第-3-章-雷達(dá)接收機(jī)

第_3_章__雷達(dá)接收機(jī)第一頁，共76頁。圖3.1超外差式雷達(dá)接收機(jī)簡化方框圖3.1.1超外差式雷達(dá)接收機(jī)的組成(1)高頻部分,又稱為接收機(jī)“前端”,包括接收機(jī)保護(hù)器、低噪聲高頻放大器、混頻器和本機(jī)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。3.1雷達(dá)接收機(jī)的組成和主要質(zhì)量指標(biāo)2第二頁，共76頁。圖3.2超外差式雷達(dá)接收機(jī)的一般方框圖3第三頁，共76頁。3.1.2超外差式雷達(dá)接收機(jī)的主要質(zhì)量指標(biāo)

1.靈敏度

靈敏度表示接收機(jī)接收微弱信號(hào)的能力。能接收的信號(hào)越微弱,則接收機(jī)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(jī)的靈敏度通常用最小可檢測信號(hào)功率Simin來表示。目前,超外差式雷達(dá)接收機(jī)的靈敏度一般約為(10-12~10-14)W所需增益約為106~108(120dB~160dB),主要由中頻放大器來完成。4第四頁，共76頁。圖3.3顯示器上所見到的信號(hào)與噪聲5第五頁，共76頁。

2.接收機(jī)的工作頻帶寬度

接收機(jī)的工作頻帶寬度表示接收機(jī)的瞬時(shí)工作頻率范圍。

在復(fù)雜的電子對(duì)抗和干擾環(huán)境中,要求雷達(dá)發(fā)射機(jī)和接收機(jī)具有較寬的工作帶寬,例如頻率捷變雷達(dá)要求接收機(jī)的工作頻帶寬度為(10~20)%。接收機(jī)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(jī)振蕩器)的性能。

需要指出,接收機(jī)的工作頻帶較寬時(shí),必須選擇較高的中頻,以減少混頻器輸出的寄生響應(yīng)對(duì)接收機(jī)性能的影響。

6第六頁，共76頁。

3.動(dòng)態(tài)范圍

動(dòng)態(tài)范圍表示接收機(jī)能夠正常工作所容許的輸入信號(hào)強(qiáng)度變化的范圍。最小輸入信號(hào)強(qiáng)度通常取為最小可檢測信號(hào)功率Simin,允許最大的輸入信號(hào)強(qiáng)度則根據(jù)正常工作的要求而定。當(dāng)輸入信號(hào)太強(qiáng)時(shí),接收機(jī)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(jī)開始出現(xiàn)過載時(shí)的輸入功率與最小可檢測功率之比,叫做動(dòng)態(tài)范圍。為了保證對(duì)強(qiáng)弱信號(hào)均能正常接收,要求動(dòng)態(tài)范圍大,就需要采取一定措施,例如采用對(duì)數(shù)放大器、各種增益控制電路等抗干擾措施。7第七頁，共76頁。4.中頻的選擇和濾波特性

接收機(jī)中頻的選擇和濾波特性是接收機(jī)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(jī)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(jī)中,中頻的選擇可以從30MHz到4GHz之間。當(dāng)需要在中頻增加某些信號(hào)處理部件,如脈沖壓縮濾波器,對(duì)數(shù)放大器和限幅器等時(shí),從技術(shù)實(shí)現(xiàn)來說,中頻選擇在30MHz至500MHz更為合適。對(duì)于寬頻帶工作的接收機(jī),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(jī)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(hào)帶寬,則過多的噪聲進(jìn)入接收機(jī)。如果所選擇的帶寬比信號(hào)帶寬窄,信號(hào)能量將會(huì)損失。這兩種情況都會(huì)使接收機(jī)輸出的信噪比減小。在白噪聲(即接收機(jī)熱噪聲)背景下,接收機(jī)的頻率特性為“匹配濾波器”時(shí),輸出的信號(hào)噪聲比最大。8第八頁，共76頁。

5.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(jī)械振動(dòng)等)和電源電壓發(fā)生變化時(shí),接收機(jī)的性能參數(shù)(振幅特性、頻率特性和相位特性等)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(duì)一串回波進(jìn)行相參處理,對(duì)本機(jī)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)“穩(wěn)定本振”。6、抗干擾能力有源干擾: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(jī)施放的箔片干擾。措施：頻率捷變9第九頁，共76頁。

