雷达原理（第6版） 课件 【ch03】雷达接收机

雷达接收机第三章雷达原理(第6版）高等学校电子信息类精品教材01雷达接收机的基本原理和组成PARTONE一、雷达接收机的基本原理和组成1.接收机前端在图3.1中，接收机前端主要包括接收机保护器、射频放大器、射频滤波器和混频器。从天线进入接收机的微弱信号，通过接收机保护器后由射频低噪声放大器进行放大。射频滤波器的作用是抑制进入接收机的外部干扰，有时也称之为预选器。对于不同波段的雷达接收机，射频滤波器有可能放在射频放大器之前或之后。射频滤波器置于放大器之前，对雷达接收机抗干扰和抗过载能力有好处，但是滤波器的插入损耗增加了接收机的噪声。滤波器放置在低噪声放大器之后，对接收机的灵敏度和噪声系数有好处，但是抗干扰能力和抗过载能力将变差。1.雷达接收机的基本原理一、雷达接收机的基本原理和组成

1.雷达接收机的基本原理一、雷达接收机的基本原理和组成3.灵敏时间控制和自动增益控制灵敏时间控制(STC)和自动增益控制(AGC)是雷达接收机抗过载、扩展动态范围和保持接收机增益稳定的重要措施。STC也称为近程增益控制，它是某些探测雷达使用的一种随作用距离R减小而降低接收机灵敏度的技术。其基本原理是将接收机的增益作为时间（或对应的距离R）的函数来实现控制。当发射信号后，按照大约R的规律使接收机的增益随时间而增加，或者说使增益衰减器的衰减随时间增加而减小。STC的副作用是降低了接收机在近距离的灵敏度，从而降低了在近距离检测小信号目标的能力。STC可以在射频或中频实现，通常表示为RFSTC或IFSTC。根据接收机总动态范围和灵敏度的要求，RFSTC可放置在射频放大器之前或之后。AGC是一种增益反馈技术，它用来调整接收机的增益，以保证接收机在适当的增益范围内工作。AGC对保持接收机在宽温度和宽频带范围内稳定工作具有重要作用。还需要指出，对于现代多波束雷达的多路接收机系统，AGC还有保持多路接收机增益平衡的作用，因此又可称为自动增益平衡(AGB)。1.雷达接收机的基本原理一、雷达接收机的基本原理和组成4.中频放大器混频器将射频信号变换成中频信号，中频放大器的成本比射频放大器低，它的增益高、稳定性好，而且容易实现信号的匹配滤波。对于不同频率和不同频带的接收机，都可以通过变换本振频率，形成固定中频和带宽的中频信号。从图3.1可以看到，中频信号通常需要经过几级中频放大器来放大。在中频放大器中，还需要插入中频滤波器和中频增益控制电路（中频增益衰减器)。大多数情况下，混频器和第一中频放大器电路组成一个部件，通常称为“前置中放”，以使混频器的性能更好。前置中放后面的中频放大电路又称为“主中放”.对于P、L、S、C和X波段的雷达接收机，典型的中频频率范围在30~1000MHz之间，从器件成本、增益、动态范围、稳定性、失真度和选择性等因素考虑，选择低一些的中频更为有利。1.雷达接收机的基本原理一、雷达接收机的基本原理和组成1.雷达接收机的基本原理一、雷达接收机的基本原理和组成1.接收机前端图3.2示出了接收机前端组成框图。图(a)给出了早期雷达接收机采用的一次变频接收机前端组成框图，它主要由限幅器、射频低噪声放大器、预选器、镜像抑制混频器和前置中放等组成。2.雷达接收机的基本组成一、雷达接收机的基本原理和组成图(b)示出了二次变频接收机前端的组成框图。在实际应用中，还需要根据雷达的总体要求和结构布局进行适当的调整或增减。RFSTC和预选器的位置应根据接收机总动态范围和抗干扰要求来安排，可以放置在低噪声放大器之前，也可以放在其后。