射頻微波系統(tǒng)

射頻微波系統(tǒng)第1頁，共103頁，2023年，2月20日，星期六13.1射頻發(fā)射機(jī)的基本知識(shí) 13.1.1發(fā)射機(jī)基本參數(shù) 發(fā)射機(jī)的基本參數(shù)介紹如下： (1)頻率或頻率范圍:用來考查微波振蕩器的頻率及其相關(guān)指標(biāo)、溫度頻率穩(wěn)定度、時(shí)間頻率穩(wěn)定性、頻率負(fù)載牽引變化、壓控調(diào)諧范圍等,相關(guān)單位為MHz、GHz、ppm、MHz/V等。 (2)功率:與功率有關(guān)的指標(biāo)有最大輸出功率、頻帶功率波動(dòng)范圍、功率可調(diào)范圍、功率的時(shí)間和溫度穩(wěn)定性,相關(guān)單位為mW、dBm、W、dBW等。第2頁，共103頁，2023年，2月20日，星期六 (3)效率:供電電源到輸出功率的轉(zhuǎn)換效率。這一參數(shù)對(duì)于電池供電系統(tǒng)尤為重要。 (4)噪聲:包括調(diào)幅、調(diào)頻和調(diào)相噪聲,不必要的調(diào)制噪聲將會(huì)影響系統(tǒng)的通信質(zhì)量。 (5)諧波抑制:工作頻率的高次諧波輸出功率大小。通常對(duì)二次、三次諧波抑制提出要求。基波與諧波的功率比為諧波抑制指標(biāo)。工程實(shí)際中,基波與諧波兩個(gè)功率dBm的差為dBc。 (6)雜波抑制:除基波和諧波外的任何信號(hào)與基波信號(hào)的大小比較。直接振蕩源的雜波就是本底噪聲,頻率合成器的雜波除本底噪聲外,還有可能是參考頻率及其諧波。第3頁，共103頁，2023年，2月20日，星期六 13.1.2發(fā)射機(jī)基本結(jié)構(gòu) 要發(fā)射的低頻信號(hào)（模擬、數(shù)字、圖像等）與射頻/微波信號(hào)的調(diào)制方式有三種可能形式： (1)直接產(chǎn)生發(fā)射機(jī)輸出的微波信號(hào)頻率,再調(diào)制待發(fā)射信號(hào)。在雷達(dá)系統(tǒng)中常用脈沖調(diào)制微波信號(hào)的幅度,即幅度鍵控。調(diào)制電路就是PIN開關(guān)。調(diào)制后信號(hào)經(jīng)功放、濾波輸出到天線。 (2)將待發(fā)射的低頻信號(hào)調(diào)制到發(fā)射中頻（如70MHz）上,與發(fā)射本振（微波/射頻）混頻得到發(fā)射機(jī)輸出頻率,再經(jīng)功放、濾波輸出到天線。在通信系統(tǒng)中常用此方案。 圖像通信中,一般先將圖像信號(hào)先做基帶處理（6.5MHz）,再進(jìn)行調(diào)制。

第4頁，共103頁，2023年，2月20日，星期六 (3)將待發(fā)射的低頻信號(hào)調(diào)制到發(fā)射中頻（如70MHz）上,經(jīng)過多次倍頻得到發(fā)射機(jī)頻率,然后再經(jīng)功放、濾波輸出到天線。近代通信中常用此方案。 發(fā)射機(jī)典型電路如圖13-1所示,可分成九個(gè)部分:中頻放大器、中頻濾波器、上變頻混頻器、射頻濾波器、射頻驅(qū)動(dòng)放大器、射頻功率放大器、載波振蕩器、載波濾波器、發(fā)射天線。第5頁，共103頁，2023年，2月20日，星期六圖13-1基本射頻前端發(fā)射機(jī)電路第6頁，共103頁，2023年，2月20日，星期六 這些電路單元在前面均有介紹。放大器的基本原理與設(shè)計(jì)方法可參考第8章,濾波器的基本原理與設(shè)計(jì)方法可參考第7章,振蕩器可參考第9章和第10章,天線在第12章有詳細(xì)描述。在電路單元中還會(huì)用到耦合器、隔離器、匹配電路或衰減器等。一個(gè)發(fā)射機(jī)系統(tǒng)就是前面所學(xué)知識(shí)的組合。

第7頁，共103頁，2023年，2月20日，星期六 13.1.3上變頻器 1.基本電路原理 發(fā)射混頻器的基本電路結(jié)構(gòu)圖如圖13-2所示。二極管上的電流為

