第5讲 雷达技术与系统-雷达接收机

在定时脉冲信号的 激励下，产生脉宽 为τ的射频脉冲信 号
产生大功率 射频信号
2.1.3 雷达发射机基本形式 2.主振放大式发射机 主振放大式发射机由主控振荡器、功率放大器、脉冲调制器等构成，
特点由多级组成。从各级功能来看，第一级用来产生射频信号，称为主控振
荡器；第二级用来放大射频信号，称为射频放大链。
2.1.4 固态雷达发射机
1 1 2 A
输入
1: n1
2
n1:1
1: n2
3 P＝n2A
n1
空间合成的输出结构, 主要用于相控阵雷Байду номын сангаас。由于没有微波功率合成 网络的插入损耗, 因此输出功率的效率很高。
…
n2
(a) 空间合成方式
…
2.1.4 固态雷达发射机
1 1 2 A
输入
1: n1
2
n1:1
1: n2
任务：不失真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）。从噪声中提取目标回波信息。
基本要求：低噪声、大动态、高稳定、较强的抗干扰能力。
2.2.1 雷达接收机基本组成和工作原理
现代雷达接收机一般采用超外差结构，因为这种结构具有灵敏度高、增
益高、选择性好和适用性广等优点。 超外差式雷达接收机的简化方框图如下图所示。 它的主要组成部分是: (1) 高频部分, 又称为接收机“前端”, 包括接收机保护器、低噪声高频放 大器、混频器和本机振荡器; (2) 中频放大器, 包括匹配滤波器; (3) 检波器和视频放大器。
回波信号 幅度 载频 回波的多 普勒频移 回波 相位
（1）接收机保护器（射频增益控制）：发射机工作时，使接收机输入端短 路，并对大信号限幅保护。
2.2.1 雷达接收机基本组成和工作原理 （2）低噪声高频放大器（射频放大器、射频滤波器）：回波信号首先要经 过射频低噪声放大器进行放大，射频滤波器是为了抑制进入接收机的外部干扰。 （3）混频器：混频器的作用是将雷达的射频回波信号变换成中频信号SIF（t）。
如果信号功率低于此值, 信号将被淹没在噪声干扰之中, 不能被可靠地检测出来。 由于雷达接收机的灵敏度受噪声电平的限制, 因此要想提高它的灵敏度, 就必须 尽力减小噪声电平, 同时还应使接收机有足够的增益。 目前, 超外差式雷达接收机的灵敏度一般约为(10-12~10-14)W, 保证这个灵敏 度所需增益约为106~108(120 dB~160 dB), 这一增益主要由中频放大器来完成。
SIF (t ) AIF (t ) cos[2（f IF f d）t r (t )]
中频信号 幅度
中频
回波的多 普勒频移
回波 相位
自动频率控制、稳定本机振荡器（本振）：保证本振频率与发射频率差频为中
频，实现变频。
2.2.1 雷达接收机基本组成和工作原理 （4）灵敏度时间控制（STC）和自动增益控制（AGC）：是雷达接收机抗 饱和、扩展动态范围及保持接收机增益稳定的主要措施。 灵敏度时间增益控制(STC)是接收机的增益在发射机发射之后, 按R-4规律 随时间而增加, 以避免近距离的强回波使接收机过载饱和。灵敏度时间控制又 称为近程增益控制, 可以加到高频放大器和前臵中频放大器中。 自动增益控制(AGC)是一种反馈技术, 用来自动调整接收机的增益, 以便在
雷达系统跟踪环路中保持适当的增益范围。
2.2.1 雷达接收机基本组成和工作原理
对于非相参雷达接收机, 通常需要采用自动频率微调(AFC)电路, 把本机振
荡器调谐到比发射频率高或低一个中频的频率。 而在相干接收机中, 稳定本 机振荡器(STALO)的输出是由用来产生发射信号的相干源(频率合成器)提供的。 输入的高频信号与稳定本机振荡信号或本机振荡器输出相混频, 将信号频 率降为中频。 信号经过多级中频放大和匹配滤波后, 可以对其采用几种处理 方法。 对于非相干检测, 通常采用线性放大器和包络检波器来为检测电路和 显示设备提供信息。 当要求宽的瞬时动态范围时, 可以采用对数放大器—检波
