雷达基本原理3 雷达接收机ppt课件.ppt

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1、第 3 章 雷 达 接 收 机,章节内容要点： 天线简述 掌握雷达接收机的组成和主要质量指标 掌握接收机的噪声系数和灵敏度 掌握雷达接收机的高频部分 了解本机振荡器和自动频率控制 了解接收机的动态范围和增益控制,3.1 雷达接收机的组成和主要质量指标,3.1.1 超外差式雷达接收机的组成,l接收机的任务 雷达接收机的任务是通过适当的滤波将天线上收到的微弱高频信号从伴随的噪声和干扰中选择出来，同时处理后送到终端设备。主要组成部分是:,图3.2 超外差式雷达接收机的一般方框图,混频器的干扰组合频率干扰,如取,则：,当干扰频率fn与本振f0满足下面关系：同样，当取则，干扰频率为,3.1.2 超外差式

2、雷达接收机的主要质量指标 1. 灵敏度 灵敏度表示接收机接收微弱信号的能力。 超外差式雷达接收机的灵敏度一般约为(10-1210-14)W.,图3.3 显示器上所见到的信号与噪声,2. 接收机的工作频带宽度 接收机的工作频带宽度种类？ 接收机的顺时带宽是指，该部件在特定的增益（有时是相位）容差内能同时放大两个或两个以上信号的频带。 调谐带宽是指该部件在调整适当的电气或机械旋钮时可以工作，而不降低指定性能的频带。 接收机的工作频带宽度主要决定于高频部件(馈线系统、高频放大器和本机振荡器)的性能。带宽是不是越宽越好？,3. 动态范围 动态范围表示接收机能够正常工作所容许的输入信号强度变化的范围。

3、最小输入信号强度通常取为最小可检测信号功率Si min, 允许最大的输入信号强度则根据正常工作的要求而定。 使接收机开始出现过载时的输入功率与最小可检测功率之比, 叫做动态范围。,4. 中频的选择和滤波特性 接收机中频的选择和滤波特性是接收机的重要质量指标之一。 在中频的选择可以从30 MHz到4GHz之间。如何选择接收机的中频？短波接收机为什么选在465KHz？ 在白噪声(即接收机热噪声)背景下应该选择何种滤波方式？,5. 工作稳定性和频率稳定度 工作稳定性是指当环境条件(例如温度、 湿度、 机械振动等)和电源电压发生变化时, 接收机的性能参数(振幅特性、 频率特性和相位特性等)受到影响的程

4、度, 希望影响越小越好。,6. 抗干扰能力 在现代电子战和复杂的电磁干扰环境中, 抗有源干扰和无源干扰是雷达系统的重要任务之一。,7. 微电子化和模块化结构 采用单片集成电路, 包括微波单片集成电路(MMIC)、 中频单片集成电路(IMIC)和专用集成电路(ASIC)；其主要优点是体积小、重量轻。另外，采用批量生产工艺可使芯片电路电性能一致性好，成本也比较低。,接收机噪声的概率特性,3.2 接收机的噪声系数和灵敏度,对数接收器具有恒虚警的特性,2. 额定噪声功率,4. 噪声带宽 功率谱均匀的白噪声, 通过具有频率选择性的接收线性系统后, 输出的功率谱pno(f)就不再是均匀的了, 如图3.7的

5、实曲线所示。 这个频带Bn称为“等效噪声功率谱宽度”, 一般简称“噪声带宽”。 因此, 噪声带宽可由下式求得:,(3.2.7),3.2.2 噪声系数和噪声温度,1. 噪声系数 噪声系数的定义是: 接收机输入端信号噪声比与输出端信号噪声比的比值。,(3.2.9),式中, Si为输入额定信号功率; Ni为输入额定噪声功率(Ni =kT0Bn); So为输出额定信号功率; No为输出额定噪声功率。,式(3.2.9)可以改写为,(3.2.10),式中，Ga为接收机的额定功率增益; NiGa是输入端噪声通过“理想接收机”后, 在输出端呈现的额定噪声功率。 因此噪声系数的另一定义为: 实际接收机输出的额定

6、噪声功率No与“理想接收机”输出的额定噪声功率NiGa之比。,实际接收机的输出额定噪声功率No由两部分组成, 其中一部分是NiGa(NiGa=kT0BnGa), 另一部分是接收机内部噪声在输出端所呈现的额定噪声功率N, 即,No=NiGa+N=kT0BnGa+N,将No代入式(3.2.10)可得,(3.2.11),(3.2.12),下面对噪声系数作几点说明: 噪声系数只适用于接收机的线性电路和准线性电路, 即检波器以前部分。 噪声系数只由接收机本身参数确定。, 噪声系数F是没有单位的数值, 通常用分贝表示,F=10 lg F(dB),(3.2.13), 噪声系数的概念与定义, 可推广到任何无源

