雷达技术 第三章 雷达接收机8-11

3.1 雷达接收机的基本原理和组成


自动频率控制（Automatic Frequency Control） 使输出信号频率与给定频率保持确定关系的自 动控制方法。实现这种功能的电路简称AFC环 。AFC环主要由鉴频器和受控本地振荡器等部 件构成。（3.7节） 鉴频器的作用是检测中频的频偏，并输出误差 电压。闭环时，输出误差电压使受控振荡器的 振荡频率偏离减小，从而把中频拉向额定值。 这种频率负反馈作用经过 AFC环反复循环调节 ，最后达到平衡状态 ， 从而使系统的工作频 率保持稳定且偏差很小 。
“额定”信号功率
2 E E Sa s R s 4R 2R 2
Z＝R＋ jX Sa Es ～ Z*＝R－ jX
有源二端网络
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3.4 接收机的噪声系数和灵敏度
2. 2 额定噪声功率
噪声源电压均方值 un 4kTRBn ，内阻抗为Z=R+jX。
2
当接收机的负载与噪声源内阻抗共轭匹配时，即 Z*=R-jX 时， 噪声源输出最大噪声功率, 称为“额定”噪声功率
2 PG G t t r (4 )3 R 4
灵敏度表示接收机接收微弱信号的能力。
问：接收机的灵敏度越高, 雷达的作用距离Rmax就越近还是越远？ 提高灵敏度 → 减小噪声电平，增大接收增益。 一般的接收机灵敏度在-120~-140dBW -90~-110dBmW or -150~-170dBmW? 13
Si max D 10 lg Si min
16
3.2 雷达接收机的主要质量指标
8. 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。干扰严重影响对目标的正
常检测, 甚至使整个雷达系统无法工作。
有源干扰: 杂波干扰和邻近雷达的异步脉冲干扰 无源干扰: 海浪、雨雪、地物等反射的杂波干扰和敌机施放的 箔片干扰。 回忆：第一章讲过一个抗有源干扰方法 发射频率捷变信号，接收机的本振应与发射机频率同步跳变。17
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3.4 接收机的噪声系数和灵敏度
3. 天线噪声 ——外部噪声
包括天线热噪声和宇宙噪声。 • 天线热噪声是由天线周围介质微粒的热运动产生的噪声,
• 宇宙噪声是由太阳及银河星系产生的噪声, 这种起伏噪声被天
线吸收后进入接收机, 就呈现为天线的热起伏噪声。 天线噪声的电压均方值为
2 unA 4kTA RA Bn
3.4.1 接收机的噪声 1. 电阻热噪声——内部噪声
导体中自由电子的无规则热运动形成的噪声。 导体温度 →自由电子热运动→ 噪声电流 →导体两端起伏电压 根据奈奎斯特定律, 电阻产生的起伏噪声电压均方值
un2 4kTRBn
k 为玻尔兹曼常数, k=1.38×10-23J/K； T 为电阻温度, 以绝对温度(K)计量, 对于室温17℃, T=T0=290K; R 为电阻的阻值; Bn为测试设备的通带。

