雷达原理3-雷达接收机新

第3章雷达接收机 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。
第3章雷达接收机
已经知道, 接收机噪声系数F0为
或者写成
F0

Si So
/ /
Ni No
(3.2.32)
Si Ni

F0
So No
(3.2.33)
此时, 输入信号额定功率为
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。
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自天线
馈线 Gf 1/Gf
接收机 放电器
Gg 1/Gg
限幅器 Gl 1/Gl
低噪声 高放
GR FR
混频器 Gc Fc
中频 放大器 至检波器
GI FI
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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。
第3章雷达接收机 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。
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。
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式(3.2.9)可以改写为
F No N iGa
(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。
无源四端
网络
RA
Ga
RL
No kT0Bn
F No 1 NiGa Ga
图3.9 无源四端网络
第3章雷达接收机 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ΔN等效到输入端来计算, 这
Pno ( f ) o
Pno (f0) Bn
(3.2.7)
f
第3章雷达接收机 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。
EsA ～ Esi ～
RA
Si Ni
接收机
线性电路
Ga
So
RL
No
F Si / Ni So / No
(3.2.9)
• 同样，当取 fi f0 fn • 则，干扰频率为
fn

1 q [ pf0

fi ]
fn

1 q
[
pf
s

(p
1)
fi ]
p 0, q 1得到fn fi的中频干扰 p 1, q 1得到镜频干扰
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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
ΔN=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”, 其等效电路见图3.10。
Te RA
TA
理想 接收机
Ga
F 1 kTeBnGa 1 Te
RL
No=kT0BnG1G2F0
(3.2.24a)
而
No N012 N2
(3.2.24b)
Ni＝kT0Bn
F1，G1，Bn
F2，G2，Bn
No＝No1 2＋N2
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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
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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。 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。
第3章雷达接收机 4. 中频的选择和滤波特性
pf0 qfs fi pf0 qfs fi pf0 qfs fi pf0 qfs fi
如取 fi f0 fs
则：
fs

p 1 q p
fi
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• 当干扰频率fn与本振f0满足下面关系：
pf0 qfn fi pf0 qfn fi
第3章雷达接收机 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:

0 pno ( f )df pno ( f0 )Bn
S i
m in

k T0 Bn F0

So No
m in
(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
S i
m in
级所产生的噪声功率ΔN2, 由式(3.2.12)可得
F 1 N
k T0 BnGa
ΔN2=(F2-1)kT0BnG2
于是式(3.2.24)可进一步写成
(3.2.25)
No=kT0BnG1G2F0=kT0BnG1G2F1+(F2-1)kT0BnG2
化简后可得两级级联电路的总噪声系数
F0

F1

Si

Ni F0
So No
(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
Si

k T0 Bn F0
So No
(3.2.35)
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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
第3章雷达接收机 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？
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Fwenku.baidu.com,GfGgGI,Bn
F2,GRGCGI,Bn
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:
F0

Gf
1 GgG1

FR

Fc 1 GR

F1 1 GRGc
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？
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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)受到影响的程度, 希望影响越小越好。
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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:
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第3章雷达接收机 3.1.2
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(10-12~10-14)W.
发射脉冲 噪声
被噪声淹 没的信号
图3.3 显示器上所见到的信号与噪声
包络检波器 视
90°
同频检波器
uI(t)
频
放
uQ(t)
大
器
限幅放大器
相位检波器 cos sin
图3.2 超外差式雷达接收机的一般方框图
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• 混频器的干扰 • 组合频率干扰
fk pf0 qfs fi
因此噪声系数的另一定义为: 实际接收机输出的额定噪声功 率No与“理想接收机”输出的额定噪声功率NiGa之比。
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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ΔN, 即
No=NiGa+ΔN=kT0BnGa+ΔN
第3章雷达接收机
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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
第3章雷达接收机
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(3.2.28)
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一般都采用高增益(GR≥20dB)低噪声高频放大器, 因此式(3.2.28)
可简化为
F0

FR G f GgG1
(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
F0

tc F1 1 G f GgG1Gc
(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。
(3.2.11)
将No代入式(3.2.10)可得
F 1 N
k T0 BnGa
(3.2.12)
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下面对噪声系数作几点说明: ① 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。 ② 噪声系数只由接收机本身参数确定。
③ 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)
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④ 噪声系数的概念与定义, 可推广到任何无源或有源的四端网络。
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。
Ni kT0Bn
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。
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3.2 接收机的噪声系数和灵敏度
接收机噪声的概率特性
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• 对数接收器具有恒虚警的特性
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第3章雷达接收机 2. 额定噪声功率
高频输入
接收机 保护器
低噪声高 频放大器
混频器
中频放大器 (匹配滤波器)
检波器
视 频 至终端设备 放大器
高 频部 分
本振
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天线
近程增益 控制(STC)
AGC
收发开关 接收机保护器 低噪声高频放大器
混 频器 中频放大器 中频增益衰减 中频滤波器
发射机 稳定本振
对数放大器
线性放大器
相干本振
kT0 BnGa
T0
T0 TA Te
第3章雷达接收机 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
F2 1 G1
(3.2.26)
第3章雷达接收机 三级级联推导
F0

F1

F2 1 G1

F3 1 G1G2
第3章雷达接收机 同理可证, n级电路级联时接收机总噪声系数为
F0

F1

F2 1 G1

F3 1 ..... G1G2

Fn 1 G1G2 ....Gn 1
(3.2.27)