雷達接收機正文

雷達接收機的作用主要是變頻、濾波、放大和解調(diào)等。濾波的作用是濾除無用的干擾信號而保留有用的目標回波信號；放大和解調(diào)的作用是從回波信號中提取目標距離、速度和角度信息，以模擬或數(shù)字信號的形式傳輸給顯示器或計算機等終端設備。雷達受到的干擾包括接收機內(nèi)部和外部的噪聲干擾；鳥群、雨雪、海浪、地物反射的雜波干擾；友鄰雷達、通信設備的同頻干擾；敵方施放的各種有源或無源干擾（見雷達抗干擾）。

組成雷達接收機因體制不同而有不同的組成部分。圖中為典型的脈沖雷達超外差接收機的主要組成部分和工作原理。天線收到的目標回波和干擾信號，通過天線收發(fā)開關(guān)后一般先經(jīng)過低噪聲高頻放大器放大,并初步濾除干擾。在混頻器中, 高頻脈沖信號(中心頻率為f0)與來自本振的高頻連續(xù)波信號(頻率為fL)進行混頻,輸出頻率為fi=f0-fL的中頻脈沖信號。雷達接收機的中頻一般介于0.1～100兆赫之間，但也有采用兩次混頻的(高中頻和中頻)。典型的高中頻有500兆赫、1000兆赫或更高一些;典型的中頻有30兆赫和60兆赫兩種。中頻信號與原來的高頻信號具有相同的頻譜形狀,只是中心頻率由f0移至fi,保留了原回波信號所包含的目標信息。中頻信號在多級中頻放大器中進行放大和濾波。接收機的頻帶寬度通常由中頻放大器的帶寬決定。中頻放大器的帶寬和頻率特性的選擇,對濾波作用的影響很大。一般按輸出信-噪比最大的準則選取，有的雷達(如精密跟蹤雷達)要求波形失真最小。接收機中頻放大器實際上起匹配濾波器的作用。在包絡檢波器中，中頻脈沖信號通過非線性的頻譜變換作用濾除中頻成分，輸出視頻脈沖，經(jīng)過視頻放大后傳輸?shù)嚼走_終端設備。除了這些基本組成部分之外，為了保證雷達接收機的正常工作和提高雷達抗干擾能力，通常還有一些輔助電路，例如手動增益控制電路、自動增益控制電路、自動頻率控制電路和各種抗干擾電路等。

主要性能指標衡量雷達接收機性能的主要指標有靈敏度、選擇性、可靠性、抗干擾性、動態(tài)范圍、波形失真和恢復時間等。

靈敏度接收機檢測微弱回波信號的能力。接收機靈敏度越高，雷達作用距離越遠。雷達接收機的靈敏度通常用最小可檢測信號功率S

表示。當接收機的輸入信號功率達到S

時,接收機就能檢測出這一信號。否則，信號將被淹沒在噪聲干擾之中而不能檢測。由于噪聲具有隨機性質(zhì)，噪聲中信號檢測屬于統(tǒng)計判決問題，起作用的是信-噪比。而最小可檢測信-噪比(S/N)

，是指保證檢測裝置具備一定的發(fā)現(xiàn)概率和虛警概率所需的最小輸入信－噪比。于是，接收機靈敏度的表達式可寫為

式中k＝1.38×10J/K為玻耳茲曼常數(shù)；Bn為系統(tǒng)的噪聲帶寬;Ts=Ta＋Te為系統(tǒng)噪聲溫度;Ta為天線噪聲溫度；Te=(F-1)290K為接收機有效輸入噪聲溫度;F為接收機噪聲系數(shù)。但是,

(也稱識別系數(shù)) 不僅與接收機中頻、視頻帶寬有關(guān)，還與脈沖積累數(shù)、天線波束寬度、顯示器光點直徑等因素有關(guān)。因此，上述定義的靈敏度不僅與接收機有關(guān)，而且還與雷達其他分機性能和雷達工作狀態(tài)有關(guān)。它實際上是雷達整機的一個參數(shù)，故稱之為實際靈敏度。為了排除接收機以外的因素，需要另行給出定義,此時靈敏度表達式為(S

