?产生的起伏噪声电压均方值考=4kTRB=4kTRBn n, ,见图3.5o假设接收机高频前端的输入阻抗Z*为ii个无源二漏网络的 负载，显然，当负载阻抗Z*与噪声源内阻抗Z匹配，即Z*二心X时, 噪声源输出最人噪声功率，称为“额定”噪声功率，用N。表示, 其值为N No o= = = = kTBkTBn n0.2.4)因此可以得出重耍结论：任何无源二端网络输出

12、的额定噪声功率只与其温度卩和通带九有关。0),因此F1,只有当接收机是“理 想接收机”时,才会有尸=1。N。c第 M 章當达接收机下面对噪声系数作几点说明：1噪声系数只适用于接收机的线性电路和准线性电路，即 检波器以前部分。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。2为使噪声系数具有单值确定性，规定输入噪声以天线等效电阻Z?A在室温卩O=29OK时产生的热噪声为标准，所以由式(32可以看出，噪声系数只由接收机木身参数确泄。3噪声系数 F F 是没有单位的数值，通常用分贝表示4噪声系数的概念与定义，可推广到任何无

13、源或有源的四端网络。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3.9,图中G a为额定功率传输系数。由于具有损耗电 阻，因此也会产生噪声，下面求其噪声系数。从网络的输入端向左看，是一个电阻为心的无源二端网络，它 输出的额定噪声功率为(3.2.14)F=101gF(dB)(3.2.13)C第 M 章當达接收机c第 M 章當达接收机经过网络传输，加于负载/?L上的外部噪声额定功率为MGMGa a=kTB=kTBn nG Ga a(3.2.15)从负载电阻/?L向左看，也是一个无源二端网络，它是由信号 源电阻心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

14、为k%Bnk%Bn，它也就是无源四端网络输出的总额 定噪声功率，即N()= k TBn(3.2.16)根据式(3.2.10)可得F_dF_d一丄NQNQG G(3.2.17)由于无源四端网络额規功率传输系数G,芒1,因此其噪声系数E1。c c 第 M 章當达接收机11无源四端 网络G“O1111 11 111191图3.9无源四端网络Q第 M 章當达接收机W &2.2.等效噪声温度前面已经提到，接收机外部噪声可川天线噪声温度7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N NA A=kT=kTA AB Bn n(3.2.18)为了更直观地比较内部噪声与外部噪声的大小，可以

15、把接收机 内部噪声在输出端呈现的额定噪声功率等效到输入端来计算, 这时内部噪声町以看成是天线电阻/?A在温度人时产生的热噪声, 即AN=kTAN=kTc cB Bn nG Ga a(3.2.19)温度7；称为“等效噪声温度”或简称“噪声温度”，此时接收机 就变成没有内部噪声的“理想接收机”，其等效电路见图3.10oC C 第 M 章當达接收机图3.10接收机内部噪声的换算将式(32代入式(3.2.12),可得T=(F-1 )7=(F-1) X 290 (K)(3.2.21)此式即为噪声温度7；的定义表示式， 它的物理意义绘把接收机内 部噪声看成是“理想接收机”的天线电阻/?A在温度人时所产生

16、的，此时实际接收机变成如图3.1()所示的“理想接收机”o图中7为天线噪声温度。系统噪声温度7；由内、外两部分 噪声温度所组成，即Ts=TATe(3.2.22)表3.2给出7；与F的对应值。从表中可以看出,若用噪声系数尸 来表示两部低噪声接收机的噪声性能时，例如它们分别为1.05和1.1,有可能谋认为两者噪声性能差不多。但若用噪声温度7；來表 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14.5 K和29 .K)o此外，只耍直接比较7；和：Cv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1 1、kTHQkTHQ = =7 7；gqgq % %(

17、3.2.20)机和低噪声器件，常用噪声温度來表示其噪声性能。F/倍数11.051. 11.525810F/dB00.210. 411. 763. 016. 999. 0310T20dB)低噪声高频放大器，因此式(3.2.28)可简化为FF。 丛(3.2.29)GW若不采用高放，直接用混频器作为接收机第一级，则可得F F二+斤_1 GjGQGGjGQG(3.2.30)(3.2.28)式小4为混频器的噪声比，本振噪声的影响一般也计入在内。t t第 M 章當达接收机若接收机的噪声性能用等效噪声温度7；表示，则它与各级噪 声温度之间的关系为324324 接收机灵敏度接收机的灵敏度表示接收机接收微弱信号

18、的能力。噪声总是伴随着微弱信号同时出现，要能检测信号，微弱信号的功率应人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&聞来表示。在噪声背景下检测 目标，接收机输出端不仅要使倚号放人到足够的数值，更重要的 是使其输山信号噪声比S/N。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。GG2 G”_I(3.2.31)t t第 M 章當达接收机SgFSgFM M(3.2.37)10-6的条件下发现概率是50%或90%等)，接收机的屮频输出必 须提供足够的信号噪声比，令SJgSJNSJgSJN冶时对应的接收机输 入信号功率为垠小可检测信号功率，即接收

19、机实际灵敏度为通常，我们把(S/N)min称为“识别系数”，并用M表示，所以灵敏 度又可以写成C第 M 章當达接收机已经知道，接收机噪声系数为或者写成此时,输入信号额定功率为O O式中，N-=kTN-=kT()()B Bn n为接收机输入端的额定噪声功率。(3.2.32)(3.2.33)(3.2.34)丁是进一步得S、 Nynin(3.2.36)S SN,N,到(3.2.35)f为了保证雷达检测系统发现目标的质量(如在虚警概率为为了提高接收机的灵敏度，即减少最小可检测信号功率Sgn应做到：1尽量降低接收机的总噪声系数F(),所以通常采川高增益、低 噪声高放；2接收机屮频放大器采用匹配滤波器，以便得到白噪声背景下 输出最人信号噪声比；3式屮的识别系数M与所要求的检测质量、天线波瓣宽度、 扫描速度、雷达脉冲重复频率及检测方法等因素均何