微波雷达系统介绍

微波雷达系统介绍

摘要：首先介绍了雷达的基本工作原理，对雷达的基本参数进行了简单的说明，而后对雷达中用到的微波器件做了说明，主要介绍了两种雷达结构，最后对雷达系统进行了简单总结。

关键词：雷达；微波

0前言

20世纪40年代，电磁波被用于发现目标和测量目标的距离，称之为“无线电探测和测距”（radio detecting and ranging ），取这几个英文字母便构成radar （雷达）一词。按照IEEE 的标准定义[1]，雷达是通过发射电磁波信号，接收来自其威力覆盖范围内目标的回波，并从回波信号中提取位置和其他信息，以用于探测、定位，以及有时进行目标识别的电磁波系统。由于微波具有频带宽、穿透电离层能较强、似光性等优点，雷达就是利用了微波这些特性的典型代表。

1雷达的基本工作原理[2][4]

雷达的基本工作原理是，发射机通过天线向空间定向发送探测信号，信号被远距离的目标部分反射后，由天线接收并传送到接收机接收检测和信号处理，观测人员可以在接收机输出端显示屏上观测有无目标以及目标的性质和距离。如果发射和接收共用一副天线，叫做单站雷达；如果收、发系统各有自己的天线，则叫做双站雷达，分别如图1和图2所示。

G

图1单站雷达图

t

G

r G

图2双站雷达图

以单站雷达为例。发射功率t P ，发射天线增益G ，传输距离R ，则目标处的功率密度为

124t PG S R

π=（W/m 2）

目标将在各个方向散射入射功率，在某个给定方向上的散射功率与入射功率密度之比定义为目标的雷达截面σ，表征目标的电磁散射特性，即

1

s P S σ=（m 2） 因此雷达截面具有面积的量纲，是目标本身的特性，它还依赖于入射角、反射角和入射波的偏振态。若把散射场看作二次源，二次辐射的功率密度为

222(4)

t PG S R σπ=（W/m 2） 由天线的有效面积定义式24t RM eff i G P A S λπ

==，RM P 最大接收功率。可得，接收功率为 2234(4)t t r PG P R λσπ=

这就是雷达方程,接收功率单位W 。接收功率按41/R 减小，这意味着为了检测远距离目标，需要高功率发射机和高灵敏度接收机。

由于天线接收噪声和接收机噪声，存在接收机能够识别的最小监测功率。若这一功率是min P ，则得到最大可探测距离为

1/422max 3min (4)t t PG R P λσπ⎡⎤=⎢⎥⎣⎦（m ）

信号处理技术能够有效降低最小可检测信号，从而增加了可测量距离。

2雷达的基本参数[3]

2.1分辨率

分辨率可严格定义为分辨具有不同对比度的相隔一定距离的相邻目标的能力。一般习惯使用一个不太精确的定义，既对微波系统来说，分辨率通常是指测量系统响应的半功率宽度。

2.2角度分辨

毫米波雷达及辐射计通常都采用窄波束天线来提高角度分辨率。角度分辨一般采用半功率点的波束宽度来表示。其半功率点的波束宽度可表示为

h h K D λθ=

h K —取决于天线类型和加权函数的系数；λ—波长；D —天线口径。

2.3距离分辨

大多数雷达都采用距离分辨概念。距离的分辨率由测量信号从雷达发至目标，并返回雷达所需的这一有限时间间隔决定。

当忽略大气对微波传播速度的影响（一般只有十万分之几的数量级），电波从雷达传播到目标往返引起的时间延迟，就是电波传播从雷达到目标的两倍距离的时间，可由下

式得出：

2R

c τ=

R —距离；c —平均速度

2.4速度测量

基于多普勒效应，可以用雷达测量速度或相对速度。由于多普勒效应，返回雷达的频率与雷达发出的频率不同，其差频正比于目标与雷达之间的接近速度。多普勒频移的起因是由于在空间电波分布的移动而引起信号相位的变化，而这一变化会叠加到由于正弦波传输导致的正常相位变化上去。略去反射过程中的相位变化，则可导出多普勒频率为

2r d v f λ

= 率为式中 r v —目标和雷达的接近速度；λ—发射信号的波长。

3雷达系统中的关键微波器件

3.1快速频率合成器[3]

快速频率合成器是变频雷达的关键部件，雷达对频率合成器相位噪声、杂散电平和调谐速度有严格要求。目前已经出现中、大规模集成度的频率合成芯片。如Q3036是美国Qualcomn 公司的一款高性能单片频率合成器集成电路，将可编程分频器、鉴相器、数据接口等功能部件集成在一起，最高工作频率可达1.6GHz ，最高鉴相频率100MHz ，广泛用于雷达、通信、仪表等领域。

3.2上变频器[3][6]

在微波波段进行频率合成，再扩展到毫米波。具体有倍频式、上变频式和谐波混频式三种扩展方法。

（1）倍频式：方法的关键是将微波频综的输出功率放大到足以激励倍频器，再用滤波器提取所需频率。系统框图如图3所示。

图 3倍频式原理框图 图 4上变频式原理框图

为了得到较大的输出功率，可以在滤波器后加一级注锁放大器。频综的输入/输出频率满足如下关系式

out in f N f =⋅

式中in f 及out f —输入及输出频率；N —倍频次数

（2）上变频式：图4为上变频式原理框图，微波频综作为信号源，高Q 低相噪的毫米振荡源作为泵浦，送入上变频器进行变频，然后用带通滤波器提取上边带。

同样，可以在终端加一级注锁放大器来提高输出功率，频率关系为

out s p f f f =+

s f —输入信号频率；p f —泵浦源的频率

（3）谐波混频式：系统框图如图5所示，从毫米波VCO 耦合的功率与微波频综的功率在谐波混频器进行混频，经放大鉴相形成误差信号，再与频率控制器送来的校准信号相加送到VCO 的变容管上，实现相位锁定。

图5谐波混频式框图

频率满足如下关系式

out ref in f f Nf =+

in f —微波频综输出频率；ref f —基准频率；N —谐波次数。

3.3混频器[4]

混频器的作用实质上是载频搬移，也称为外差（heterodyne ）处理。理想的混频器是对角频率分别为1ω、2ω的两个信号做乘法处理，即

[]1212121cos()cos()cos()cos()2

t t t t ωωωωωω⋅=

++-

所得到的混频器输出包括两个信号频率之和的信号和两个信号频率之差的信号，一般在通过滤波器滤去不需要的频率分量。

在混频器中，来自波形发生器的调制信号同本振信号（频率为LO RF IF f f f =-）混频，取其“和”分量，即得到发射机所需的小功率射频信号，如图6所示，该信号所占据的频率范围为/2RF RF f B ±，RF B 为射频信号带宽。

图 6经脉冲调制后的发射机输入和输出信号 3.4限幅器[4]

由于外部强电磁干扰或目标本身很强的雷达回波信号，使得接收天线的输出信号幅