式中,I0為二極管的飽和電流,UIF是中頻信號(hào)的振幅,fIF為中頻信號(hào)的頻率,ULO是載波信號(hào)的振幅,fLO是載波信號(hào)的頻率。

（13-1）

第8頁，共103頁，2023年，2月20日，星期六圖13-2發(fā)射混頻器的基本電路第9頁，共103頁，2023年，2月20日，星期六

混頻后的輸出射頻頻率為 fRF=mfIF+nfLO（13-2） 其中m,n為任意非零整數(shù)。 絕大多數(shù)情況下,RF頻率應(yīng)是載波與IF頻率的和或差,即fRF=fLO±fIF。根據(jù)發(fā)射機(jī)指標(biāo)和系統(tǒng)參數(shù)取和頻或差頻,利用射頻輸出端的濾波器實(shí)現(xiàn)端口間的隔離。主要的噪聲信號(hào)有:鏡頻信號(hào)fim=fLO+2fIF;載波信號(hào)的諧波nfLO,n為正整數(shù);邊帶諧波信號(hào)

fsb=fLO±m(xù)fIF 這些噪聲需要特別加以抑制處理。

第10頁，共103頁，2023年，2月20日，星期六

2.上變頻器的主要技術(shù)參數(shù)的定義和測(cè)量 1)變頻耗損或增益 2)二階互調(diào)IP2 IP2=PRF+(PRF-B-Lc）（13-4）

其中,IP2為混頻器的輸入二階互調(diào)截止點(diǎn),單位為dBm;PRF為混波器RF輸入端的輸入信號(hào)功率,單位為dBm;Lc是混波器輸入信號(hào)頻率fRF=fLO+fIF時(shí)的變頻損耗,單位為dB;B是混波器輸入信號(hào)頻率fRF=fLO+0.5fIF時(shí)輸出端頻率為2fIF的信號(hào)功率,單位為dBm混頻器的IP2測(cè)量電路與頻譜示意圖如圖13-3(a)、(b)所示。（13-3）

第11頁，共103頁，2023年，2月20日，星期六 3)三階互調(diào)IP3 （13-5） 其中,IP3為混頻器的輸入三階互調(diào)截止點(diǎn),Pin是混頻器輸入端的輸入信號(hào)的功率,Δ是混頻器輸出信號(hào)與內(nèi)調(diào)制信號(hào)的功率差(dB)。 混頻器的IP3測(cè)量圖及頻譜示意圖如圖13-4(a)、(b)所示。第12頁，共103頁，2023年，2月20日，星期六 圖13-3混頻器的IP2測(cè)量電路與頻譜(a)混頻器的IP2測(cè)量電路；(b)混頻器的IP2頻譜圖第13頁，共103頁，2023年，2月20日，星期六圖13-4混頻器的IP3測(cè)量電路與頻譜(a)混頻器的IP3測(cè)量電路；(b)混頻器的IP3頻譜圖第14頁，共103頁，2023年，2月20日，星期六 4)1dB壓縮功率P1dB 功率放大器的1dB壓縮功率是發(fā)射機(jī)最大發(fā)射功率的主要參數(shù)。對(duì)于放大器,P1dB是線性放大的最大輸出功率,其定義如圖13-5(a)、(b)所示。第15頁，共103頁，2023年，2月20日，星期六圖13-51dB壓縮和線性動(dòng)態(tài)范圍(a)放大器的PSAT,P1dB和1dB功率壓縮點(diǎn)；(b)放大器的1dB壓縮和線性LDR關(guān)系圖第16頁，共103頁，2023年，2月20日，星期六13.2射頻接收機(jī)的基本知識(shí) 13.2.1射頻接收機(jī)基本參數(shù) 射頻接收機(jī)的基本參數(shù)介紹如下： (1)接收靈敏度: 描述接收機(jī)對(duì)小信號(hào)的反應(yīng)能力。對(duì)于模擬接收機(jī),滿足一定信噪比時(shí)的輸入信號(hào)功率;對(duì)于數(shù)字接收機(jī),滿足一定誤碼率時(shí)的輸入功率。一般情況下接收靈敏度在－85dBm以下。第17頁，共103頁，2023年，2月20日，星期六

