雷达基本原理3-雷达接收机

第3章雷达接收机第3章雷达接收机章节内容要点：天线简述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雷达接收机的高频部分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第3章雷达接收机第3章雷达接收机第3章雷达接收机第3章雷达接收机第3章雷达接收机第3章雷达接收机第3章雷达接收机第3章雷达接收机第3章雷达接收机第3章雷达接收机第3章雷达接收机第3章雷达接收机第3章雷达接收机第3章雷达接收机第3章雷达接收机第3章雷达接收机第3章雷达接收机第3章雷达接收机第3章雷达接收机第3章雷达接收机第3章雷达接收机第3章雷达接收机第3章雷达接收机第3章雷达接收机第3章雷达接收机第3章雷达接收机第3章雷达接收机第3章雷达接收机第3章雷达接收机3.1雷达接收机的组成和主要质量指标3.1.1超外差式雷达接收机的组成l接收机的任务雷达接收机的任务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: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第3章雷达接收机图3.2超外差式雷达接收机的一般方框图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)cossin90°第3章雷达接收机第3章雷达接收机第3章雷达接收机第3章雷达接收机第3章雷达接收机第3章雷达接收机第3章雷达接收机•混频器的干扰•组合频率干扰0ksifpfqff0000sisisisipfqffpfqffpfqffpfqff0isfff如取则：1sipffqp第3章雷达接收机•当干扰频率fn与本振f0满足下面关系：•同样，当取•则，干扰频率为00ninipfqffpfqff0ifffn01[]nifpffq1[(1)]nsifpfpfq0,11,1nipqffpq得到的中频干扰得到镜频干扰第3章雷达接收机第3章雷达接收机第3章雷达接收机第3章雷达接收机第3章雷达接收机第3章雷达接收机第3章雷达接收机第3章雷达接收机第3章雷达接收机第3章雷达接收机第3章雷达接收机3.1.21.灵敏度灵敏度表示接收机接收微弱信号的能力。超外差式雷达接收机的灵敏度一般约为(10-12~10-14)W.图3.3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时可以工作，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取为最小可检测信号功率Simin,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3章雷达接收机4.中频的选择和滤波特性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。在中频的选择可以从30MHz到4GHz之间。如何选择接收机的中频？短波接收机为什么选在465KHz？在白噪声(即接收机热噪声)背景下应该选择何种滤波方式？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。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,抗有源干扰和无源干扰是雷达系统的重要任务之一。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，成本也比较低。第3章雷达接收机接收机噪声的概率特性3.2接收机的噪声系数和灵敏度第3章雷达接收机•对数接收器具有恒虚警的特性第3章雷达接收机第3章雷达接收机第3章雷达接收机第3章雷达接收机第3章雷达接收机第3章雷达接收机第3章雷达接收机2.额定噪声功率第3章雷达接收机4.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。这个频带Bn称为“等效噪声功率谱宽度”,一般简称“噪声带宽”。因此,噪声带宽可由下式求得:nnonoBfpdffp)()(00(3.2.7)BnPno(f0)ofPno(f)第3章雷达接收机3.2.2噪声系数和噪声温度1.噪声系数噪声系数的定义是:接收机输入端信号噪声比与输出端信号噪声比的比值。ooiiNSNSF//(3.2.9)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。接收机线性电路Ga～EsA～EsiRASiNiSoNoRL第3章雷达接收机式(3.2.9)可以改写为aioGNNF(3.2.10)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: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3章雷达接收机实际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ΔN,即No=NiGa+ΔN=kT0BnGa+ΔN将No代入式(3.2.10)可得anGBkTNF01(3.2.11)(3.2.12)第3章雷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。②噪声系数只由接收机本身参数确定。③噪声系数F是没有单位的数值,通常用分贝表示F=10lgF(dB)(3.2.13)第3章雷达接收机④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。由于具有损耗电阻,因此也会产生噪声,下面求其噪声系数。niBkTN0图3.9无源四端网络无源四端网络GaRARLnoBkTN0aaioGGNNF1第3章雷达接收机2.等效噪声温度接收机外部噪声可用天线噪声温度TA来表示,接收机外部噪声的额定功率为NA=kTABn(3.2.18)把接收机内部噪声在输出端呈现的额定噪声功率ΔN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ΔN=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内部噪声的“理想接收机”,其等效电路见图3.10。理想接收机GaRARLTeTA0011enaenakTBGTFkTBGT0AeTTT第3章雷达接收机3.2.3级联电路的噪声系数为了简便,先考虑两个单元电路级联的情况,如图3.11所示。图中F1、F2和G1、G2分别表示第一、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F0,先求实际输出的额定噪声功率No。由式(3.2.10)可得No=kT0BnG1G2F0而2012NNNo(3.2.24a)(3.2.24b)F1，G1，BnF2，G2，BnNo＝No12＋N2Ni＝kT0Bn第3章雷达接收机No由两部分组成:一部分是由第一级的噪声在第二级输出端呈现的额定噪声功率No12,其数值为kT0BnF1G1G2,第二部分是由第二级所产生的噪声功率ΔN2,由式(3.2.12)可得ΔN2=(F2-1)kT0BnG2(3.2.25)于是式(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的总噪声系数12101GFFF(3.2.26)anGBkTNF01第3章雷达接收机320111211FFFFGGG三级级联推导第3章雷达接收机同理可证,n级电路级联时接收机总噪声系数为1212131210....1.....11nnGGGFGGFGFFF(3.2.27)为了使接收机的总噪声系数小,要求各级的噪声系数小、额定功率增益高。而各级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3章雷达接收机图3.12典型雷达接收机的高、中频部分馈线接收机放电器限幅器低噪声高放混频器中频放大器自天线Gf1/GfGg1/GgGl1/GlGRFRGcFcGIFI至检波器F1,GfGgGI,BnF2,GRGCGI,Bn将图3.12中所列各级的额定功率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:cRRcRgfGGFGFFGGGF111110(3.2.28)第3章雷达接收机一般都采用高增益(GR≥20dB)低噪声高频放大器,因此式(3.2.28)可简化为10GGGFFgfR(3.2.29)若不采用高放,直接用混频器作为接收机第一级,则可得cgfcGGGGFtF1101(3.2.30)式中tc为混频器的噪声比,本振噪声的影响一般也计入在内。第3章雷达接收机3.2.4接收机灵敏度接收机的灵敏度表示接收机接收微弱信号的能力。灵敏度用接收机输入端的最小可检测信号功率Simin来表示。第3章雷达接收机已经知道,接收机噪声系数F0为ooiiNSNSF//0(3.2.32)或者写成ooiiNSFNS0(3.2.33)此时,输入信号额定功率为ooiiNSFNS0(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ooniNSFBkTS00(3.2.35)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功率,即接收机实际灵敏度为min00minooniNSFBkTS(3.2.36)通常,我们把(So/No)min称为“识别系数”,并用M表示,所以灵敏度又可以写成MFBkTSni00min(3.2.37)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功率Simin,应做到:①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;②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噪声比;③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,尽量减小M的数值。第3章雷达接收机为了比较不同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00minFBkTSni(3.2.38)雷达接收机的灵敏度以额定功率表示,并常以相对1mW的分贝数计值,即)(10)(lg10)(3minmindBmWWSdBmWSii(3.2.39)一般超外差接收机的灵敏度为-90~-110dBmW。第3章雷达接收机3.3雷达接收机的高频部分图3.14雷达接收机的高频部分发射机接收机保护器低噪声高放本机振荡收发开关(T/R)前置中放天线混频器至主中放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