第3章雷達(dá)接收機

1、第 3 章 雷 達(dá) 接 收 機 第 3 章 雷 達(dá) 接 收 機 3.1 雷達(dá)接收機的組成和主要質(zhì)量指標(biāo)雷達(dá)接收機的組成和主要質(zhì)量指標(biāo) 3.2 接收機的噪聲系數(shù)和靈敏度接收機的噪聲系數(shù)和靈敏度 3.3 雷達(dá)接收機的高頻部分雷達(dá)接收機的高頻部分 3.4 本機振蕩器和自動頻率控制本機振蕩器和自動頻率控制 3.5 接收機的動態(tài)范圍和增益控制接收機的動態(tài)范圍和增益控制 3.6 濾波和接收機帶寬濾波和接收機帶寬 第 3 章 雷 達(dá) 接 收 機 3.1 雷達(dá)接收機的組成和主要質(zhì)量指標(biāo)雷達(dá)接收機的組成和主要質(zhì)量指標(biāo) 3.1.1 超外差式雷達(dá)接收機的組成超外差式雷達(dá)接收機的組成 超外差式雷達(dá)接收機的簡化方框圖如

2、圖3.1所示。 它的主要組成部分是: (1) 高頻部分, 又稱為接收機“前端”, 包括接收機保護(hù)器、低噪聲高頻放大器、混頻器和本機振蕩器; (2) 中頻放大器, 包括匹配濾波器; (3) 檢波器和視頻放大器。 第 3 章 雷 達(dá) 接 收 機 圖3.1 超外差式雷達(dá)接收機簡化方框圖 接收機保護(hù)器低噪聲高頻放大器混頻器中頻放大器(匹配濾波器)檢波器視 頻放大器至終端設(shè)備本振高 頻 部 分高頻輸入第 3 章 雷 達(dá) 接 收 機 從天線接收的高頻回波通過收發(fā)開關(guān)加至接收機保護(hù)器, 一般是經(jīng)過低噪聲高頻放大器后再送到混頻器。在混頻器中, 高頻回波脈沖信號與本機振蕩器的等幅高頻電壓混頻, 將信號頻率降為中

3、頻(IF), 再由多級中頻放大器對中頻脈沖信號進(jìn)行放大和匹配濾波, 以獲得最大的輸出信噪比, 最后經(jīng)過檢波器和視頻放大后送至終端處理設(shè)備。 更為通用的超外差式雷達(dá)接收機的組成方框圖如圖3.2所示。 它適用于收、發(fā)公用天線的各種脈沖雷達(dá)系統(tǒng)。實際的雷達(dá)接收機可以不(而且通常也不)包括圖中所示的全部部件。 第 3 章 雷 達(dá) 接 收 機 圖3.2 超外差式雷達(dá)接收機的一般方框圖 收發(fā)開關(guān)低噪聲高頻放大器接收機保護(hù)器混 頻 器中頻放大器中頻增益衰減中頻濾波器線性放大器包絡(luò)檢波器同頻檢波器對數(shù)放大器限幅放大器相干本振相位檢波器發(fā)射機穩(wěn)定本振近程增益控制(STC)AGC視 頻 放 大 器天線uI(t)u

4、Q(t)cossin90第 3 章 雷 達(dá) 接 收 機 對于非相參雷達(dá)接收機, 通常需要采用自動頻率微調(diào)(AFC)電路, 把本機振蕩器調(diào)諧到比發(fā)射頻率高或低一個中頻的頻率。 而在相干接收機中, 穩(wěn)定本機振蕩器(STALO)的輸出是由用來產(chǎn)生發(fā)射信號的相干源(頻率合成器)提供的。 輸入的高頻信號與穩(wěn)定本機振蕩信號或本機振蕩器輸出相混頻, 將信號頻率降為中頻。 信號經(jīng)過多級中頻放大和匹配濾波后, 可以對其采用幾種處理方法。 對于非相干檢測, 通常采用線性放大器和包絡(luò)檢波器來為檢測電路和顯示設(shè)備提供信息。 當(dāng)要求寬的瞬時動態(tài)范圍時, 可以采用對數(shù)放大器檢波器, 對數(shù)放大器能提供大于80 dB的有效動

5、態(tài)范圍。 第 3 章 雷 達(dá) 接 收 機 對于相干處理, 中頻放大和中頻濾波之后有二種處理方法, 見圖3.2。第一種方法是經(jīng)過線性放大器后進(jìn)行同步檢波, 同步檢波器輸出的同相(I)和正交(Q)的基帶多卜勒信號提供了回波的振幅信息和相位信息。第二種方法是經(jīng)過硬限幅放大(幅度恒定)后進(jìn)行相位檢波, 此時正交相位檢波器只能保留回波信號的相位信息。 在圖3.2中, 靈敏度時間增益控制(STC)使接收機的增益在發(fā)射機發(fā)射之后, 按R-4規(guī)律隨時間而增加, 以避免近距離的強回波使接收機過載飽和。靈敏度時間控制又稱為近程增益控制, 可以加到高頻放大器和前置中頻放大器中。自動增益控制(AGC)是一種反饋技術(shù),

6、 用來自動調(diào)整接收機的增益, 以便在雷達(dá)系統(tǒng)跟蹤環(huán)路中保持適當(dāng)?shù)脑鲆娣秶?第 3 章 雷 達(dá) 接 收 機 3.1.2 超外差式雷達(dá)接收機的主要質(zhì)量指標(biāo)超外差式雷達(dá)接收機的主要質(zhì)量指標(biāo) 1. 靈敏度靈敏度 靈敏度表示接收機接收微弱信號的能力。能接收的信號越微弱, 則接收機的靈敏度越高, 因而雷達(dá)的作用距離就越遠(yuǎn)。 雷達(dá)接收機的靈敏度通常用最小可檢測信號功率Si min來表示。 當(dāng)接收機的輸入信號功率達(dá)到Si min時, 接收機就能正常接收而在輸出端檢測出這一信號。如果信號功率低于此值, 信號將被淹沒在噪聲干擾之中, 不能被可靠地檢測出來, 如圖3.3所示。由于雷達(dá)接收機的靈敏度受噪聲電平的限制

7、, 因此要想提高它的靈敏度, 就必須盡力減小噪聲電平, 同時還應(yīng)使接收機有足夠的增益。 第 3 章 雷 達(dá) 接 收 機 圖3.3 顯示器上所見到的信號與噪聲發(fā)射脈沖噪聲被噪聲淹沒的信號第 3 章 雷 達(dá) 接 收 機 目前, 超外差式雷達(dá)接收機的靈敏度一般約為(10-1210-14)W, 保證這個靈敏度所需增益約為106108(120 dB160 dB), 這一增益主要由中頻放大器來完成。 第 3 章 雷 達(dá) 接 收 機 2. 接收機的工作頻帶寬度接收機的工作頻帶寬度 接收機的工作頻帶寬度表示接收機的瞬時工作頻率范圍。 在復(fù)雜的電子對抗和干擾環(huán)境中, 要求雷達(dá)發(fā)射機和接收機具有較寬的工作帶寬,

