【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 z5 M H z4 M H z3 M H zBRI＝ 2 M H z1 M H M H M H zF0 /dB第 3 章 雷 達(dá) 接 收 機(jī) 雷達(dá)接收機(jī)的高頻部分 圖 雷達(dá)接收機(jī)的高頻部分 發(fā)射機(jī)接收機(jī)保護(hù)器低噪聲高 放本機(jī)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(jī) 由雷達(dá)作用距離方程 (見第五章 )可知 , 當(dāng)雷達(dá)其它參數(shù)不變時(shí) , 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 。 對(duì)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(duì)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(jī) 混頻器的作用是將高頻信號(hào)與本振電壓進(jìn)行混頻并取出其差頻 , 使信號(hào)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(jī)不采用低噪聲高放 , 而在接收機(jī)第一級(jí)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(dòng)態(tài)范圍大 、設(shè)備簡(jiǎn)單 、 結(jié)構(gòu)緊湊和成本低等優(yōu)點(diǎn) 。 所以 , 在對(duì)體積重量等限制嚴(yán)格的某些雷達(dá) (例如機(jī)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(jī) 收發(fā)轉(zhuǎn)換開關(guān)和接收機(jī)保護(hù)器 1. 由高頻傳輸線和氣體放電管組成的收發(fā)開關(guān)主要有兩種型式 : 一種是分支線型收發(fā)開關(guān) , 另一種是平衡式收發(fā)開關(guān) 。 分支線式收發(fā)開關(guān)的原理電路如圖 。 在發(fā)射時(shí) , 氣體放電管 TR(稱為 “ 接收機(jī)保護(hù)放電器 ” ) ATR (稱為 “ 發(fā)射機(jī)隔離放電器 ” )被電離擊穿 , 對(duì)高頻短路 。 它們到主饋線的距離約為 1/4波長(zhǎng) , 因此在主饋線 aa′和 bb′處呈現(xiàn)的輸入阻抗為無(wú)窮大 , 發(fā)射的高功率信號(hào)能順利送至天線 。 因?yàn)榇藭r(shí) TR短路 , 發(fā)射能量不能進(jìn)入接收機(jī) 。 接收時(shí) , TR和 ATR都不電離放電 。 第 3 章 雷 達(dá) 接 收 機(jī) 此時(shí) ATR支路的 1/4波長(zhǎng)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(zhǎng) , 從 bb′端向發(fā)射機(jī)看去的阻抗相當(dāng)于開路 , 所以從天線來(lái)的回波信號(hào)全部進(jìn)入接收機(jī) 。 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。 第 3 章 雷 達(dá) 接 收 機(jī) 圖 分支線型收發(fā)開關(guān)原理圖 發(fā)射機(jī)A T R TR接收機(jī)?4a ′ b ′a b?4天線?4第 3 章 雷 達(dá) 接 收 機(jī) 平衡式收發(fā)開關(guān)的原理圖如圖 。 圖中 TR TR2是一對(duì)寬帶的接收機(jī)保護(hù)放電管 。 在這一對(duì)氣體放電管的兩側(cè) , 各接有一個(gè) 3 dB裂縫波導(dǎo)橋 , 整個(gè)開關(guān)的四個(gè)波導(dǎo)口的連接如圖 。 3 dB裂縫橋的特性為 : 在四個(gè)端口中 , 相鄰兩端 (例如端口 1和 2)是相互隔離的 , 當(dāng)信號(hào)從其一端輸入時(shí) , 從另外兩端輸出的信號(hào)大小相等而相位相差 90176。 。 第 3 章 雷 達(dá) 接 收 機(jī) 圖 (a) 發(fā)射狀態(tài) 。 (b) 接收狀態(tài) 天線 假負(fù)載接收機(jī)保護(hù)器TR1和 TR2發(fā)射機(jī)3 dB 裂縫橋12( a )TR1和 TR23dB 裂縫橋43假負(fù)載接收機(jī)保護(hù)器432天線發(fā)射機(jī)( b )1第 3 章 雷 達(dá) 接 收 機(jī) 2 . 接收機(jī)保護(hù)器 圖 環(huán)行器和接收機(jī)保護(hù)器 發(fā)射機(jī)TR 管(有 源或無(wú)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(jī)第 3 章 雷 達(dá) 接 收 機(jī) 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 )和使用壽命長(zhǎng)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(lái)說(shuō) , 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 。 第 3 章 雷 達(dá) 接 收 機(jī) TR放電管分為有源和無(wú)源兩類 。 有源的 TR氣體放電管工作時(shí)必須加一定的輔助電壓 , 使其中一部分氣體電離 。 它有兩個(gè)缺點(diǎn) : 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 50 K(約 )。 第二是雷達(dá)關(guān)機(jī)時(shí)沒(méi)有輔助電壓 , TR放電管不起保護(hù)作用 , 此時(shí)鄰近雷達(dá)的輻射能量將會(huì)燒毀接收機(jī) 。現(xiàn)在已出現(xiàn)了一種新型的無(wú)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(jī)時(shí)仍能起保護(hù)接收機(jī)的作用 。 第 3 章 雷 達(dá) 接 收 機(jī) 圖 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(diǎn)是功率容量較大 , 單個(gè) PIN管承受的脈沖功率可達(dá) (10~100) kW, 但是由于 PIN管的本征層比較厚 , 因而響應(yīng)時(shí)間較長(zhǎng) , 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(shí)間極短 , 在 10ns以下 , 故而在 TR放電管后面作限幅器效果很好 。 