复杂波形发射机 波 形 产生器 主振放大 式发射机 收发 开关 天线 控制与 定时器 稳 频 振荡器
信 号 处理器 输出
接收机
能产生复杂波形的主振放大式发射机
2.1.4 固态雷达发射机 雷达发射机采用的器件主要有两类：电真空器件和半导体器件。 “固态”是相对于常规的电真空器件（电子管）而言，指半导体 材料（晶体管），例如“硅”、砷化镓场效应管等。“固态发射机” 是由几十个甚至几千个固态发射机模块组成的雷达发射机，“固态
3
n2:1 P＝n2A—损耗
n1
集中合成的输出结构可以单独作为中、小功率雷达发射机辐射源，也可以用
于相控阵雷达。由于有微波功率合成网络的插入损耗，它的效率比空间合成输出
结构要低些。
…
n2
(b ) 集中合成方式
…
2.2 雷达接收机
雷达接受机
功能：对雷达天线接收到的微弱信号进行放大、变频、滤波及数
字化处理。
至天线
主振放大式发射机简化示意图
2.1.3 雷达发射机基本形式 主振放大式发射机原理框图
功放推动级；在 脉冲有效期处于 放大状态，脉冲 结束后关断。
末级功放；产 生大功率的脉 冲射频信号
主振荡器，在 脉冲调制下形 成脉冲
提供不同时间、 不同宽度的控 制脉冲信号
2.1.3 雷达发射机基本形式 主振放大式发射机的特点 （1）具有很高的频率稳定度 在雷达整机要求有很高的频率稳定度的情况下, 必须采用主振放大式发射机。 因为在单级振荡式发射机中, 信号的载频直接由大功率振荡器决定。由于振荡 管的预热漂移、温度漂移、负载变化引起的频率拖曳效应、电子频移、调谐游 移以及校准误差等原因, 单级振荡式发射机难于达到高的频率精度和稳定度。 在主振放大式发射机中载频的精度和稳定度在低电平级较易采取稳频措施, 所以能够得到很高的频率稳定度。
持相位相参性, 通常把这种系统称为全相参系统。
2.1.3 雷达发射机基本形式
触发脉冲 fr＝F/ n
分频器 ÷n F 基准频率 振 荡 器 F 倍频器 ×M MF 上变频 混频器 相参振荡电压 F 谐 波 产生器 N1F N2F N3F 控 制 器 NiF fC＝MF 调制器 多 级 放大链 发射信号至天线 f0＝ (Ni＋M)F
2.2.1 雷达接收机基本组成和工作原理
典型非相参脉冲雷达的超外差式接收机简化方框图
2.2.1 雷达接收机基本组成和工作原理
2.2.1 雷达接收机基本组成和工作原理 雷达接收机的基本组成可以分为三部分：接收机前段、中频接收机和频率源。 接收机的基本工作原理如下图所示。 首先，发射机发出射频信号，用St（t）表示
2.1.3 雷达发射机基本形式
（2）发射相位相参信号
在主振放大式发射机中, 主控振荡器提供的是连续波信号, 射频脉冲的形成
是通过脉冲调制器控制射频功率放大器形成的。 因此， 相继射频脉冲之间就具
有固定的相位关系。只要主控振荡器有良好的频率稳定度, 射频放大器有足够的 相位稳定度, 发射信号就可以具有良好的相位相参性。为此, 常把主振放大式发 射机称为相参发射机。还需指出, 如果雷达系统的发射信号、本振电压、相参振 荡电压和定时器的触发脉冲均由同一基准信号提供, 那么所有这些信号之间均保
第5讲
雷达接收机
2.1.3 雷达发射机基本形式 雷达发射机一般分为单级振荡式（自激励振荡式）发射机和主振放大 式发射机（放大链发射机）两大类。
1.单级振荡式发射机
单级振荡式发射机又分为两种：一种是初期雷达使用的三极管、四机 关振荡式发射机;另一种是磁控管振荡式发射机。
2.1.3 雷达发射机基本形式 单级振荡式发射机原理框图
发射模块”指多个微波功率器件和微波单片集成电路集成到一起构
成一个基本的功能模块。
2.1.4 固态雷达发射机 1.固态发射机特点
与微波电子管发射机相比, 固态发射机具有如下优点:
(1)不需要阴极加热、 寿命长。 (2) 具有很高的可靠性。 (3) 体积小、重量轻。 (4) 工作频带宽、效率高。
(5) 系统设计和运用灵活。
需要指出, 接收机的工作频带较宽时, 必须选择较高的中频, 以减少混频器输
出的寄生响应对接收机性能的影响。