高频部分：
（1）T/R 及保护器：发射机工作时，使接收机输入端 短路，并对大信号限幅保护。 （2）低噪声高放：放大微弱信号，提高灵敏度，降低
接收机噪声系数，热噪声增益。
自动频率控制（Automatic Frequency Control，AFC）： 保证本振频率与发射频率差频为中频，实现变频。
（3）混频器（Mixer），本振（Local Oscillator，LO），
Si为输入额定信号功率；So为输出额定信号功率；
Ni=kT0Bn 为输入额定噪声功率；No 为输出额定噪声功率。 Ga为接收机额定功率增益，则So =Ga Si， F
No N iGa
， No
Ni Ga F
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3.4 接收机的噪声系数和灵敏度
=？
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，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 No=NiGa+ΔN=kT0BnGa+ΔN
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3.1 雷达接收机的基本原理和组成
自动增益控制（AGC: Automatic Gain Control）
使放大电路的增益自动地随信号强度而调整的
自动控制方法。实现这种功能的电路简称AGC 环。 AGC环是闭环电子电路，是一个负反馈系统， 它可以分成增益受控放大电路和控制电压形成 电路两部分。
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3.2 雷达接收机的主要质量指标
1. 1 灵敏度
无信号，超检测门限：虚警概率 Pfa 不超检测门限：正确不发现概率 1-Pfa
发射脉冲
有信号，超门限：发现概率 Pd 不超门限：漏警概率 1-Pd 门限设置上存在矛盾
噪声
被噪声淹 没的信号
雷达终端显示器14
3.2 雷达接收机的主要质量指标
1.2 噪声系数 接收机输入端信噪比与输出端信噪比的比值（功率比） ≥1，因为接收机存在噪声
为中频, 再由多级中频放大器对中频脉冲信号进行放大和匹配滤
波, 以获得最大的输出信噪比, 最后经过检波器和视频放大后送 至终端处理设备。
更为通用的超外差式雷达接收机的组成方框图如图 3.1所示。
3.1 超 外 差 式 雷 达 接 收 机 原 理 方 框 图
STC
AGC
AFC
3.1 雷达接收机的基本原理和组成
No Ni Ga N N 噪声系数 F 1 Ni Ga Ni Ga kT0 BnGa
理想接收机 ΔN=0，F=1;
无源网络F=1/Ga
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3.4 接收机的噪声系数和灵敏度
2. 等效噪声温度 接收机输入的外部噪声的额定功率为 Ni = kT0Bn 如何将接收机内部噪声也表示成外部噪声的形式？
第3章雷达接收机
3.1 雷达接收机的基本原理和组成 3.2 雷达接收机的主要质量指标 3.3 常规雷达接收机和现代雷达接收机（略） 3.4 接收机的噪声系数和灵敏度
3.5 雷达接收机的高频部分（略）
3.6 接收机的动态范围和增益控制 3.7 本机振荡器和自动频率控制 3.8 匹配滤波器和接收机带宽
3.1 雷达接收机的基本原理和组成
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 放大器 至终端设备
高 频 部 分 高频部分
本振
中频部分
视频部分
超外差式雷达接收机简化方框图
3.1 雷达接收机的基本原理和组成
接收机工作过程： 从天线接收的高频回波通过收发开关加至接收机保护器, 一 般是经过低噪声高频放大器后再送到混频器。在混频器中, 高频 回波脉冲信号与本机振荡器的等幅高频电压混频, 将信号频率降


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目标回波 雷达接收机 功能：对雷达天线接收的微弱信号进行预选、 放大、变频、滤波、解调和数字化处理，同时 抑制杂波、干扰及噪声。 任务：不失真的放大所需的微弱信号，抑制不 需要的其他信号（噪声、干扰、杂波等）。
有源干扰 无源干扰


基本要求：低噪声、大动态、高稳定性、 较强的抗干扰能力。 发展方向：微电子化、模块化、数字化。
接收机灵敏度和噪声系数的关系
Si min kT0 Bn FM
玻尔兹曼常数 1.38x10-23J/K 热力学温度 290K
识别系数 M=1
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3.2 雷达接收机的主要质量指标
2. 接收机的工作频带宽度
接收机的工作频带宽度表示接收机的瞬时工作频率范围。
B=f2 - f1
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。 80~120dB
2
3.1 雷达接收机的基本原理和组成
3.1.1 超外差式雷达接收机的组成 超外差式雷达接收机，把射频信号fs与本振信号fL相混，得 到中频信号fI。 混频器
fs
fI
3.1 雷达接收机的基本原理和组成
主要组成部分是: (1) 高频部分, 接收机“前端”, 包括收发转换开关、接收 机保护器、低噪声高频高增益放大器、混频器和本机振荡器; (2) 中频放大器, 位于中频的带宽B的匹配滤波器; (3) 检波器和视频放大器。
式中, RA为天线等效电阻，TA为天线噪声温度（K）。
3.4 接收机的噪声系数和灵敏度
2.1 额定信号功率
根据电路基础理论, 信号电动势为Es而内阻抗为Z=R+jX的信 号源, 当其负载阻抗与信号源内阻共轭匹配, 即其值为Z*=R-jX时,
信号源输出的信号功率最大 , 此时 , 输出的最大信号功率称为
ΔN1=(F1-1)kT0BnG1 No12= No1 G2=NiF1G1G2 ΔN2=(F2-1)kT0BnG2
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3.1 雷达接收机的基本原理和组成