7.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(jī)通道。常規(guī)的接收機(jī)工藝結(jié)構(gòu):體積、重量、耗電、成本和技術(shù)實(shí)現(xiàn)上都有很大困難。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)；其主要優(yōu)點(diǎn):體積小、重量輕,芯片電路電性能一致性好，成本低。用上述幾種單片集成電路實(shí)現(xiàn)的模塊化接收機(jī),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(jī)高頻電路,即五級(jí)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30dB。10第十頁，共76頁。3.2接收機(jī)的噪聲系數(shù)和靈敏度3.2.1接收機(jī)的噪聲

1.電阻熱噪聲

它是由于導(dǎo)體中自由電子的無規(guī)則熱運(yùn)動(dòng)形成的噪聲。因?yàn)閷?dǎo)體具有一定的溫度,導(dǎo)體中每個(gè)自由電子的熱運(yùn)動(dòng)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(3.2.1)11第十一頁，共76頁。k為玻爾茲曼常數(shù),k=1.38×10-23J/K;T為電阻溫度,以絕對(duì)溫度(K)計(jì)量,對(duì)于室溫17℃,T=T0=290K;R為電阻的阻值;Bn為測試設(shè)備的通帶。電阻熱噪聲的功率譜密度p(f)是表示噪聲頻譜分布的重要統(tǒng)計(jì)特性,其表示式可直接由式(3.2.2)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(gè)典型例子。12第十二頁，共76頁。2.額定噪聲功率根據(jù)電路基礎(chǔ)理論,信號(hào)電動(dòng)勢為Es而內(nèi)阻抗為Z=R+jX的信號(hào)源,當(dāng)其負(fù)載阻抗與信號(hào)源內(nèi)阻匹配,即其值為Z*=R-jX時(shí),信號(hào)源輸出的信號(hào)功率最大,此時(shí),輸出的最大信號(hào)功率稱為“額定”信號(hào)功率,用Sa表示,其值是(3.2.3)圖3.4“額定”信號(hào)功率的示意圖13第十三頁，共76頁。圖3.5“額定”噪聲功率的示意圖(3.2.4)結(jié)論:任何無源二端網(wǎng)絡(luò)輸出的額定噪聲功率只與其溫度T和通帶Bn有關(guān)。

14第十四頁，共76頁。3.天線噪聲

天線噪聲是外部噪聲,它包括:天線的熱噪聲:由天線周圍介質(zhì)微粒的熱運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的噪聲宇宙噪聲: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(jī),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,其電壓均方值為式中,RA為天線等效電阻。15第十五頁，共76頁。4.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,為了分析和計(jì)算方便,通常把這個(gè)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。Bn:等效噪聲功率譜寬度”,簡稱“噪聲帶寬”。H2(f0)為線性電路在諧振頻率f0處的功率傳輸系數(shù)。16第十六頁，共76頁。3.2.2噪聲系數(shù)和噪聲溫度1.噪聲系數(shù)噪聲系數(shù)的定義是:接收機(jī)輸入端信號(hào)噪聲比與輸出端信號(hào)噪聲比的比值。

式中,Si為輸入額定信號(hào)功率;Ni為輸入額定噪聲功率(Ni=kT0Bn);So為輸出額定信號(hào)功率;No為輸出額定噪聲功率。17第十七頁，共76頁。

噪聲系數(shù)F有明確的物理意義:它表示由于接收機(jī)內(nèi)部噪聲的影響,使接收機(jī)輸出端的信噪比相對(duì)其輸入端的信噪比變差的倍數(shù)。

式(3.2.9)可以改寫為(3.2.10)式中，Ga為接收機(jī)的額定功率增益;NiGa是輸入端噪聲通過“理想接收機(jī)”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(shí)際接收機(jī)輸出的額定噪聲功率No與“理想接收機(jī)”輸出的額定噪聲功率NiGa之比。18第十八頁，共76頁。

實(shí)際接收機(jī)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(jī)內(nèi)部噪聲在輸出端所呈現(xiàn)的額定噪聲功率ΔN,即No=NiGa+ΔN=kT0BnGa+ΔN將No代入式(3.2.10)可得(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(jī)內(nèi)部噪聲的關(guān)系,實(shí)際接收機(jī)總會(huì)有內(nèi)部噪聲(ΔN＞0),因此F＞1,只有當(dāng)接收機(jī)是“理想接收機(jī)”時(shí),才會(huì)有F=1。19第十九頁，共76頁。

