【正文】 3 章 雷 達(dá) 接 收 機(jī) 天線(xiàn)噪聲溫度 TA決定于接收天線(xiàn)方向圖中 (包括旁瓣和尾瓣 )各輻射源的噪聲溫度 , 它與波瓣仰角 θ和工作頻率 f等因素有關(guān) , 如圖 。 第 3 章 雷 達(dá) 接 收 機(jī) 圖 “額定 ” 噪聲功率的示意圖 ～ un＝ 4 k TR BnN0Z*＝ R － j XZ ＝ R ＋ j X2第 3 章 雷 達(dá) 接 收 機(jī) 3. 天線(xiàn)噪聲 天線(xiàn)噪聲是外部噪聲 , 它包括天線(xiàn)的熱噪聲和宇宙噪聲 , 前者是由天線(xiàn)周?chē)橘|(zhì)微粒的熱運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的噪聲 , 后者是由太陽(yáng)及銀河星系產(chǎn)生的噪聲 , 這種起伏噪聲被天線(xiàn)吸收后進(jìn)入接收機(jī) , 就呈現(xiàn)為天線(xiàn)的熱起伏噪聲 。 第 3 章 雷 達(dá) 接 收 機(jī) 2. 根據(jù)電路基礎(chǔ)理論 , 信號(hào)電動(dòng)勢(shì)為 Es而內(nèi)阻抗為 Z=R+jX的信號(hào)源 , 當(dāng)其負(fù)載阻抗與信號(hào)源內(nèi)阻匹配 , 即其值為 Z*=RjX時(shí) (見(jiàn)圖), 信號(hào)源輸出的信號(hào)功率最大 , 此時(shí) , 輸出的最大信號(hào)功率稱(chēng)為 “ 額定 ” 信號(hào)功率 (有時(shí)也稱(chēng)為 “ 資用 ” 功率 、 或 “ 有效 ” 功率 ), 用 Sa表示 , 其值是 RERRES ssa 4222???????? () 第 3 章 雷 達(dá) 接 收 機(jī) 圖 “額定 ” 信號(hào)功率的示意圖 ～Z ＝ R ＋ j XEsSaZ*＝ R － j X第 3 章 雷 達(dá) 接 收 機(jī) 同理 , 把一個(gè)內(nèi)阻抗為 Z=R+jX的無(wú)源二端網(wǎng)絡(luò)看成一個(gè)噪聲源 ,由電阻 R產(chǎn)生的起伏噪聲電壓均方值 , 見(jiàn)圖。 電阻熱噪聲的功率譜密度 p(f)是表示噪聲頻譜分布的重要統(tǒng)計(jì)特性 , 其表示式可直接由式 ()求得 p(f)=4kTR () 顯然 , 電阻熱噪聲的功率譜密度是與頻率無(wú)關(guān)的常數(shù) 。 Bn為測(cè)試設(shè)備的通帶 。 T為電阻溫度 , 以絕對(duì)溫度 (K)計(jì)量 , 對(duì)于室溫 17℃ , T=T0=290K。 因?yàn)閷?dǎo)體具有一定的溫度 , 導(dǎo)體中每個(gè)自由電子的熱運(yùn)動(dòng)方向和速度不規(guī)則地變化 , 因而在導(dǎo)體中形成了起伏噪聲電流 , 在導(dǎo)體兩端呈現(xiàn)起伏電壓 。 一種由砷化鎵 (GaAs)單片制成的 C波段微波單片集成電路 , 包括完整的接收機(jī)高頻電路 , 即五級(jí)高頻放大器 、 可變衰減器 、 移相器 、 環(huán)行器和限幅開(kāi)關(guān)電路等 , 噪聲系數(shù)為 , 可變?cè)鲆鏋?30 dB 。 采用微電子化和模塊化的接收機(jī)結(jié)構(gòu)可以解決上述困難 , 優(yōu)選方案是采用單片集成電路 , 包括微波單片集成電路 (MMIC)、 中頻單片集成電路 (IMIC)和專(zhuān)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 。 第 3 章 雷 達(dá) 接 收 機(jī) 7. 在現(xiàn)代有源相控陣?yán)走_(dá)和數(shù)字波束形成 (DBF)系統(tǒng)中 , 通常需要幾十路甚至幾千路接收機(jī)通道 。 當(dāng)雷達(dá)系統(tǒng)用頻率捷變方法抗干擾時(shí) , 接收機(jī)的本振應(yīng)與發(fā)射機(jī)頻率同步跳變 。 這些干擾嚴(yán)重影響對(duì)目標(biāo)的正常檢測(cè) , 甚至使整個(gè)雷達(dá)系統(tǒng)無(wú)法工作 。 