雷达基本原理3-雷达接收机培训资料

1、第 3 章 雷 达 接 收 机 第 3 章 雷 达 接 收 机 章节内容要点：章节内容要点： 天线简述天线简述 掌握雷达接收机的组成和主要质量指标掌握雷达接收机的组成和主要质量指标 掌握接收机的噪声系数和灵敏度掌握接收机的噪声系数和灵敏度 掌握雷达接收机的高频掌握雷达接收机的高频(o pn)部分部分 了解本机振荡器和自动频率控制了解本机振荡器和自动频率控制 了解接收机的动态范围和增益控制了解接收机的动态范围和增益控制第一页，共122页。第 3 章 雷 达 接 收 机 第二页，共122页。第 3 章 雷 达 接 收 机 第三页，共122页。第 3 章 雷 达 接 收 机 第四页，共122页。第

2、3 章 雷 达 接 收 机 第五页，共122页。第 3 章 雷 达 接 收 机 第六页，共122页。第 3 章 雷 达 接 收 机 第七页，共122页。第 3 章 雷 达 接 收 机 第八页，共122页。第 3 章 雷 达 接 收 机 第九页，共122页。第 3 章 雷 达 接 收 机 第十页，共122页。第 3 章 雷 达 接 收 机 第十一页，共122页。第 3 章 雷 达 接 收 机 第十二页，共122页。第 3 章 雷 达 接 收 机 第十三页，共122页。第 3 章 雷 达 接 收 机 第十四页，共122页。第 3 章 雷 达 接 收 机 第十五页，共122页。第 3 章 雷 达 接

3、 收 机 第十六页，共122页。第 3 章 雷 达 接 收 机 第十七页，共122页。第 3 章 雷 达 接 收 机 第十八页，共122页。第 3 章 雷 达 接 收 机 第十九页，共122页。第 3 章 雷 达 接 收 机 第二十页，共122页。第 3 章 雷 达 接 收 机 第二十一页，共122页。第 3 章 雷 达 接 收 机 第二十二页，共122页。第 3 章 雷 达 接 收 机 第二十三页，共122页。第 3 章 雷 达 接 收 机 第二十四页，共122页。第 3 章 雷 达 接 收 机 第二十五页，共122页。第 3 章 雷 达 接 收 机 第二十六页，共122页。第 3 章 雷

4、达 接 收 机 第二十七页，共122页。第 3 章 雷 达 接 收 机 第二十八页，共122页。第 3 章 雷 达 接 收 机 第二十九页，共122页。第 3 章 雷 达 接 收 机 3.1 雷达雷达(lid)接收机的组成和主要质量指标接收机的组成和主要质量指标 3.1.1 超外差式雷达超外差式雷达(lid)接收机的组成接收机的组成 l接收机的任务(rn wu) 雷达接收机的任务(rn wu)是通过适当的滤波将天线上收到的微弱高频信号从伴随的噪声和干扰中选择出来，同时处理后送到终端设备。主要组成部分是: 第三十页，共122页。第 3 章 雷 达 接 收 机 图3.2 超外差式雷达(lid)接收

5、机的一般方框图 第三十一页，共122页。第 3 章 雷 达 接 收 机 第三十二页，共122页。第 3 章 雷 达 接 收 机 第三十三页，共122页。第 3 章 雷 达 接 收 机 第三十四页，共122页。第 3 章 雷 达 接 收 机 第三十五页，共122页。第 3 章 雷 达 接 收 机 第三十六页，共122页。第 3 章 雷 达 接 收 机 第三十七页，共122页。第 3 章 雷 达 接 收 机 混频器的干扰 组合(zh)频率干扰如取则：第三十八页，共122页。第 3 章 雷 达 接 收 机 当干扰频率fn与本振f0满足下面关系(gun x)： 同样，当取 则，干扰频率为第三十九页，共

