第二软件无线电关键技术剖析课件.ppt

1、第2章 软件无线电关键技术2.1 2.1 射频射频/微波技术微波技术2.1.1 概述射频强调的是信号的辐射特性。射频主要用途是迅速、准确地传输信息，克服距离上 的障碍，是传输信息的载体。射频信号是模拟信号。微波是一种波长较短的电磁波，微波的波长在1mm1m 之间，其频率范围相当于300GHz300MHz。微波技术是近代发展起来的一门尖端科学技术，在雷达、通信、导航、遥感、电子对抗以及工农业和科学研究等方面，微波技术都得到了广泛的应用。2.1.2 2.1.2 微波微波“铁三角铁三角”1.1.微波微波“铁三角铁三角”的概念的概念 射频射频/微波电路是构成通信系统、雷达系统和其它微微波电路是构成通信

2、系统、雷达系统和其它微波应用系统中的发射机和接收机的关键部件。波应用系统中的发射机和接收机的关键部件。微波电路的核心问题是正确处理电路的阻抗、频率和微波电路的核心问题是正确处理电路的阻抗、频率和功率的关系功率的关系,射频射频/微波电路的根本是能量的传输或变换。微波电路的根本是能量的传输或变换。射频射频/微波电路可分为以下三大类。微波电路可分为以下三大类。（1 1）微波无源电路）微波无源电路 如金属谐振腔滤波器、介质腔体滤波器、微带滤波如金属谐振腔滤波器、介质腔体滤波器、微带滤波器、功率分配器、耦合器、程控衰减器等。器、功率分配器、耦合器、程控衰减器等。（2 2）微波有源电路）微波有源电路 如微

3、波放大器、微波振荡器、微波调制解调器、开关、如微波放大器、微波振荡器、微波调制解调器、开关、移相器、混频器、倍频器、频率合成器移相器、混频器、倍频器、频率合成器,功率放大器等。功率放大器等。（3 3）T/RT/R组件组件 由上述多种元器件构成的微波发射接收功能模块由上述多种元器件构成的微波发射接收功能模块,或或称为称为T/RT/R组件。组件。为了实现上述各个电路的功能为了实现上述各个电路的功能,需要解决的核心问题需要解决的核心问题是以下三大主要方面是以下三大主要方面:频率、阻抗和功率。只要合理地频率、阻抗和功率。只要合理地处理好三者的关系处理好三者的关系,就能实现预期的电路功能。就能实现预期的

4、电路功能。由于频率、阻抗和功率是贯穿射频由于频率、阻抗和功率是贯穿射频/微波工程的三大微波工程的三大核心指标核心指标,将其称为将其称为“射频铁三角射频铁三角”，形象地反映了射频，形象地反映了射频/微波工程的基本内容。微波工程的基本内容。这三方面既有独立特性这三方面既有独立特性,又相互影响。这就是射频又相互影响。这就是射频/微波工程的核心问题。微波工程的核心问题。（1 1）频率）频率 频率是射频频率是射频/微波工程中最基本的一个参数微波工程中最基本的一个参数,对应对应于无线系统所工作的频谱范围于无线系统所工作的频谱范围,也规定了所研究的微波也规定了所研究的微波电路的基本前提电路的基本前提,进而进

5、而,决定微波电路的结构形式和器件决定微波电路的结构形式和器件材料。材料。直接影响频率的射频直接影响频率的射频/微波电路有微波电路有:1)1)信号产生器信号产生器 用来产生特定频率的信号用来产生特定频率的信号,如点频振荡器、机械调如点频振荡器、机械调谐振荡器、压控振荡器、频率合成器等。谐振荡器、压控振荡器、频率合成器等。2)2)频率变换器频率变换器 将一个或两个频率的信号变为另一个所希望的频率将一个或两个频率的信号变为另一个所希望的频率信号信号,如分频器、变频器、倍频器、混频器等。如分频器、变频器、倍频器、混频器等。3)3)频率选择电路频率选择电路 在复杂的频谱环境中在复杂的频谱环境中,选择所关