7、或有源的四端网络。 接收机的馈线、放电器、移相器等属于无源四端网络, 其示意图见图3.9, 图中Ga为额定功率传输系数。由于具有损耗电阻, 因此也会产生噪声, 下面求其噪声系数。,图3.9 无源四端网络,2. 等效噪声温度接收机外部噪声可用天线噪声温度TA来表示, 接收机外部噪声的额定功率为,NA=kTABn,(3.2.18),把接收机内部噪声在输出端呈现的额定噪声功率N等效到输入端来计算, 这时内部噪声可以看成是天线电阻RA在温度Te时产生的热噪声, 即,N=kTeBnGa,(3.2.19),温度Te称为“等效噪声温度”或简称“噪声温度”, 此时接收机就变成没有内部噪声的“理想接收机”, 其

8、等效电路见图3.10。,3.2.3 级联电路的噪声系数 为了简便, 先考虑两个单元电路级联的情况, 如图3.11所示。 图中F1、F2和G1、G2分别表示第一、二级电路的噪声系数和额定功率增益。为了计算总噪声系数F0, 先求实际输出的额定噪声功率No。 由式(3.2.10)可得,No=kT0BnG1G2F0,而,(3.2.24a),(3.2.24b),No由两部分组成: 一部分是由第一级的噪声在第二级输出端呈现的额定噪声功率No12,其数值为kT0BnF1G1G2, 第二部分是由第二级所产生的噪声功率N2, 由式(3.2.12)可得,N2=(F2-1)kT0BnG2,(3.2.25),于是式(

9、3.2.24)可进一步写成,No=kT0BnG1G2F0=kT0BnG1G2F1+(F2-1)kT0BnG2,化简后可得两级级联电路的总噪声系数,(3.2.26),三级级联推导,同理可证, n级电路级联时接收机总噪声系数为,(3.2.27),为了使接收机的总噪声系数小, 要求各级的噪声系数小、额定功率增益高。而各级内部噪声的影响并不相同, 级数越靠前, 对总噪声系数的影响越大。,图3.12 典型雷达接收机的高、中频部分,将图3.12中所列各级的额定功率增益和噪声系数代入式(3.2.27), 即可求得接收机的总噪声系数:,(3.2.28),一般都采用高增益(GR20dB)低噪声高频放大器, 因此

10、式(3.2.28)可简化为,(3.2.29),若不采用高放, 直接用混频器作为接收机第一级, 则可得,(3.2.30),式中 tc为混频器的噪声比, 本振噪声的影响一般也计入在内。,3.2.4 接收机灵敏度 接收机的灵敏度表示接收机接收微弱信号的能力。灵敏度用接收机输入端的最小可检测信号功率Si min来表示。,已经知道, 接收机噪声系数F0为,(3.2.32),或者写成,(3.2.33),此时, 输入信号额定功率为,(3.2.34),式中, Ni=kT0Bn为接收机输入端的额定噪声功率。于是进一步得到,(3.2.35),为了保证雷达检测系统发现目标的质量(如在虚警概率为10-6的条件下发现概

11、率是50%或90%等), 接收机的中频输出必须提供足够的信号噪声比, 令So/No(So/No)min时对应的接收机输入信号功率为最小可检测信号功率, 即接收机实际灵敏度为,(3.2.36),通常,我们把(So/No)min称为“识别系数”, 并用M表示, 所以灵敏度又可以写成,(3.2.37),为了提高接收机的灵敏度, 即减少最小可检测信号功率Si min, 应做到: 尽量降低接收机的总噪声系数F0, 所以通常采用高增益、低噪声高放; 接收机中频放大器采用匹配滤波器, 以便得到白噪声背景下输出最大信号噪声比; 式中的识别系数M与所要求的检测质量、 天线波瓣宽度、扫描速度、雷达脉冲重复频率及检

12、测方法等因素均有关系。在保证整机性能的前提下, 尽量减小M的数值。,为了比较不同接收机线性部分的噪声系数F0和带宽Bn对灵敏度的影响, 需要排除接收机以外的诸因素, 因此通常令M=1, 这时接收机的灵敏度称为“临界灵敏度”，其为,(3.2.38),雷达接收机的灵敏度以额定功率表示, 并常以相对1 mW的分贝数计值, 即,(3.2.39),一般超外差接收机的灵敏度为-90-110 dBmW。,3.3 雷达接收机的高频部分,图3.14 雷达接收机的高频部分,为了增加雷达的作用距离, 提高接收机的灵敏度(降低噪声系数)与增大发射机功率是等效的。,3.3.1 收发转换开关和接收机保护器,1. 收发转换