第 3 章 雷 達(dá) 接 收 機(jī) 6. 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(wú)源干擾是雷達(dá)系統(tǒng)的重要任務(wù)之一 。 第 3 章 雷 達(dá) 接 收 機(jī) 5. 工作穩(wěn)定性和頻率穩(wěn)定度 一般來(lái)說(shuō) , 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(dòng)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 。 這兩種情況都會(huì)使接收機(jī)輸出的信噪比減小 。 減小接收機(jī)噪聲的關(guān)鍵參數(shù)是中頻的濾波特性 , 如果中頻濾波特性的帶寬大于回波信號(hào)帶寬 , 則過(guò)多的噪聲進(jìn)入接收機(jī) 。 當(dāng)需要在中頻增加某些信號(hào)處理部件 , 如脈沖壓縮濾波器 , 對(duì)數(shù)放大器和限幅器等時(shí) , 從技術(shù)實(shí)現(xiàn)來(lái)說(shuō) , 中頻選擇在 30MHz至 500MHz更為合適 。 中頻的選擇與發(fā)射波形的特性 、 接收機(jī)的工作帶寬以及所能提供的高頻部件和中頻部件的性能有關(guān) 。 為了保證對(duì)強(qiáng)弱信號(hào)均能正常接收 , 要求動(dòng)態(tài)范圍大 , 就需要采取一定措施 , 例如采用對(duì)數(shù)放大器 、 各種增益控制電路等抗干擾措施 。 當(dāng)輸入信號(hào)太強(qiáng)時(shí) , 接收機(jī)將發(fā)生飽和而失去放大作用 , 這種現(xiàn)象稱(chēng)為過(guò)載 。 第 3 章 雷 達(dá) 接 收 機(jī) 3. 動(dòng)態(tài)范圍 動(dòng)態(tài)范圍表示接收機(jī)能夠正常工作所容許的輸入信號(hào)強(qiáng)度變化的范圍 。 接收機(jī)的工作頻帶寬度主要決定于高頻部件 (饋線(xiàn)系統(tǒng) 、 高頻放大器和本機(jī)振蕩器 )的性能 。 第 3 章 雷 達(dá) 接 收 機(jī) 2. 接收機(jī)的工作頻帶寬度 接收機(jī)的工作頻帶寬度表示接收機(jī)的瞬時(shí)工作頻率范圍 。 由于雷達(dá)接收機(jī)的靈敏度受噪聲電平的限制 , 因此要想提高它的靈敏度 , 就必須盡力減小噪聲電平 , 同時(shí)還應(yīng)使接收機(jī)有足夠的增益 。 當(dāng)接收機(jī)的輸入信號(hào)功率達(dá)到 Si min時(shí) , 接收機(jī)就能正常接收而在輸出端檢測(cè)出這一信號(hào) 。 能接收的信號(hào)越微弱 , 則接收機(jī)的靈敏度越高 , 因而雷達(dá)的作用距離就越遠(yuǎn) 。 自動(dòng)增益控制 (AGC)是一種反饋技術(shù) , 用來(lái)自動(dòng)調(diào)整接收機(jī)的增益 , 以便在雷達(dá)系統(tǒng)跟蹤環(huán)路中保持適當(dāng)?shù)脑鲆娣秶?。 在圖 , 靈敏度時(shí)間增益控制 (STC)使接收機(jī)的增益在發(fā)射機(jī)發(fā)射之后 , 按 R4規(guī)律隨時(shí)間而增加 , 以避免近距離的強(qiáng)回波使接收機(jī)過(guò)載飽和 。 第一種方法是經(jīng)過(guò)線(xiàn)性放大器后進(jìn)行同步檢波 , 同步檢波器輸出的同相 (I)和正交 (Q)的基帶多卜勒信號(hào)提供了回波的振幅信息和相位信息 。 當(dāng)要求寬的瞬時(shí)動(dòng)態(tài)范圍時(shí) , 可以采用對(duì)數(shù)放大器 —檢波器 , 對(duì)數(shù)放大器能提供大于 80 dB的有效動(dòng)態(tài)范圍 。 信號(hào)經(jīng)過(guò)多級(jí)中頻放大和匹配濾波后 , 可以對(duì)其采用幾種處理方法 。 