6、心的频谱范围。经典选择所关心的频谱范围。经典的频率选择电路是滤波器的频率选择电路是滤波器,如低通滤波器、带通滤波器、如低通滤波器、带通滤波器、高通滤波器和带阻滤波器等。高通滤波器和带阻滤波器等。近年发展起来的高速电子开关由于体积小近年发展起来的高速电子开关由于体积小,在许多在许多方面取代了滤波器实现频率选择。方面取代了滤波器实现频率选择。在射频在射频/微波工程中微波工程中,这些电路可以独立工作这些电路可以独立工作,也可以也可以相互组合相互组合,还可以与其它电路组合还可以与其它电路组合,构成射频构成射频/微波电路微波电路子系统。子系统。这些电路的测量仪器有频谱分析仪、频率计数器、这些电路的测量仪

7、器有频谱分析仪、频率计数器、功率计、网络分析仪等。功率计、网络分析仪等。（2 2）功率）功率 功率用来描述射频功率用来描述射频/微波信号的能量大小微波信号的能量大小,所有电路所有电路或系统的设计目标都是实现射频或系统的设计目标都是实现射频/微波能量的最佳传递。微波能量的最佳传递。对射频对射频/微波信号功率影响的主要电路有微波信号功率影响的主要电路有:1)1)衰减器衰减器 控制射频控制射频/微波信号功率的大小。通常是由有耗材料微波信号功率的大小。通常是由有耗材料(电阻性材料电阻性材料)构成。有固定衰减量和可调衰减量之分。构成。有固定衰减量和可调衰减量之分。2)2)功分器功分器 将一路射频将一路射

8、频/微波信号分成若干路的组件微波信号分成若干路的组件,可以是等分可以是等分的的,也可是比例分配的也可是比例分配的,希望分配后信号的损失尽可能地希望分配后信号的损失尽可能地小。功分器也可用作功率合成器小。功分器也可用作功率合成器,在各个支路口接同频在各个支路口接同频同相等幅信号同相等幅信号,在主路叠加输出。在主路叠加输出。3)耦合器 定向耦合器是一种特殊的分配器。通常是耦合一小部分功率到支路,用以检测主路信号工作状态是否正常。分支线耦合器和环形桥耦合器实现不同相位的功率分配合成,配合微波二极管,完成多种功能微波电路,如:混频、变频、移相等。4)放大器 提高射频/微波信号功率的电路。在射频/微波工

9、程中地位极为重要。用于接收机中的小信号放大器,低噪声高增益贯串设计任务的始终；用于发射机中的功率放大器,为了满足要求的输出功率,不惜器件和电源成本；用于测试仪器中的放大器,完善和丰富了仪器的功能。（3 3）阻抗）阻抗 阻抗是在特定频率下阻抗是在特定频率下,描述各种射频描述各种射频/微波电路对微波电路对微波信号能量传输影响的一个参数。微波信号能量传输影响的一个参数。构成电路的材料和结构对工作频率的响应决定了构成电路的材料和结构对工作频率的响应决定了电路阻抗参数大小。工程实际中电路阻抗参数大小。工程实际中,努力的方向是设法改进努力的方向是设法改进阻抗特性阻抗特性,实现能量的最大传输。实现能量的最大

10、传输。所涉及的射频所涉及的射频/微波电路有微波电路有:1 1）阻抗变换器）阻抗变换器 增加合适的元件或结构增加合适的元件或结构,实现一个阻抗向另一个阻抗实现一个阻抗向另一个阻抗的过渡。的过渡。2 2）阻抗匹配器）阻抗匹配器 是一种特定的阻抗变换器是一种特定的阻抗变换器,实现两个阻抗之间的匹配。实现两个阻抗之间的匹配。3 3）天线）天线 是一种特定的阻抗匹配器是一种特定的阻抗匹配器,实现射频实现射频/微波信号在封闭微波信号在封闭传输线和空气媒体之间的匹配传送。传输线和空气媒体之间的匹配传送。可以看出可以看出:射频铁三角渗透到射频射频铁三角渗透到射频/微波工程各个角落。微波工程各个角落。射频射频/