(2)選擇性: 描述接收機(jī)對(duì)鄰近信道頻率的抑制能力。不允許同時(shí)有兩個(gè)信號(hào)進(jìn)入接收機(jī)。一般地,隔離指標(biāo)在60dB以上。 (3)交調(diào)抑制: 接收機(jī)會(huì)有雙頻交調(diào)失真。在發(fā)射機(jī)和功率放大器中,大信號(hào)時(shí)會(huì)出現(xiàn)三階互調(diào)失真。一般要求交調(diào)抑制在60dB以上。 (4)頻率穩(wěn)定度:描述接收機(jī)的本振信號(hào)的頻率穩(wěn)定度,影響接收機(jī)的中頻信號(hào)的質(zhì)量。 (5)本振輻射:由于混頻器的隔離不好,本振信號(hào)進(jìn)入接收信號(hào)通路,通過天線輻射,引起系統(tǒng)的三階交調(diào)失真加重。第18頁，共103頁，2023年，2月20日，星期六 13.2.2接收機(jī)基本結(jié)構(gòu) 接收機(jī)幾乎都是超外差形式,即本振信號(hào)與接收信號(hào)進(jìn)行混頻,得到中頻信號(hào),經(jīng)放大處理后解調(diào)信號(hào)。 1.基本電路 基本射頻前端接收機(jī)基本電路構(gòu)成如圖13-6所示。

第19頁，共103頁，2023年，2月20日，星期六圖13-6基本射頻前端接收機(jī)基本電路第20頁，共103頁，2023年，2月20日，星期六 天線接收空間信號(hào),射頻濾波器通過預(yù)定波道頻率阻止鄰近波道信號(hào)。高頻放大器是小信號(hào)低噪聲放大器,其性能影響整機(jī)噪聲系數(shù)和接收靈敏度。本振信號(hào)有足夠的功率以驅(qū)動(dòng)混頻器,一般地,本振功率在7dBm以上。中頻放大器的靈敏度一般在－60dBm以下,這是一個(gè)節(jié)點(diǎn)。接收機(jī)的調(diào)試要分段進(jìn)行,每一大段都是對(duì)的,才能保證接收機(jī)工作正常。 2.其他形式的接收機(jī) 為了提高接收機(jī)的接收靈敏度,現(xiàn)代接收機(jī)采用二次混頻方案,如圖13-7所示。第21頁，共103頁，2023年，2月20日，星期六圖13-7二次混頻接收機(jī)第22頁，共103頁，2023年，2月20日，星期六 13.2.3接收機(jī)靈敏度 接收機(jī)靈敏度的定義為 （13-6）式中,K＝1.38×10-23J/°K,是波爾茲曼常數(shù);T為絕對(duì)溫度;Bw是系統(tǒng)的等效噪聲頻寬;SNRd是系統(tǒng)要求的信噪比;Zs是系統(tǒng)阻抗;FT是總等效輸入噪聲系數(shù),由三大部分組成:接收器各級(jí)的增益與噪聲系數(shù)Fin1、鏡頻噪聲Fin2和寬帶的本振調(diào)幅噪聲Fin3,即 FT=Fin1+Fin2+Fin3(13-7)(13-8)第23頁，共103頁，2023年，2月20日，星期六(13-9)(13-10)第24頁，共103頁，2023年，2月20日，星期六

公式中變量說明如下: Fi為第i級(jí)的噪聲系數(shù)；Gj為第i級(jí)的增益;Fi為鏡像頻率下的單級(jí)噪聲系數(shù);Gj

為鏡像下的單級(jí)增益,G0=1；N為接收機(jī)的總級(jí)數(shù)（不包含混頻器）;PLO為本振輸出功率,單位為dBm;WNsb為邊帶頻率上的相位噪聲,單位為dBc/Hz;Lsb為帶通濾波器邊帶頻率上的衰減值,單位為dB;MNBsb為邊帶頻率上的混頻噪聲；T0為室溫290K;M為邊帶頻率的總個(gè)數(shù)；N為包含混頻器在內(nèi)從接收端至混頻器的總級(jí)數(shù)。

第25頁，共103頁，2023年，2月20日，星期六 射頻前端接收器可分為天線、射頻低噪聲放大器、下變頻器、中頻濾波器、本地振蕩器。其工作原理是將發(fā)射端所發(fā)射的射頻信號(hào)由天線接收后,經(jīng)LNA將功率放大，再送入下變頻器與LO混頻后由中頻濾波器將設(shè)計(jì)所要的部分解調(diào)出有用信號(hào)。 13.2.4接收機(jī)靈敏度計(jì)算實(shí)例 某接收系統(tǒng)各級(jí)增益及噪聲系數(shù)列于表13-1中。

第26頁，共103頁，2023年，2月20日，星期六表13-1接收機(jī)指標(biāo)分配實(shí)例第27頁，共103頁，2023年，2月20日，星期六

