2015-雷达原理第三讲

第三章雷达发射机和接收机第一部分：发射机第二部分：接收机雷达发射机发射机的功能产生所需的某功率电平的射频信号发射机分类单级振荡式主振放大式雷达发射技术对雷达频率源产生的小功率射频信号进行放大或直接自激振荡产生高功率雷达发射信号的一种综合技术单级振荡式优点：简单、经济、轻便缺点：频率稳定度差、难以形成复杂波形、相位不相参主振放大式优点：频率稳定度高、可以形成复杂波形、相位相参、适于频率捷变缺点：结构复杂，效率低高性能发射机的要求发射信号必须是相参的发射信号脉间必须是高稳定的具备发射多种复杂波形的能力抗干扰的能力采用宽带发射机（10%）捷变频工作方式发射机的主要指标1、工作频率（频段）、带宽工作频率在S波段以下的发射机大多选用全固态发射机频率的选用与雷达的用途有关C、X波段及以上大功率发射机仍以真空管为主，但（GaAsFET）砷化镓场效应管制造技术的发展，使这些波段的全固态发射机成为可能。瞬时带宽的要求决定放大管的类型瞬时带宽信号带宽频带内输出功率的变化应小于1dB瞬时带宽：窄带：选用三极管、四极管、速调管等宽带：行波管、前向波管、行波速调管、GaAsFET等发射机的主要指标2、输出功率功率：几毫瓦～几太瓦峰值功率、平均功率、占空比rT发射信号taverPPTrDT占空比or雷达工作比发射机的主要指标3、发射机的效率连续波雷达发射机效率：20～30％定义：发射机输出高频功率发射机输入功率（供电，包括冷却用电）脉冲雷达发射机效率优于通常峰值功率越高、占空比越小，效率越低效率比较：速调管、行波管发射机+磁控管、前向波放大管发射机++分布式全固态发射机+++发射机的主要指标4、信号形式脉冲宽度：ps,ns～msa)固定载波的矩形脉冲调制信号0.9A0.1A上升沿下降沿b)线性调频信号(LFM)4、信号形式AfttBf1f2LFM:大时宽带宽信号，解决了普通信号中大占空比与距离分辨率间的矛盾。发射峰值功率小。其最大优点在于抗多普勒平移干扰。)(2cos)(tftAtx,3,2,1,0,,0)(1nnTnTttfftfrrdr脉冲压缩比1BD射频隐身的关键相位编码4、信号形式（5位巴克码信号）码字的随机性对信号进行扩频，降低了单位频带内的信号能量，提高了距离和多普勒分辨。二相码：180dg.四相码:90dg.4、信号形式码元长度码元副主峰比（dB）-20lgN2+-,++-6.03++--9.54++-+,+++--12.05+++-+-14.07+++--+--16.911+++---+--+--20.813+++++--++-+-+-22.3相位编码巴克码LFM和PSK复合信号FSK&PSKOFDM&PSK其它的信号形式5、信号的稳定度5、信号的稳定度ffcfm不对称性和随机性针对分布型分量的频谱纯度（dB/Hz）：分布性频谱的每单位频带上的单边带功率与载频功率的比值B()10lg10lg(B)(dB/Hz)mLf带宽内的单边带功率载频功率典型要求：－80dB针对离散型分量的频谱纯度（dB/Hz）：该离散分量的单边带功率与信号载频功率的比值波形的产生主要针对线性调频信号有源法模拟产生方法压控振荡器称为调频器，用以产生调频信号利用压控振荡器（VCO）产生调频波，控制电压按所需的调频规律变化VCO:VoltageControlledOscillator波形的产生无源法关键：展宽滤波器的设计()iS()oS波形的产生()()()oiSSH无源法1()()()2jtoiStSHed激励信号的选择标准：使扩展后的信号满足线性调频的要求0sin2()cos2dridrftSttftWavecandidate波形的产生声表器件必须是色散的利用声表器件的脉压能达到－40dB左右频率范围：几百兆赫兹声表延迟线压电效应产生电信号电压效应产生形变，产生超声波波形的产生优点：产生波形灵活，对数字电路要求不高数字产生方法缺点：幅相平衡的问题，导致镜像虚假信号和载波泄漏，从而影响脉压基带产生法波形的产生数字产生方法基于DDS(直接数字频率合成器)的波形产生波形的产生DDS的基本原理根据正弦函数的产生，从相位出发，不同的相位对应不同的电压幅度，然后滤波平滑出所需的频率。