中频部分
（1）匹配滤波：(So / No) max （2）自动增益控制（AGC: Automatic Gain Control ） （3）灵敏度时间控制（STC: Sensitivity Time Control ） STC和AGC是雷达接收机抗过载、扩展动态范围 和保持接收机增益稳定的重要措施。（3.6节）
灵敏度和噪声系数 工作频带宽度和滤波特性 动态范围和增益 频率源的频率稳定性和频谱纯度 幅度和相位的稳定性 正交鉴相器的正交度 A/D变换器的技术参数 抗干扰能力 频率源及发射激励性能 微电子话、模块化、系列化
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3.2 雷达接收机的主要质量指标
1. 灵敏度
最小可检测信号功率Si min
Si min
输出功率谱密度 怎么描述噪声的功率谱宽度？ 回忆：天线方向图的宽度，用什么进行描述的？ 3dB
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3.4 接收机的噪声系数和灵敏度
4. 噪声带宽
Pno ( f ) Pno (f0 )
方法1，用3dB带宽进行描述 0.5？0.707？
方法2，用等效带宽功率来描述
o
Bn
f

Bn

积分面积相等
0

pno ( f )df pno ( f 0 ) Bn
un2 No kTBn 4R
Z＝R＋ jX
结论 : 任何无源二端网络
输出的额定噪声功率只与 其温度T 和带宽Bn 有关。
N0
Z*＝R－ jX
～ u2n＝ 4 kTRBn
无源二端网络
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3.4 接收机的噪声系数和灵敏度
4. 噪声带宽
设接收系统的传递响应函数为h(t)，对应的频域响应H(f) 输入白噪声，功率谱密度N0/2
3.4 接收机的噪声系数和灵敏度
3.4.1 接收机的噪声
噪声的分类：
内部噪声 来源 谱性质 电阻热噪声 外部噪声 天线热噪声、各种干扰、 宇宙噪声（雷电） 高斯白噪声 功率谱密度函数p(f)= N0/2 噪声的描述： 噪声系数 和 噪声温度
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高斯色噪声 不包含所有的频谱分量
3.4 接收机的噪声系数和灵敏度
等效计算
将内部噪声的额定噪声功率ΔN等效成输入端的天线电阻在 温度Te时产生的热噪声, 即 ΔN=kTeBnGa 温度Te称为“等效噪声温度”或简称“噪声温度”
kTe BnGa Te F 1 1 kT0 BnGa T0
Te=(F-1)T0=(F-1)×290 (K)
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3.4 接收机的噪声系数和灵敏度
3.1 雷达接收机的基本原理和组成
• 视频部分
（1）检波：从已调信号中检出调制信号的过程 称为解调或检波。 用以完成这个任务的电路称为检波器。 分为：包络检波，相位检波， 同步（频）检波（正交两路）。 （2）放大：线性放大，对数放大，动态范围。
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3.2 雷达接收机的主要质量指标


pno ( f )df pno ( f )
图3.21 噪声带宽的示意图

0


0
| H ( f ) |2 df H 2 ( f0 )
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3.4 接收机的噪声系数和灵敏度
3.4.2 噪声系数和噪声温度
1. 噪声系数 接收机输入端信号噪声比与输出端信号噪声比的比值。
Si / N i F So / N o
Te 1449.3 1 5.9975 6 T0 290
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3.4 接收机的噪声系数和灵敏度
3.4.3 级联电路的噪声系数 （必考） 噪声系数F
Ni＝kT 0Bn F1，G1，Bn
额定功率增益G No1
F2，G2，Bn No＝No12＋N2
No1=NiG1+ ΔN1
两个单元电路级联
例题：已知接收机内噪声在输出端的额定功率为0.1W， 额定功率增益为1012，测试带宽为5MHz，求等效输入
噪声温度和接收机噪声系数。
解：等效噪声温度为 ΔN=kTeBnGa 已知Bn=5×106Hz，Ga=1012，ΔN=0.1W， k=1.38×10-23J/K 则Te=1449.3K 噪声系数为 F 1