8、例如頻率捷變雷達(dá)要求接收機的工作頻帶寬度為(1020)%。接收機的工作頻帶寬度主要決定于高頻部件(饋線系統(tǒng)、高頻放大器和本機振蕩器)的性能。 需要指出, 接收機的工作頻帶較寬時, 必須選擇較高的中頻, 以減少混頻器輸出的寄生響應(yīng)對接收機性能的影響。 第 3 章 雷 達(dá) 接 收 機 3. 動態(tài)范圍動態(tài)范圍 動態(tài)范圍表示接收機能夠正常工作所容許的輸入信號強度變化的范圍。最小輸入信號強度通常取為最小可檢測信號功率Si min, 允許最大的輸入信號強度則根據(jù)正常工作的要求而定。 當(dāng)輸入信號太強時, 接收機將發(fā)生飽和而失去放大作用, 這種現(xiàn)象稱為過載。使接收機開始出現(xiàn)過載時的輸入功率與最小可檢測功率之比

9、, 叫做動態(tài)范圍。為了保證對強弱信號均能正常接收, 要求動態(tài)范圍大, 就需要采取一定措施, 例如采用對數(shù)放大器、 各種增益控制電路等抗干擾措施。 第 3 章 雷 達(dá) 接 收 機 4. 中頻的選擇和濾波特性中頻的選擇和濾波特性 接收機中頻的選擇和濾波特性是接收機的重要質(zhì)量指標(biāo)之一。 中頻的選擇與發(fā)射波形的特性、 接收機的工作帶寬以及所能提供的高頻部件和中頻部件的性能有關(guān)。在現(xiàn)代雷達(dá)接收機中, 中頻的選擇可以從30 MHz到4GHz之間。當(dāng)需要在中頻增加某些信號處理部件, 如脈沖壓縮濾波器, 對數(shù)放大器和限幅器等時, 從技術(shù)實現(xiàn)來說, 中頻選擇在30MHz至500MHz更為合適。 對于寬頻帶工作的

10、接收機, 應(yīng)選擇較高的中頻, 以便使虛假的寄生響應(yīng)減至最小。 減小接收機噪聲的關(guān)鍵參數(shù)是中頻的濾波特性, 如果中頻濾波特性的帶寬大于回波信號帶寬, 則過多的噪聲進(jìn)入接收機。 反之, 如果所選擇的帶寬比信號帶寬窄, 信號能量將會損失。這兩種情況都會使接收機輸出的信噪比減小。 在白噪聲(即接收機熱噪聲)背景下, 接收機的頻率特性為“匹配濾波器”時, 輸出的信號噪聲比最大。 第 3 章 雷 達(dá) 接 收 機 5. 工作穩(wěn)定性和頻率穩(wěn)定度工作穩(wěn)定性和頻率穩(wěn)定度一般來說, 工作穩(wěn)定性是指當(dāng)環(huán)境條件(例如溫度、 濕度、 機械振動等)和電源電壓發(fā)生變化時, 接收機的性能參數(shù)(振幅特性、 頻率特性和相位特性等)

11、受到影響的程度, 希望影響越小越好。 大多數(shù)現(xiàn)代雷達(dá)系統(tǒng)需要對一串回波進(jìn)行相參處理, 對本機振蕩器的短期頻率穩(wěn)定度有極高的要求(高達(dá)10-10或者更高), 因此，必須采用頻率穩(wěn)定度和相位穩(wěn)定度極高的本機振蕩器, 即簡稱的“穩(wěn)定本振”。 第 3 章 雷 達(dá) 接 收 機 6. 抗干擾能力抗干擾能力 在現(xiàn)代電子戰(zhàn)和復(fù)雜的電磁干擾環(huán)境中, 抗有源干擾和無源干擾是雷達(dá)系統(tǒng)的重要任務(wù)之一。 有源干擾為敵方施放的各種雜波干擾和鄰近雷達(dá)的異步脈沖干擾, 無源干擾主要是指從海浪、雨雪、地物等反射的雜波干擾和敵機施放的箔片干擾。 這些干擾嚴(yán)重影響對目標(biāo)的正常檢測, 甚至使整個雷達(dá)系統(tǒng)無法工作。現(xiàn)代雷達(dá)接收機必須具

12、有各種抗干擾電路。 當(dāng)雷達(dá)系統(tǒng)用頻率捷變方法抗干擾時, 接收機的本振應(yīng)與發(fā)射機頻率同步跳變。 同時接收機應(yīng)有足夠大的動態(tài)范圍, 以保證后面的信號處理器有高的處理精度。 第 3 章 雷 達(dá) 接 收 機 7. 微電子化和模塊化結(jié)構(gòu)微電子化和模塊化結(jié)構(gòu) 在現(xiàn)代有源相控陣?yán)走_(dá)和數(shù)字波束形成(DBF)系統(tǒng)中, 通常需要幾十路甚至幾千路接收機通道。如果采用常規(guī)的接收機工藝結(jié)構(gòu), 無論在體積、重量、耗電、成本和技術(shù)實現(xiàn)上都有很大困難。采用微電子化和模塊化的接收機結(jié)構(gòu)可以解決上述困難, 優(yōu)選方案是采用單片集成電路, 包括微波單片集成電路(MMIC)、 中頻單片集成電路(IMIC)和專用集成電路(ASIC)；其

13、主要優(yōu)點是體積小、重量輕, 另外，采用批量生產(chǎn)工藝可使芯片電路電性能一致性好，成本也比較低。用上述幾種單片集成電路實現(xiàn)的模塊化接收機, 特別適用于要求數(shù)量很大、幅相一致性嚴(yán)格的多路接收系統(tǒng), 例如有源相控陣接收系統(tǒng)和數(shù)字多波束形成系統(tǒng)。 一種由砷化鎵(GaAs)單片制成的C波段微波單片集成電路, 包括完整的接收機高頻電路, 即五級高頻放大器、可變衰減器、移相器、 環(huán)行器和限幅開關(guān)電路等, 噪聲系數(shù)為2.5dB, 可變增益為30 dB。 第 3 章 雷 達(dá) 接 收 機 3.2 接收機的噪聲系數(shù)和靈敏度接收機的噪聲系數(shù)和靈敏度 3.2.1 接收機的噪聲接收機的噪聲 1. 電阻熱噪聲電阻熱噪聲 它是

14、由于導(dǎo)體中自由電子的無規(guī)則熱運動形成的噪聲。因為導(dǎo)體具有一定的溫度, 導(dǎo)體中每個自由電子的熱運動方向和速度不規(guī)則地變化, 因而在導(dǎo)體中形成了起伏噪聲電流, 在導(dǎo)體兩端呈現(xiàn)起伏電壓。 根據(jù)奈奎斯特定律, 電阻產(chǎn)生的起伏噪聲電壓均方值 kTRBun42(3.2.1) 第 3 章 雷 達(dá) 接 收 機 式中，k為玻爾茲曼常數(shù), k=1.3810-23J/K; T為電阻溫度, 以絕對溫度(K)計量, 對于室溫17, T=T0=290K; R為電阻的阻值; Bn為測試設(shè)備的通帶。 式(3.2.1)表明電阻熱噪聲的大小與電阻的阻值R、溫度T和測試設(shè)備的通帶Bn成正比。 電阻熱噪聲的功率譜密度p(f)是表示噪

15、聲頻譜分布的重要統(tǒng)計特性, 其表示式可直接由式(3.2.1)求得 p(f)=4kTR (3.2.2) 顯然, 電阻熱噪聲的功率譜密度是與頻率無關(guān)的常數(shù)。 通常把功率譜密度為常數(shù)的噪聲稱為“白噪聲”, 電阻熱噪聲在無線電頻率范圍內(nèi)就是白噪聲的一個典型例子。 第 3 章 雷 達(dá) 接 收 機 2. 額定噪聲功率額定噪聲功率 根據(jù)電路基礎(chǔ)理論, 信號電動勢為Es而內(nèi)阻抗為Z=R+jX的信號源, 當(dāng)其負(fù)載阻抗與信號源內(nèi)阻匹配, 即其值為Z*=R-jX時(見圖3.4), 信號源輸出的信號功率最大, 此時, 輸出的最大信號功率稱為“額定”信號功率(有時也稱為“資用”功率、或“有效”功率), 用Sa表示, 其

