第三章雷达接收机

内容提要接收机的任务和组成接收机的主要质量指标接收机的噪声系数和灵敏度接收机的高频部分本机振荡器和自动频率控制接收机的动态范围和增益控制滤波和接收机带宽雷达接收机的任务通过适当的滤波将天线接收到的微弱高频信号从伴随的噪声和干扰中选择出来，并经过放大和检波后，送至显示器、信号处理器或由计算机控制的雷达终端设备中。微弱信号放大噪声和干扰滤波高频信号检波（解调）接收机结构超外差式接收：将接收信号与本机振荡电路的振荡频率，经混频后得到一个中频信号，这称为外差式接收。得到固定的中频信号后再经中频放大器放大的，称为超外差式。中频信号经检波后得到视频信号。1、在中频上要比在射频上更容易得到所需的滤波器形状、带宽、增益和稳定性。2、减小半导体闪烁噪声（1/f噪声）的影响，提高接收机灵敏度灵敏度高增益高选择性好适用性广超外差接收机的优点雷达接收机几乎都是超外差式。接收机保护器低噪声高频放大器混频器本振中频放大器检波器视频放大器高频输入至终端设备高频部分超外差式雷达接收机组成基本框图简化框图1、高频部分，又称接收机前端，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、中频放大器，包括匹配滤波器3、检波器和视频放大器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°同步检波器检波器灵敏度放大倍数（增益）动态范围中频的选择和滤波特性抗干扰能力工作稳定性接收机的主要质量指标衡量接收机接收（检测）微弱信号的能力。通常用最小可检测信号功率Simin表示。能检测的信号越微弱,则接收机的灵敏度越高,因而雷达的作用距离就越远。1.灵敏度1/4max2min(4π)tiPGARS1.灵敏度如果不存在噪声，则不管目标回波有多小，理论上都能够检测到。但实际系统都不可避免地存在噪声，因此接收机的输入信号功率如果低于噪声水平，目标就会完全淹没在噪声中，从而不可能被可靠地检测出来。最小可检测功率不仅与噪声有关，还有要求的检测概率和虚警概率有关能量信号噪声目标距离能量信号噪声目标距离1.灵敏度目前,超外差式雷达接收机的灵敏度一般约为(10-14~10-12)W,保证这个灵敏度所需增益约为120dB~160dB(放大倍数106~108),这一增益主要由中频放大器来完成。表示接收机放大信号的能力若用对数表示，则称为增益G=20lgK雷达接收机的电压放大倍数一般为倍相应的增益为120-180dB2.放大倍数（增益）106~1093.动态范围定义：接收机能够正常工作所容许的输入信号强度变化范围。在接收机内部噪声电平一定的条件下，信号太弱便不能检测；信号太强，接收机会发生饱和过载，使目标回波显著减小，甚至丢失。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4.中频的选择和滤波特性中频选择与发射波形特性、接收机的工作带宽、所能提供的高频部件和中频部件的性能有关。一般在30M-500MHz滤波特性---是减小接收机噪声的关键输出信噪比最大化---匹配滤波5.接收机的噪声系数内部噪声接收机内部器件产生的噪声。外部噪声由天线进入接收机的各种人为干扰、天电干扰、工业干扰、宇宙干扰和天线热噪声等。接收机的噪声来源电阻热噪声起伏噪声电压均方值nnkTRBu42由导体中自由电子的无规则热运动形成k为波尔兹曼常数，k=1.28*10^(-23)J/K,T为电阻绝对温度，R为电阻阻值，Bn为带宽额定噪声功率额定信号功率负载阻抗与信号源内阻匹配时，信号源输出的信号功率最大22()24nnouuNRRR～un＝4kTRBnN0Z*＝R－jXZ＝R＋jX2RRs额定噪声功率204nnuNkTBR任何无源二端网络的额定噪声功率只与其温度T和通带Bn有关。～un＝4kTRBnN0Z*＝R－jXZ＝R＋jX2RRs噪声系数的定义定义：接收机输入端信号噪声比和输出端信号噪声比的比值。00iiSNFSN它表示由于接收机内部噪声的影响，使接收机输出端的信噪比相对其输入端的信噪比变化的倍数。Ga,△NSi/NiSo/No噪声系数的另一定义：实际接收机输出的额定噪声功率与“理想接收机”输出的额定噪声功率之比。00ianaNNGNkTBGN001ianaNNFNGkTBG01naNFkTBG00000iiiiiaSNNNFSNNSSNGGa,△NNiNo接收机内部噪声在输出端所呈现的额定噪声功率关于接收机噪声系数的几点说明1.噪声系数只适用于接收机的线性电路和准线性电路。(非线性电路,需要考虑输出信号与噪声的交叉项)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在室温290K时产生的热噪声为标准。噪声系数只由接收机本身参数确定。3.噪声系数没有单位。通常用分贝表示4.无源四端网络的噪声系数1=oiaaNFNGG无源四端网络GaRARLNi=kT0BnNo=kT0Bn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,如果用额定功率来计量,接收机外部噪声的额定功率为NA=kTABn为了更直观地比较内部噪声与外部噪声的大小,可以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”理想接收机GaRARLTeTAaneGBkTN0(1)(1)290eTFTFK噪声温度理想接收机GaRARLTeTA01naNFkTBG系统噪声温度TSeAsTTT对于低噪声接收机和低噪声器件，常用噪声温度来表示其噪声性能。