13、开关 分支线式收发开关的原理电路如图3.15所示。,平衡式收发开关的原理图如图3.16所示,图3.16 平衡式收发开关原理图(a) 发射状态; (b) 接收状态,2 . 接收机保护器,图3.17 环行器和接收机保护器,大功率铁氧体环行器具有结构紧凑、承受功率大、插入损耗小(典型值为0.5dB)和使用寿命长等优点, 但它的发射端1和接收端3之间的隔离约为(2030) dB。 一般来说, 接收机与发射机之间的隔离度要求(6080) dB。 所以在环行器3端与接收机之间必须加上由TR管和限幅二极管组成的接收机保护器。,3.3.2 高频放大器和混频器的发展趋势,1. 超低噪声非致冷参量放大器 致冷参放

14、, 在微波和毫米波频段范围内, 当致冷温度为20 K时, 可得到的等效噪声温度Te为(1050) K, 但设备复杂、 成本昂贵, 实际使用较少。 近年来在改进非致冷参放噪声性能方面采用的关键技术是采用了以下器件或设计、工艺: 超高品质因素(高截止频率)、 极低分布电容的砷化镓变容二极管; 极低损耗的波导型环行器; 高稳定的毫米波固态泵浦源(fp=(50100) GHz); 高效率的热电冷却器; 新的微带线路结构和微波集成电路的优化设计及先进工艺。,图3.18 几种典型低噪声器件的噪声系数,2 . 低噪声晶体管放大器 低噪声砷化镓场效应管和硅双极晶体管放大器的研制已取得了新的进展，采用了： 计算

15、机辅助设计; 精巧的微带线工艺; 多级组件式结构。这样, 使它们的低噪声性能仅次于参量放大器, 并已在实用中逐步取代行波管高放和遂道二极管放大器。 在低于3 GHz的频率范围, 采用硅双极晶体管高放。 在高于3GHz的频率, 采用砷化镓场效应管高放。目前在(0.515)GHz频率范围, 噪声系数为(15) dB, 单级增益为(612) dB。,3 . 混频器的发展趋势 随着现代混频二极管噪声性能的不断提高, 现在很多超外差式雷达接收机直接使用混频器作高频前端。目前高性能的镜像抑制混频器在1100GHz频率范围内,可使噪声系数降至35 dB。,镜像抑制混频,4 . 微波单片集成接收模块 微波单片

16、集成接收模块在砷化镓单片上包含有完整的接收机高频电路, 即衰减器、环行器、移相器和多级低噪声高频放大器等。目前从L波段至C波段, 微波单片集成电路的噪声系数为2.53.5 dB, 详见表2.6。,3.4 本机振荡器和自动频率控制,常规雷达,现代雷达,控制磁控管的自频控系统,图3.23 锁相型稳定本振,3.5 接收机的动态范围和增益控制,3.5.1 动态范围信号过强时, 放大器发生饱和现象, 失去正常的放大能力。,图3.25 信号与宽脉冲干扰共同通过中频放大器的示意图,只要接收机中某一级的增量增益Kd0, 接收机就会发生过载。,3.5.2 增益控制自动增益控制(AGC),图3.27 一种简单的A

17、GC电路方框图,瞬时自动增益控制(IAGC),匹配滤波器与相关接收,一种匹配滤波器只能对特定的输入信号进行滤波。匹配滤波器具有时延适应性，不具有频移适应性。,也就是说当信号的频率特性不发生改变时，只是时间上出现延迟，这时匹配滤波器不变，当信号的频率特性发生了变化，则匹配滤波器也要变。,匹配滤波器是在白噪声背景下，能使输出信噪比达到最大的线性滤波器。注意的问题（1）白噪声背景是推导匹配滤波器的前提，但是并不是应用匹配滤波器的前提，实际系统的噪声不完全是白噪声，但有90%以上是，所以仍然可以使用。匹配滤波器的使用条件是输入信号的形式已知。（2）匹配滤波器关心的是如何在含有噪声的信号中发现回波，而不关心波形是否失真，不能用于波形估计。（3）波形估计要用维纳滤波器或kalman滤波器（4）匹配滤波器只是线性滤波器中输出信噪比最大，而有些非线性滤波器可以超过它，目前非线性滤波器研究主要用于探测具有很好隐身能力的探测目标。,用途考虑的问题： 灵敏度？ 波形失真？,