)0＝KTSBn,稱為臨界靈敏度,它是專門用來衡量接收機本身的靈敏度。雷達接收機的靈敏度一般以資用功率表示，并常以相對于1分貝毫瓦(dBm)計值，即S

(dBm)＝10 lg S

/10一般超外差雷達接收機的靈敏度為-90～-110dBm。

動態(tài)范圍接收機能夠正常工作所容許的輸入信號強度變化范圍。在接收機內(nèi)部噪聲電平一定的條件下，信號太弱便不能檢測；信號太強，接收機會發(fā)生飽和過載，使目標回波顯著減小，甚至丟失。因此，動態(tài)范圍是雷達接收機的一個重要質(zhì)量指標。最小輸入信號強度通常取最小可檢測信號S

；允許的最大輸入信號強度則根據(jù)正常工作的要求確定。所謂正常工作，是指接收機不過載并且對預期特性的偏差不超出一定的標準。例如,對線性接收機通常以增量增益下降不超過1分貝為準；對于對數(shù)接收機或限幅接收機則以允許的對數(shù)特性誤差或限幅特性誤差不大于±(5～10)％為準。為了保證對強、弱信號均能正常接收，接收機應有較大的動態(tài)范圍，這需要采取一定的抗過載飽和措施，如采用瞬時自動增益控制電路、靈敏度時間控制電路和對數(shù)放大器等。接收機動態(tài)范圍的定義式為

式中P

和 U

分別為最小可檢測信號功率和電壓；P

和 U

分別為接收機正常工作所允許的最大輸入信號功率和電壓。但是，接收機的動態(tài)范圍還與輸入信號類型有關(guān)。當輸入信號為點目標回波、分布目標回波或?qū)拵г肼暤炔煌愋蜁r，接收機的動態(tài)范圍有所不同。

選擇性接收機選擇所需信號和濾除鄰頻干擾的能力。

波形失真接收機輸出信號波形對其輸入高頻信號包絡波形失真的程度，常用脈沖前沿上升時間、后沿下降時間和頂部降落等參量表示。

可靠性接收機在長期工作過程中，能夠穩(wěn)定工作的時間所占的比例。所謂穩(wěn)定工作，是指接收機不產(chǎn)生自激，接收機參數(shù)（如增益、帶寬等）的變化不超出允許范圍（每小時參數(shù)變化不超過 1％）。接收機基本可靠性一般應大于99％。