下面對(duì)噪聲系數(shù)作幾點(diǎn)說明:①噪聲系數(shù)只適用于接收機(jī)的線性電路和準(zhǔn)線性電路,即檢波器以前部分。檢波器是非線性電路,而混頻器可看成是準(zhǔn)線性電路,因其輸入信號(hào)和噪聲都比本振電壓小很多,輸入信號(hào)與噪聲間的相互作用可以忽略。②為使噪聲系數(shù)具有單值確定性,規(guī)定輸入噪聲以天線等效電阻RA在室溫T0=290K時(shí)產(chǎn)生的熱噪聲為標(biāo)準(zhǔn),

所以由式(3.2.12)可以看出,噪聲系數(shù)只由接收機(jī)本身參數(shù)確定。20第二十頁，共76頁。③噪聲系數(shù)F是沒有單位的數(shù)值,

通常用分貝表示F=10lgF(dB)(3.2.13)④噪聲系數(shù)的概念與定義,可推廣到任何無源或有源的四端網(wǎng)絡(luò)。接收機(jī)的饋線、放電器、移相器等屬于無源四端網(wǎng)絡(luò),其示意圖見圖3.9,圖中Ga為額定功率傳輸系數(shù)。由于具有損耗電阻,因此也會(huì)產(chǎn)生噪聲,下面求其噪聲系數(shù)。從網(wǎng)絡(luò)的輸入端向左看,是一個(gè)電阻為RA的無源二端網(wǎng)絡(luò),它輸出的額定噪聲功率為(3.2.14)21第二十一頁，共76頁。圖3.9無源四端網(wǎng)絡(luò)22第二十二頁，共76頁。經(jīng)過網(wǎng)絡(luò)傳輸,加于負(fù)載RL上的外部噪聲額定功率為(3.2.15)

從負(fù)載電阻RL向左看,也是一個(gè)無源二端網(wǎng)絡(luò),它是由信號(hào)源電阻RA和無源四端網(wǎng)絡(luò)組合而成的,同理,這個(gè)二端網(wǎng)絡(luò)輸出的額定噪聲功率仍為kT0Bn,它也就是無源四端網(wǎng)絡(luò)輸出的總額定噪聲功率,即(3.2.16)

根據(jù)式(3.2.10)可得(3.2.17)由于無源四端網(wǎng)絡(luò)額定功率傳輸系數(shù)Ga≤1,因此其噪聲系數(shù)F≥1。23第二十三頁，共76頁。2.等效噪聲溫度前面已經(jīng)提到,接收機(jī)外部噪聲可用天線噪聲溫度TA來表示,如果用額定功率來計(jì)量,接收機(jī)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(jī)內(nèi)部噪聲在輸出端呈現(xiàn)的額定噪聲功率ΔN等效到輸入端來計(jì)算,這時(shí)內(nèi)部噪聲可以看成是天線電阻RA在溫度Te時(shí)產(chǎn)生的熱噪聲,即ΔN=kTeBnGa

(3.2.19)溫度Te稱為“等效噪聲溫度”或簡稱“噪聲溫度”,此時(shí)接收機(jī)就變成沒有內(nèi)部噪聲的“理想接收機(jī)”,其等效電路見圖3.10。24第二十四頁，共76頁。圖3.10接收機(jī)內(nèi)部噪聲的換算25第二十五頁，共76頁。將式(3.2.19)代入式(3.2.12),可得(3.2.20)Te=(F-1)T0=(F-1)×290(K)(3.2.21)物理意義:把接收機(jī)內(nèi)部噪聲看成是“理想接收機(jī)”的天線電阻RA在溫度Te時(shí)所產(chǎn)生的。系統(tǒng)噪聲溫度Ts由內(nèi)、外兩部分噪聲溫度所組成,即26第二十六頁，共76頁。

