雷達(dá)基本原理3-雷達(dá)接收機(jī)課件

第3章雷達(dá)接收機(jī)

章節(jié)內(nèi)容要點(diǎn)：天線簡述

掌握雷達(dá)接收機(jī)的組成和主要質(zhì)量指標(biāo)

掌握接收機(jī)的噪聲系數(shù)和靈敏度

掌握雷達(dá)接收機(jī)的高頻部分

了解本機(jī)振蕩器和自動頻率控制

了解接收機(jī)的動態(tài)范圍和增益控制第3章雷達(dá)接收機(jī)章節(jié)內(nèi)容要點(diǎn)：雷達(dá)基本原理3-雷達(dá)接收機(jī)ppt課件雷達(dá)基本原理3-雷達(dá)接收機(jī)ppt課件雷達(dá)基本原理3-雷達(dá)接收機(jī)ppt課件雷達(dá)基本原理3-雷達(dá)接收機(jī)ppt課件雷達(dá)基本原理3-雷達(dá)接收機(jī)ppt課件雷達(dá)基本原理3-雷達(dá)接收機(jī)ppt課件雷達(dá)基本原理3-雷達(dá)接收機(jī)ppt課件雷達(dá)基本原理3-雷達(dá)接收機(jī)ppt課件雷達(dá)基本原理3-雷達(dá)接收機(jī)ppt課件雷達(dá)基本原理3-雷達(dá)接收機(jī)ppt課件雷達(dá)基本原理3-雷達(dá)接收機(jī)ppt課件雷達(dá)基本原理3-雷達(dá)接收機(jī)ppt課件雷達(dá)基本原理3-雷達(dá)接收機(jī)ppt課件雷達(dá)基本原理3-雷達(dá)接收機(jī)ppt課件雷達(dá)基本原理3-雷達(dá)接收機(jī)ppt課件雷達(dá)基本原理3-雷達(dá)接收機(jī)ppt課件雷達(dá)基本原理3-雷達(dá)接收機(jī)ppt課件雷達(dá)基本原理3-雷達(dá)接收機(jī)ppt課件雷達(dá)基本原理3-雷達(dá)接收機(jī)ppt課件雷達(dá)基本原理3-雷達(dá)接收機(jī)ppt課件雷達(dá)基本原理3-雷達(dá)接收機(jī)ppt課件雷達(dá)基本原理3-雷達(dá)接收機(jī)ppt課件雷達(dá)基本原理3-雷達(dá)接收機(jī)ppt課件雷達(dá)基本原理3-雷達(dá)接收機(jī)ppt課件雷達(dá)基本原理3-雷達(dá)接收機(jī)ppt課件雷達(dá)基本原理3-雷達(dá)接收機(jī)ppt課件雷達(dá)基本原理3-雷達(dá)接收機(jī)ppt課件雷達(dá)基本原理3-雷達(dá)接收機(jī)ppt課件3.1雷達(dá)接收機(jī)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(jī)的組成l接收機(jī)的任務(wù)雷達(dá)接收機(jī)的任務(wù)是通過適當(dāng)?shù)臑V波將天線上收到的微弱高頻信號從伴隨的噪聲和干擾中選擇出來，同時(shí)處理后送到終端設(shè)備。主要組成部分是:

3.1雷達(dá)接收機(jī)的組成和主要質(zhì)量指標(biāo)3.1.1超外差式圖3.2超外差式雷達(dá)接收機(jī)的一般方框圖圖3.2超外差式雷達(dá)接收機(jī)的一般方框圖雷達(dá)基本原理3-雷達(dá)接收機(jī)ppt課件雷達(dá)基本原理3-雷達(dá)接收機(jī)ppt課件雷達(dá)基本原理3-雷達(dá)接收機(jī)ppt課件雷達(dá)基本原理3-雷達(dá)接收機(jī)ppt課件雷達(dá)基本原理3-雷達(dá)接收機(jī)ppt課件雷達(dá)基本原理3-雷達(dá)接收機(jī)ppt課件混頻器的干擾組合頻率干擾如取則：混頻器的干擾如取則：當(dāng)干擾頻率fn與本振f0滿足下面關(guān)系：同樣，當(dāng)取則，干擾頻率為當(dāng)干擾頻率fn與本振f0滿足下面關(guān)系：雷達(dá)基本原理3-雷達(dá)接收機(jī)ppt課件雷達(dá)基本原理3-雷達(dá)接收機(jī)ppt課件雷達(dá)基本原理3-雷達(dá)接收機(jī)ppt課件雷達(dá)基本原理3-雷達(dá)接收機(jī)ppt課件雷達(dá)基本原理3-雷達(dá)接收機(jī)ppt課件雷達(dá)基本原理3-雷達(dá)接收機(jī)ppt課件雷達(dá)基本原理3-雷達(dá)接收機(jī)ppt課件雷達(dá)基本原理3-雷達(dá)接收機(jī)ppt課件雷達(dá)基本原理3-雷達(dá)接收機(jī)ppt課件雷達(dá)基本原理3-雷達(dá)接收機(jī)ppt課件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)接收微弱信號的能力。超外差式雷達(dá)接收機(jī)的靈敏度一般約為(10-12~10-14)W.圖3.3顯示器上所見到的信號與噪聲3.1.2超外差式雷達(dá)接收機(jī)的主要質(zhì)量指標(biāo)圖3.3顯示