抗干擾性接收機對抗各種干擾的能力。干擾包括雜波干擾、鄰站干擾和敵方施放的各種干擾。

恢復時間雷達接收機從不能正常工作到恢復正常工作所需要的時間。

主要部件的作用和性能①低噪聲高頻放大器：為了確保雷達接收機的低噪聲性能，提高靈敏度，通常在混頻器之前加低噪聲高頻放大器。高頻放大器的功率增益一般應大于20分貝，這樣才能減小混頻器噪聲的影響，降低整個接收機的噪聲系數(shù)。早期多采用超高頻電子管或行波管作為高頻放大器件，也有采用微波晶體管高頻放大器或參量放大器的。現(xiàn)代雷達接收機大多采用場效應管低噪聲放大電路。②微波混頻器：按工作方式分為單端混頻器和雙端混頻器(平衡混頻器)兩種?；祛l器根據(jù)結(jié)構(gòu)又分為同軸線型、波導型和微帶型等三種。平衡混頻器能抑制偶次諧波所產(chǎn)生的寄生響應和本振噪聲的影響。微帶型平衡混頻器的特點是結(jié)構(gòu)輕巧、制作方便和動態(tài)范圍較大。③穩(wěn)定本振器：雷達對接收機本振的穩(wěn)定性要求很高，如動目標顯示雷達要求本振短期頻率穩(wěn)定度高達10 。造成本振頻率不穩(wěn)定的因素很多，采取的措施也各不相同。對機械振動、聲振動、電源紋波等干擾調(diào)制源可采用防振措施和電子穩(wěn)壓技術(shù)減小其影響。本振產(chǎn)生的寄生頻率和噪聲（如調(diào)幅噪聲和調(diào)相噪聲）是較難克服的不穩(wěn)定因素。其中調(diào)幅噪聲比調(diào)相噪聲小得多,可采用平衡混頻器加以抑制。因此,對本振穩(wěn)定度的要求，一般是根據(jù)所允許的相位噪聲來確定。常用的穩(wěn)定本振有空腔穩(wěn)定型、晶振倍頻型和鎖相型。采用鎖相技術(shù)不僅可以構(gòu)成固定頻率的穩(wěn)定本振，還可構(gòu)成可調(diào)諧的穩(wěn)定本振。本振已廣泛采用固態(tài)化的頻率綜合器。④中頻放大器：接收機的濾波和放大作用主要靠中頻放大器完成。中頻放大器的頻帶寬度和頻率特性，直接影響濾波作用，關(guān)系著接收機的靈敏度、波形失真等重要指標。為使輸出端的信－噪比最大或波形失真最小，中頻放大器應有一個最佳的頻帶寬度和頻率特性形狀,以實現(xiàn)最佳濾波。匹配濾波器是能給出最大信－噪比的最佳線性濾波器，一般比較難于實現(xiàn)，常用多級中頻放大器近似實現(xiàn)。但這會引起一定的失配損失。采用帶寬為

(τ 為脈沖寬度)矩形特性的中頻放大器時，輸出信－噪比損失僅約為0.8分貝。精密跟蹤雷達要求波形失真小,一般選帶寬

。⑤對數(shù)放大器：它不僅是抗過載飽和，提高接收機動態(tài)范圍的有效措施，還可用以抑制雜波干擾，構(gòu)成恒虛警電路。對數(shù)放大器可用在中頻部分，也可用在視頻部分。雙增益對數(shù)中頻放大器的對數(shù)特性精度很高,用得最多,動態(tài)范圍可達80～100分貝。⑥恒虛警率處理技術(shù):在強干擾背景下的信號檢測，不僅要求有一定的信-噪比,而且要求接收機具有恒虛警率處理能力，以便在干擾強度變化時能自動調(diào)整接收機的靈敏度，保持信號檢測的虛警率恒定，使自動檢測時計算機不致因虛警太多而過載。在雜波包絡服從瑞利分布時,廣泛應用的恒虛警電路有對數(shù)-快時常電路和鄰近單元平均恒虛警電路。在干擾的概率分布未知時則須采用非參量恒虛警處理技術(shù)。

參考書目

R.L.米切爾著，陳訓達譯：《雷達系統(tǒng)模擬》，科學出版社，北京，1982。（R.L.Mitchell,Radar Signal Simulation,Artech House,Dedham,1976.）

雷達接收機是雷達系統(tǒng)的重要組成部分。本書重點介紹了雷達接收機系統(tǒng)及其電路的工作原理、設計方法和技術(shù)，闡述了雷達接收機和頻率源系統(tǒng)及電路的基本理論、主要組成以及測試方法等，并介紹了近年來發(fā)展迅速的現(xiàn)代雷達接收機和頻率源的各種新技術(shù)。其內(nèi)容力求實用、先進、通用、系統(tǒng)和完整。

全書共分8章，其中包括:第1章概論，第2章雷達接收機的基本理論，第3章雷達接收系統(tǒng)設計，第4章雷達頻率源，第5章雷達接收機的工程設計，第6章雷達接收機的電路設計技術(shù)，第7章雷達接收機和頻率源的測試技術(shù)，以及第8章現(xiàn)代雷達接收機設計展望。

本書作為"雷達技術(shù)叢書"之一，其主要讀者對象為從事雷達系統(tǒng)、防空體系和相關(guān)領(lǐng)域研究、制造、維護、使用的工程技術(shù)人員，以及雷達部隊官兵，同時也可作為高等學校電子工程系雷達及相關(guān)專業(yè)研究生和高年級本科生的教科書或參考書。

第1章 概論

1.1 概述?