16、值是 RERRESssa4222(3.2.3) 第 3 章 雷 達(dá) 接 收 機 圖3.4 “額定”信號功率的示意圖Z Rj XEsSaZ* Rj X第 3 章 雷 達(dá) 接 收 機 同理, 把一個內(nèi)阻抗為Z=R+jX的無源二端網(wǎng)絡(luò)看成一個噪聲源,由電阻R產(chǎn)生的起伏噪聲電壓均方值 , 見圖3.5。假設(shè)接收機高頻前端的輸入阻抗Z*為這個無源二端網(wǎng)絡(luò)的負(fù)載, 顯然, 當(dāng)負(fù)載阻抗Z*與噪聲源內(nèi)阻抗Z匹配, 即Z*=R-jX時, 噪聲源輸出最大噪聲功率, 稱為“額定”噪聲功率, 用No表示, 其值為 nnkTRBu42nnokTBRuN42(3.2.4) 因此可以得出重要結(jié)論: 任何無源二端網(wǎng)絡(luò)輸出的額定

17、噪聲功率只與其溫度T和通帶Bn有關(guān)。 第 3 章 雷 達(dá) 接 收 機 圖3.5 “額定”噪聲功率的示意圖un4 kTRBnN0Z* Rj XZ Rj X2第 3 章 雷 達(dá) 接 收 機 3. 天線噪聲天線噪聲 天線噪聲是外部噪聲, 它包括天線的熱噪聲和宇宙噪聲, 前者是由天線周圍介質(zhì)微粒的熱運動產(chǎn)生的噪聲, 后者是由太陽及銀河星系產(chǎn)生的噪聲, 這種起伏噪聲被天線吸收后進(jìn)入接收機, 就呈現(xiàn)為天線的熱起伏噪聲。天線噪聲的大小用天線噪聲溫度TA表示, 其電壓均方值為 nAAnABRkTu42式中, RA為天線等效電阻。 第 3 章 雷 達(dá) 接 收 機 天線噪聲溫度TA決定于接收天線方向圖中(包括旁瓣

18、和尾瓣)各輻射源的噪聲溫度, 它與波瓣仰角和工作頻率f等因素有關(guān), 如圖3.6所示。圖中天線噪聲溫度TA是假設(shè)天線為理想的(無損耗、無旁瓣指向地面), 但是大多數(shù)情況下必須考慮地面噪聲溫度Tg, 在旁瓣指向地面的典型情況下, Tg=36 K, 因此修正后的天線總噪聲溫度為 )(36876. 0KTTAA由圖3.6可以看出, 天線噪聲與頻率f有關(guān), 它并非真正白噪聲, 但在接收機通帶內(nèi)可近似為白噪聲。毫米波段的天線噪聲溫度比微波段要高些, 22.2GHz和60GHz的噪聲溫度最大, 這是由于水蒸氣和氧氣吸收諧振引起的。 第 3 章 雷 達(dá) 接 收 機 圖3.6 天線噪聲溫度與頻率波瓣仰角的關(guān)系1

19、0 0001000100101100100010 000100 00005905900f / MHzTA/K第 3 章 雷 達(dá) 接 收 機 圖3.7 噪聲帶寬的示意圖 BnPno(f0)ofPno( f )第 3 章 雷 達(dá) 接 收 機 4. 噪聲帶寬噪聲帶寬 功率譜均勻的白噪聲, 通過具有頻率選擇性的接收線性系統(tǒng)后, 輸出的功率譜pno(f)就不再是均勻的了, 如圖3.7的實曲線所示。 為了分析和計算方便, 通常把這個不均勻的噪聲功率譜等效為在一定頻帶Bn內(nèi)是均勻的功率譜。這個頻帶Bn稱為“等效噪聲功率譜寬度”, 一般簡稱“噪聲帶寬”。 因此, 噪聲帶寬可由下式求得: nnonoBfpdff

20、p)()(00(3.2.7) 即 )(| )(|)()(02200fHdffHfpdffpBnonon式中, H2(f0)為線性電路在諧振頻率f0處的功率傳輸系數(shù)。 第 3 章 雷 達(dá) 接 收 機 表表3.1 噪聲帶寬與信號帶寬的比較噪聲帶寬與信號帶寬的比較 第 3 章 雷 達(dá) 接 收 機 3.2.2 噪聲系數(shù)和噪聲溫度噪聲系數(shù)和噪聲溫度 1. 噪聲系數(shù)噪聲系數(shù) 噪聲系數(shù)的定義是: 接收機輸入端信號噪聲比與輸出端信號噪聲比的比值。 噪聲系數(shù)的說明見圖3.8。 根據(jù)定義, 噪聲系數(shù)可用下式表示: ooiiNSNSF/(3.2.9) 式中, Si為輸入額定信號功率; Ni為輸入額定噪聲功率(Ni

21、=kT0Bn); So為輸出額定信號功率; No為輸出額定噪聲功率。 第 3 章 雷 達(dá) 接 收 機 圖3.8 噪聲系數(shù)的說明圖接收機線性電路GaEsAEsiRASiNiSoNoRL第 3 章 雷 達(dá) 接 收 機 噪聲系數(shù)F有明確的物理意義: 它表示由于接收機內(nèi)部噪聲的影響, 使接收機輸出端的信噪比相對其輸入端的信噪比變差的倍數(shù)。 式(3.2.9)可以改寫為 aioGNNF (3.2.10) 式中，Ga為接收機的額定功率增益; NiGa是輸入端噪聲通過“理想接收機”后, 在輸出端呈現(xiàn)的額定噪聲功率。 因此噪聲系數(shù)的另一定義為: 實際接收機輸出的額定噪聲功率No與“理想接收機”輸出的額定噪聲功率

22、NiGa之比。 第 3 章 雷 達(dá) 接 收 機 實際接收機的輸出額定噪聲功率No由兩部分組成, 其中一部分是NiGa(NiGa=kT0BnGa), 另一部分是接收機內(nèi)部噪聲在輸出端所呈現(xiàn)的額定噪聲功率N, 即 No=NiGa+N=kT0BnGa+N 將No代入式(3.2.10)可得 anGBkTNF01(3.2.11) (3.2.12) 從上式可更明顯地看出噪聲系數(shù)與接收機內(nèi)部噪聲的關(guān)系, 實際接收機總會有內(nèi)部噪聲(N0), 因此F1, 只有當(dāng)接收機是“理想接收機”時, 才會有F=1。 第 3 章 雷 達(dá) 接 收 機 2. 等效噪聲溫度等效噪聲溫度 前面已經(jīng)提到, 接收機外部噪聲可用天線噪聲溫

23、度TA來表示, 如果用額定功率來計量, 接收機外部噪聲的額定功率為 NA=kTABn (3.2.18) 為了更直觀地比較內(nèi)部噪聲與外部噪聲的大小, 可以把接收機內(nèi)部噪聲在輸出端呈現(xiàn)的額定噪聲功率N等效到輸入端來計算, 這時內(nèi)部噪聲可以看成是天線電阻RA在溫度Te時產(chǎn)生的熱噪聲, 即 N=kTeBnGa (3.2.19) 溫度Te稱為“等效噪聲溫度”或簡稱“噪聲溫度”, 此時接收機就變成沒有內(nèi)部噪聲的“理想接收機”, 其等效電路見圖3.10。 第 3 章 雷 達(dá) 接 收 機 圖3.10 接收機內(nèi)部噪聲的換算 理 想接收機GaRARLTeTA第 3 章 雷 達(dá) 接 收 機 將式(3.2.19)代入