6、122页。第 3 章 雷 达 接 收 机 第四十页，共122页。第 3 章 雷 达 接 收 机 第四十一页，共122页。第 3 章 雷 达 接 收 机 第四十二页，共122页。第 3 章 雷 达 接 收 机 第四十三页，共122页。第 3 章 雷 达 接 收 机 第四十四页，共122页。第 3 章 雷 达 接 收 机 第四十五页，共122页。第 3 章 雷 达 接 收 机 第四十六页，共122页。第 3 章 雷 达 接 收 机 第四十七页，共122页。第 3 章 雷 达 接 收 机 第四十八页，共122页。第 3 章 雷 达 接 收 机 第四十九页，共122页。第 3 章 雷 达 接 收 机

7、3.1.2 超外差式雷达接收机的主要质量指标超外差式雷达接收机的主要质量指标 1. 灵敏度灵敏度 灵敏度表示接收机接收微弱信号灵敏度表示接收机接收微弱信号(xnho)的能力。的能力。 超外差式雷达接收机的灵敏度一般约为超外差式雷达接收机的灵敏度一般约为(10-1210-14)W.图3.3 显示器上所见到的信号(xnho)与噪声第五十页，共122页。第 3 章 雷 达 接 收 机 2. 接收机的工作频带宽度 接收机的工作频带宽度种类？ 接收机的顺时带宽是指，该部件在特定的增益（有时是相位）容差内能同时放大两个或两个以上信号的频带。 调谐带宽是指该部件在调整适当的电气或机械旋钮(xun ni)时可

8、以工作，而不降低指定性能的频带。 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。带宽是不是越宽越好？第五十一页，共122页。第 3 章 雷 达 接 收 机 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(tngchng)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。 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。第五十二页，共122页。第 3 章 雷 达 接 收 机 4. 中频的选择中频的选择(xunz)和滤波特性和滤波特性 接收机中频的选择

9、接收机中频的选择(xunz)和滤波特性是接收机的重要质和滤波特性是接收机的重要质量指标之一。量指标之一。 在中频的选择在中频的选择(xunz)可以从可以从30 MHz到到4GHz之间。之间。如何选择如何选择(xunz)接收机的中频？接收机的中频？短波接收机为什么选在短波接收机为什么选在465KHz？ 在白噪声在白噪声(即接收机热噪声即接收机热噪声)背景下应该选择背景下应该选择(xunz)何种滤何种滤波方式？波方式？第五十三页，共122页。第 3 章 雷 达 接 收 机 5. 工作稳定性和频率稳定度 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

10、数(振幅特性、 频率特性和相位特性等)受到影响(yngxing)的程度, 希望影响(yngxing)越小越好。 第五十四页，共122页。第 3 章 雷 达 接 收 机 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(w yun)干扰是雷达系统的重要任务之一。 第五十五页，共122页。第 3 章 雷 达 接 收 机 7. 微电子化和模块化结构 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。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(chngbn)也比较低。 第五十六

11、页，共122页。第 3 章 雷 达 接 收 机 接收机噪声(zoshng)的概率特性3.2 接收机的噪声系数和灵敏度接收机的噪声系数和灵敏度 第五十七页，共122页。第 3 章 雷 达 接 收 机 对数(du sh)接收器具有恒虚警的特性第五十八页，共122页。第 3 章 雷 达 接 收 机 第五十九页，共122页。第 3 章 雷 达 接 收 机 第六十页，共122页。第 3 章 雷 达 接 收 机 第六十一页，共122页。第 3 章 雷 达 接 收 机 第六十二页，共122页。第 3 章 雷 达 接 收 机 第六十三页，共122页。第 3 章 雷 达 接 收 机 第六十四页，共122页。第