表3.2給出Te與F的對(duì)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(jī)的噪聲性能時(shí),例如它們分別為1.05和1.1,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(shí),將會(huì)發(fā)現(xiàn)兩者的噪聲性能實(shí)際上已相差一倍(分別為14.5K和29K)。此外,只要直接比較Te和TA,就能直觀地比較接收機(jī)內(nèi)部噪聲與外部噪聲的相對(duì)大小。因此,對(duì)于低噪聲接收機(jī)和低噪聲器件,常用噪聲溫度來表示其噪聲性能。表3.2Te與F的對(duì)照表27第二十七頁，共76頁。3.相對(duì)噪聲溫度——噪聲比雷達(dá)接收機(jī)中的晶體混頻器是一個(gè)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(duì)噪聲溫度來表示。相對(duì)噪聲溫度有時(shí)簡稱為噪聲比tc,其意義為實(shí)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(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。28第二十八頁，共76頁。3.2.3級(jí)聯(lián)電路的噪聲系數(shù)為了簡便,先考慮兩個(gè)單元電路級(jí)聯(lián)的情況,圖中F1、F2和G1、G2分別表示第一、二級(jí)電路的噪聲系數(shù)和額定功率增益。為了計(jì)算總噪聲系數(shù)F0,先求實(shí)際輸出的額定噪聲功率No。由式(3.2.10)可得No=kT0BnG1G2F0

而(3.2.24a)(3.2.24b)29第二十九頁，共76頁。No由兩部分組成:一部分是由第一級(jí)的噪聲在第二級(jí)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(jí)所產(chǎn)生的噪聲功率ΔN2,由式(3.2.12)可得ΔN2=(F2-1)kT0BnG2(3.2.25)于是式(3.2.24)可進(jìn)一步寫成No=kT0BnG1G2F0=kT0BnG1G2F1+(F2-1)kT0BnG2

化簡后可得兩級(jí)級(jí)聯(lián)電路的總噪聲系數(shù)(3.2.26)30第三十頁，共76頁。圖3.12典型雷達(dá)接收機(jī)的高、中頻部分31第三十一頁，共76頁。同理可證,n級(jí)電路級(jí)聯(lián)時(shí)接收機(jī)總噪聲系數(shù)為(3.2.27)上式給出了重要結(jié)論:為了使接收機(jī)的總噪聲系數(shù)小,要求各級(jí)的噪聲系數(shù)小、額定功率增益高。而各級(jí)內(nèi)部噪聲的影響并不相同,級(jí)數(shù)越靠前,對(duì)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(jí),這就是接收機(jī)要采用高增益低噪聲高放的主要原因。32第三十二頁，共76頁。

將圖3.12中所列各級(jí)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(jī)的總噪聲系數(shù):(3.2.28)一般都采用高增益(GR≥20dB)低噪聲高頻放大器,因此式(3.2.28)可簡化為(3.2.29)若不采用高放,直接用混頻器作為接收機(jī)第一級(jí),則可得(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(jì)入在內(nèi)。33第三十三頁，共76頁。

若接收機(jī)的噪聲性能用等效噪聲溫度Te表示,則它與各級(jí)噪聲溫度之間的關(guān)系為(3.2.31)34第三十四頁，共76頁。3.2.4接收機(jī)靈敏度

接收機(jī)的靈敏度表示接收機(jī)接收微弱信號(hào)的能力。噪聲總是伴隨著微弱信號(hào)同時(shí)出現(xiàn),要能檢測信號(hào),微弱信號(hào)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(jī)輸入端的最小可檢測信號(hào)功率Simin來表示。在噪聲背景下檢測目標(biāo),接收機(jī)輸出端不僅要使信號(hào)放大到足夠的數(shù)值,更重要的是使其輸出信號(hào)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(hào)的質(zhì)量取決于信噪比。35第三十五頁，共76頁。已經(jīng)知道,接收機(jī)噪聲系數(shù)F0為(3.2.32)或者寫成(3.2.33)此時(shí),輸入信號(hào)額定功率為(3.2.34)式中,Ni=kT0Bn為接收機(jī)輸入端的額定噪聲功率。于是進(jìn)一步得到(3.2.35)36第三十六頁，共76頁。

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(jī)的中頻輸出必須提供足夠的信號(hào)噪聲比,令So/No≥(So/No)min時(shí)對(duì)應(yīng)的接收機(jī)輸入信號(hào)功率為最小可檢測信號(hào)功率,即接收機(jī)實(shí)際靈敏度為(3.2.36)通常,我們把(So/No)min稱為“識(shí)別系數(shù)”,并用M表示,所以靈敏度又可以寫成(3.2.37)37第三十七頁，共76頁。