其他相關(guān)指標(biāo)特性如下：RF-BPF2鏡像衰減量為10dB,等效噪聲頻寬為Bw=12kHz,LO輸出功率為PLO=23.5dBm,LO單邊帶相位噪聲為WNsb=-165dBc/Hz,帶通濾波器響應(yīng)參數(shù)為0.0dB@fLO±fIF、10.0dB@2fLO±fIF、20.0dB@3fLO±fIF，混頻噪聲均衡比(MixerNoiseBalance)為30.0dB@fLO±fIF、25.0dB@2fLO±fIF、20.0dB@3fLO±fIF,系統(tǒng)的實(shí)測(cè)信噪比為SNR=6dB(3.981)。計(jì)算過程如下： 步驟一：求Fin1。由上述公式可計(jì)算出表13-2所列結(jié)果。第28頁，共103頁，2023年，2月20日，星期六表13-2Fin1的計(jì)算

第29頁，共103頁，2023年，2月20日，星期六 故可得： Fin1=1+0.778+2.204+0.066+1.025+0.464+2.396+0.485=8.418 步驟二：求Fin2(見表13-3和表13-4)。第30頁，共103頁，2023年，2月20日，星期六表13-3Fin2的計(jì)算1第31頁，共103頁，2023年，2月20日，星期六表13-4

Fin2的計(jì)算2第32頁，共103頁，2023年，2月20日，星期六

故可得

步驟三：

求Fin3

(見表13-5)。

第33頁，共103頁，2023年，2月20日，星期六表13-5Fin3的計(jì)算

第34頁，共103頁，2023年，2月20日，星期六

混頻器前的總增益為 可得 Fin3=1.984+1.984+0.628+0.628+0.198+0.198=5.62

步驟四：求FT:FＴ=Fin1+Fin2+Fin3=8.418+0.63+5.62=14.668第35頁，共103頁，2023年，2月20日，星期六 步驟五：

求接收靈敏度: 13.2.5接收機(jī)的選擇性 接收選擇性亦稱為鄰信道選擇度ACS,是用來量化接收機(jī)對(duì)相鄰近信道的接收能力。當(dāng)今,頻譜擁擠,波段趨向窄波道,更顯示了接收選擇性在射頻接收器設(shè)計(jì)中的重要性。這個(gè)參數(shù)經(jīng)常限制系統(tǒng)的接收性能。第36頁，共103頁，2023年，2月20日，星期六 接收選擇度的定義為 它由下列五大部分組合而成:單邊帶相位噪聲、本地振蕩源的噪聲、中頻選擇性、中頻帶寬、同波道抑止率或截獲率。式中,ACS對(duì)應(yīng)于接收靈敏度的鄰信道選擇性,單位為dB;CR為同信道抑止率,單位為dB;IFS為中頻濾波器在鄰信道頻帶上的抑制衰減量,單位為dB;Bw為中頻噪聲頻寬Δ與鄰信道頻率的差值,單位為Hz；Sp為本地振蕩信號(hào)與出現(xiàn)在頻率為fLO+Δ處的鄰信道噪聲的功率比，單位為dBc;PNSSB(dBc/Hz)是本地振蕩信號(hào)在差頻Δ處的相位噪聲,單位為dBc/Hz,如圖13-8所示。

(13-11)第37頁，共103頁，2023年，2月20日，星期六圖13-8本地振蕩的頻譜第38頁，共103頁，2023年，2月20日，星期六 13.2.6接收雜波響應(yīng) 從中頻端觀察,所有非設(shè)計(jì)所需的雜波信號(hào)皆為噪聲信號(hào),而大部分的接收噪聲信號(hào)來源于RF與LO的諧波混頻。在實(shí)際應(yīng)用中,不可能沒有雜波,要看雜波功率是否在系統(tǒng)允許范圍之內(nèi)。由混頻器的特性可知,RF、LO與IF三端頻率的相互關(guān)系為

較常出現(xiàn)的接收雜波響應(yīng)有下列三項(xiàng):鏡頻fRF±2fIF、半中頻fRF±(fIF/2)、中頻fIF,如圖13-9所示。(13-12)第39頁，共103頁，2023年，2月20日，星期六圖13-9常見的接收雜波響應(yīng)第40頁，共103頁，2023年，2月20日，星期六 在雙工收發(fā)機(jī)中,即發(fā)射與接收同時(shí)作用時(shí),還會(huì)再多出現(xiàn)兩項(xiàng)雜波,如圖13-10所示。