11、微波工程核心问题就是建立稳定可靠的铁三角。微波工程核心问题就是建立稳定可靠的铁三角。无论电磁场理论的方法还是等效网络的方法都可归结无论电磁场理论的方法还是等效网络的方法都可归结为折中处理频率、阻抗、和功率的关系。为折中处理频率、阻抗、和功率的关系。2.2.微波的特点微波的特点（1 1）似光性（波长短）似光性（波长短）微波波长较短时微波波长较短时 当微波的波长比地球上的宏观物体当微波的波长比地球上的宏观物体(如飞机、舰船、如飞机、舰船、导弹、卫星、建筑物等导弹、卫星、建筑物等)的几何尺寸小得多时，微波照射的几何尺寸小得多时，微波照射到这些物体上将产生强烈的反射。到这些物体上将产生强烈的反射。此直

12、线传播的特点与几何光学相似，故可以说微波此直线传播的特点与几何光学相似，故可以说微波具有具有“似光性似光性”。利用这一特殊，可以制成体积小、。利用这一特殊，可以制成体积小、方向性很强的微波天线，用来发射或接收微弱的微波方向性很强的微波天线，用来发射或接收微弱的微波信号，从而为雷达、微波中继通信、卫星通信和导弹等信号，从而为雷达、微波中继通信、卫星通信和导弹等提供必要条件。提供必要条件。微波最早的应用实例微波最早的应用实例雷达。雷达。微波波长较长时微波波长较长时 当微波的波长与实验设备（比如波导、微带、当微波的波长与实验设备（比如波导、微带、谐振腔呈其它微波元件）的尺寸相比在同数量级时，谐振腔呈

13、其它微波元件）的尺寸相比在同数量级时，使得电磁能量分布于整个微波电路之中，形成所谓使得电磁能量分布于整个微波电路之中，形成所谓“分布参数分布参数”系统。系统。这与低频电路有原则区别，因为低频时电场和这与低频电路有原则区别，因为低频时电场和磁场能量是分别集中于所谓磁场能量是分别集中于所谓“集总参数集总参数”的各个元件中。的各个元件中。（2 2）具有穿透性）具有穿透性 利用本身的高频振荡，微波可以穿透电离层。利用本身的高频振荡，微波可以穿透电离层。由于微波不能被电离层所反射，所以微波的地面由于微波不能被电离层所反射，所以微波的地面通信只限于天线的视距范围之内，远距离微波通信需通信只限于天线的视距范

14、围之内，远距离微波通信需要用中继站接力。要用中继站接力。另一方面，微波能穿透电离层，可以用来进行宇另一方面，微波能穿透电离层，可以用来进行宇航通信、卫星通信和射电天文学研究等，因此微波开航通信、卫星通信和射电天文学研究等，因此微波开辟了电磁波谱中的一个的辟了电磁波谱中的一个的“宇宙窗口宇宙窗口”。微波还可以穿过生物体，即能够深入物质（介质）微波还可以穿过生物体，即能够深入物质（介质）内部，研究分子和原子核的结构，内部，研究分子和原子核的结构，是近代微波波谱学是近代微波波谱学和量子电子学所依据的基本物理基础。和量子电子学所依据的基本物理基础。宇宇宙宙窗窗口口 在微波波段有若干个可以通过电离层的在

15、微波波段有若干个可以通过电离层的“宇宙宇宙窗口窗口”，因而微波是独特的宇宙通讯手段。，因而微波是独特的宇宙通讯手段。（3 3）信息容量大（频率高）信息容量大（频率高）由于微波频率极高，它的实际可用频带很宽，可达由于微波频率极高，它的实际可用频带很宽，可达10109 9 HzHz数量级，这是低频无线电波无法比拟的。频带宽数量级，这是低频无线电波无法比拟的。频带宽意味着信息容量大，因而微波可作为多路通信的载频。意味着信息容量大，因而微波可作为多路通信的载频。另外，微波受外界干扰小，且不受电离层变化影响，另外，微波受外界干扰小，且不受电离层变化影响，通信质量高于低频无线电波通信质量高于低频无线电波。