在有些应用(如波段至毫米波波段等)中为了减小馈线损耗，需要将低噪声放大器置于靠近天线的接收机输入口，低噪声放大器后随的长线输出则需要补偿放大器进行补偿。2.雷达接收机的基本组成一、雷达接收机的基本原理和组成2.中频接收机中频接收机的组成框图如图3.3所示。图3.3(a)为具有对数放大和“零中频”的中频接收机组成框图，这是近年来雷达中频接收机最常用的中频接收机组成框图。图3.3(a)中采用模拟脉冲压缩滤波器(表声脉压)，表声脉压输出的一路送至对数放大检波，通常对数放大器具有80~90dB的动态范围；另一路经过可编程数控衰减器后，送至零中频鉴相器(又称为正交相位检波器)，它输出同相基带信号I(t)和正交基带信号Q(t)，而参考信号则是由相干振荡器(COHO)提供的。零中频鉴相的优点是电路简单，缺点是IQ的正交度和振幅平衡度较差。声表面波(SAW)脉冲压缩滤波器是目前常用的模拟脉冲压缩电路。随着数字技术和数字信号处理(DSP)芯片的不断发展，现代雷达大多数都采用数字脉压技术来实现脉冲压缩，数字脉压最大的优点是精度高，能进行波形捷变，而波形捷变则是现代雷达抗干扰的重要措施。2.雷达接收机的基本组成一、雷达接收机的基本原理和组成图3.3(b)是中频直接采样接收机组成框图，它直接用AD变换器对中频信号进行采样，然后进行I/Q分离，输出为同相数字信号(n)和正交数字信号Q(n)，并将其送至数字信号处理器。现代雷达大多数都采用中频直接采样接收机，这种方案的最大优点是IQ的正交度和幅度平衡度可以做得很高。此外，随着A/D变换器位数的不断增加(如14～16位)，可以使接收机的瞬时动态范围不断提高。2.雷达接收机的基本组成一、雷达接收机的基本原理和组成3.频率源频率源是雷达接收机的一个重要组成部分。图3.4示出了早期雷达接收机中的非相参雷达频率源原理框图，它主要由具有一定频率稳定度的本机振荡器(如反射式速调管振荡器或压控振荡器)、相干振荡器和自动频率控制(AFC)电路组成。2.雷达接收机的基本组成一、雷达接收机的基本原理和组成图3.5示出了典型的全相参雷达频率源组成原理框图，它主要由基准源、频率合成器、波形产生器和发射激励器(含上变频和预放大器)等部分组成。波形产生器能实现波形捷变，频率合成器输出高稳定全相参的本振频率、相干振荡频率和全机时钟等。频率合成器是全相参频率源的核心部分，它可以用直接合成和间接合成(锁相技术)的方法来实现。2.雷达接收机的基本组成02雷达接收机的主要质量指标PARTTWO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2.接收机的工作频带宽度和滤波特性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，如频率捷变雷达和成像雷达(SAR)要求接收机的工作频带宽度为10%~20%。接收机的工作频带宽度主要取决于高频部件（馈线系统、高频放大器和频率源等）的性能。滤波特性是接收机的重要质量指标。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。中频的选择与发射信号波形的特性、接收机工作带宽及高频和中频部件的性能有关。中频的选择范围可在30MHz～4GHz之间。对于宽频带工作的接收机应选择较高的中频。在现代雷达中大多采用二次甚至三次变频方案。当需要在第二中频增加某些信号处理功能时，如声表面波（SAW）脉冲压缩滤波器、对数放大器等，从技术实现考虑，第二中频选择在30~500MHz更为合适。

