2014-雷达原理第三讲-讲义

接收机中的几种主要附属电路 1、AGC（自动增益控制）
目的：使目标信号输出维持稳定
输出
中放
检波 LPF
视放 峰值检波器
2、IAGC（瞬时自动增益控制）
目的：防止信号太强，使干扰电压衰减，而维持目标信号的增益 放大器
输出
关键：迅速建立控制电压 为了不影响目标信号强度
i n i
Wave candidate
f dr sin t 2 Si (t ) cos 0 t f dr 2 t
波形的产生
声表器件
声表延迟线
电压效应产生形变， 产生超声波
压电效应产生电信号
必须是色散的
利用声表器件的脉压能达到－40dB 左右 频率范围：几百兆赫兹
G
S o : GSi
N o : G ( N i N amp )
等效噪声温度
N amp k Tamp Bn
Si / N i (GSi ) / G ( N i N amp )
Si / N i F S0 / N 0



N i N amp Ni
1
Tamp Tin
Tin 290k
频率的选用与雷达的用途有关 工作频率在S波段以下的发射机大多选用全固态发射机 C、X波段及以上大功率发射机仍以真空管为主，但（GaAs FET）砷化 镓场效应管制造技术的发展，使这些波段的全固态发射机成为可能。 瞬时带宽： 瞬时带宽 > 信号带宽 频带内输出功率的变化应小于 1 dB 瞬时带宽的要求决定放大管的类型 窄带：选用三极管、四极管、速调管等 宽带：行波管、前向波管、行波速调管、 GaAs FET等
控制 电路
检波器
i : n :
控制电路的时间常数 干扰持续时间
接收机中的几种主要附属电路 3、时间增益控制（灵敏度时间控制STC）
目的：防止近程杂波引起的中频放大器过载
使偏置电压随时间的变化而变化
4、AFC （自动频率控制）
速调管振荡器所决定的本地振荡频率 fL 混频 本机振荡器
fi Ei
fs
常用雷达发射机
机载雷达发射机 发射功率：
几千瓦 ～几十千瓦 （峰值） 几百瓦 ～几千瓦 （平均值）
通常采用行波管放大器 星载雷达发射机 通常采用体积小、重量轻的行波管放大器 固态微波晶体管放大器
第二部分
雷达接收机
基本组成： 接收前端、中频接收机、频率源 雷达接收系统框图
天
线
雷达接收机（超外差式） 超外差的定义： 接收机利用一个或多个本振和混频器将 接收到的回波变换成中频
F2 1 F1 G1
F2 1 F F1 G1
N级联
FN 1 F2 1 F3 1 F F1 G1 G1G2 G1G2 GN 1
T2 T3 TN Te T1 G1 G1G2 G1G2 GN 1
家庭作业：试证明上面两公式



雷达接收机的主要性能指标（续）
b) 不平衡时
1 1 j 2f i t j s (t ) (1 e )e (1 e j )e j 2f i t 2 2
fi 点的信号的模值
1 1 j Ad 1 e 1 2 cos 2 2 2
STANFORD公司的Stel-1173、2173、2171等 Qualcomm公司的Q2334、Q2220、Q2230 等 AD公司的产品
常用雷达发射机
根据平台划分 地面雷达发射机 发射功率高 窄带：高增益和高功率的速调管 宽带：行波管放大器 复合式发射机、全固态发射机 舰载雷达发射机 与地面雷达发射机相似
雷达接收机的主要性能指标（续） I、Q通道不平衡
s (t ) cos( 2f i t ) j sin( 2f i t )
a) 平衡时
( f fi )
1, 0
s (t ) e j 2f i t
b) 不平衡时
f
1 j 2f i t j ( 2fit ) j ( 2f it ) j 2f i t s (t ) e e e e 2 2 1 1 j 2f i t j (1 e )e (1 e j )e j 2f i t 2 2
JATS（Jamming Analysis and Transmission Selection）： 杂波分析和发射
雷达接收机的主要性能指标（续） 6、波形失真 7、I/Q正交鉴相的正交度 （重要）
实现正交鉴相的方法：数字混频低通滤波法、数字插 值法、Hilbert变换法
NCO: Numerically Controlled Oscillator
第三章
雷达发射机和接收机
第一部分：发射机
第二部分：接收机
雷达发射机
发射机的功能
产生所需的某功率电平的射频信号
雷达发射技术
对雷达频率源产生的小功率射频信号进行放大或直接自激振荡 产生高功率雷达发射信号的一种综合技术
发射机分类
单级振荡式 主振放大式
单级振荡式
优点： 简单、经济、轻便 缺点： 频率稳定度差、难以形成复杂波形、相位不相参
L ( f m ) 10 lg
B 带宽内的单边带功率
载频功率
10 lg( B)
(dB/Hz)
典型要求： －80 dB
波形的产生
主要针对线性调频信号 模拟产生方法 有源法
利用压控振荡器（VCO）产生调频波，控制电压按所需的 调频规律变化
VCO: Voltage Controlled Oscillator
雷达频率源的实现方法 3、基于DDS的频率合成器 DDS+PLL
DDS直接频率合成器
雷达接收机的主要性能指标 1、灵敏度和噪声系数 Si,min, F 灵敏度受噪声电平的限制 一般采用预选器、低噪声高频放大器和匹配滤波
Si,min： 10－12 ~ 10－14 W
2、选择性和信号带宽 信号带宽：接收机的通频带 带宽越窄，选择性越好，抗干扰能力越差， 采用滤波器组
副主峰比（dB） -20lgN
- 6.0 -9.5 -12.0 -14.0 -16.9 -20.8 -22.3
其它的信号形式
LFM和PSK复合信号
FSK & PSK
OFDM & PSK
5、信号的稳定度
5、信号的稳定度
fc 不对称性和随机性
fm
f
频谱纯度（dB/Hz）：分布性频谱的每单位频带上的单边带功率与 载频功率的比值。
现 代 雷 达 接 收 机 框 图
AGC电路
AFC控制电路
AGC: Automatic gain control
AFC: Automatic frequency control
雷达频率源的实现方法 现代的频率源：宽频带、高稳定、能产生复杂波形 1、直接合成频率源 用稳定的晶振作为参考频率源 特点： 频率转换速度快（<10 us）、稳定可靠 输出相位噪声基底低 体积大、成本高 2、间接合成频率源 锁相频率合成器PLL (phase-locked loop ) 组成： 高稳晶振参考源、鉴相器 压控振荡器（VCO）、低通滤波器（LPF） 特点： 电路简单、原理复杂
发射机的主要指标 2、输出功率
峰值功率、平均功率、占空比
发射信号