STANFORD公司的Stel-1173、2173、2171等Qualcomm公司的Q2334、Q2220、Q2230等AD公司的产品常用雷达发射机根据平台划分地面雷达发射机发射功率高窄带：高增益和高功率的速调管宽带：行波管放大器复合式发射机、全固态发射机舰载雷达发射机与地面雷达发射机相似常用雷达发射机机载雷达发射机发射功率：几千瓦～几十千瓦（峰值）几百瓦～几千瓦（平均值）通常采用行波管放大器星载雷达发射机通常采用体积小、重量轻的行波管放大器固态微波晶体管放大器第二部分雷达接收机雷达接收系统框图基本组成：接收前端、中频接收机、频率源天线雷达接收机（超外差式）超外差的定义：接收机利用一个或多个本振和混频器将接收到的回波变换成中频现代雷达接收机框图AGC电路AFC控制电路AGC:AutomaticgaincontrolAFC:Automaticfrequencycontrol雷达频率源的实现方法1、直接合成频率源用稳定的晶振作为参考频率源特点：频率转换速度快（10us）、稳定可靠输出相位噪声基底低体积大、成本高2、间接合成频率源锁相频率合成器PLL(phase-lockedloop)组成：高稳晶振参考源、鉴相器压控振荡器（VCO）、低通滤波器（LPF）特点：电路简单、原理复杂现代的频率源：宽频带、高稳定、能产生复杂波形雷达频率源的实现方法3、基于DDS的频率合成器DDS+PLLDDS直接频率合成器雷达接收机的主要性能指标1、灵敏度和噪声系数Si,min,F灵敏度受噪声电平的限制一般采用预选器、低噪声高频放大器和匹配滤波Si,min：10－12~10－14W2、选择性和信号带宽带宽越窄，选择性越好，抗干扰能力越差，采用滤波器组信号带宽：接收机的通频带雷达接收机的主要性能指标（续）3、稳定性频率源的稳定性和频谱纯度短期稳定性（ms）和长期稳定性4、动态范围和接收机的增益幅度和相位的稳定性：常温稳定性、宽温稳定性、振荡常温稳定性、宽频带常温稳定性minSmaxSoiSGS雷达接收机的主要性能指标（续）5、抗干扰能力JATS（JammingAnalysisandTransmissionSelection）：杂波分析和发射雷达接收机的主要性能指标（续）6、波形失真7、I/Q正交鉴相的正交度（重要）实现正交鉴相的方法：数字混频低通滤波法、数字插值法、Hilbert变换法NCO:NumericallyControlledOscillator雷达接收机的主要性能指标（续）I、Q通道不平衡)2sin()2cos()(tfjtftsiia)平衡时0,1tfjiets2)(f)(iffb)不平衡时)2()2(22221)(tfjtfjtfjtfjiiiieeeetstfjjtfjjiieeee22)1(21)1(21雷达接收机的主要性能指标（续）b)不平衡时tfjjtfjjiieeeets22)1(21)1(21)(fi点的信号的模值2cos2121121jdeA镜像点-fi的信号的模值2cos2121121jieAI/Q正交鉴相器对系统动态或改善因子的限制：)lg(20diAA接收机的噪声分析nBG,F,iiNS/ooNS/00//iiSNFSN噪声系数ioSSG接收机的功率增益iGNNF0噪声系数的大小与信号功率无关放大器不能放大信噪比！1FiGNN0信号和噪声放大了G倍，但没有引入新的噪声理想情况目的：获得级联系统的噪声系数1F等效噪声模型nBG,F,iiNS/ooNS/ioGSS:)(:ampioNNGN00//NSNSFii)(/)(/ampiiiiNNGGSNSiampiNNNinampTT1kTin290inampTFT)1(nampampBTkN等效噪声温度GiiNS/理想放大器级联形式下的噪声系数00//NSNSFiiioiiNNGGSS21n11B,G,FniBkTN0oNn22B,G,F'NiNGFN11'ioNGFGNN222')1(iiiNNGFNGGFGG2221121)1(12122211)1(GGGFGGF1211GFF1211GFFF1''//iiSNFSN''1iiSNFNSinampTFT)1(Recalling'2:()oampNGNNN级联121213121111NNGGGFGGFGFFF121213121NNeGGGTGGTGTTT接收机中的几种主要附属电路1、AGC（自动增益控制）目的：使目标信号输出维持稳定2、IAGC（瞬时自动增益控制）目的：防止信号太强，使干扰电压衰减，而维持目标信号的增益中放检波视放峰值检波器LPF输出放大器检波器控制电路输出关键：迅速建立控制电压ni为了不影响目标信号强度i:i控制电路的时间常数:n干扰持续时间接收机中的几种主要附属电路3、时间增益控制（灵敏度时间控制STC）目的：防止近程杂波引起的中频放大器过载4、AFC（自动频率控制）速调管振荡器所决定的本地振荡频率fL使偏置电压随时间的变化而变化混频AFC电路本机振荡器输出中放sfifiE判断与额定中频的偏差现代接收机的共性要求：宽频带、低噪声、大动态、高稳定数字化软件雷达A/D更靠近前端开放式、灵活性、标准化、模块化