24、式(3.2.12), 可得 0011TTGBkTGBkTFeanane(3.2.20) Te=(F-1)T0=(F-1)290 (K) (3.2.21) 此式即為噪聲溫度Te的定義表示式, 它的物理意義是把接收機內(nèi)部噪聲看成是“理想接收機”的天線電阻RA在溫度Te時所產(chǎn)生的, 此時實際接收機變成如圖3.10所示的“理想接收機”。 第 3 章 雷 達(dá) 接 收 機 圖中TA為天線噪聲溫度。系統(tǒng)噪聲溫度Ts由內(nèi)、外兩部分噪聲溫度所組成, 即 eAsTTT(3.2.22) 表3.2給出Te與F的對應(yīng)值。從表中可以看出,若用噪聲系數(shù)F來表示兩部低噪聲接收機的噪聲性能時, 例如它們分別為1.05和1.1,

25、 有可能誤認(rèn)為兩者噪聲性能差不多。但若用噪聲溫度Te來表示其噪聲性能時, 將會發(fā)現(xiàn)兩者的噪聲性能實際上已相差一倍(分別為14.5 K和29 .K)。此外, 只要直接比較Te和TA, 就能直觀地比較接收機內(nèi)部噪聲與外部噪聲的相對大小。因此, 對于低噪聲接收機和低噪聲器件, 常用噪聲溫度來表示其噪聲性能。 第 3 章 雷 達(dá) 接 收 機 表表3.2 Te與與F的對照表的對照表 第 3 章 雷 達(dá) 接 收 機 3. 相對噪聲溫度相對噪聲溫度噪聲比噪聲比 雷達(dá)接收機中的晶體混頻器是一個有源四端網(wǎng)絡(luò), 它除了可用噪聲系數(shù)Fc表示其噪聲性能外, 還經(jīng)常用相對噪聲溫度來表示。 相對噪聲溫度有時簡稱為噪聲比t

26、c, 其意義為實際輸出的中頻額定噪聲功率(FckT0BnGc)與僅由等效損耗電阻產(chǎn)生的輸出額定噪聲功率(kT0Bn)之比, 即 ccncnccGFBkTGBkTFt00(3.2.23) 式中，Gc為混頻器的額定功率增益或額定功率傳輸系數(shù)。噪聲比tc表示有源四端網(wǎng)絡(luò)中除損耗電阻以外的其它噪聲源的影響程度。 第 3 章 雷 達(dá) 接 收 機 3.2.3 級聯(lián)電路的噪聲系數(shù)級聯(lián)電路的噪聲系數(shù) 為了簡便, 先考慮兩個單元電路級聯(lián)的情況, 如圖3.11所示。 圖中F1、F2和G1、G2分別表示第一、二級電路的噪聲系數(shù)和額定功率增益。為了計算總噪聲系數(shù)F0, 先求實際輸出的額定噪聲功率No。 由式(3.2.

27、10)可得 No=kT0BnG1G2F0 而 2012NNNo(3.2.24a) (3.2.24b) 第 3 章 雷 達(dá) 接 收 機 圖3.11 兩級電路的級聯(lián) F1， G1， BnF2， G2， BnNo No12 N2Ni kT0Bn第 3 章 雷 達(dá) 接 收 機 No由兩部分組成: 一部分是由第一級的噪聲在第二級輸出端呈現(xiàn)的額定噪聲功率No12,其數(shù)值為kT0BnF1G1G2, 第二部分是由第二級所產(chǎn)生的噪聲功率N2, 由式(3.2.12)可得 N2=(F2-1)kT0BnG2 (3.2.25) 于是式(3.2.24)可進(jìn)一步寫成 No=kT0BnG1G2F0=kT0BnG1G2F1+(

28、F2-1)kT0BnG2 化簡后可得兩級級聯(lián)電路的總噪聲系數(shù) 12101GFFF(3.2.26) 第 3 章 雷 達(dá) 接 收 機 同理可證, n級電路級聯(lián)時接收機總噪聲系數(shù)為 1212131210111nnGGGFGGFGFFF(3.2.27) 上式給出了重要結(jié)論: 為了使接收機的總噪聲系數(shù)小, 要求各級的噪聲系數(shù)小、額定功率增益高。而各級內(nèi)部噪聲的影響并不相同, 級數(shù)越靠前, 對總噪聲系數(shù)的影響越大。所以總噪聲系數(shù)主要取決于最前面幾級, 這就是接收機要采用高增益低噪聲高放的主要原因。 第 3 章 雷 達(dá) 接 收 機 圖3.12 典型雷達(dá)接收機的高、中頻部分 饋線接收機放電器限幅器低噪聲高 放

29、混頻器中 頻放大器自天線Gf1/GfGg1/GgGl1/GlGRFRGcFcGIFI至檢波器第 3 章 雷 達(dá) 接 收 機 將圖3.12中所列各級的額定功率增益和噪聲系數(shù)代入式(3.2.27), 即可求得接收機的總噪聲系數(shù): cRRcRgfGGFGFFGGGF111110(3.2.28) 一般都采用高增益(GR20dB)低噪聲高頻放大器, 因此式(3.2.28)可簡化為 10GGGFFgfR(3.2.29) 若不采用高放, 直接用混頻器作為接收機第一級, 則可得 cgfcGGGGFtF1101(3.2.30) 式中 tc為混頻器的噪聲比, 本振噪聲的影響一般也計入在內(nèi)。 第 3 章 雷 達(dá) 接

30、 收 機 若接收機的噪聲性能用等效噪聲溫度Te表示, 則它與各級噪聲溫度之間的關(guān)系為 121213121nneGGGTGGTGTTT(3.2.31) 第 3 章 雷 達(dá) 接 收 機 3.2.4 接收機靈敏度接收機靈敏度 接收機的靈敏度表示接收機接收微弱信號的能力。噪聲總是伴隨著微弱信號同時出現(xiàn), 要能檢測信號, 微弱信號的功率應(yīng)大于噪聲功率或者可以和噪聲功率相比。因此, 靈敏度用接收機輸入端的最小可檢測信號功率Si min來表示。在噪聲背景下檢測目標(biāo), 接收機輸出端不僅要使信號放大到足夠的數(shù)值, 更重要的是使其輸出信號噪聲比So/No達(dá)到所需的數(shù)值。通常雷達(dá)終端檢測信號的質(zhì)量取決于信噪比。 第

31、 3 章 雷 達(dá) 接 收 機 已經(jīng)知道, 接收機噪聲系數(shù)F0為 ooiiNSNSF/0(3.2.32) 或者寫成 ooiiNSFNS0(3.2.33) 此時, 輸入信號額定功率為 ooiiNSFNS0(3.2.34) 式中, Ni=kT0Bn為接收機輸入端的額定噪聲功率。于是進(jìn)一步得到 ooniNSFBkTS00(3.2.35) 第 3 章 雷 達(dá) 接 收 機 為了保證雷達(dá)檢測系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)目標(biāo)的質(zhì)量(如在虛警概率為10-6的條件下發(fā)現(xiàn)概率是50 %或90 %等), 接收機的中頻輸出必須提供足夠的信號噪聲比, 令So/No(So/No)min時對應(yīng)的接收機輸入信號功率為最小可檢測信號功率, 即接收機