2.接收機(jī)的工作頻帶寬度接收機(jī)的工作頻帶寬度種類？

接收機(jī)的順時(shí)帶寬是指，該部件在特定的增益（有時(shí)是相位）容差內(nèi)能同時(shí)放大兩個(gè)或兩個(gè)以上信號的頻帶。

調(diào)諧帶寬是指該部件在調(diào)整適當(dāng)?shù)碾姎饣驒C(jī)械旋鈕時(shí)可以工作，而不降低指定性能的頻帶。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。帶寬是不是越寬越好？2.接收機(jī)的工作頻帶寬度

3.動態(tài)范圍動態(tài)范圍表示接收機(jī)能夠正常工作所容許的輸入信號強(qiáng)度變化的范圍。最小輸入信號強(qiáng)度通常取為最小可檢測信號功率Simin,允許最大的輸入信號強(qiáng)度則根據(jù)正常工作的要求而定。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,叫做動態(tài)范圍。3.動態(tài)范圍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。在中頻的選擇可以從30MHz到4GHz之間。如何選擇接收機(jī)的中頻？短波接收機(jī)為什么選在465KHz？在白噪聲(即接收機(jī)熱噪聲)背景下應(yīng)該選擇何種濾波方式？4.中頻的選擇和濾波特性

5.工作穩(wěn)定性和頻率穩(wěn)定度工作穩(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。

5.工作穩(wěn)定性和頻率穩(wěn)定度

6.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。6.抗干擾能力

7.微電子化和模塊化結(jié)構(gòu)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)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。

7.微電子化和模塊化結(jié)構(gòu)接收機(jī)噪聲的概率特性3.2接收機(jī)的噪聲系數(shù)和靈敏度接收機(jī)噪聲的概率特性3.2接收機(jī)的噪聲系數(shù)和靈敏度對數(shù)接收器具有恒虛警的特性對數(shù)接收器具有恒虛警的特性雷達(dá)基本原理3-雷達(dá)接收機(jī)ppt課件雷達(dá)基本原理3-雷達(dá)接收機(jī)ppt課件雷達(dá)基本原理3-雷達(dá)接收機(jī)ppt課件雷達(dá)基本原理3-雷達(dá)接收機(jī)ppt課件雷達(dá)基本原理3-雷達(dá)接收機(jī)ppt課件雷達(dá)基本原理3-雷達(dá)接收機(jī)ppt課件2.額定噪聲功率2.額定噪聲功率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,如圖3.7的實(shí)曲線所示。這個(gè)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:(3.2.7)4.噪聲帶寬(3.2.7)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)輸入端信號噪聲比與輸出端信號噪聲比的比值。

(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=kT0Bn);So為輸出額定信號功率;No為輸出額定噪聲功率。3.2.2噪聲系數(shù)和噪聲溫度1.噪聲系數(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。(3.2.10)式中，Ga為接收機(jī)的額定功率增益;NiG

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)實(shí)際接收機(jī)的輸出額定噪聲功率No由兩部分組成

下面對噪聲系數(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。②噪聲系數(shù)只由接收機(jī)本身參數(shù)確定。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)下面對噪聲系數(shù)作幾點(diǎn)說明:③噪聲系數(shù)F是沒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,因此也會產(chǎn)生噪聲,下面求其噪聲系數(shù)。圖3.9無源四端網(wǎng)絡(luò)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)2.等效噪聲溫度接收機(jī)外部噪聲可用天線噪聲溫度TA來表示,接收機(jī)外部噪聲的額定功率為NA=kTABn

(3.2.18)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。

2.等效噪聲溫度NA=kTABn(3.23.2.3級聯(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(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)3.2.3級聯(lián)電路的噪聲系數(shù)No=kT0BnG1G2F0No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

化簡后可得兩級級聯(lián)電路的總噪聲系數(shù)(3.2.26)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)三級級聯(lián)推導(dǎo)三級級聯(lián)推導(dǎo)同理可證,n級電路級聯(lián)時(shí)接收機(jī)總噪聲系數(shù)為(3.2.27)為了使接收機(jī)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。同理可證,n級電路級聯(lián)時(shí)接收機(jī)總噪聲系數(shù)為(3.2.27圖3.12典型雷達(dá)接收機(jī)的高、中頻部分

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(jī)的總噪聲系數(shù):(3.2.28)圖3.12典型雷達(dá)接收機(jī)的高、中頻部分將一般都采用高增益(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,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)。一般都采用高增益(GR≥20dB)低噪聲高頻放大器,因此式3.2.4接收機(jī)靈敏度接收機(jī)的靈敏度表示接收機(jī)接收微弱信號的能力。靈敏度用接收機(jī)輸入端的最小可檢測信號功率Simin來表示。3.2.4接收機(jī)靈敏度已經(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)已經(jīng)知道,接收機(jī)噪聲系數(shù)F0為(3.2.32)或者寫成

