【正文】 第 3 章 雷 達(dá) 接 收 機(jī) 設(shè)矩形特性濾波器的角頻率帶寬為 W, 傳輸函數(shù)為 ????? 01)(?H2200WW????????() 其頻率特性見(jiàn)圖 。 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 。 第 3 章 雷 達(dá) 接 收 機(jī) 3 . 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 (c)所示的頻率特性 , 通?？梢杂镁匦?、 高斯形或其它形狀的頻率特性來(lái)作近似 。 (c) 匹配濾波器特性 4 ???0??Si( ? )2A ?0( b )si( t )2?tA－ A2?－( a )4 ???0??H ( ? )2A ?0( c )0第 3 章 雷 達(dá) 接 收 機(jī) 由式 ()可得匹配濾波器輸出的最大信噪比為 020m a x2NANENS ????????? () 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(lái)說(shuō) , 圖 (c)所示的頻率特性 H(ω)就不易實(shí)現(xiàn) 。 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 ??????????2||02||c o s)(0???tttAts i () 第 3 章 雷 達(dá) 接 收 機(jī) 其圖形表示見(jiàn)圖 (a), 用傅里葉變換可求得信號(hào)頻譜［見(jiàn)圖(b)］為 ????????????????? ?????2)(2)s i n (2)(2)s i n (2)()(0000?????????????? ?AdtetsS tjii() 因而由式 ()可得匹配濾波器的傳輸函數(shù)［見(jiàn)圖 (c)］為 ?????????????????2)(2)s i n(2)(2)s i n(2)()(0000*???????????????ASH i() 第 3 章 雷 達(dá) 接 收 機(jī) 圖 (a) 矩形脈沖波形 。 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 0m a x2)(NENS ? () 第 3 章 雷 達(dá) 接 收 機(jī) 式中 , 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 。 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*(t0t) () 式中 ， s*(t0t)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(kāi)始反轉(zhuǎn)過(guò)來(lái) 。 k為濾波器的增益常數(shù) 。 第 3 章 雷 達(dá) 接 收 機(jī) 濾波和接收機(jī)帶寬 1 . 匹配濾波器是在白噪聲背景中檢測(cè)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 。 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, 如圖 (b)所示 , 控制接收機(jī)的增益按此規(guī)律變化 。 第 3 章 雷 達(dá) 接 收 機(jī) 圖 瞬時(shí)自動(dòng)增益控制電路的組成方框圖 PniOR ( t )R ( t )UCO( a )( b )第 3 章 雷 達(dá) 接 收 機(jī) 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 aim KRP ??() 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) 。 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 (a)所示 。 為了得到較好的抗過(guò)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。 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。 因此自動(dòng)增益控制電路是一個(gè)負(fù)反饋系統(tǒng) 。 接收機(jī)輸出的視頻脈沖信號(hào) , 經(jīng)過(guò)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 。 因此自動(dòng)增益控制電路是一個(gè)負(fù)反饋系統(tǒng) 。 接收機(jī)輸出的視頻脈沖信號(hào) , 經(jīng)過(guò)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 。 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)。 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) 。 通過(guò)該表可迅速判明哪些部件影響動(dòng)態(tài)范圍 。 Pi max、 Ui max為接收機(jī)不發(fā)生過(guò)載所允許接收機(jī)輸入的最大信號(hào)功率 、 電壓 。 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(guò)載 , 即丟失目標(biāo)回波信號(hào) 。 同理 , 視頻放大器也會(huì)發(fā)生上述的飽和過(guò)載現(xiàn)象 。 圖中表示寬脈沖干擾與回波信號(hào)共同通過(guò)中頻放大器的情況 (為了簡(jiǎn)便起見(jiàn) , 僅畫(huà)出它們的調(diào)制包絡(luò) ): 當(dāng)干擾電壓振幅 Unm較小時(shí) , 輸出電壓中有與輸入信號(hào) Uin相對(duì)應(yīng)的增量 。 但信號(hào)過(guò)強(qiáng)時(shí) , 放大器發(fā)生飽和現(xiàn)象 , 失去正常的放大能力 , 結(jié)果輸出電壓 Uom不再增大 , 甚至反而會(huì)減小 , 致使輸出 輸入振幅特性出現(xiàn)彎曲下降 , 見(jiàn)圖 。 第二倍頻器所需的倍頻次數(shù)較高 , 通常需采用由階躍二極管作成的高階倍頻器 。 用倍頻器倍頻后 , 其相位穩(wěn)定度將與倍頻次數(shù)成反比地降低 。 為了避免產(chǎn)生混頻的寄生分量 , 一般用分頻器把基準(zhǔn)頻率分頻而產(chǎn)生脈沖重復(fù)頻率 。 如果多卜勒頻移不大 , 則把相參本振信號(hào)與穩(wěn)定本振信號(hào)通過(guò)混頻 , 取其和頻分量輸出 , 作為雷達(dá)的載波信號(hào) 。