32、實際靈敏度為 min00minooniNSFBkTS(3.2.36) 通常,我們把(So/No)min稱為“識別系數(shù)”, 并用M表示, 所以靈敏度又可以寫成 MFBkTSni00min(3.2.37) 第 3 章 雷 達(dá) 接 收 機 為了提高接收機的靈敏度, 即減少最小可檢測信號功率Si min, 應(yīng)做到: 盡量降低接收機的總噪聲系數(shù)F0, 所以通常采用高增益、低噪聲高放; 接收機中頻放大器采用匹配濾波器, 以便得到白噪聲背景下輸出最大信號噪聲比; 式中的識別系數(shù)M與所要求的檢測質(zhì)量、 天線波瓣寬度、掃描速度、雷達(dá)脈沖重復(fù)頻率及檢測方法等因素均有關(guān)系。在保證整機性能的前提下, 盡量減小M的數(shù)值

33、。 第 3 章 雷 達(dá) 接 收 機 為了比較不同接收機線性部分的噪聲系數(shù)F0和帶寬Bn對靈敏度的影響, 需要排除接收機以外的諸因素, 因此通常令M=1, 這時接收機的靈敏度稱為“臨界靈敏度”，其為 00minFBkTSni(3.2.38) 雷達(dá)接收機的靈敏度以額定功率表示, 并常以相對1 mW的分貝數(shù)計值, 即 )(10)(lg10)(3minmindBmWWSdBmWSii(3.2.39) 一般超外差接收機的靈敏度為-90-110 dBmW。 第 3 章 雷 達(dá) 接 收 機 對米波雷達(dá), 可用最小可檢測電壓ESi min表示靈敏度 AiSiRSEminmin2(3.2.40) 對一般超外差式

34、接收機, ESi min為10-610-7V。 將kT0的數(shù)值代入式(3.3.38), Si min仍取常用單位dBmW, 則可得到簡便計算公式為 Si min(dBmW)=-114dB+10 lgBn(MHz)+10 lgF0 (3.2.41) 第 3 章 雷 達(dá) 接 收 機 圖3.13 不同噪聲帶寬(Bn=BRI)時接收機靈敏度與噪聲系數(shù)的關(guān)系曲線 051015201151101051009590Simin/(dB/mW)10 MHz9 MHz8 MHz7 MHz6 MHz5 MHz4 MHz3 MHzBRI2 MHz1 MHz0.5 MHz0.1 MHzF0 /dB第 3 章 雷 達(dá) 接

35、 收 機 3.3 雷達(dá)接收機的高頻部分雷達(dá)接收機的高頻部分 圖3.14 雷達(dá)接收機的高頻部分 發(fā)射機接收機保護(hù)器低噪聲高 放本機振蕩收發(fā)開關(guān)(T/R)前置中放天線混頻器至主中放第 3 章 雷 達(dá) 接 收 機 由雷達(dá)作用距離方程(見第五章5.2節(jié))可知, 當(dāng)雷達(dá)其它參數(shù)不變時, 為了增加雷達(dá)的作用距離, 提高接收機的靈敏度(降低噪聲系數(shù))與增大發(fā)射機功率是等效的。對比兩者的耗電、體積、 重量和成本, 顯然前者有利。因此, 人們重視對低噪聲高頻放大器的研究, 20世紀(jì)末已不斷研制出許多新型的低噪聲高頻放大器件。 第 3 章 雷 達(dá) 接 收 機 混頻器的作用是將高頻信號與本振電壓進(jìn)行混頻并取出其差頻

36、, 使信號在中頻(一般為30MHz至500MHz)上進(jìn)行放大。 某些超外差式雷達(dá)接收機不采用低噪聲高放, 而在接收機第一級直接采用混頻器, 稱為“直接混頻式前端”。雖然混頻器的噪聲系數(shù)較某些高放的噪聲系數(shù)為高, 但它具有動態(tài)范圍大、設(shè)備簡單、 結(jié)構(gòu)緊湊和成本低等優(yōu)點。所以, 在對體積重量等限制嚴(yán)格的某些雷達(dá)(例如機載雷達(dá)和制導(dǎo)雷達(dá)等)中, 直接混頻式前端仍得到廣泛應(yīng)用。 第 3 章 雷 達(dá) 接 收 機 3.3.1 收發(fā)轉(zhuǎn)換開關(guān)和接收機保護(hù)器收發(fā)轉(zhuǎn)換開關(guān)和接收機保護(hù)器 收發(fā)開關(guān)收發(fā)開關(guān) 發(fā)射狀態(tài)發(fā)射狀態(tài) 將發(fā)射機輸出功率接到天線，將發(fā)射機輸出功率接到天線，保護(hù)接收機輸入端保護(hù)接收機輸入端 接收狀

37、態(tài)接收狀態(tài) 將天線接收信號接到接收機，將天線接收信號接到接收機，防止發(fā)射機旁路信號防止發(fā)射機旁路信號分支線型收發(fā)開關(guān)分支線型收發(fā)開關(guān)平衡式收發(fā)開關(guān)平衡式收發(fā)開關(guān) 第 3 章 雷 達(dá) 接 收 機 此時ATR支路的1/4波長開路線在主饋線aa呈現(xiàn)短路,aa與接收支路bb處相距1/4波長, 從bb端向發(fā)射機看去的阻抗相當(dāng)于開路, 所以從天線來的回波信號全部進(jìn)入接收機。第 3 章 雷 達(dá) 接 收 機 分支線型收發(fā)開關(guān) 發(fā)射狀態(tài)：發(fā)射狀態(tài)： TR、ATR電離短路，通過電離短路，通過 /4分支線對主饋線形分支線對主饋線形成開路，發(fā)射功率進(jìn)成開路，發(fā)射功率進(jìn)入天線，接收機輸入入天線，接收機輸入端短路保護(hù)；端

38、短路保護(hù)； 接收狀態(tài)：接收狀態(tài)：TR、ATR開路，開路，ATR通過通過 /4分支線對發(fā)射機形分支線對發(fā)射機形成短路，天線接收信成短路，天線接收信號通過號通過AR進(jìn)入接收進(jìn)入接收機。機。第 3 章 雷 達(dá) 接 收 機 圖3.15 分支線型收發(fā)開關(guān)原理圖發(fā)射機ATRTR接收機4abab4天線4由于分支線型收發(fā)開關(guān)帶寬較窄, 承受功率能力較差, 通常已被平衡式收發(fā)開關(guān)所代替第 3 章 雷 達(dá) 接 收 機 雷達(dá)接收機的高頻部分3dB電橋 放電管第 3 章 雷 達(dá) 接 收 機 平衡式收發(fā)開關(guān)的原理圖如圖3.16所示。圖中TR1、TR2是一對寬帶的接收機保護(hù)放電管。在這一對氣體放電管的兩側(cè), 各接有一個3