第41頁，共103頁，2023年，2月20日，星期六圖13-10雙工接收的雜波第42頁，共103頁，2023年，2月20日，星期六 13.2.7接收互調(diào)截止點(diǎn) 互調(diào)截止點(diǎn)是射頻/微波電路或系統(tǒng)線性度的評(píng)價(jià)指標(biāo),由此可推算出輸入信號(hào)是否會(huì)造成失真度或互調(diào)產(chǎn)物。接收機(jī)的互調(diào)定義與功放或發(fā)射機(jī)的互調(diào)定義類似,如圖13-11所示。

第43頁，共103頁，2023年，2月20日，星期六圖13-11n階互調(diào)截止點(diǎn)第44頁，共103頁，2023年，2月20日，星期六 1.二階互調(diào)截止點(diǎn)IP2 IP2是用來判斷混頻器對(duì)半中頻噪聲的抑制能力的主要參數(shù)。對(duì)于一個(gè)接收系統(tǒng)中混頻器的輸入二階互調(diào)截止點(diǎn)IP2INPUT的計(jì)算方式為(13-13)第45頁，共103頁，2023年，2月20日，星期六 計(jì)算實(shí)例： 計(jì)算如圖13-12所示接收系統(tǒng)的IP2。已知參數(shù)見表13-6。

第46頁，共103頁，2023年，2月20日，星期六圖13-12接收系統(tǒng)的IP2計(jì)算實(shí)例第47頁，共103頁，2023年，2月20日，星期六表13-6已知條件第48頁，共103頁，2023年，2月20日，星期六 由式(13-13)可得 IP2INPUT=40-(-2+10-3)+2×(10+0+15)=85dBm 2.半中頻雜波抑制度1/2-IFR 半中頻雜波抑制度定義為

假設(shè)FM接收機(jī)的混頻器IP2INPUT=50dBm,系統(tǒng)的接收靈敏度S=-115dBm,同信道抑止率CR=5dB,由式(13-14)可計(jì)算出此接收器的半中頻雜波抑制度為

(13-14)第49頁，共103頁，2023年，2月20日，星期六 3.射頻放大器的接收增益

（13-15）

其中,GT為射頻放大器的接收增益,Famp為射頻放大器的噪聲系數(shù),Gamp為射頻放大器的增益,Fmixer為混頻器的噪聲系數(shù),此參數(shù)會(huì)降低混頻器的雜波抑制度,降低的值為 其中n為雜波響應(yīng)的階數(shù)(n>1)。對(duì)半中頻而言,n=2。

第50頁，共103頁，2023年，2月20日，星期六 4.三階互調(diào)截止點(diǎn)IP3 IP3是用來決定接收系統(tǒng)抵御內(nèi)調(diào)制失真的能力,計(jì)算步驟如下： (1)繪出系統(tǒng)的電路方塊圖,并標(biāo)明各級(jí)的增益(單位為dB)、三階互調(diào)截止點(diǎn)(單位為dBm)。對(duì)于濾波器和衰減器,IP3=∞。 (2)換算出各級(jí)的等效輸入互調(diào)截止點(diǎn),公式如下:第51頁，共103頁，2023年，2月20日，星期六 式中,IPn是第n級(jí)的等效輸入三階互調(diào)截止點(diǎn),單位為dBm；IP3n是第n級(jí)的三階互調(diào)截止點(diǎn),單位為dBm；Gi是各級(jí)的增益,單位為dB。 (3)將各級(jí)的等效輸入互調(diào)截止點(diǎn)(IPi)的單位從dBm換算成mW： IPn(mW)=10IPn(dBm)/10 (4)假設(shè)各級(jí)的輸入互調(diào)截止點(diǎn)皆獨(dú)立不相關(guān),則系統(tǒng)輸入三階互調(diào)截止點(diǎn)為各級(jí)的輸入互調(diào)截止點(diǎn)的并聯(lián)值,即第52頁，共103頁，2023年，2月20日，星期六 (5)將系統(tǒng)輸入三階互調(diào)截止點(diǎn)(IP3INPUT)的單位從mW換算成dBm: IP3INPUT（dBm）=10lg(IP3INPUT（mW）) 計(jì)算實(shí)例： 以圖13-13為例,計(jì)算系統(tǒng)輸入三階互調(diào)截止點(diǎn)IP3INPUT。已知條件見表13-7。