為了提高接收機(jī)的靈敏度,即減少最小可檢測信號(hào)功率Simin,

應(yīng)做到:①盡量降低接收機(jī)的總噪聲系數(shù)F0,所以通常采用高增益、低噪聲高放;②接收機(jī)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(hào)噪聲比;③式中的識(shí)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(jī)性能的前提下,盡量減小M的數(shù)值。38第三十八頁，共76頁。

為了比較不同接收機(jī)線性部分的噪聲系數(shù)F0和帶寬Bn對(duì)靈敏度的影響,需要排除接收機(jī)以外的諸因素,因此通常令M=1,這時(shí)接收機(jī)的靈敏度稱為“臨界靈敏度”，其為(3.2.38)雷達(dá)接收機(jī)的靈敏度以額定功率表示,并常以相對(duì)1mW的分貝數(shù)計(jì)值,即(3.2.39)一般超外差接收機(jī)的靈敏度為-90~-110dBmW。39第三十九頁，共76頁。

對(duì)米波雷達(dá),可用最小可檢測電壓ESimin表示靈敏度(3.2.40)對(duì)一般超外差式接收機(jī),ESimin為10-6~10-7V。

將kT0的數(shù)值代入式(3.3.38),Simin仍取常用單位dBmW,則可得到簡便計(jì)算公式為Simin(dBmW)=-114dB+10lgBn(MHz)+10lgF0

(3.2.41)40第四十頁，共76頁。圖3.13不同噪聲帶寬(Bn=BRI)時(shí)接收機(jī)靈敏度與噪聲系數(shù)的關(guān)系曲線41第四十一頁，共76頁。3.5接收機(jī)的動(dòng)態(tài)范圍和增益控制3.5.1動(dòng)態(tài)范圍

放大器:小信號(hào)：線性放大。信號(hào)過強(qiáng)：過載42第四十二頁，共76頁。圖3.25信號(hào)與寬脈沖干擾共同通過中頻放大器的示意圖

43第四十三頁，共76頁。

因此,對(duì)于疊加在干擾上的回波信號(hào)來說,其放大量應(yīng)該用“增量增益”表示,它是放大器振幅特性曲線上某點(diǎn)的斜率(3.5.1)

由圖3.25所示的振幅特性,可求得Kd-Uim的關(guān)系曲線,如圖3.26所示。由此可知,只要接收機(jī)中某一級(jí)的增量增益Kd≤0,接收機(jī)就會(huì)發(fā)生過載,即丟失目標(biāo)回波信號(hào)。接收機(jī)抗過載性能的好壞,可用動(dòng)態(tài)范圍D來表示,它是當(dāng)接收機(jī)不發(fā)生過載時(shí)允許接收機(jī)輸入信號(hào)強(qiáng)度的變化范圍,其定義式如下:(3.5.2)44第四十四頁，共76頁。圖3.26信號(hào)與寬脈沖干擾共同通過中頻放大器的示意圖45第四十五頁，共76頁。或(3.5.3)式中,Pimin、Uimin為最小可檢測信號(hào)功率、電壓;Pimax、Uimax為接收機(jī)不發(fā)生過載所允許接收機(jī)輸入的最大信號(hào)功率、電壓。接收機(jī)各部件的動(dòng)態(tài)范圍典型值見表3.3。通過該表可迅速判明哪些部件影響動(dòng)態(tài)范圍。但需注意:表中各部件的動(dòng)態(tài)范圍是用各部件輸出端的最大信號(hào)與系統(tǒng)噪聲電平進(jìn)行比較而算出的,該部件的所有濾波應(yīng)在飽和之前完成。表中同時(shí)還給出了與動(dòng)態(tài)范圍有關(guān)的一些重要參數(shù)。46第四十六頁，共76頁。表3.3接收機(jī)各部件的動(dòng)態(tài)范圍典型值47第四十七頁，共76頁。3.5.2增益控制

1.自動(dòng)增益控制(AGC)

在跟蹤雷達(dá)中,為了保證對(duì)目標(biāo)的自動(dòng)方向跟蹤,要求接收機(jī)輸出的角誤差信號(hào)強(qiáng)度只與目標(biāo)偏離天線軸線的夾角(稱為“誤差角”)有關(guān),而與目標(biāo)距離的遠(yuǎn)近、目標(biāo)反射面積的大小等因素?zé)o關(guān)。為了得到這種歸一化的角誤差信號(hào),使天線正確地跟蹤運(yùn)動(dòng)目標(biāo),必須采用自動(dòng)增益控制(AGC)。