第 3 章 雷 達(dá) 接 收 機(jī) 1. 對(duì)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(shí) , 可以得到的等效噪聲溫度 Te為 (10~50) K, 但設(shè)備相當(dāng)復(fù)雜 、 成本昂貴 , 實(shí)際使用較少 。 第 3 章 雷 達(dá) 接 收 機(jī) 近年來(lái)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 。 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 (~15) GHz范圍 , 噪聲溫度 Te為 (30~60)K, 相對(duì)帶寬為(5~15) %, 增益為 (14~20) dB。 在毫米波段 , 其噪聲溫度 Te為(300~350) K。 第 3 章 雷 達(dá) 接 收 機(jī) 圖 幾種典型低噪聲器件的噪聲系數(shù) 0500 1000 5000 10 000 30 000鏡像抑制混頻器( F1＝ 1. 5 dB )硅雙極晶體管砷化鎵場(chǎng)效應(yīng)管室溫參量放大器頻率 / M H z噪聲系數(shù) / dB第 3 章 雷 達(dá) 接 收 機(jī) 2 . 低噪聲晶體管放大器 低噪聲砷化鎵場(chǎng)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(jì)和工藝結(jié)構(gòu)上進(jìn)行了革新 ， 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(jí)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 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(chǎng)效應(yīng)管高放 。 目前在 (~15)GHz頻率范圍 , 噪聲系數(shù)為 (1~5) dB, 單級(jí)增益為 (6~12) dB。 第 3 章 雷 達(dá) 接 收 機(jī) 3 . 混頻器的發(fā)展趨勢(shì) 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 3~5 dB。 第 3 章 雷 達(dá) 接 收 機(jī) 一般來(lái)說(shuō) , 混頻器用來(lái)把低功率的信號(hào)同高功率的本振信號(hào)在非線性器件中混頻后 , 將低功率的信號(hào)頻率變換成中頻 (本振和信號(hào)的差頻 )輸出 。 同時(shí) ， 非線性混頻的過(guò)程將產(chǎn)生許多寄生的高次分量 。 這些寄生響應(yīng)將會(huì)影響非相參雷達(dá)和相參雷達(dá)對(duì)目標(biāo)的檢測(cè)性能 , 而對(duì)相參雷達(dá)的檢測(cè)性能影響更為嚴(yán)重 。 例如 , 混頻器的寄生響應(yīng)將會(huì)使脈沖多卜勒雷達(dá)的測(cè)距和測(cè)速精度下降 , 使動(dòng)目標(biāo)顯示 (MTI)雷達(dá)對(duì)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(jī) 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(hào)電壓 u2ejw2t之和 ，即 tjwtjw eueutu 21 21)( ?? () 混頻器輸出的非線性電流 i(t), 可以用 u(t)的冪級(jí)數(shù)表示，即 i(t)=a0+a1u(t)+a2u2(t)+…+ anun(t) () 根據(jù)式 (), 可以得到一個(gè)非常有用的向下混頻的寄生效應(yīng)圖 , 見圖 。 圖 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 (HL)/H。 圖 中輸出的 (HL)分量是由冪級(jí)數(shù)的平方項(xiàng)產(chǎn)生的 , 其它輸出的寄生響應(yīng)是從立方項(xiàng)和更高階項(xiàng)產(chǎn)生的 。 第 3 章 雷 達(dá) 接 收 機(jī) 圖 混頻器的寄生響應(yīng)圖 0 5H－6L4H－5L3H－4L4H－6L2L－H3H－6LH－2L3L－H4L－H5L－H6L－HL2L3L4L5L6LH－2LH－L2H－6L2H－5L2H－4L2H－3L 2L3H－5L6L－2H2H－2L5L－2H6L－3H4L－2H5L－3H6L－4HL2L－H3L－2H4L－3H5L－4H6L－5H6H－6L5H－5L4H－4L3H－3LH－L2H－2LL / HHH－LA第 3 章 雷 達(dá) 接 收 機(jī) 在圖 , 在這些區(qū)間中沒(méi)有寄生響應(yīng)輸出 。 下面以 A區(qū)間為例來(lái)說(shuō)明寄生效應(yīng)圖的使用方法 。 在 A區(qū)間沒(méi)有寄生效應(yīng)的中頻通帶 (HL)/H為 。 應(yīng)該注意 , 當(dāng)信號(hào)瞬時(shí)頻率超過(guò) A區(qū)間的范圍時(shí) , 由于冪級(jí)數(shù)中的立方項(xiàng)和更高階項(xiàng)的影響 , 將會(huì)產(chǎn)生寄生的互調(diào)中頻分量 (4H6L)和 (3H4L)。 從圖 , 當(dāng)要求相對(duì)帶寬為 10%即 (HL)/10H內(nèi)沒(méi)有寄生響應(yīng)時(shí) , 接收機(jī)的中頻必須選得較高 。 而當(dāng)中頻低于 (HL)/H= , 由冪級(jí)數(shù)高階項(xiàng)產(chǎn)生的寄生效應(yīng)可以忽略不計(jì) 。 第 3 章 雷 達(dá) 接 收 機(jī) 早期的微波接收機(jī)采用單端混頻器 , 但由于輸出的寄生響應(yīng)大而且對(duì)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(diǎn)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 ~40 GHz頻率范圍內(nèi)噪聲系數(shù)為 5~8 dB。 第 3 章 雷 達(dá) 接 收 機(jī) 圖 鏡像抑制混頻器原理圖 90176。混合接頭90176?；旌辖宇^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(hào)第 3 章 雷 達(dá) 接 收 機(jī) 近年來(lái)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 。 圖 。 同相等幅的高頻信號(hào)分別加至兩個(gè)二極管混頻器 (也可以是平衡混頻器 ), 本振電壓經(jīng)