39、 dB裂縫波導(dǎo)橋, 整個開關(guān)的四個波導(dǎo)口的連接如圖3.16所示。3 dB裂縫橋的特性為: 在四個端口中, 相鄰兩端(例如端口1和2)是相互隔離的, 當(dāng)信號從其一端輸入時, 從另外兩端輸出的信號大小相等而相位相差90。 第 3 章 雷 達(dá) 接 收 機 圖3.16 平衡式收發(fā)開關(guān)原理圖(a) 發(fā)射狀態(tài); (b) 接收狀態(tài) 天線假負(fù)載接收機保護(hù)器TR1和TR2發(fā)射機3 dB 裂縫橋12(a)TR1和TR23dB 裂縫橋43假負(fù)載接收機保護(hù)器432天線發(fā)射機(b)1第 3 章 雷 達(dá) 接 收 機 平衡式收發(fā)開關(guān) 發(fā)射狀態(tài)：發(fā)射狀態(tài)： TR1、TR2放電，發(fā)射信號放電，發(fā)射信號在天線口同相合成，在天線口

40、同相合成，泄露信號在假負(fù)載口泄露信號在假負(fù)載口同相合成，被假負(fù)載同相合成，被假負(fù)載吸收，在接收機保護(hù)吸收，在接收機保護(hù)器端反相相消。器端反相相消。 接收狀態(tài)：接收狀態(tài)： TR1、TR2不放電，接收信不放電，接收信號在假負(fù)載口反相相號在假負(fù)載口反相相消，在接收機保護(hù)器消，在接收機保護(hù)器端同相合成。端同相合成。第 3 章 雷 達(dá) 接 收 機 2 . 接收機保護(hù)器接收機保護(hù)器 圖3.17 環(huán)行器和接收機保護(hù)器 發(fā)射機TR管(有源或無源)二極管限幅器TR限幅器天線2341鐵氧體環(huán)行器至接收機第 3 章 雷 達(dá) 接 收 機 接收機保護(hù)器環(huán)行器環(huán)行器特點：單向傳輸高頻信號能量。它控制特點：單向傳輸高頻信號

41、能量。它控制電磁波沿某一環(huán)行方向傳輸。電磁波沿某一環(huán)行方向傳輸。第 3 章 雷 達(dá) 接 收 機 大功率鐵氧體環(huán)行器具有結(jié)構(gòu)緊湊、承受功率大、插入損耗小(典型值為0.5dB)和使用壽命長等優(yōu)點, 但它的發(fā)射端1和接收端3之間的隔離約為(2030) dB。 一般來說, 接收機與發(fā)射機之間的隔離度要求(6080) dB。 所以在環(huán)行器3端與接收機之間必須加上由TR管和限幅二極管組成的接收機保護(hù)器。 第 3 章 雷 達(dá) 接 收 機 TR放電管分為有源和無源兩類。有源的TR氣體放電管工作時必須加一定的輔助電壓, 使其中一部分氣體電離。它有兩個缺點: 第一是由于外加輔助電壓產(chǎn)生的附加噪聲使系統(tǒng)噪聲溫度增加

42、50 K(約0.7dB); 第二是雷達(dá)關(guān)機時沒有輔助電壓, TR放電管不起保護(hù)作用, 此時鄰近雷達(dá)的輻射能量將會燒毀接收機。現(xiàn)在已出現(xiàn)了一種新型的無源TR放電管, 它內(nèi)部充有處于激發(fā)狀態(tài)的氚氣, 不需要外加輔助電壓, 因此在雷達(dá)關(guān)機時仍能起保護(hù)接收機的作用。 第 3 章 雷 達(dá) 接 收 機 圖3.17中的二極管限幅器可用PIN二極管和變?nèi)荻O管構(gòu)成。PIN二極管限幅器的主要優(yōu)點是功率容量較大, 單個PIN管承受的脈沖功率可達(dá)(10100) kW, 但是由于PIN管的本征層比較厚, 因而響應(yīng)時間較長, 前沿尖峰泄漏功率較大。變?nèi)荻O管多用于低功率限幅器, 它的響應(yīng)時間極短, 在10ns以下, 故

43、而在TR放電管后面作限幅器效果很好。 接收機保護(hù)器接收機保護(hù)器第 3 章 雷 達(dá) 接 收 機 3.3.2 高頻放大器和混頻器的發(fā)展趨勢高頻放大器和混頻器的發(fā)展趨勢第 3 章 雷 達(dá) 接 收 機 3.3.2 高頻放大器和混頻器的發(fā)展趨勢高頻放大器和混頻器的發(fā)展趨勢 1. 超低噪聲非致冷參量放大器超低噪聲非致冷參量放大器 對于致冷參放, 在微波和毫米波頻段范圍內(nèi), 當(dāng)致冷溫度為20 K時, 可以得到的等效噪聲溫度Te為(1050) K, 但設(shè)備相當(dāng)復(fù)雜、 成本昂貴, 實際使用較少。 第 3 章 雷 達(dá) 接 收 機 近年來在改進(jìn)非致冷參放噪聲性能方面采用的關(guān)鍵技術(shù)是采用了以下器件或設(shè)計、工藝: 超高

44、品質(zhì)因素(高截止頻率)、 極低分布電容的砷化鎵變?nèi)荻O管; 極低損耗的波導(dǎo)型環(huán)行器; 高穩(wěn)定的毫米波固態(tài)泵浦源(fp=(50100) GHz); 高效率的熱電冷卻器; 新的微帶線路結(jié)構(gòu)和微波集成電路的優(yōu)化設(shè)計及先進(jìn)工藝。因此，非致冷參放的噪聲溫度已非常接近致冷參放, 而且結(jié)構(gòu)精巧, 性能穩(wěn)定, 全固態(tài)化。 在(0.515) GHz范圍, 噪聲溫度Te為(3060)K, 相對帶寬為(515) %, 增益為(1420) dB。在毫米波段, 其噪聲溫度Te為(300350) K。 第 3 章 雷 達(dá) 接 收 機 圖3.18 幾種典型低噪聲器件的噪聲系數(shù) 7.06.05.04.03.02.01.005

45、001000500010 00030 000鏡像抑制混頻器(F11.5 dB)硅雙極晶體管砷化鎵場效應(yīng)管室溫參量放大器頻率/MHz噪聲系數(shù) / dB第 3 章 雷 達(dá) 接 收 機 2 . 低噪聲晶體管放大器低噪聲晶體管放大器 低噪聲砷化鎵場效應(yīng)管和硅雙極晶體管放大器的研制已取得了新的進(jìn)展, 在電路的設(shè)計和工藝結(jié)構(gòu)上進(jìn)行了革新，采用了： 計算機輔助設(shè)計; 精巧的微帶線工藝; 多級組件式結(jié)構(gòu)。這樣, 使它們的低噪聲性能僅次于參量放大器, 并已在實用中逐步取代行波管高放和遂道二極管放大器。 在低于3 GHz的頻率范圍, 采用硅雙極晶體管高放。 在高于3GHz的頻率, 采用砷化鎵場效應(yīng)管高放。目前在(

46、0.515)GHz頻率范圍, 噪聲系數(shù)為(15) dB, 單級增益為(612) dB。 第 3 章 雷 達(dá) 接 收 機 3 . 混頻器的發(fā)展趨勢混頻器的發(fā)展趨勢 隨著現(xiàn)代混頻二極管噪聲性能的不斷提高, 現(xiàn)在很多超外差式雷達(dá)接收機直接使用混頻器作高頻前端。目前高性能的鏡像抑制混頻器在1100GHz頻率范圍內(nèi),可使噪聲系數(shù)降至35 dB。 第 3 章 雷 達(dá) 接 收 機 一般來說, 混頻器用來把低功率的信號同高功率的本振信號在非線性器件中混頻后, 將低功率的信號頻率變換成中頻(本振和信號的差頻)輸出。同時，非線性混頻的過程將產(chǎn)生許多寄生的高次分量。這些寄生響應(yīng)將會影響非相參雷達(dá)和相參雷達(dá)對目標(biāo)的檢