Tr
Pt Pave Tr
D

Tr
占空比 or 雷达工作比
功率： 几毫瓦 ～ 几太瓦
发射机的主要指标 3、发射机的效率
定义： 发射机输出高频功率 发射机输入功率（供电，包括冷却用电）
连续波雷达发射机效率： 20～30％ 优于 通常峰值功率越高、占空比越小，效率越低
镜像点-fi 的信号的模值
1 1 j Ai 1 e 1 2 cos 2 2 2
Ai ) I/Q正交鉴相器对系统动态或改善因子的限制：20 lg( Ad
接收机的噪声分析
目的： 获得级联系统的噪声系数
Si / N i
Si / N i S0 / N 0
F, G, Bn
脉冲压缩比
t
4、信号形式
相位编码 码字的随机性对信号进行扩频，降低了单位频带内的信号能量， 提高了距离和多普勒分辨。 二相码： 180 dg. 四相码: 90 dg.
（5位巴克码信号）
4、信号形式
相位编码
巴克码 码元长度
2 3 4 5 7 11 13
码元
+ -, + + +++ + - +, + + + +++-+ +++--++++---+--++++++--++-+-+
So / N o
噪声系数
F
噪声系数的大小与信号功率无关
接收机的功率增益
G N0 GN i
So Si
理想情况
F
F 1
N 0 GN i
F 1
放大器不能放大信噪比！
信号和噪声放大了G倍， 但没有引入新的噪声
等效噪声模型
Si / N i
F, G, Bn
So / N o
理想放大器
Si / N i
N o N 'G2 ( F2 1)G2 N i
S /N F i i S0 / N 0 Si N o S i G1G2 N i
T amp ( F 1 ) T in
1 F1G1G2 N i ( F2 1)G2 N i G1G2 Ni
F1G1G2 ( F2 1)G2 G1G2
效率比较：
脉冲雷达发射机效率
速调管、行波管发射机 磁控管、前向波放大管发射机 分布式全固态发射机
+ ++ +++
发射机的主要指标 4、信号形式
脉冲宽度： ps, ns ～ ms a) 固定载波的矩形脉冲调制信号
0.9A
0.1A
上升沿
下降沿
4、信号形式
b) 线性调频信号(LFM)
x(t ) A cos2ft (t )
中放 AFC电路
输出
判断与额定中频的偏差
现代接收机的共性要求： 宽频带、低噪声、大动态、高稳定 数字化
软件雷达 A/D更靠近前端 开放式、灵活性、标准化、模块化
波形的产生
数字产生方法 基带产生法
优点： 产生波形灵活，对数字电路要求不高 缺点： 幅相平衡的问题，导致镜像虚假信号和载波泄漏， 从而影响脉压
波形的产生
数字产生方法 基于DDS(直接数字频率合成器)的波形产生
波形的产生
DDS的基本原理 根据正弦函数的产生，从相位出发，不同的相位对应不同 的电压幅度，然后滤波平滑出所需的频率。
压控振荡器称为调频器，用以产生调频信号
波形的产生
无源法
So ( )
Si ( )
关键： 展宽滤波器的设计
波形的产生
无源法
So ( ) Si ( ) H ( )
1 So (t ) 2



Si ( ) H ( )e jt d
激励信号的选择标准： 使扩展后的信号满足线性调频的要求
f (t ) f1 f dr t t 0 nTr , nTr , n 0,1,2,3,
A t f f1 f2
LFM: 大时宽带宽信号， 解决了普通信号中大 占空比与距离分辨率 间的矛盾。发射峰值 功率小。其最大优点 在于抗多普勒平移干 扰。
射频隐身的关键
B

D B 1
Tamp ( F 1)Tin
级联形式下的噪声系数
N i kT0 Bn
F1 , G1 , Bn
' S N ' F1 N i Si
F2 , G 2 , Bn
N'
No
Si / N i F1 ' S / N'
N ' F1G1 N i
No :
G2 ( N ' N amp )
Recalling
雷达接收机的主要性能指标（续） 3、稳定性 短期稳定性（ms）和长期稳定性 频率源的稳定性和频谱纯度 幅度和相位的稳定性： 常温稳定性、宽温稳定性、振荡 常温稳定性、宽频带常温稳定性 4、动态范围和接收机的增益
S min
So G Si
S max
雷达接收机的主要性能指标（续） 5、抗干扰能力
主振放大式
优点：频率稳定度高、可以形成复杂波形、相位相参、适于频率捷变 缺点： 结构复杂，效率低
Hale Waihona Puke Baidu性能发射机的要求
发射信号必须是相参的 发射信号脉间必须是高稳定的 具备发射多种复杂波形的能力 抗干扰的能力 采用宽带发射机（>10%） 捷变频工作方式
发射机的主要指标 1、工作频率（频段）、带宽