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4.频率源的频率稳定性和频谱纯度频率源是接收机的一个十分重要的组成部分。这里所指的主要是频率源的本振信号。本振的频率稳定度和频谱纯度直接影响到雷达系统在强杂波中对运动目标的检测和识别能力，即雷达系统的改善因子。雷达频率源的频率稳定度主要是短期频率稳定度，一般是mS量级。短期频率稳定度通常用单边带相位噪声功率密度来计量。频谱纯度主要是频率源的杂波抑制度和谐波抑制度。在机载雷达中，还需要考虑本振信号的频谱宽度，而频谱宽度是和单边带相位噪声谱密度相关的。二、雷达接收机的主要质量指标5.幅度和相位的稳定性在现代雷达接收机中，接收机的幅度和相位稳定性十分重要。幅度和相位稳定性主要包括常温稳定性、宽温稳定性、宽频带稳定性及在振动平台上的稳定性等。在单脉冲跟踪雷达中，幅度和相位的不稳定性直接影响高低角和方位角的测角精度；在多波束三坐标雷达及频率扫描和相位扫描三坐标雷达中，幅度和相位的不稳定性直接影响测高精度；在相控阵雷达中，收发(T/R)组件的幅度和相位误差会使相控阵天线的副瓣电平增大。03PARTTHREE常规雷达接收机和现代雷达接收机三、常规雷达接收机和现代雷达接收机雷达接收机发展的早期，曾出现过超再生式接收机、晶体视频放大接收机和调谐式接收机等。自从超外差式接收机问世以后，由于它具有灵敏度高、选择性好和抗干扰能力强等优点，目前几乎所有雷达系统都采用超外差式接收机。虽然现代雷达接收机都采用超外差式接收机体制，然而根据雷达用途和体制的不同，接收机的分类和组成形式各种各样。比较典型的雷达接收机有:单通道接收机；双通道接收机；单脉冲雷达接收机（振幅和差三通道单脉冲接收机或相位和差三通道单脉冲接收机)；三坐标雷达接收机；堆集波束雷达接收机；相控阵雷达接收机；机载火控/制导雷达接收机；机载预警雷达接收机；机载成像（SAR）雷达接收机和气象雷达接收机等。而数字雷达接收机、模块化雷达接收机和软件雷达接收机是现代雷达接收机的重要发展方向。1.雷达接收机的分类三、常规雷达接收机和现代雷达接收机目前普遍使用的常规雷达接收机有以下几种：早期脉冲雷达接收机；振荡式发射机动目标显示雷达接收机和典型的全相参雷达接收机等。图3.8示出了早期超外差式脉冲雷达接收机原理框图。图中发射机采用大功率射频振荡器直接产生所需的射频功率。接收机为最简单的超外差式接收机，本机振荡器（简称本振）般为高频微波振荡器（如反射式速调管振荡器或压控振荡器)。来自天线的射频回波信号经高频放大、混频、中频放大、检波视放后，将视频回波信号送至显示器。2.常规雷达接收机三、常规雷达接收机和现代雷达接收机图3.10示出了具有放大链的全相干雷达接收机的原理框图。发射信号由射频功率放大链输出，稳定本振为高稳定的频率合成器。因为射频信号、本振信号、相干基准信号、时钟信号等都是以一个高稳定晶体振荡器为基准、通过频率合成器产生的，所以这些信号之间有确定的相位关系，因此又称为全相干(或全相参）雷达接收系统。2.常规雷达接收机三、常规雷达接收机和现代雷达接收机1．典型的现代雷达全相干接收机图3.11示出了典型的现代雷达全相干接收机原理框图。图中所示发射机由射频放大链和脉冲调制器组成；接收机为典型的数字接收机，由高频前端、中频放大器、A/D变换器和数字鉴相器等组成。中频接收机输出的同相和正交数字信号送至数字信号处理器。频率源由高稳定的基准源、频率合成器、波形产生器和发射激励等部分组成。波形产生器产生本振信号、相干振荡信号、全机时钟和发射激励信号，这些信号频率之间具有确定的相位关系，因此是全相参体制。此外，波形产生器可以产生多种信号波形或捷变频信号波形。3.现代雷达接收机三、常规雷达接收机和现代雷达接收机2.16通道数字波束形成（DBF)接收机随着雷达体制和接收机微电化和模块化的迅速发展，多通道接收机的应用更加普遍。近年来发展很快的数字波束形成(DBF）接收机具有相扫多波束和同时多波束等多种功能。接收机的通道数可从十几路到数十路。图3.13示出了一种典型的16通道DBF接收机组成框图。图3.13中采用了三次变频方案，这是因为第三中频频率的选择必须考虑声表面波器件(SAWD)脉冲压缩滤波器的工作频率和A/D变换器的采样频率。随着AD变换器性能的不断提高，目前的DBF接收机通过一次或二次变频即可进行中频直接采样和数字鉴相，而脉冲压缩则在数字信号处理器中完成。3.现代雷达接收机三、常规雷达接收机和现代雷达接收机3.现代雷达接收机三、常规雷达接收机和现代雷达接收机5．气象雷达接收机气象雷达需要检测的目标是云雨，它不仅要测量云雨的位置、范围，更重要的是还要测量云雨的强度和移动速度。一般来说，云雨回波的强度变化很大，这就要求气象雷达接收机具有不失真地接收大动态气象回波的能力。此外，为了获得较高的测速精度、较好的杂波抑制和相干积累效果，要求频率合成器输出的本振频率和各种参考信号（标定信号、时钟等）必须具有很高的频率稳定度。图3.15给出了气象雷达接收机的原理框图。3.现代雷达接收机04PARTFOUR接收机的噪声系数和灵敏度四、接收机的噪声系数和灵敏度