12、3 章 雷 达 接 收 机 2. 额定噪声额定噪声(zoshng)功率功率第六十五页，共122页。第 3 章 雷 达 接 收 机 4. 噪声带宽噪声带宽 功率谱均匀的白噪声功率谱均匀的白噪声, 通过具有频率通过具有频率(pnl)选择性的接收线性系统选择性的接收线性系统后后, 输出的功率谱输出的功率谱pno(f)就不再是均匀的了就不再是均匀的了, 如图如图3.7的实曲线所示。的实曲线所示。 这这个频带个频带Bn称为称为“等效噪声功率谱宽度等效噪声功率谱宽度”, 一般简称一般简称“噪声带宽噪声带宽”。 因此因此, 噪噪声带宽可由下式求得声带宽可由下式求得: (3.2.7) 第六十六页，共122页。

13、第 3 章 雷 达 接 收 机 3.2.2 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 噪声系数的定义是噪声系数的定义是: 接收机输入接收机输入(shr)端信号噪声比与输出端信端信号噪声比与输出端信号噪声比的比值。号噪声比的比值。 (3.2.9) 式中, Si为输入额定( dng)信号功率; Ni为输入额定( dng)噪声功率(Ni =kT0Bn); So为输出额定( dng)信号功率; No为输出额定( dng)噪声功率。第六十七页，共122页。第 3 章 雷 达 接 收 机 式(3.2.9)可以(ky)改写为 (3.2.10) 式中，Ga为接收机的额定功率增益; NiGa

14、是输入端噪声通过“理想接收机”后, 在输出端呈现(chngxin)的额定噪声功率。 因此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。 第六十八页，共122页。第 3 章 雷 达 接 收 机 实际(shj)接收机的输出额定噪声功率No由两部分组成, 其中一部分是NiGa(NiGa=kT0BnGa), 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 (3.2.11) (3.2.12) 第六十九页，共122页。第 3 章 雷 达 接 收 机 下面对噪声系

15、数作几点说明(shumng): 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。 噪声系数只由接收机本身参数确定。 噪声系数F是没有单位(dnwi)的数值, 通常用分贝表示 F=10 lg F(dB) (3.2.13) 第七十页，共122页。第 3 章 雷 达 接 收 机 噪声系数的概念与定义, 可推广到任何无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Ga为额定功率传输系数。由于(yuy)具有损耗电阻, 因此也会产生噪声, 下面求其噪声系数。图3.9 无源(w yun)四端网络第七十一页，共122页。第 3 章 雷 达

16、接 收 机 2. 等效噪声等效噪声(zoshng)温度温度接收机外部噪声接收机外部噪声(zoshng)可用天线噪声可用天线噪声(zoshng)温度温度TA来表示来表示, 接收机外部噪声接收机外部噪声(zoshng)的额定功率为的额定功率为 NA=kTABn (3.2.18) 把接收机内部噪声在输出端呈现的额定( dng)噪声功率N等效到输入端来计算, 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 (3.2.19) 温度Te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(mi yu)内部噪声的“理想接收机”, 其等效电路见图3.10。 第七

17、十二页，共122页。第 3 章 雷 达 接 收 机 3.2.3 级联电路的噪声系数级联电路的噪声系数 为了简便为了简便, 先考虑两个单元电路级联的情况先考虑两个单元电路级联的情况, 如图如图3.11所示。所示。 图中图中F1、F2和和G1、G2分别表示分别表示(biosh)第一、二级电路的噪声系数和额定功第一、二级电路的噪声系数和额定功率增益。为了计算总噪声系数率增益。为了计算总噪声系数F0, 先求实际输出的额定噪声功率先求实际输出的额定噪声功率No。 由由式式(3.2.10)可得可得 No=kT0BnG1G2F0 而 (3.2.24a) (3.2.24b) 第七十三页，共122页。第 3 章

18、 雷 达 接 收 机 No由两部分组成: 一部分是由第一级的噪声在第二(d r)级输出端呈现的额定噪声功率No12,其数值为kT0BnF1G1G2, 第二(d r)部分是由第二(d r)级所产生的噪声功率N2, 由式(3.2.12)可得 N2=(F2-1)kT0BnG2 (3.2.25) 于是(ysh)式(3.2.24)可进一步写成 No=kT0BnG1G2F0=kT0BnG1G2F1+(F2-1)kT0BnG2 化简后可得两级级联电路(dinl)的总噪声系数 (3.2.26) anGBkTNF01第七十四页，共122页。第 3 章 雷 达 接 收 机 三级级联推导(tudo)第七十五页，共1