16、（4 4）量子特性）量子特性 由于低频电波的频率很低，量子能量很小，不足以由于低频电波的频率很低，量子能量很小，不足以改变物质分子的内部结构或破坏分子间的键，量子特性改变物质分子的内部结构或破坏分子间的键，量子特性不明显。不明显。微波波段的电磁波，单个量子的能量为微波波段的电磁波，单个量子的能量为1010-6-6 1010-3-3eVeV。因此，微波可用来研究分子和原子的精细结构。同样，因此，微波可用来研究分子和原子的精细结构。同样，在超低温时物体吸收一个微波量子也可产生显著反应。在超低温时物体吸收一个微波量子也可产生显著反应。上述两点对近代尖端科学，如微波波谱学、量子无上述两点对近代尖端科学

17、，如微波波谱学、量子无线电物理的发展都起着重要作用。线电物理的发展都起着重要作用。利用此特性和原理，可研制适用于许多微波波段的利用此特性和原理，可研制适用于许多微波波段的器件器件。微波微波似光性似光性定位天线定位天线 频率高频率高 多路通信多路通信 穿透电离层穿透电离层 天文学研究天文学研究 量子特性量子特性 微波波谱学微波波谱学 微波的特点归纳起来主要为以下几方面：微波的特点归纳起来主要为以下几方面：2.1.3 2.1.3 射频前端（射频前端（RF Front-End RF Front-End）射频前端：靠近天线的部分，发射、接收和处理射频信号，包括发射通路和接收通路。射频前端部件包括：天线

18、无源器件 滤波器、功分器、定向耦合器、隔离器、衰减器、移相器、阻抗变换器、耦合器等。有源器件 LNA、PA、双工器、开关等。作为智能天线系统中的关键部件，射频前端在一定程度上决定了整个系统的通信质量。基本射频前端接收机电路基本射频前端接收机电路IFA解 调天 线IF混 频 器LO滤 波RFLNARF 包括接收天线、射频滤波器、小信号低噪声放包括接收天线、射频滤波器、小信号低噪声放大器、本振、混频器、中频滤波器、中频放大器等。大器、本振、混频器、中频滤波器、中频放大器等。基本射频前端发射机电路基本射频前端发射机电路放 大功 放天 线RF滤 波上 变 频LO滤 波本 振IF滤 波放 大待 发 射基

19、 带信 号 包括中频放大器、中频滤波器、上变频混频器、包括中频放大器、中频滤波器、上变频混频器、射频滤波器、射频驱动放大器、射频功率放大器、载射频滤波器、射频驱动放大器、射频功率放大器、载波振荡器、载波滤波器、发射天线等。波振荡器、载波滤波器、发射天线等。1.1.微波传输线微波传输线 传输线是用来将电磁能量和信息从一处传输到另一传输线是用来将电磁能量和信息从一处传输到另一处的装置，应用于微波波段的传输线称为微波传输线。处的装置，应用于微波波段的传输线称为微波传输线。传输线是指能够引导电磁波沿一定方向传输的导体、传输线是指能够引导电磁波沿一定方向传输的导体、介质或由它们构成的导波系统的总称，其所

20、引导的电磁介质或由它们构成的导波系统的总称，其所引导的电磁波称为导行波。波称为导行波。信号从发射机到天线或从天线到接收机的传送都是信号从发射机到天线或从天线到接收机的传送都是由传输线来完成。由传输线来完成。把导行波传播的方向称为纵向，垂直于导行波传播把导行波传播的方向称为纵向，垂直于导行波传播的方向称为横向。的方向称为横向。一般将截面尺寸、形状、媒介分布、材料及边界一般将截面尺寸、形状、媒介分布、材料及边界条件均不变的导波系统称为规则导波系统条件均不变的导波系统称为规则导波系统,又称为均又称为均匀传输线。匀传输线。传输线本身的不连续性可以构成各种形式的微波传输线本身的不连续性可以构成各种形式的