48第四十八頁，共76頁。

圖3.27示出了一種簡單的AGC電路方框圖,它由一級(jí)峰值檢波器和低通濾波器組成。接收機(jī)輸出的視頻脈沖信號(hào),經(jīng)過峰值檢波,再由低通濾波器除去高頻成分之后,就得到自動(dòng)增益控制電壓UAGC,將它加到被控的中頻放大器中去,就完成了增益的自動(dòng)控制作用。當(dāng)輸入信號(hào)增大時(shí),視頻放大器輸出uo隨之增大,引起控制電壓UAGC增加,從而使受控中頻放大器的增益降低；當(dāng)輸入信號(hào)減小時(shí),情況正好相反,即中頻放大器的增益將要增大。因此自動(dòng)增益控制電路是一個(gè)負(fù)反饋系統(tǒng)。49第四十九頁，共76頁。2.自動(dòng)增益控制(AGC)圖3.27一種簡單的AGC電路方框圖50第五十頁，共76頁。圖3.28瞬時(shí)自動(dòng)增益控制電路的組成方框圖51第五十一頁，共76頁。

瞬時(shí)自動(dòng)增益控制的目的是使干擾電壓受到衰減(即要求控制電壓UC能瞬時(shí)地隨著干擾電壓而變化),而維持目標(biāo)信號(hào)的增益盡量不變。因此,電路的時(shí)常數(shù)應(yīng)這樣選擇:為了保證在干擾電壓的持續(xù)時(shí)間τn內(nèi)能迅速建立起控制電壓UC,要求電路時(shí)常數(shù)τi＜τn;為了維持目標(biāo)回波的增益盡量不變,必須保證在目標(biāo)信號(hào)的寬度τ內(nèi)使控制電壓來不及建立,即τi>>τ,為此電路時(shí)常數(shù)一般選為τi=(5~20)τ

(3.5.4)干擾電壓一般都很強(qiáng),所以中頻放大器不僅末級(jí)有過載的危險(xiǎn),前幾級(jí)也有可能發(fā)生過載。為了得到較好的抗過載效果,增大允許的干擾電壓范圍,可以在中放的末級(jí)和相鄰的前幾級(jí),都加上瞬時(shí)自動(dòng)增益控制電路。52第五十二頁，共76頁。

3.近程增益控制(STC)

近程增益控制電路又稱“時(shí)間增益控制電路”或“靈敏度時(shí)間控制(STC)電路”,它用來防止近程雜波干擾所引起的中頻放大器過載。雜波干擾(如海浪雜波和地物雜波干擾等)主要出現(xiàn)在近距離,干擾功率隨著距離的增加而相對(duì)平滑地減小,如圖3.29(a)所示。如果把發(fā)射信號(hào)時(shí)刻作為距離的起點(diǎn),則橫軸實(shí)際上也就是時(shí)間軸。53第五十三頁，共76頁。圖3.29瞬時(shí)自動(dòng)增益控制電路的組成方框圖54第五十四頁，共76頁。根據(jù)試驗(yàn),海浪雜波干擾功率Pim隨距離R的變化規(guī)律為(3.5.5)式中，K為比例常數(shù),它與雷達(dá)的發(fā)射功率等因素有關(guān);a為由試驗(yàn)條件所確定的系數(shù),它與天線波瓣形狀等有關(guān),一般a=2.7~4.7。

近程增益控制的基本原理是:當(dāng)發(fā)射機(jī)每次發(fā)射信號(hào)之后,接收機(jī)產(chǎn)生一個(gè)與干擾功率隨時(shí)間的變化規(guī)律相“匹配”的控制電壓UC,控制接收機(jī)的增益按此規(guī)律變化。所以近程增益控制電路實(shí)際上是一個(gè)使接收機(jī)靈敏度隨時(shí)間而變化的控制電路,它可以使接收機(jī)不致受近距離的雜波干擾而過載。55第五十五頁，共76頁。3.6濾波和接收機(jī)帶寬3.6.1匹配濾波和準(zhǔn)匹配濾波