表3.2，P57理想接收机GaRARLTeTA级联电路的噪声系数F1，G1，BnF2，G2，BnNo＝No12＋N2Ni＝kT0Bn0012iNFNGG012122iNNGGNGN根据定义，有实际输出噪声有三部分组成11011nNFkTBG22021nNFkTBG其中级联电路的噪声系数两级电路级联时接收机总噪声系数3201112121111nnFFFFFGGGGGG20111FFFGn级电路级联时接收机总噪声系数为重要结论：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。因此，接收机要采用高增益低噪声高频放大器。3201112121111nnFFFFFGGGGGG噪声系数计算举例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10111cRfglRRcFFFFGGGGGG0RfglFFGGG011IcfglcFFFGGGG骣-÷ç÷ç=+÷ç÷÷ç桫无低噪声高放GR≥20dB用噪声温度Te表示：321112121nenTTTTTGGGGGG3201112121111nnFFFFFGGGGGG320111212111111nnFFFFFGGGGGG32001000011212111111nnFFFFTFTTTTGGGGGG接收机灵敏度衡量接收机接收（检测）微弱信号的能力。在虚警概率一定条件下，要使检测概率较高，信噪比不能太低接收机SiNiSoNo接收机灵敏度miniSminooSN000iiSNFSN00min00000minminiinSSSFNkTBFNNminooooSSNN000miniiooSSNSNFN0minoiioSSFNN接收机灵敏度0,min00min000()innSSkTBFkTBFMN识别系数提高接收机灵敏度的措施接收机中频放大器采用匹配滤波器，得到白噪声背景下输出最大信号噪声比。尽量降低接收机的总噪声系数F0,,尽量采用高增益、低噪声高放识别系数M与所要求的检测质量、采用的检测方法、天线波瓣宽度、扫描速度、雷达脉冲重复频率等均有关系。在保证整机性能的前提下，尽量减小M的数值。,min00inSkTBFM临界灵敏度,min00inSkTBFM令M=1,min00inSkTBF,min,min3,min0(dBmW)10lg(dBmW)10(dBmW)114dB10lg()10lgiiinSSSBMHzF图3.13，P60对数表示一般接收机的灵敏度在-90~-110dBmW雷达接收机的高频部分收发开关接收机保护器发射机低噪声高放本机振荡前置中放混频器天线至主中放接收机的“前端”收发转换开关接收机保护电路高频放大器混频器本级振荡器收发转换开关功能：发射时，使天线与发射机接通，同时与接收机断开，避免高功率发射信号进入接收机把高放或混频器烧毁。接收时，使天线与接收机接通，同时与发射机断开，以免因发射机旁路而使微弱的接收信号受损失。组成：高频传输线+气体放电管(传统)种类：分支线型收发开关平衡式收发开关铁氧体环形器收发转换开关---分支线型TR气体放电管ATR接收机保护放电器发射机隔离放电器大功率小功率大功率小功率等效电路收发转换开关---分支线型高频传输线44高频传输线和气体放电管组成分支线型收发开关发射机ATRTR接收机4a′b′ab4天线4收发转换开关---分支线型收发转换开关---平衡式天线假负载接收机保护器TR1和TR2发射机3dB裂缝桥12(a)TR1和TR23dB裂缝桥43假负载接收机保护器432天线发射机(b)13dB裂缝桥天线假负载接收机保护器TR1和TR2发射机3dB裂缝桥12(a)TR1和TR23dB裂缝桥43假负载接收机保护器432天线发射机(b)11234气体放电管大功率小功率平衡式收发开关原理天线假负载接收机保护器TR1和TR2发射机3dB裂缝桥12(a)TR1和TR23dB裂缝桥43假负载接收机保护器432天线发射机(b)1收发转换开关---平衡式发射机TR管(有源或无源)二极管限幅器TR限幅器天线2341铁氧体环行器至接收机收发转换开关---环形器优点：功率大、损耗小缺点：隔离度差（20-30dB）高频放大器超低噪声的非致冷参量放大器低噪声晶体管放大器目的：降低接收机噪声系数要求：低噪声、高增益混频器目的：fHfI关键：HLcos2cos2ftftHLcos2fft乘法器？HLcos2cos2ygftft实现：g为非线性函数非线性电路选频回路本振混频器信号输入中频输出fHfI=fH-fLfL寄生频率镜频干扰HLIfff有用信号频率HILI2ffff干扰信号频率fLfHfH-2fI滤波器滤波器fLfHfH-2fI镜像频率无影响：镜像频率有影响：自动频率控制(AFC)输入高频信号fH本机振荡信号fL混频器输出中频信号fI中频滤波放大fI=fH-fLfH:磁控管振荡器的预热漂移、温度漂移、负载变化引起的频率拖曳效应以及电子频移；fL:电源变化、温度变化引起本机振荡器的频率漂移自动频率控制(AFC)目标：使发射信号频率与本机振荡器频率之差保持为正确的中频。根据其自动频率控制的对象不同,控制方式分为两类：早期脉冲振荡型雷达：控制由反射式速调管和压控振荡器构成的本机振荡器(fH)。现代脉冲振荡型雷达：采用不可调谐的稳定本振，控制磁控管的频率(fL)。现代脉冲调制雷达中的自动频率控制调谐马达可调谐磁控管振荡器稳定本振搜索/转换跟踪器峰值检波器视频放大器鉴频器中频放大器AFC混频器至天线转换开关频率跟踪状态时,鉴频器根据