21、微波无源元器件，这些元器件和均匀传输线、有源元件及无源元器件，这些元器件和均匀传输线、有源元件及天线一起构成微波系统。天线一起构成微波系统。微波传输线的用途和种类微波传输线的用途和种类 在不同的工作条件下，对传输线的要求是不同的，在不同的工作条件下，对传输线的要求是不同的，因此须采用不同形式的传输线。在低频时，普通的双因此须采用不同形式的传输线。在低频时，普通的双导线就可完成传输作用，例如电力传输线。但是，随导线就可完成传输作用，例如电力传输线。但是，随着工作频率的升高，由于导线的趋肤效应和辐射效应着工作频率的升高，由于导线的趋肤效应和辐射效应的增大使它的正常工作被破坏。因此，在高频和微波的增

22、大使它的正常工作被破坏。因此，在高频和微波波段必须采用与低频情况下形式完全不同的传输线。波段必须采用与低频情况下形式完全不同的传输线。传输线不仅用于传送电能和电信号，还可以构传输线不仅用于传送电能和电信号，还可以构成电抗性的谐振元件。成电抗性的谐振元件。例如，长度小于例如，长度小于1/41/4波长的终端短路或开路的传输波长的终端短路或开路的传输线，其输入阻抗是感抗或容抗；长度可变的短路线可线，其输入阻抗是感抗或容抗；长度可变的短路线可用作调配元件（短截线匹配器）。用作调配元件（短截线匹配器）。又如长度为又如长度为1/41/4波长的短路线或开路线分别等效于波长的短路线或开路线分别等效于并联或串联

23、谐振电路，称为谐振线；其中并联或串联谐振电路，称为谐振线；其中1/41/4波长短波长短路线的输入阻抗为无穷大，可用作金属绝缘支撑等。路线的输入阻抗为无穷大，可用作金属绝缘支撑等。此外，还可利用分布参数传输线的延时特性制成此外，还可利用分布参数传输线的延时特性制成仿真线等电路元件。仿真线等电路元件。一般来讲，微波传输线从结构上大体可分为三类，一般来讲，微波传输线从结构上大体可分为三类，第一类是双导体结构的传输线，如平行双导线、同轴线、第一类是双导体结构的传输线，如平行双导线、同轴线、带状线等。由于它主要传播的是横电磁波（波），带状线等。由于它主要传播的是横电磁波（波），称为波传输线。称为波传输线

24、。第二类是均匀填充介质的波导管，如矩形波导、第二类是均匀填充介质的波导管，如矩形波导、圆波导等，这一类传输线不能传输波，而只能圆波导等，这一类传输线不能传输波，而只能传输色散的横磁波（波）或横电波（波），传输色散的横磁波（波）或横电波（波），称为色散波传输线。称为色散波传输线。第三类是介质传输线。这类传输线传输的是色散第三类是介质传输线。这类传输线传输的是色散的横电波（波）和横磁波（波）混合波，并且的横电波（波）和横磁波（波）混合波，并且电磁波主要是沿线的表面传播，称为表面波传输线。电磁波主要是沿线的表面传播，称为表面波传输线。微波传输线的种类与用途微波传输线的种类与用途 类类 型型工工 作作

25、 波波 型型名名 称称应应 用用 波波 段段TEM TEM 波波传输线传输线TEM 型波平行双线平行双线同轴线同轴线带状线、微带带状线、微带米波、分米波低频端分米波、厘米波分米波、厘米波金属波金属波导导TETE、TM TM 型波型波矩形波导、圆矩形波导、圆形波导、椭圆形波导、椭圆波导、脊波导波导、脊波导厘米波、毫厘米波、毫米波低频端米波低频端表面波表面波传输线传输线混合型混合型波波介质波导、介质介质波导、介质镜象线、单根表镜象线、单根表面波传输线面波传输线毫米波毫米波各种类型的传输线各种类型的传输线(a)(a)(b)(b)(c)(c)(d)(d)(e)(e)(f)(f)(a)(a)是平行双线，