47、測性能, 而對相參雷達(dá)的檢測性能影響更為嚴(yán)重。 例如, 混頻器的寄生響應(yīng)將會使脈沖多卜勒雷達(dá)的測距和測速精度下降, 使動目標(biāo)顯示(MTI)雷達(dá)對地物雜波的相消性能變壞, 使高分辨脈沖壓縮系統(tǒng)輸出的壓縮脈沖的副瓣電平增大。 第 3 章 雷 達(dá) 接 收 機 混頻器的非線性效應(yīng)是產(chǎn)生各種寄生響應(yīng)的主要原因。加在混頻器上的電壓u(t)為本振電壓u1ejw1t與信號電壓u2ejw2t之和，即 tjwtjweueutu2121)(3.3.1) 混頻器輸出的非線性電流i(t), 可以用u(t)的冪級數(shù)表示，即 i(t)=a0+a1u(t)+a2u2(t)+anun(t) (3.3.2) 根據(jù)式(3.3.2)

48、, 可以得到一個非常有用的向下混頻的寄生效應(yīng)圖, 見圖3.19。圖3.19中H表示高輸入頻率, L表示低輸入頻率, 橫軸為歸一化的輸入頻率L/H,縱軸為歸一化的輸出差頻(H-L)/H。圖3.19中輸出的(H-L)分量是由冪級數(shù)的平方項產(chǎn)生的, 其它輸出的寄生響應(yīng)是從立方項和更高階項產(chǎn)生的。 第 3 章 雷 達(dá) 接 收 機 圖3.19 混頻器的寄生響應(yīng)圖 00.20.40.60.81.05H6L4H5L3H4L4H6L2LH3H6LH2L3LH4LH5LH6LHL2L3L4L5L6LH2LHL2H6L2H5L2H4L2H3L2L3H5L6L2 H2H2L5L2 H6L3 H4L2 H5L3 H6

49、L4 HL2L H3L2 H4L3 H5L4 H6L5 H6H6L5H5L4H4L3H3LH L2H2LL / H0.20.40.60.81.0HH LA第 3 章 雷 達(dá) 接 收 機 在圖3.19中給出了七種特別有用的輸出區(qū)間, 在這些區(qū)間中沒有寄生響應(yīng)輸出。下面以A區(qū)間為例來說明寄生效應(yīng)圖的使用方法。在A區(qū)間沒有寄生效應(yīng)的中頻通帶(H-L)/H為0.35至0.39。應(yīng)該注意, 當(dāng)信號瞬時頻率超過A區(qū)間的范圍時, 由于冪級數(shù)中的立方項和更高階項的影響, 將會產(chǎn)生寄生的互調(diào)中頻分量0.34(4H-6L)和0.4(3H-4L)。從圖3.19中還可以看出, 當(dāng)要求相對帶寬為10%即(H-L)/10

50、H內(nèi)沒有寄生響應(yīng)時, 接收機的中頻必須選得較高。而當(dāng)中頻低于(H-L)/H=0.14時, 由冪級數(shù)高階項產(chǎn)生的寄生效應(yīng)可以忽略不計。 第 3 章 雷 達(dá) 接 收 機 早期的微波接收機采用單端混頻器, 但由于輸出的寄生響應(yīng)大而且對本振的影響嚴(yán)重, 噪聲性能也差, 目前已很少使用。 平衡混頻器可以抑制偶次諧波產(chǎn)生的寄生響應(yīng), 還可以抑制本振噪聲的影響, 因此被廣泛使用。由于采用了硅點接觸二極管和砷化鎵肖特基二極管作混頻器, 使平衡混頻器的噪聲性能得到較大改善,工作頻率和抗燒毀能力都有明顯提高, 在0.340 GHz頻率范圍內(nèi)噪聲系數(shù)為58 dB。 第 3 章 雷 達(dá) 接 收 機 圖3.20 鏡像抑

51、制混頻器原理圖 90混合接頭90混合接頭二極管混頻器中頻中頻二極管混頻器中頻輸出本振高頻信號第 3 章 雷 達(dá) 接 收 機 近年來采用鏡像抑制技術(shù)和低變頻損耗的砷化鎵肖特基混頻二極管, 使混頻器的噪聲性能進(jìn)一步得到改善, 見圖3.18。 圖3.20是鏡像抑制混頻器的原理圖。 同相等幅的高頻信號分別加至兩個二極管混頻器(也可以是平衡混頻器), 本振電壓經(jīng)90混合接頭后分別加至兩個混頻器, 兩個混頻器輸出的中頻信號加到具有90相移的中頻混合接頭。 在中頻輸出端, 使得鏡像干擾相消, 中頻信號相加。 理論分析和實踐證明, 鏡像抑制混頻器的噪聲系數(shù)比一般鏡像匹配混頻器低2 dB左右。 第 3 章 雷

52、達(dá) 接 收 機 鏡像抑制混頻器具有噪聲系數(shù)低、動態(tài)范圍大、抗燒毀能力強和成本低等優(yōu)點。在0.520GHz頻率范圍, 噪聲系數(shù)為46dB。進(jìn)一步采用計算機輔助設(shè)計、高品質(zhì)因素低分布電容的肖特基二極管和超低噪聲系數(shù)(F11dB)的中頻放大器, 在1100GHz頻率范圍內(nèi), 可使噪聲系數(shù)降至35 dB。 第 3 章 雷 達(dá) 接 收 機 4 . 微波單片集成接收模塊微波單片集成接收模塊 微波單片集成接收模塊在砷化鎵單片上包含有完整的接收機高頻電路, 即衰減器、環(huán)行器、移相器和多級低噪聲高頻放大器等。目前從L波段至C波段, 微波單片集成電路的噪聲系數(shù)為2.53.5 dB, 詳見表2.6。 第 3 章 雷

53、 達(dá) 接 收 機 3.4 本機振蕩器和自動頻率控制本機振蕩器和自動頻率控制 3.4.1 現(xiàn)代脈沖調(diào)制雷達(dá)中的自動頻率控制現(xiàn)代脈沖調(diào)制雷達(dá)中的自動頻率控制 大多數(shù)現(xiàn)代脈沖調(diào)制雷達(dá)要求的頻率穩(wěn)定性很高, 不能采用一般的反射速調(diào)管作本機振蕩器, 必須采用穩(wěn)定本振。根據(jù)其自動頻率控制的對象不同, 控制方式可以分為控制穩(wěn)定本振的和控制磁控管的兩類，前者需用可調(diào)諧的穩(wěn)定本振, 后者可用不調(diào)諧的穩(wěn)定本振。 第 3 章 雷 達(dá) 接 收 機 圖3.21 控制磁控管的自頻控系統(tǒng) 調(diào)諧馬達(dá)搜索/跟蹤轉(zhuǎn)換器峰 值檢波器可調(diào)諧磁控管振蕩器至天線轉(zhuǎn)換開關(guān)視 頻放大器鑒頻器固定頻率穩(wěn)定本振AFC混頻器中頻放大器第 3 章

