【文章內(nèi)容簡介】 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 接 收 機 雷達接收機的高頻部分 圖 雷達接收機的高頻部分 發(fā)射機接收機保護器低噪聲高 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 接 收 機 由雷達作用距離方程 (見第五章 )可知 , 當雷達其它參數(shù)不變時 , 為了增加雷達的作用距離 , 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 接 收 機 混頻器的作用是將高頻信號與本振電壓進行混頻并取出其差頻 , 使信號在中頻 (一般為 30MHz至 500MHz)上進行放大 。 某些超外差式雷達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格的某些雷達 (例如機載雷達和制導雷達等 )中 , 直接混頻式前端仍得到廣泛應(yīng)用 。 第 3 章 雷 達 接 收 機 收發(fā)轉(zhuǎn)換開關(guān)和接收機保護器 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 , 氣體放電管 TR(稱為 “ 接收機保護放電器 ” ) ATR (稱為 “ 發(fā)射機隔離放電器 ” )被電離擊穿 , 對高頻短路 。 它們到主饋線的距離約為 1/4波長 , 因此在主饋線 aa′和 bb′處呈現(xiàn)的輸入阻抗為無窮大 , 發(fā)射的高功率信號能順利送至天線 。 因為此時 TR短路 , 發(fā)射能量不能進入接收機 。 接收時 , TR和 ATR都不電離放電 。 第 3 章 雷 達 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于開路 , 所以從天線來的回波信號全部進入接收機 。 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 接 收 機 圖 分支線型收發(fā)開關(guān)原理圖 發(fā)射機A T R TR接收機?4a ′ b ′a b?4天線?4第 3 章 雷 達 接 收 機 平衡式收發(fā)開關(guān)的原理圖如圖 。 圖中 TR TR2是一對寬帶的接收機保護放電管 。 在這一對氣體放電管的兩側(cè) , 各接有一個 3 dB裂縫波導橋 , 整個開關(guān)的四個波導口的連接如圖 。 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 90176。 。 第 3 章 雷 達 接 收 機 圖 (a) 發(fā)射狀態(tài) 。 (b) 接收狀態(tài) 天線 假負載接收機保護器TR1和 TR2發(fā)射機3 dB 裂縫橋12( a )TR1和 TR23dB 裂縫橋43假負載接收機保護器432天線發(fā)射機( b )1第 3 章 雷 達 接 收 機 2 . 接收機保護器 圖 環(huán)行器和接收機保護器 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 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 )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 (20~30) dB。 一般來說 , 接收機與發(fā)射機之間的隔離度要求 (60~80) 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器 。 第 3 章 雷 達 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 50 K(約 )。 第二是雷達關(guān)機時沒有輔助電壓 , TR放電管不起保護作用 , 此時鄰近雷達的輻射能量將會燒毀接收機 ?，F(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 , 因此在雷達關(guān)機時仍能起保護接收機的作用 。 第 3 章 雷 達 接 收 機 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)點是功率容量較大 , 單個 PIN管承受的脈沖功率可達 (10~100) 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 , 故而在 TR放電管后面作限幅器效果很好 。 第 3 章 雷 達 接 收 機 1. 對于致冷參放 , 在微波和毫米波頻段范圍內(nèi) , 當致冷溫度為20 K時 , 可以得到的等效噪聲溫度 Te為 (10~50) K, 但設(shè)備相當復雜 、 成本昂貴 , 實際使用較少 。 第 3 章 雷 達 接 收 機 近年來在改進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 : 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)計及先進工藝 。 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 接 收 機 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 接 收 機 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展 , 在電路的設(shè)計和工藝結(jié)構(gòu)上進行了革新 ， 采用了： ① 計算機輔助設(shè)計 。 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 (~15)GHz頻率范圍 , 噪聲系數(shù)為 (1~5) dB, 單級增益為 (6~12) dB。 第 3 章 雷 達 接 收 機 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 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 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和相參雷達對目標的檢測性能 , 而對相參雷達的檢測性能影響更為嚴重 。 例如 , 混頻器的寄生響應(yīng)將會使脈沖多卜勒雷達的測距和測速精度下降 , 使動目標顯示 (MTI)雷達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 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 tjwtjw eueutu 21 21)( ?? () 混頻器輸出的非線性電流 i(t), 可以用 u(t)的冪級數(shù)表示，即 i(t)=a0+a1u(t)+a2u2(t)+…+ anun(t) () 根據(jù)式 (), 可以得到一個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 接 收 機 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 接 收 機 在圖 , 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 (HL)/H為 。 應(yīng)該注意 , 當信號瞬時頻率超過 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 (4H6L)和 (3H4L)。 從圖 , 當要求相對帶寬為 10%即 (HL)/10H內(nèi)沒有寄生響應(yīng)時 , 接收機的中頻必須選得較高 。 而當中頻低于 (HL)/H= , 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 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 ~40 GHz頻率范圍內(nèi)噪聲系數(shù)為 5~8 dB。 第 3 章 雷 達 接 收 機 圖 鏡像抑制混頻器原理圖 90176。混合接頭90176。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 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一步得到改善 , 見圖 。 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)