第53頁，共103頁，2023年，2月20日，星期六圖13-13接收系統(tǒng)的IP3計(jì)算實(shí)例第54頁，共103頁，2023年，2月20日，星期六表13-7已知條件第55頁，共103頁，2023年，2月20日，星期六 依據(jù)式(13-16),計(jì)算得 IP3INPUT=8.02mW=9.04dBm 5.內(nèi)調(diào)制抑制率IMR 內(nèi)調(diào)制失真用于描述系統(tǒng)的非線性特性,三階內(nèi)交調(diào)失真是最常發(fā)生的。內(nèi)調(diào)制抑制率的計(jì)算公式為 式中,IMR為內(nèi)調(diào)制抑制度,單位為dB;IP3為等效輸入三階互調(diào)截止點(diǎn),單位為dBm；S是接收靈敏度，單位為dBm;CR是同信道抑制率,單位為dB。

(13-17)第56頁，共103頁，2023年，2月20日，星期六 計(jì)算實(shí)例： 假設(shè)前例接收系統(tǒng)的S=-115dBm,CR=5dB,則其內(nèi)調(diào)制抑制率為 IMR=(2×9.04-2×(-115)-5)=81dB第57頁，共103頁，2023年，2月20日，星期六13.3全雙工系統(tǒng) 在現(xiàn)代發(fā)射機(jī)和接收機(jī)系統(tǒng)中,通常使用一個(gè)天線工作。發(fā)射信號(hào)和接收信號(hào)靠雙工器分開,可以用作雙工器的射頻/微波元件有高速開關(guān)、濾波器、環(huán)行器等。 圖13-14給出了兩個(gè)常用雙工系統(tǒng),圖（a）適用于數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng),開關(guān)控制發(fā)射與接收的切換,發(fā)射與接收頻率相同；圖(b)是異頻雙工,發(fā)射與接收頻率不同,兩個(gè)濾波器的中心頻率不同,同時(shí)工作,互不影響,這個(gè)電路就是移動(dòng)通信手機(jī)的工作方式。第58頁，共103頁，2023年，2月20日，星期六圖13-14兩個(gè)雙工系統(tǒng)第59頁，共103頁，2023年，2月20日，星期六13.4雷達(dá)基本原理 雷達(dá)用于無線電探測(cè)與測(cè)距。其基本原理是發(fā)射電磁波,檢測(cè)由目標(biāo)反射回來的回波信號(hào),判斷目標(biāo)的位置或形狀、運(yùn)動(dòng)特征。雷達(dá)的基本構(gòu)成是發(fā)射機(jī)、接收機(jī)和天線。距離由回波時(shí)間確定,方位由回波方向確定,運(yùn)動(dòng)速度由回波的多普勒頻移確定。 第60頁，共103頁，2023年，2月20日，星期六 實(shí)際的雷達(dá)系統(tǒng)要復(fù)雜得多。要針對(duì)不同用途,設(shè)計(jì)某些特定指標(biāo)和功能。通常雷達(dá)的波束窄,頻帶窄,功率大。雷達(dá)分類如下： (1)按安裝位置分：機(jī)載、地面、艦載、空間、導(dǎo)彈等。 (2)按功能分：搜索、跟蹤、搜索和跟蹤。 (3)按應(yīng)用分：交通管理、氣象、避讓、防撞、導(dǎo)航、警戒、遙感、武器制導(dǎo)、速度測(cè)量等。 (4)按波形分：脈沖、脈沖壓縮、連續(xù)波、調(diào)頻連續(xù)波等。第61頁，共103頁，2023年，2月20日，星期六 13.4.1雷達(dá)方程 圖13-15所示的雷達(dá)的基本結(jié)構(gòu)由發(fā)射機(jī)、接收機(jī)、天線和目標(biāo)組成。發(fā)射功率為Gt,回波為Gr,天線增益為G＝Gt＝Gr,天線有效面積為Ae＝Aet＝Aer,目標(biāo)散射截面為σ,則回波功率為 這就是雷達(dá)方程。它給出了目標(biāo)距離與雷達(dá)發(fā)射功率,天線性能和目標(biāo)特性之間的關(guān)系。(13-18)第62頁，共103頁，2023年，2月20日，星期六圖13-15雷達(dá)基本原理第63頁，共103頁，2023年，2月20日，星期六 如果給定最小可檢測(cè)功率Si,