54、雷 達(dá) 接 收 機 頻率跟蹤狀態(tài)時, 鑒頻器根據(jù)差頻偏離額定中頻的方向和大小, 輸出一串脈沖信號, 經(jīng)過放大、 峰值檢波后, 取出其直流誤差信號, 去控制調(diào)諧電機轉(zhuǎn)動。電機轉(zhuǎn)動的方向和大小取決于直流誤差信號的極性(正或負(fù))和大小, 從而使磁控管頻率與穩(wěn)定本振頻率之差接近于額定中頻。 當(dāng)差頻偏離額定中頻很大時, 搜索/跟蹤轉(zhuǎn)換器使系統(tǒng)處于頻率搜索狀態(tài), 產(chǎn)生周期性鋸齒電壓, 使磁控管頻率由低向高連續(xù)變化, 直至差頻接近額定中頻, 轉(zhuǎn)為頻率跟蹤狀態(tài)。 第 3 章 雷 達(dá) 接 收 機 比較控制磁控管與控制穩(wěn)定本振的兩種AFC系統(tǒng), 前者優(yōu)于后者。這是因為脈沖信號很窄, 磁控管的頻譜很寬, 由快速動作

55、自頻控所引起小的載頻誤差影響較小。而在控制穩(wěn)定本振時, 本振頻率誤差所引起的相位變化會在整個脈沖重復(fù)期間積累起來, 時間越長, 相位變化將越大, 這就會使動目標(biāo)顯示雷達(dá)對遠(yuǎn)距離固定目標(biāo)的對消性能惡化, 因此不少動目標(biāo)顯示雷達(dá)都采用控制磁控管的自頻控系統(tǒng)。 第 3 章 雷 達(dá) 接 收 機 3.4.2 穩(wěn)定本振穩(wěn)定本振 用作相參標(biāo)準(zhǔn)的穩(wěn)定本振, 其穩(wěn)定性要求很高。在第八章將會分析到, 本機振蕩器的頻率穩(wěn)定性是影響動目標(biāo)顯示雷達(dá)性能的主要因素, 通常要求其短期頻率穩(wěn)定度高達(dá)10-10或更高的數(shù)量級。 造成穩(wěn)定本振頻率不穩(wěn)定的因素是各種干擾調(diào)制源, 它可分為規(guī)律性與隨機性兩類。風(fēng)扇和電機的機械振動或聲

56、振動、電源波紋等產(chǎn)生的不穩(wěn)定屬于規(guī)律性的, 可以采用防振措施和電源穩(wěn)壓方法減小它們的影響。 而由振蕩管噪聲和電源隨機起伏引起的本振寄生頻率和噪聲屬于隨機性不穩(wěn)定, 其中以穩(wěn)定本振所產(chǎn)生的噪聲影響更為嚴(yán)重。本振噪聲分為調(diào)幅噪聲和調(diào)頻(或調(diào)相)噪聲, 調(diào)幅噪聲比調(diào)頻噪聲的影響小得多, 而且可以用平衡混頻器或限幅器進(jìn)行抑制。因而, 調(diào)頻噪聲是最主要的一種干擾。 對穩(wěn)定本振的要求, 一般是根據(jù)允許的相位調(diào)制頻譜來確定的。 第 3 章 雷 達(dá) 接 收 機 幾種典型微波信號源的相位頻譜示于圖3.22, 它是在實驗室環(huán)境條件下測得的結(jié)果。若在沖擊和振動條件下, 相位調(diào)制則會急劇增大。圖中曲線表明，即使在這種

57、有利條件下, 不穩(wěn)定的反射型速調(diào)管和三極管振蕩器也不能適用于許多雷達(dá), 應(yīng)該采用穩(wěn)定速調(diào)管或多級倍頻器。因此, 如果仍然使用速調(diào)管振蕩器, 則須采用空腔穩(wěn)定或鎖相技術(shù)構(gòu)成的穩(wěn)定本振。 第 3 章 雷 達(dá) 接 收 機 圖3.22 典型的C波段信號源的相位調(diào)制頻譜雙邊帶功率單邊帶功率三極管振蕩器反射型速調(diào)管磁控管多 級倍頻器穩(wěn)定速調(diào)管60801001201401101000.000 10.0010.01101.00.1調(diào)制頻率/kHz在1 kHz帶寬內(nèi)毫弧度均方根相位偏差相位邊帶功率/dB第 3 章 雷 達(dá) 接 收 機 1 . 鎖相型穩(wěn)定本振鎖相型穩(wěn)定本振 采用鎖相技術(shù)可以構(gòu)成頻率固定的穩(wěn)定本振,

58、 但主要還是用來構(gòu)成可調(diào)諧的穩(wěn)定本振。所謂“可調(diào)諧”，是指頻率的變化能以精確的頻率間隔離散地階躍。這種可調(diào)諧的穩(wěn)定本振的實現(xiàn)方案之一見圖3.23。 第 3 章 雷 達(dá) 接 收 機 圖3.23 鎖相型穩(wěn)定本振 分頻器2基準(zhǔn)頻率振 蕩 器階躍管倍頻N相 位檢波器限幅器F/2中頻放大器F/2iFFF/2L混頻器 A速調(diào)管振蕩器ue keR1R2ECF/2NFfL( N 1/2)F輸出C第 3 章 雷 達(dá) 接 收 機 基準(zhǔn)頻率振蕩器產(chǎn)生穩(wěn)定的基準(zhǔn)頻率F, 經(jīng)過階躍二極管倍頻N次, 變成一串頻率間隔為NF的微波線頻譜。速調(diào)管輸出功率的一部分與線頻譜混頻, 若本振速調(diào)管頻率為, 則混頻后所得的差頻fI接近

59、F/2, 經(jīng)F/2中頻放大器放大和限幅后, 與頻率為F/2的基準(zhǔn)頻率比相, 根據(jù)相位誤差的大小和方向, 相位檢波器輸出相應(yīng)的誤差信號u=k, 經(jīng)直流放大后輸出EC, 改變速調(diào)管的振蕩頻率,使其頻率準(zhǔn)確地鎖定在 上。 因此， 只要調(diào)節(jié)速調(diào)管的振蕩頻率大致為 , 鎖相回路就能將其頻率準(zhǔn)確地鎖定在 , 從而實現(xiàn)頻率間隔為F的可變調(diào)諧。這種穩(wěn)定本振的穩(wěn)定性取決于基準(zhǔn)頻率的穩(wěn)定性。 FNfL21FN21FN21FNfL21第 3 章 雷 達(dá) 接 收 機 2 . 晶振倍頻型穩(wěn)定本振晶振倍頻型穩(wěn)定本振 圖3.24 晶振倍頻型穩(wěn)定本振 基準(zhǔn)頻率振 蕩 器F第 一倍頻器N第 二倍頻器MNF分頻器n : 1F/n

60、脈沖重復(fù)頻率穩(wěn)定本振信號相參本振信號MNF選頻器上變頻混頻器載波信號自跟蹤器F第 3 章 雷 達(dá) 接 收 機 基準(zhǔn)頻率振蕩器產(chǎn)生出穩(wěn)定的基準(zhǔn)頻率, 經(jīng)過第一倍頻器N次倍頻后輸出, 作為相參本振信號(中頻), 再經(jīng)過第二倍頻器M次倍頻后輸出, 作為穩(wěn)定本振信號(微波)。如果多卜勒頻移不大, 則把相參本振信號與穩(wěn)定本振信號通過混頻, 取其和頻分量輸出, 作為雷達(dá)的載波信號。如果多卜勒頻移大, 則需從第一倍頻器輸出一串倍頻信號, 其頻率間隔為基準(zhǔn)振蕩器頻率, 由跟蹤器送來的信號選擇其中能對多卜勒頻移作最佳校準(zhǔn)的一個頻率, 經(jīng)與穩(wěn)定本振信號混頻后, 作為雷達(dá)的載波信號。 為了避免產(chǎn)生混頻的寄生分量,