而在相干接收機(jī)中 , 穩(wěn)定本機(jī)振蕩器 (STALO)的輸出是由用來(lái)產(chǎn)生發(fā)射信號(hào)的相干源 (頻率合成器 )提供的 。 第 3 章 雷 達(dá) 接 收 機(jī) 圖 超外差式雷達(dá)接收機(jī)的一般方框圖 收發(fā)開(kāi)關(guān)低噪聲高頻放大器接收機(jī)保護(hù)器混 頻 器中頻放大器中頻增益衰減中頻濾波器線(xiàn)性放大器包絡(luò)檢波器 同頻檢波器對(duì)數(shù)放大器 限幅放大器相干本振相位檢波器發(fā)射機(jī)穩(wěn)定本振近程增益控制 (S T C )AGC視 頻 放 大 器天線(xiàn)uI( t ) uQ( t ) c os ? s i n ?90176。 它適用于收 、 發(fā)公用天線(xiàn)的各種脈沖雷達(dá)系統(tǒng) 。 在混頻器中 , 高頻回波脈沖信號(hào)與本機(jī)振蕩器的等幅高頻電壓混頻 , 將信號(hào)頻率降為中頻 (IF), 再由多級(jí)中頻放大器對(duì)中頻脈沖信號(hào)進(jìn)行放大和匹配濾波 , 以獲得最大的輸出信噪比 , 最后經(jīng)過(guò)檢波器和視頻放大后送至終端處理設(shè)備 。 (2) 中頻放大器 , 包括匹配濾波器 。第 3 章 雷 達(dá) 接 收 機(jī) 第 3 章 雷 達(dá) 接 收 機(jī) 雷達(dá)接收機(jī)的組成和主要質(zhì)量指標(biāo) 接收機(jī)的噪聲系數(shù)和靈敏度 雷達(dá)接收機(jī)的高頻部分 本機(jī)振蕩器和自動(dòng)頻率控制 接收機(jī)的動(dòng)態(tài)范圍和增益控制 濾波和接收機(jī)帶寬 第 3 章 雷 達(dá) 接 收 機(jī) 雷達(dá)接收機(jī)的組成和主要質(zhì)量指標(biāo) 超外差式雷達(dá)接收機(jī)的組成 超外差式雷達(dá)接收機(jī)的簡(jiǎn)化方框圖如圖 。 它的主要組成部分是 : (1) 高頻部分 , 又稱(chēng)為接收機(jī) “ 前端 ” , 包括接收機(jī)保護(hù)器 、低噪聲高頻放大器 、 混頻器和本機(jī)振蕩器 。 (3) 第 3 章 雷 達(dá) 接 收 機(jī) 圖 超外差式雷達(dá)接收機(jī)簡(jiǎn)化方框圖 接收機(jī)保護(hù)器低噪聲高頻放大器混頻器中頻放大器( 匹配濾波器)檢波器視 頻放大器至終端設(shè)備本振高 頻 部 分高頻輸入第 3 章 雷 達(dá) 接 收 機(jī) 從天線(xiàn)接收的高頻回波通過(guò)收發(fā)開(kāi)關(guān)加至接收機(jī)保護(hù)器 , 一般是經(jīng)過(guò)低噪聲高頻放大器后再送到混頻器 。 更為通用的超外差式雷達(dá)接收機(jī)的組成方框圖如圖 。 實(shí)際的雷達(dá)接收機(jī)可以不 (而且通常也不 ) 。第 3 章 雷 達(dá) 接 收 機(jī) 對(duì)于非相參雷達(dá)接收機(jī) , 通常需要采用自動(dòng)頻率微調(diào) (AFC)電路 , 把本機(jī)振蕩器調(diào)諧到比發(fā)射頻率高或低一個(gè)中頻的頻率 。 輸入的高頻信號(hào)與穩(wěn)定本機(jī)振蕩信號(hào)或本機(jī)振蕩器輸出相混頻 , 將信號(hào)頻率降為中頻 。 對(duì)于非相干檢測(cè) , 通常采用線(xiàn)性放大器和包絡(luò)檢波器來(lái)為檢測(cè)電路和顯示設(shè)備提供信息 。 第 3 章 雷 達(dá) 接 收 機(jī) 對(duì)于相干處理 , 中頻放大和中頻濾波之后有二種處理方法 , 見(jiàn)圖 。 第二種方法是經(jīng)過(guò)硬限幅放大 (幅度恒定 )后進(jìn)行相位檢波 , 此時(shí)正交相位檢波器只能保留回波信號(hào)的相位信息 。 靈敏度時(shí)間控制又稱(chēng)為近程增益控制 , 可以加到高頻放大器和前置中頻放大器中 。 第 3 章 雷 達(dá) 接 收 機(jī) 1. 