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噪聲比,令So/No≥(So/No)min時(shí)對應(yīng)的接收機(jī)輸入信號功率為最小可檢測信號功率,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“識別系數(shù)”,并用M表示,所以靈敏度又可以寫成(3.2.37)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

為了提高接收機(jī)的靈敏度,即減少最小可檢測信號功率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噪聲比;③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(jī)性能的前提下,盡量減小M的數(shù)值。為了提高接收機(jī)的靈敏度,即減少最小可檢測信號

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。為了比較不同接收機(jī)線性部分的噪聲系數(shù)F0和帶寬3.3雷達(dá)接收機(jī)的高頻部分圖3.14雷達(dá)接收機(jī)的高頻部分為了增加雷達(dá)的作用距離,提高接收機(jī)的靈敏度(降低噪聲系數(shù))與增大發(fā)射機(jī)功率是等效的。3.3雷達(dá)接收機(jī)的高頻部分圖3.14雷達(dá)接收機(jī)的高頻3.3.1收發(fā)轉(zhuǎn)換開關(guān)和接收機(jī)保護(hù)器1.收發(fā)轉(zhuǎn)換開關(guān)分支線式收發(fā)開關(guān)的原理電路如圖3.15所示。3.3.1收發(fā)轉(zhuǎn)換開關(guān)和接收機(jī)保護(hù)器1.

平衡式收發(fā)開關(guān)的原理圖如圖3.16所示圖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)平衡式收發(fā)開關(guān)的原理圖如圖3.16所示圖32.接收機(jī)保護(hù)器圖3.17環(huán)行器和接收機(jī)保護(hù)器

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(diǎn),但它的發(fā)射端1和接收端3之間的隔離約為(20~30)dB。一般來說,接收機(jī)與發(fā)射機(jī)之間的隔離度要求(60~80)dB。所以在環(huán)行器3端與接收機(jī)之間必須加上由TR管和限幅二極管組成的接收機(jī)保護(hù)器。2.接收機(jī)保護(hù)器圖3.17環(huán)行器和接收機(jī)保護(hù)器3.3.2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致冷參放,在微波和毫米波頻段范圍內(nèi),當(dāng)致冷溫度為20K時(shí),可得到的等效噪聲溫度Te為(10~50)K,但設(shè)備復(fù)雜、成本昂貴,實(shí)際使用較少。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(jì)、工藝:①超高品質(zhì)因素(高截止頻率)、極低分布電容的砷化鎵變?nèi)荻O管;②極低損耗的波導(dǎo)型環(huán)行器;③高穩(wěn)定的毫米波固態(tài)泵浦源(fp=(50~100)GHz);

④高效率的熱電冷卻器;⑤新的微帶線路結(jié)構(gòu)和微波集成電路的優(yōu)化設(shè)計(jì)及先進(jìn)工藝。3.3.2高頻放大器和混頻器的發(fā)展趨勢圖3.18幾種典型低噪聲器件的噪聲系數(shù)圖3.18幾種典型低噪聲器件的噪聲系數(shù)

2.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，采用了：①計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì);②精巧的微帶線工藝;③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(shí)用中逐步取代行波管高放和遂道二極管放大器。在低于3GHz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(0.5~15)GHz頻率范圍,噪聲系數(shù)為(1~5)dB,單級增益為(6~12)dB。2.低噪聲晶體管放大器

3.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(jī)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1~100GHz頻率范圍內(nèi),可使噪聲系數(shù)降至3~5dB。3.混頻器的發(fā)展趨勢雷達(dá)基本原理3-雷達(dá)接收機(jī)ppt課件雷達(dá)基本原理3-雷達(dá)接收機(jī)ppt課件

鏡像抑制混頻鏡像抑制混頻雷達(dá)基本原理3-雷達(dá)接收機(jī)ppt課件雷達(dá)基本原理3-雷達(dá)接收機(jī)ppt課件雷達(dá)基本原理3-雷達(dá)接收機(jī)ppt課件

4.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(jī)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2.5~3.5dB,詳見表2.6。4.微波單片集成接收模塊3.4本機(jī)振蕩器和自動頻率控制常規(guī)雷達(dá)3.4本機(jī)振蕩器和自動頻率控制常規(guī)雷達(dá)現(xiàn)代雷達(dá)

控制磁控管的自頻控系統(tǒng)現(xiàn)代雷達(dá)控制磁控管的自頻控系統(tǒng)圖3.23鎖相型穩(wěn)定本振圖3.23鎖相型穩(wěn)定本振3.5接收機(jī)的動態(tài)范圍和增益控制3.5.1動態(tài)范圍信號過強(qiáng)時(shí),放大器發(fā)生飽和現(xiàn)象,失去正常的放大能力。3.5接收機(jī)的動態(tài)范圍和增益控制3.5.1動態(tài)范圍圖3.25信號與寬脈沖干擾共同通過中頻放大器的示意圖

只要接收機(jī)中某一級的增量增益Kd≤