2.2.2 雷达接收机的主要技术参数 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
(6) 维护方便, 成本较低。
2.1.4 固态雷达发射机 2.固态发射机输出功率组合方式 应用先进的集成电路工艺和微波网络技术，将多个大功率晶体 管的输出功率并行组合，可以制成固态高功率放大器模块。固态发射 机包括两种典型的输出功率组合方式：一种是集中相加式高功率固态 发射机；另一种是分布式（空间合成）发射机。
器, 对数放大器能提供大于80 dB的有效动态范围。
2.2.1 雷达接收机基本组成和工作原理 对于相干处理, 中频放大和中频滤波之后有二种处理方法。第一种方法
是经过线性放大器（对数放大器）后进行同步检波, 同步检波器输出的同相(I)
和正交(Q)的基带多普勒信号提供了回波的振幅信息和相位信息。第二种方 法是经过硬限幅放大(幅度恒定)后进行相位检波, 此时正交相位检波器只能保 留回波信号的相位信息。
2.2.2 雷达接收机的主要技术参数 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。 在复杂的电 子对抗和干扰环境中, 要求雷达发射机和接收机具有较宽的工作带宽 , 例如 频率捷变雷达要求接收机的工作频带宽度为(10~20)%。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。
稳定本振电压 fL＝NiF
Nk F
采用频率合成技术的主振放大式发射机
…
2.1.3 雷达发射机基本形式
图中是采用频率合成技术的主振放大式发射机的原理
方框图, 图中基准频率振荡器输出的基准信号频率为F。在
这里 , 发射信号 ( 频率 f0=NiF+MF) 、稳定本振电压 ( 频率
fL=NiF) 、相参振荡电压 ( 频率 fc=MF) 和定时器的触发脉冲
2.1.3 雷达发射机基本形式 （4）能产生复杂波形
主振放大式发射机适用于要求复杂波形的雷达系统。单级振荡 式发射机要实现复杂调制比较困难，甚至不可能。对于主振放大式 发射机，各种复杂调制可在低电平的波形发生器中形成，而后接的 大功率放大器只要有足够的增益和带宽即可。
2.1.3 雷达发射机基本形式 （4）能产生复杂波形
2.1.3 雷达发射机基本形式
（2）发射相位相参信号
在要求发射相位相参信号的雷达系统(例如脉冲多普勒雷达等)中, 必须采用
主振放大式发射机。所谓相位相参性，是指两个信号的相位之间存在着确定的
关系。 对于单级振荡式发射机, 由于脉冲调制器直接控制振荡器的工作, 每个射 频脉冲的起始射频相位是由振荡器的噪声决定的, 因而相继脉冲的射频相位是随 机的, 或者说, 这种受脉冲调制的振荡器输出的射频信号相位是不相参的。 所以, 有时把单级振荡式发射机称为非相参发射机。
2.2.2 雷达接收机的主要技术参数 1. 灵敏度
灵敏度表示接收机接收微弱信号的能力。能接收的信号越微弱 , 则接收机
的灵敏度越高, 因而雷达的作用距离就越远。
雷达接收机的灵敏度通常用最小可检测信号功率Si min来表示。 当接收机的
输入信号功率达到Si
min时,
接收机就能正常接收而在输出端检测出这一信号。
(重复频率fr=F/n)均由基准信号F经过倍频、分频及频率合
成而产生, 它们之间有确定的相位相参性, 所以这是一个全
相参系统。
2.1.3 雷达发射机基本形式 （3）适用于频率捷变雷达
频率捷变雷达具有良好的抗干扰能力。这种雷达每个射 频脉冲的载频可以在一定的频带内快速跳变，为了保证接收 机能正确接收回波信号，要求接收机本振电压的频率fL能与 发射信号的载频f0同步跳变。
St (t ) At (t ) cos[2f ct t (t )]
发射的射频 信号幅度 载频 相位
2.2.1 雷达接收机基本组成和工作原理 经目标反射后，形成微弱的回波信号，经天线进入接收机，回波信号用SRF（t） 表示。
SRF (t ) ARF (t ) cos[2（f c f d）t r (t )]