19、22页。第 3 章 雷 达 接 收 机 同理可证, n级电路(dinl)级联时接收机总噪声系数为 (3.2.27) 为了使接收机的总噪声系数小, 要求各级( j)的噪声系数小、额定功率增益高。而各级( j)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。第七十六页，共122页。第 3 章 雷 达 接 收 机 图3.12 典型雷达(lid)接收机的高、中频部分 将图3.12中所列各级的额定功率( dn n l)增益和噪声系数代入式(3.2.27), 即可求得接收机的总噪声系数: (3.2.28) 第七十七页，共122页。第 3 章 雷 达 接 收 机 一般(ybn)都采用高增益(

20、GR20dB)低噪声高频放大器, 因此式(3.2.28)可简化为 (3.2.29) 若不采用高放, 直接(zhji)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(yngxing)一般也计入在内。 第七十八页，共122页。第 3 章 雷 达 接 收 机 3.2.4 接收接收(jishu)机灵敏度机灵敏度 接收接收(jishu)机的灵敏度表示接收机的灵敏度表示接收(jishu)机接收机接收(jishu)微弱信号的能力。微弱信号的能力。灵敏度用接收灵敏度用接收(jishu)机输入端的最小可检测信号功率机输入端的最小可检测信号功率Si min来来表

21、示。表示。第七十九页，共122页。第 3 章 雷 达 接 收 机 已经(y jing)知道, 接收机噪声系数F0为 (3.2.32) 或者(huzh)写成 (3.2.33) 此时(c sh), 输入信号额定功率为 (3.2.34) 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 (3.2.35)第八十页，共122页。第 3 章 雷 达 接 收 机 为了保证雷达检测系统发现目标的质量(如在虚警(x jn)概率为10-6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

22、功率, 即接收机实际灵敏度为 (3.2.36) 通常,我们把(So/No)min称为(chn wi)“识别系数”, 并用M表示, 所以灵敏度又可以写成 (3.2.37) 第八十一页，共122页。第 3 章 雷 达 接 收 机 为了提高接收机的灵敏度, 即减少最小可检测信号(xnho)功率Si min, 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(xnho)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,

23、尽量减小M的数值。 第八十二页，共122页。第 3 章 雷 达 接 收 机 为了比较不同(b tn)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“临界灵敏度”，其为 (3.2.38) 雷达接收机的灵敏度以额定功率表示, 并常以相对(xingdu)1 mW的分贝数计值, 即 (3.2.39) 一般(ybn)超外差接收机的灵敏度为-90-110 dBmW。 第八十三页，共122页。第 3 章 雷 达 接 收 机 3.3 雷达雷达(lid)接收机的高频部分接收机的高频部分 图3.14 雷达(lid)接收机的高频部分

24、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(gngl)是等效的。第八十四页，共122页。第 3 章 雷 达 接 收 机 3.3.1 收发收发(shuf)转换开关和接收机保护器转换开关和接收机保护器 1. 收发转换开关收发转换开关 分支线式收发开关的原理分支线式收发开关的原理(yunl)电路如图电路如图3.15所示。所示。第八十五页，共122页。第 3 章 雷 达 接 收 机 平衡式收发(shuf)开关的原理图如图3.16所示图3.16 平衡式收发开关原理图(a) 发射状态(zhungti); (b) 接收状态(zhungti) 第八十六页，共122页。第 3