靈敏度表示接收機(jī)接收微弱信號(hào)的能力 。 雷達(dá)接收機(jī)的靈敏度通常用最小可檢測(cè)信號(hào)功率 Si min來(lái)表示 。 如果信號(hào)功率低于此值 , 信號(hào)將被淹沒(méi)在噪聲干擾之中 , 不能被可靠地檢測(cè)出來(lái) , 如圖 。 第 3 章 雷 達(dá) 接 收 機(jī) 圖 顯示器上所見(jiàn)到的信號(hào)與噪聲 發(fā)射脈沖噪聲被噪聲淹沒(méi)的信號(hào)第 3 章 雷 達(dá) 接 收 機(jī) 目前 , 超外差式雷達(dá)接收機(jī)的靈敏度一般約為 (1012~1014)W, 保證這個(gè)靈敏度所需增益約為 106~108(120 dB~160 dB), 這一增益主要由中頻放大器來(lái)完成 。 在復(fù)雜的電子對(duì)抗和干擾環(huán)境中 , 要求雷達(dá)發(fā)射機(jī)和接收機(jī)具有較寬的工作帶寬 , 例如頻率捷變雷達(dá)要求接收機(jī)的工作頻帶寬度為 (10~20)%。 需要指出 , 接收機(jī)的工作頻帶較寬時(shí) , 必須選擇較高的中頻 , 以減少混頻器輸出的寄生響應(yīng)對(duì)接收機(jī)性能的影響 。 最小輸入信號(hào)強(qiáng)度通常取為最小可檢測(cè)信號(hào)功率Si min, 允許最大的輸入信號(hào)強(qiáng)度則根據(jù)正常工作的要求而定 。 使接收機(jī)開(kāi)始出現(xiàn)過(guò)載時(shí)的輸入功率與最小可檢測(cè)功率之比 , 叫做動(dòng)態(tài)范圍 。 第 3 章 雷 達(dá) 接 收 機(jī) 4. 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 。 在現(xiàn)代雷達(dá)接收機(jī)中 , 中頻的選擇可以從 30 MHz到 4GHz之間 。 對(duì)于寬頻帶工作的接收機(jī) , 應(yīng)選擇較高的中頻 , 以便使虛假的寄生響應(yīng)減至最小 。 反之 , 如果所選擇的帶寬比信號(hào)帶寬窄 , 信號(hào)能量將會(huì)損失 。 在白噪聲 (即接收機(jī)熱噪聲 )背景下 , 接收機(jī)的頻率特性為 “ 匹配濾波器 ” 時(shí) , 輸出的信號(hào)噪聲比最大 。 大多數(shù)現(xiàn)代雷達(dá)系統(tǒng)需要對(duì)一串回波進(jìn)行相參處理 , 對(duì)本機(jī)振蕩器的短期頻率穩(wěn)定度有極高的要求 (高達(dá) 1010或者更高 ), 因此 ， 必須采用頻率穩(wěn)定度和相位穩(wěn)定度極高的本機(jī)振蕩器 , 即簡(jiǎn)稱(chēng)的 “ 穩(wěn)定本振 ” 。 有源干擾為敵方施放的各種雜波干擾和鄰近雷達(dá)的異步脈沖干擾 , 無(wú)源干擾主要是指從海浪 、 雨雪 、 地物等反射的雜波干擾和敵機(jī)施放的箔片干擾 。 現(xiàn)代雷達(dá)接收機(jī)必須具有各種抗干擾電路 。 同時(shí)接收機(jī)應(yīng)有足夠大的動(dòng)態(tài)范圍 , 以保證后面的信號(hào)處理器有高的處理精度 。 如果采用常規(guī)的接收機(jī)工藝結(jié)構(gòu) , 無(wú)論在體積 、 重量 、 耗電 、 成本和技術(shù)實(shí)現(xiàn)上都有很大困難 。 用上述幾種單片集成電路實(shí)現(xiàn)的模塊化接收機(jī) , 特別適用于要求數(shù)量很大 、 幅相一致性嚴(yán)格的多路接收系統(tǒng) , 例如有源相控陣接收系統(tǒng)和數(shù)字多波束形成系統(tǒng) 。 第 3 章 雷 達(dá) 接 收 機(jī) 接收機(jī)的噪聲系數(shù)和靈敏度 接收機(jī)的噪聲 1. 它是由于導(dǎo)體中自由電子的無(wú)規(guī)則熱運(yùn)動(dòng)形成的噪聲 。 根據(jù)奈奎斯特定律 , 電阻產(chǎn)生的起伏噪聲電壓均方值 k T R Bu n 42 ?() 第 3 章 雷 達(dá) 接 收 機(jī) 式中 ， k