min,就可得到雷達(dá)的最大作用距離為 接收靈敏度Si,min與接收機(jī)噪聲系數(shù)有關(guān),即(13-19)(13-20)第64頁，共103頁，2023年，2月20日，星期六 故作用距離為 考慮極化失配、天線偏焦、空氣損耗等系統(tǒng)損耗Lsys,則作用距離還要縮短,即(13-21)(13-21)第65頁，共103頁，2023年，2月20日，星期六 計(jì)算實(shí)例: 已知35GHz脈沖雷達(dá)指標(biāo)如下,計(jì)算最大作用距離。(目標(biāo)直徑為1cm。) Pt=2000kW,T=290K,G=66dB,（S0/N0）min=10dBB=250MHz,Lsys=10dB,F=5dB,n=10 已知條件換算成雷達(dá)方程內(nèi)所用形式為 Pt=2×106W,T=290K,G=66dB＝3.98×106（S0/N0）min=10dB=10,B=2.5×108HzLsys=10dB=10,F=5dB=3.16,n=10 σ＝4.45×10-5m2,

k=1.38×10-23J/K第66頁，共103頁，2023年，2月20日，星期六 代入式(13-22),可算得Rmax=35.8km。 從式(13-22)中可以看出,回波功率隨距離按4次方變化,目標(biāo)越近,回波功率急劇增大?；夭ㄟ€與天線、系統(tǒng)損耗和目標(biāo)散射截面有關(guān)。 13.4.2雷達(dá)散射截面σ（RCS） 不同目標(biāo)形狀對(duì)不同頻率的信號(hào)的回波特性不同?？紤]圖13-16所示兩種形狀的目標(biāo),從電磁波的幾何特性就可估計(jì)到回波功率不同。

第67頁，共103頁，2023年，2月20日，星期六圖13-16雷達(dá)散射截面第68頁，共103頁，2023年，2月20日，星期六 目標(biāo)的雷達(dá)散射截面與工作頻率和目標(biāo)結(jié)構(gòu)有關(guān)。通過Maxwell方程在給定邊界結(jié)構(gòu)下的嚴(yán)格求解可以得到目標(biāo)的RCS。對(duì)于簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)可以較為嚴(yán)格地求解,大部分情況下要進(jìn)行數(shù)值計(jì)算,結(jié)合測(cè)量的方法才能得到近似的RCS。表13-8給出了人體在不同頻率下的RCS。第69頁，共103頁，2023年，2月20日，星期六表13-8人體在不同頻率下的RCS第70頁，共103頁，2023年，2月20日，星期六 在厘米波段,常見物體的RCS的近似值如表13-9所示。第71頁，共103頁，2023年，2月20日，星期六表13-9厘米波段常見物體的RCS近似值第72頁，共103頁，2023年，2月20日，星期六 雷達(dá)散射截面RCS還可以用dBSm表示,即散射截面相對(duì)于1m2的dB值,如10m2就是10dBSm。第73頁，共103頁，2023年，2月20日，星期六 13.4.3脈沖雷達(dá) 脈沖雷達(dá)在測(cè)距方面用途很廣。圖13-17所示為調(diào)制脈沖、發(fā)射微波脈沖和回波信號(hào)的關(guān)系。發(fā)射平均功率為 回波脈沖與發(fā)射脈沖之間的時(shí)間差tR與距離和光速c的關(guān)系為(12-23)(12-24)第74頁，共103頁，2023年，2月20日，星期六 可以想象,tR必須小于Tp,也就是說最大可測(cè)距離為(12-25)第75頁，共103頁，2023年，2月20日，星期六圖13-17脈沖雷達(dá)原理第76頁，共103頁，2023年，2月20日，星期六 增加脈沖周期,降低脈沖頻率,可以提高自由距離?；夭}沖與雜波的比限定了靈敏度,脈沖寬度與匹配濾波器的帶寬的關(guān)系取為 Bτ≈1（13-26）比較合適。第77頁，共103頁，2023年，2月20日，星期六

13.4.4連續(xù)波雷達(dá) 連續(xù)波雷達(dá)又稱為多普勒雷達(dá),用來檢測(cè)運(yùn)動(dòng)目標(biāo),測(cè)量目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)速度。 如果聲波或光波的源與目標(biāo)有相對(duì)的運(yùn)動(dòng),振蕩器的頻率就會(huì)有變化,這個(gè)現(xiàn)象就是多普勒頻移現(xiàn)象。 若雷達(dá)的頻率為f0,目標(biāo)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度為vr,雷達(dá)與目標(biāo)的距離為R,則電磁波到達(dá)和離開目標(biāo)時(shí)相位的變化為 （13-27）第78頁，共103頁，2023年，2月20日，星期六 目標(biāo)與雷達(dá)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)會(huì)引起φ的連續(xù)變化,對(duì)應(yīng)于一定的角頻率的變化,即 故（13-28）（13-29）第79頁，共103頁，2023年，2月20日，星期六