25、章 雷 达 接 收 机 2 . 接收机保护器接收机保护器 图3.17 环行器和接收机保护器 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(bx)加上由TR管和限幅二极管组成的接收机保护器。第八十七页，共122页。第 3 章 雷 达 接 收 机 3.3.2 高频高频(o pn)放大器和混频器的发展趋势放大器和混频器的发展趋势 1. 超低噪声非致冷参量放大器超低噪声非致冷参量放大器 致冷参放

26、致冷参放, 在微波和毫米波频段范围内在微波和毫米波频段范围内, 当致冷温度为当致冷温度为20 K时时, 可得可得到到(d do)的等效噪声温度的等效噪声温度Te为为(1050) K, 但设备复杂、但设备复杂、 成本昂贵成本昂贵, 实实际使用较少。际使用较少。 近年来在改进非致冷参放噪声性能方面采用的关键技术近年来在改进非致冷参放噪声性能方面采用的关键技术是采用了以下器件或设计、工艺是采用了以下器件或设计、工艺: 超高品质因素超高品质因素(高截止频率高截止频率)、 极低分布电容的砷化镓变容二极管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极低损耗的波导型环行器; 高稳定的毫米波固态泵

27、浦源高稳定的毫米波固态泵浦源(fp=(50100) GHz); 高效率的热电冷却器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。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。第八十八页，共122页。第 3 章 雷 达 接 收 机 图3.18 几种(j zhn)典型低噪声器件的噪声系数 第八十九页，共122页。第 3 章 雷 达 接 收 机 2 . 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，采用了： 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(zh

28、b)取代行波管高放和遂道二极管放大器。 在低于3 GHz的频率范围, 采用硅双极晶体管高放。 在高于3GHz的频率, 采用砷化镓场效应管高放。目前在(0.515)GHz频率范围, 噪声系数为(15) dB, 单级增益为(612) dB。 第九十页，共122页。第 3 章 雷 达 接 收 机 3 . 混频器的发展趋势 随着(su zhe)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35 dB。 第九十一页，共122页。第 3 章 雷 达 接 收 机 第九十二页，共122页。第 3 章

29、 雷 达 接 收 机 第九十三页，共122页。第 3 章 雷 达 接 收 机 镜像抑制(yzh)混频第九十四页，共122页。第 3 章 雷 达 接 收 机 第九十五页，共122页。第 3 章 雷 达 接 收 机 第九十六页，共122页。第 3 章 雷 达 接 收 机 第九十七页，共122页。第 3 章 雷 达 接 收 机 4 . 微波单片集成接收模块(m kui) 微波单片集成接收模块(m kui)在砷化镓单片上包含有完整的接收机高频电路, 即衰减器、环行器、移相器和多级低噪声高频放大器等。目前从L波段至C波段, 微波单片集成电路的噪声系数为2.53.5 dB, 详见表2.6。 第九十八页，共

30、122页。第 3 章 雷 达 接 收 机 3.4 本机振荡器和自动频率本机振荡器和自动频率(pnl)控制控制 常规(chnggu)雷达第九十九页，共122页。第 3 章 雷 达 接 收 机 现代(xindi)雷达 控制(kngzh)磁控管的自频控系统 第一百页，共122页。第 3 章 雷 达 接 收 机 图3.23 锁相型稳定(wndng)本振 第一百零一页，共122页。第 3 章 雷 达 接 收 机 3.5 接收机的动态范围和增益接收机的动态范围和增益(zngy)控制控制 3.5.1 动态动态(dngti)范围范围信号过强时信号过强时, 放大器发生饱和现象放大器发生饱和现象, 失去正常的放大能力。失去正常的放大能力。第一百零二页，共122页。第 3 章 雷 达 接 收 机 图3.25 信号与宽脉冲(michng)干扰共同通过中频放大器的示意图 只要(zhyo)接收机中某一级的增量增益Kd0, 接收机就会发生过载。第一百零三页，共122页。第 3 章 雷 达 接 收 机 3.5.2 增益增益(zngy)控制控制自动增益自动增益(zngy)控制控制(AGC) 图3.27 一种(y zhn)简单的A