1.接收机的噪声四、接收机的噪声系数和灵敏度

1.接收机的噪声四、接收机的噪声系数和灵敏度1.接收机的噪声

四、接收机的噪声系数和灵敏度

2.噪声系数和噪声温度四、接收机的噪声系数和灵敏度

2.噪声系数和噪声温度四、接收机的噪声系数和灵敏度

2.噪声系数和噪声温度四、接收机的噪声系数和灵敏度3.接收机灵敏度

四、接收机的噪声系数和灵敏度3.接收机灵敏度05PARTFIVE接收机的高频部分五、接收机的高频部分超外差式雷达接收机的高频部分主要由收发（TR）开关、接收机保护器、高频放大器、混频器和前置中频放大器等部分组成。图3.28示出了一次变频的接收机高频部分，因为这些高频部件位于接收机的前端，所以通常简称为“接收机前端”。由雷达方程，见第1章式（1.1.2)，可知当雷达其他参数不变时，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、质量和成本，显然前者有利。因此，多年来一直重视低噪声高频放大器的研究。近年来，微波砷化家场效应低噪声放大器(GaAsFETA)已广泛应用于各种雷达接收机的前端。GaAsFET具有噪声低、动态范围大和稳定性好等特性，可以说已经基本解决了长期存在的雷达接收机高频低噪声放大器的这些难题。1.概述五、接收机的高频部分近年来，在3GHz以下的频率范围，普遍采用微波双极型晶体管场效应放大器，其噪声系数为0.8~4.0dB，单级增益为10~20dB。由于它具有低噪声和高增益性能，而且体积小、质量轻、耗电省等优点，目前仍在广泛应用中。但在3GHz以上，由于特征频率有限使其性能下降很快。当前，微波砷化镣场效应低噪声放大器(GaAsFETA)己被广泛应用在各种雷达接收机中。GaAsFETA具有低噪声、大动态范围和稳定好的优点。近年来采用成熟的网络理论进行匹配网络设计以及采用先进的CAD技术以后，使GaAsFETA已实现在20%相对带宽稳定工作，甚至在倍频程、多倍频程带宽也能获得优良的性能。由于场效应管(FET)特别适合在GaAs衬底上实现单片集成电路(MMIC)，GaAsFETA也被广泛应用于相控阵雷达的标准化T/R模块中。自20世纪90年代，在GaAsFET的基础上，出现了高电子迁移率场效应管(HEMT)，也称为异质结构效应管(HFET)。与GaAsFET相比，HEMT的噪声系数更低，增益和工作频率更高，它将成为微波和毫米波段首选的低噪声放大器。2.低噪声高频放大器06PARTXIS接收机的动态范围和增益控制六、接收机的动态范围和增益控制

1.动态范围六、接收机的动态范围和增益控制

1.动态范围六、接收机的动态范围和增益控制

1.动态范围六、接收机的动态范围和增益控制1.动态范围

六、接收机的动态范围和增益控制1.灵敏度时间控制(STC)灵敏度时间控制(STC)又称为近程增益控制，它用来防止近程干扰使接收机过载饱和。在远距离时使接收机保持原来的增益和灵敏度，以保证正常发现和检测小目标回波信号。STC电路的基本原理是：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，控制接收机的增益按此规律变化。因此STC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，它可以使接收机不受近距离的杂波干扰而过载。2.接收机的增益控制六、接收机的动态范围和增益控制2.AGC的基本组成AGC的典型组成如图3.40所示。它主要由门限电路、脉冲展宽电路、峰值检波器和低通滤波器、直流放大器和隔离放大器等组成。在大多数雷达接收机中都采用这种典型的AGC电路。2.接收机的增益控制六、接收机的动态范围和增益控制3.瞬时自动增益控制（IAGC)瞬时自动增益控制(IAGC)是一种有效的中频放大器抗过载电路，它能够防止由于等幅波干扰、宽脉冲干扰和低频调幅波干扰等引起的中频放大器过载。图3.41示出了瞬时自动增益控制电路的组成框图。它和一般的AGC电路原理相似，也是利用反馈原理将输出电压检波后去控制中放级，自动地调整放大器的增益。2.接收机的增益控制六、接收机的动态范围和增益控制1.对数放大器的振幅特性图3.44示出了实际的对数放大器的特性，一般实际的对数放大器是线性——对数放大器，图3.44(a)示出了它的振幅特性，其表达式如下:3.对数放大器六、接收机的动态范围和增益控制

3.对数放大器六、接收机的动态范围和增益控制

3.对数放大器07自动频率控制PARTSEVEN七、自动频率控制

1.概述1.差频式AFC的工作原理差频式AFC的工作原理框图如图3.46所示，主要由AFC电路、本机振荡器、混频器和中频放大器组成。1.自动频率控制(AFC)的原理七、自动频率控制

2.自动频率控制(AFC)的原理七、自动频率控制2.自动频率控制(AFC)的原理七、自动频率控制

3.AFC的搜索状态AFC的搜索状态框图如图3.50所示。它有两种状态一—频率搜索和频率跟踪状态，并能由停振器自动控制其转换。当停振器输入电压的幅度不够大或极性不对时，使锯齿波发生器产生周期性锯齿波电压。锯齿波电压经放大后，加到本机振荡器的电压控制端，进行频率搜索，只有当停振器输入电压大于某一正值时才使锯齿波发生器停振，这时停振器转为直流放大器，AFC系统转为频率跟踪状态。对于具有AFC系统的雷达来讲，刚开机时AFC一般都处于搜索状态，只有搜索到对应的中频频率已落入中频带宽之内时，AFC才转换为跟踪状态。2.自动频率控制(AFC)的原理七、自动频率控制08PARTEIGHT匹配滤波器和相关接收机S八、匹配滤波器和相关接收机匹配滤波器是在白噪声背景中检测信号