由于vr遠(yuǎn)小于c,f0很大時(shí),處于微波頻段,fd才能明顯地測(cè)出來。 接收信號(hào)頻率為f0±fd,“＋”對(duì)應(yīng)于目標(biāo)靠近,“－”對(duì)應(yīng)于目標(biāo)遠(yuǎn)離。對(duì)于目標(biāo)運(yùn)動(dòng)與視線有夾角的情況(如圖13-18所示),有 vr=vcosθ（13-30）第80頁，共103頁，2023年，2月20日，星期六圖13-18目標(biāo)運(yùn)動(dòng)與雷達(dá)視線第81頁，共103頁，2023年，2月20日，星期六

計(jì)算實(shí)例： 警用雷達(dá)的工作頻率為10.5GHz,汽車以100km/h的速度面向雷達(dá),求多普勒頻率。 已知θ=0,f=10.5GHz,vr=v=100km/h=27.78m/s,故由式（13-29）得 fd==1944Hz 由于無需脈沖調(diào)制,連續(xù)波雷達(dá)比脈沖雷達(dá)簡(jiǎn)單一些?；夭ㄐ盘?hào)與發(fā)射信號(hào)混頻,差頻為多普勒頻率,放大后測(cè)量頻率即可得到目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)速度。頻率測(cè)量方法有兩種,經(jīng)典的方法是用一系列濾波器區(qū)分多普勒頻率,現(xiàn)在可用計(jì)數(shù)器直接讀出多普勒頻率或直接顯示目標(biāo)速度。發(fā)射接收之間用環(huán)行器或極化隔離,也可分別用發(fā)射天線和接收天線。第82頁，共103頁，2023年，2月20日，星期六13.5通信基本原理 射頻/微波通信系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)鏈、散射通信、衛(wèi)星通信、移動(dòng)通信、無線網(wǎng)絡(luò)等。視距通信中，地球表面大約50km設(shè)一個(gè)站,衛(wèi)星通信只需要三顆空間衛(wèi)星站就能覆蓋全球,提供大量圖像和聲音通信波道。

第83頁，共103頁，2023年，2月20日，星期六 13.5.1FRIIS傳輸方程 考慮圖13-19所示的發(fā)射接收系統(tǒng),接收到的功率為 天線的增益與有效面積的關(guān)系為 故（13-31）

（13-32）

第84頁，共103頁，2023年，2月20日，星期六 這就是FRIIS功率傳輸方程,接收的功率與兩個(gè)天線的增益成正比,與距離的平方成反比。如果接收功率等于接收靈敏度,Pr=Si,min,則最大通信距離為 考慮系統(tǒng)損耗Lsys和接收機(jī)的噪聲系數(shù),則（13-33）

（13-34）

第85頁，共103頁，2023年，2月20日，星期六圖13-19發(fā)射機(jī)與接收機(jī)示意圖第86頁，共103頁，2023年，2月20日，星期六 計(jì)算實(shí)例： 兩路通信系統(tǒng),10GHz發(fā)射機(jī)的輸出功率為100W,發(fā)射天線增益為36dB,接收天線增益為30dB,系統(tǒng)損耗為10dB,求40km處的接收功率。 解

在式（13-32）中考慮系統(tǒng)損耗,則第87頁，共103頁，2023年，2月20日，星期六 13.5.2空間損耗 電磁波在空間傳播,功率與距離的平方成反比,假定兩個(gè)天線相同,則由式（13-32）得（13-35）

第88頁，共103頁，2023年，2月20日，星期六 計(jì)算實(shí)例： 計(jì)算4GHz信號(hào)在35860km處的衰減。 由式（13-35）計(jì)算得 SL=3.61×1019＝196dB

13.5.3通信鏈及信道概算 考慮系統(tǒng)損耗數(shù)據(jù)鏈的計(jì)算可以用式（13-32）表示,即（13-36）

第89頁，共103頁，2023年，2月20日，星期六 換算成分貝,有 Pr=Pt+Gt+Gr-SL-Lsys（13-37）

計(jì)算實(shí)例： 衛(wèi)星與地面站如圖13-20所示,工作頻率為14.2GHz,波長(zhǎng)為0.0211m,地面站發(fā)射功率為1250W,傳輸距離為37134km,星載接收機(jī)噪聲系數(shù)為6.59dB,波道帶寬為27MHz。 計(jì)算各級(jí)指標(biāo)分配情況。由式（13-35）得 SL=207.22dB第90頁，共103頁，2023年，2月20日，星期六圖13-20衛(wèi)星通信信道示意圖第91頁，共103頁，2023年，2月2