1.匹配濾波器基本概念匹配濾波器是在白噪聲背景中檢測信號(hào)的最佳線性濾波器,其輸出信噪比在某個(gè)時(shí)刻可以達(dá)到最大。如果已知輸入信號(hào)s(t),其頻譜為S(ω),則可以證明匹配濾波器在頻率域的特性為H(ω)=kS*(ω)exp(-jωt0)(3.6.1)56第五十六頁，共76頁。式中，S*(ω)為頻譜S(ω)的共軛值;k為濾波器的增益常數(shù);t0是使濾波器實(shí)際上能夠?qū)崿F(xiàn)所必須的延遲時(shí)間,在t0時(shí)刻將有信號(hào)的最大輸出。同樣可以證明，匹配濾波器在時(shí)間域的函數(shù),即其脈沖響應(yīng)為h(t)=ks*(t0-t)(3.6.2)式中，s*(t0-t)為輸入信號(hào)的鏡像,它與輸入信號(hào)s(t)的波形相同,但從時(shí)間t0開始反轉(zhuǎn)過來。57第五十七頁，共76頁。

在對(duì)匹配濾波器作理論研究時(shí),延時(shí)t0和增益常數(shù)k可以不予考慮,因此匹配濾波器的上述方程式特性可以簡化為H(ω)=S*(ω)h(t)=s*(-t)(3.6.3)(3.6.4)從式(3.6.3)和式(3.6.4)可以看出:匹配濾波器的傳輸函數(shù)是輸入信號(hào)頻譜的復(fù)共軛值,匹配濾波器的脈沖響應(yīng)是輸入信號(hào)的鏡像函數(shù)。還可以進(jìn)一步證明,匹配濾波器在輸出端給出的最大瞬時(shí)信噪比為(3.6.5)58第五十八頁，共76頁。

N0是輸入噪聲的譜密度,它是匹配濾波器輸入端單位頻帶內(nèi)的噪聲功率;E是輸入信號(hào)能量:(3.6.6)59第五十九頁，共76頁。60第六十頁，共76頁。

2.單個(gè)矩形中頻脈沖的匹配濾波器多數(shù)常規(guī)雷達(dá)采用簡單矩形脈沖調(diào)制,所以有必要研究一下矩形包絡(luò)的單個(gè)中頻脈沖的匹配濾波器。設(shè)矩形脈沖的幅度為A,寬度為τ,信號(hào)波形的表達(dá)式為(3.6.7)61第六十一頁，共76頁。用傅里葉變換可求得信號(hào)頻譜(3.6.8)因而由式(3.6.3)可得匹配濾波器的傳輸函數(shù)［見圖3.30(c)］為(3.6.9)62第六十二頁，共76頁。圖3.30單個(gè)矩形中頻脈沖及其匹配濾波器特性(a)矩形脈沖波形;(b)矩形高頻脈沖頻譜;(c)匹配濾波器特性63第六十三頁，共76頁。由式(3.6.5)可得匹配濾波器輸出的最大信噪比為(3.6.10)理想匹配濾波器的特性一般比較難于實(shí)現(xiàn),例如對(duì)于單個(gè)矩形中頻脈沖來說,圖3.30(c)所示的頻率特性H(ω)就不易實(shí)現(xiàn)。因此需要考慮它的近似實(shí)現(xiàn),即采用準(zhǔn)匹配濾波器。64第六十四頁，共76頁。

3.準(zhǔn)匹配濾波器準(zhǔn)匹配濾波器是指實(shí)際上容易實(shí)現(xiàn)的幾種典型頻率特性,例如對(duì)于圖3.30(c)所示的頻率特性,通常可以用矩形、高斯形或其它形狀的頻率特性來作近似。適當(dāng)選擇該頻率特性的通頻帶,可獲得準(zhǔn)匹配條件下的“最大信噪比”。雷達(dá)中頻放大器的級(jí)數(shù)較多,其合成頻率特性有時(shí)可近似為矩形。下面討論采用矩形近似的準(zhǔn)匹配濾波器輸出“最大信噪比”(S/N)≈max與圖3.30(c)所示的匹配濾波器輸出的最大信噪比(S/N)max相比較,二者之間的差別。65第六十五頁，共76頁。圖3.31單個(gè)矩形中頻脈沖及其匹配濾波器特性66第六十六頁，共76頁。設(shè)矩形特性濾波器的角頻率帶寬為W,傳