1.2 雷達接收機的基本工作原理?

1.3 雷達接收機的基本組成?

1.4 雷達接收機的主要技術(shù)參數(shù)?

1.5 現(xiàn)代雷達接收機?

第2章 雷達接收機的基本理論

2.1 噪聲特性?

2.2 匹配網(wǎng)絡?

2.3 采樣定理?

2.4 頻率穩(wěn)定度?

2.3 采樣定理?

2.4 頻率穩(wěn)定度?

第3章 雷達接收系統(tǒng)設計?

3.1 雷達接收系統(tǒng)的組成?

3.2 接收機的低噪聲設計?

3.3 變頻分析和交調(diào)抑制?

3.4 接收機的大動態(tài)設計?

3.5 濾波和接收機帶寬?

3.6 模/數(shù)轉(zhuǎn)換器?

3.7 I/Q正交鑒相?

3.8 靈敏度時間控制與自動增益控制?

3.9 自動頻率控制?

3.10 頻率源?

第4章 雷達頻率源?

4.1 雷達接收機對頻率源的要求?

4.2 直接頻率合成器?

4.3 鎖相頻率合成器?

4.4 直接數(shù)字頻率合成器

4.5 發(fā)射激勵和測試信號?

4.6 波形設計?

第5章 雷達接收機的工程設計?

5.1 模塊化接收機設計方法?

5.2 模塊化頻率源設計方法?

5.3 雷達接收機的抗干擾技術(shù)?

5.4 接收機設計中的電磁兼容問題?

5.5 接收系統(tǒng)的可靠性設計?

第6章 雷達接收機的電路設計技術(shù)?

6.1 雷達接收機放大器電路設計技術(shù)?

6.2 接收機開關(guān)及幅相控制電路的設計?

6.3 接收機濾波器的設計?

6.4 數(shù)字接收機電路設計?

6.5 雷達接收電路的CAD技術(shù)?

第7章 雷達接收機和頻率源的測試技術(shù)?

7.1 接收機噪聲系數(shù)和靈敏度的測試?

7.2 接收機鏡像抑制特性的測試?

7.3 接收機通頻帶的測試?

7.4 接收機動態(tài)和增益的測試?

7.5 接收機幅度控制特性的測試?

7.6 接收機相位控制特性的測試?

7.7 接收機A/D轉(zhuǎn)換特性的測試?

7.8 接收機I/Q正交特性的測試?

7.9 頻率源功率、頻率及雜波抑制度的測試?

7.10 頻率源頻率穩(wěn)定度的測試?

7.11 波形特性的測試?

第8章 現(xiàn)代雷達接收機設計展望?

8.1 軟件無線電在現(xiàn)代接收機設計中的應用?

8.2 雷達數(shù)字接收機?

8.3 HMIC和MMIC在接收機和頻率源中的應用?

8.4 超寬帶(UWB)雷達接收機技術(shù)?

8.5 雷達接收機與電子戰(zhàn)、通信接收機一體化技術(shù)初探?

8.6 超導接收機?

參考文獻

弋穩(wěn)，陜西戶縣人。1966年畢業(yè)于北京工業(yè)學院(現(xiàn)在為北京理工大學)電子工程系雷達專業(yè)。畢業(yè)后，長期在華東電子工程研究所(原西南雷達技術(shù)研究所)工作，主要從事微波技術(shù)和雷達接收系統(tǒng)的研究工作。曾任該研究所接收研究部主任和部技術(shù)委員會主任，現(xiàn)任研究員。先后獲部級科技進步獎5項，發(fā)表論文和科技報告多篇，1993年獲得國務院政府特殊津貼，1994年被評為電子工業(yè)部有突出貢獻的專家，1996年被授予國家級有突出貢獻的中青年專家稱號。