這種穩(wěn)定本振的穩(wěn)定性取決于基準(zhǔn)頻率的穩(wěn)定性。速調(diào)管輸出功率的一部分與線頻譜混頻 , 若本振速調(diào)管頻率為 , 則混頻后所得的差頻 fI接近 F/2, 經(jīng) F/2中頻放大器放大和限幅后 , 與頻率為 F/2的基準(zhǔn)頻率比相 , 根據(jù)相位誤差 Δθε的大小和方向 , 相位檢波器輸出相應(yīng)的誤差信號(hào) uε=kΔθε, 經(jīng)直流放大后輸出 EC, 改變速調(diào)管的振蕩頻率 ,使其頻率準(zhǔn)確地鎖定在 上。2基準(zhǔn)頻率振 蕩 器階躍管倍頻 N相 位檢波器限幅器F /2 中頻放大器F /2?iF FF /2?L混頻器 A速調(diào)管振蕩器ue＝ k ? ?eR1R2ECF /2NFfL＝ (N 177。 這種可調(diào)諧的穩(wěn)定本振的實(shí)現(xiàn)方案之一見(jiàn)圖 。 第 3 章 雷 達(dá) 接 收 機(jī) 圖 典型的 C波段信號(hào)源的相位調(diào)制頻譜 雙邊帶功率單邊帶功率三極管振蕩器反射型速調(diào)管磁控管多 級(jí)倍頻器穩(wěn)定速調(diào)管－ 60－ 80－ 100－ 120－ 1401 10 100 110調(diào)制頻率 / kH z在1 kHz帶寬內(nèi)毫弧度均方根相位偏差相位邊帶功率/dB第 3 章 雷 達(dá) 接 收 機(jī) 1 . 鎖相型穩(wěn)定本振 采用鎖相技術(shù)可以構(gòu)成頻率固定的穩(wěn)定本振 , 但主要還是用來(lái)構(gòu)成可調(diào)諧的穩(wěn)定本振 。 圖中曲線表明 ， 即使在這種有利條件下 , 不穩(wěn)定的反射型速調(diào)管和三極管振蕩器也不能適用于許多雷達(dá) , 應(yīng)該采用穩(wěn)定速調(diào)管或多級(jí)倍頻器 。 第 3 章 雷 達(dá) 接 收 機(jī) 幾種典型微波信號(hào)源的相位頻譜示于圖 , 它是在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境條件下測(cè)得的結(jié)果 。 因而 , 調(diào)頻噪聲是最主要的一種干擾 。 而由振蕩管噪聲和電源隨機(jī)起伏引起的本振寄生頻率和噪聲屬于隨機(jī)性不穩(wěn)定 , 其中以穩(wěn)定本振所產(chǎn)生的噪聲影響更為嚴(yán)重 。 造成穩(wěn)定本振頻率不穩(wěn)定的因素是各種干擾調(diào)制源 , 它可分為規(guī)律性與隨機(jī)性兩類 。 第 3 章 雷 達(dá) 接 收 機(jī) 用作相參標(biāo)準(zhǔn)的穩(wěn)定本振 , 其穩(wěn)定性要求很高 。 這是因?yàn)槊}沖信號(hào)很窄 , 磁控管的頻譜很寬 , 由快速動(dòng)作自頻控所引起小的載頻誤差影響較小 。 當(dāng)差頻偏離額定中頻很大時(shí) , 搜索 /跟蹤轉(zhuǎn)換器使系統(tǒng)處于頻率搜索狀態(tài) , 產(chǎn)生周期性鋸齒電壓 , 使磁控管頻率由低向高連續(xù)變化 , 直至差頻接近額定中頻 , 轉(zhuǎn)為頻率跟蹤狀態(tài) 。 第 3 章 雷 達(dá) 接 收 機(jī) 圖 控制磁控管的自頻控系統(tǒng) 調(diào)諧馬達(dá)搜索/跟蹤轉(zhuǎn)換器峰 值檢波器可調(diào)諧磁控管振蕩器至天線轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)視 頻放大器鑒頻器固定頻率穩(wěn)定本振AFC混頻器中頻放大器第 3 章 雷 達(dá) 接 收 機(jī) 頻率跟蹤狀態(tài)時(shí) , 鑒頻器根據(jù)差頻偏離額定中頻的方向和大小 , 輸出一串脈沖信號(hào) , 經(jīng)過(guò)放大 、 峰值檢波后 , 取出其直流誤差信號(hào) , 去控制調(diào)諧電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng) 。 第 3 章 雷 達(dá) 接 收 機(jī) 本機(jī)振蕩器和自動(dòng)頻率控制 大多數(shù)現(xiàn)代脈沖調(diào)制雷達(dá)要求的頻率穩(wěn)定性很高 , 不能采用一般的反射速調(diào)管作本機(jī)振蕩器 , 必須采用穩(wěn)定本振 。 第 3 章 雷 達(dá) 接 收 機(jī) 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(jí)低噪聲高頻放大器等 。 在 ~20GHz頻率范圍 , 噪聲系數(shù)為4~6dB。 理論分析和實(shí)踐證明 , 鏡像抑制混頻器的噪聲系數(shù)比一般鏡像匹配混頻器低 2 dB左右 。 相移的中頻混合接頭 。 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) 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(jiàn)圖 。 第 3 章 雷 達(dá) 接 收 機(jī) 圖 鏡像抑制混頻器原理圖 90176。 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 。 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) 。 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)。 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 。 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 。 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(jiàn)圖 。 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 。 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 。 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。 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。 在低于 3 GHz的頻率范圍 , 采用硅雙極晶體管高放 。 ③ 多級(jí)組件式結(jié)構(gòu) 。 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(