26、是平行双线，(b)(b)是同轴线，这两种传输线都属于是同轴线，这两种传输线都属于横电磁波传输线；横电磁波传输线；(c)(c)是矩形波导，是矩形波导，(d)(d)是圆形波导，这两种传输是圆形波导，这两种传输线是非横电磁波传输线。线是非横电磁波传输线。图图(e)(e)中的微带线，是准横电磁波传输线；中的微带线，是准横电磁波传输线；图图(f)(f)中的光纤，是非横电磁波传输线。中的光纤，是非横电磁波传输线。多种多样的微波传输线是针对不同频段和提高传多种多样的微波传输线是针对不同频段和提高传输线的性能发展起来的，并投入具体的工程应用。输线的性能发展起来的，并投入具体的工程应用。平行双线：传输的是平行双

27、线：传输的是TEMTEM波，是使用最早最普遍的一种波，是使用最早最普遍的一种传输线；当频率提高到其对应的波长与双线的距离相传输线；当频率提高到其对应的波长与双线的距离相比拟时，其辐射损耗显著增加；而减小平行双线距离比拟时，其辐射损耗显著增加；而减小平行双线距离会减小击穿电压降低其功率。会减小击穿电压降低其功率。同轴线：采用封闭结构减少了平行双线可能出现的辐同轴线：采用封闭结构减少了平行双线可能出现的辐射损耗；但随着频率的提高，会出现射损耗；但随着频率的提高，会出现TETE和和TMTM波，为了波，为了抑制抑制TETE和和TMTM波，必须减小截面尺寸，会增加内导体的波，必须减小截面尺寸，会增加内导

28、体的损耗，降低传输功率。损耗，降低传输功率。金属波导：和同轴线比较，波导管除去内导体，不仅降金属波导：和同轴线比较，波导管除去内导体，不仅降低了内导体的损耗而且提高了传输线的功率容量；低了内导体的损耗而且提高了传输线的功率容量；其缺点是比较笨重、高频下批量成本高、其缺点是比较笨重、高频下批量成本高、频带较窄等。频带较窄等。随着航空、航天事业发展的需要随着航空、航天事业发展的需要,对微波设备提出对微波设备提出了体积要小、重量要轻、了体积要小、重量要轻、可靠性要高、性能要优越、可靠性要高、性能要优越、一致性要好、一致性要好、成本要低等要求成本要低等要求,这就促成了微波技术这就促成了微波技术与半导体

29、器件及集成电路的结合与半导体器件及集成电路的结合,产生了微波集成电路。产生了微波集成电路。对微波集成传输元件的基本要求之一就是它必须具对微波集成传输元件的基本要求之一就是它必须具有平面型结构有平面型结构,这样可以通过调整单一平面尺寸来控制这样可以通过调整单一平面尺寸来控制其传输特性其传输特性,从而实现微波电路的集成化。从而实现微波电路的集成化。传输线研究的问题和分析方法传输线研究的问题和分析方法 传输特性（模式、相速度、波长、波阻抗以及其传输特性（模式、相速度、波长、波阻抗以及其它相关的重要特性）、损耗特性、功率容量以及具体它相关的重要特性）、损耗特性、功率容量以及具体的工程用途等。的工程用途

30、等。采用电路方法研究传输线的共性问题，采用电路采用电路方法研究传输线的共性问题，采用电路和场分析结合的方法讨论每一种传输线的个性问题。和场分析结合的方法讨论每一种传输线的个性问题。一种工作频率一种工作频率 40.5GHz 到到 41.5GHz 的毫米波收发前端的毫米波收发前端2.2.软件雷达软件雷达 按照IEEE的标准定义，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它信息，以用于探测、定位，以及有时进行目标识别的电磁波系统。雷达根据反射波的延迟、多普勒频移等参数提取出目标的距离、方位、高度及速度等信息。由于微波具有频带宽、穿透电离层能较强、似光性等

31、优点，雷达就是利用了微波这些特性的典型代表。雷达的原理及其基本组成雷达的原理及其基本组成 由雷达发射机产生的电磁能由雷达发射机产生的电磁能,经收发开关后传输经收发开关后传输给天线给天线,再由天线将此电磁能定向辐射于大气中。电再由天线将此电磁能定向辐射于大气中。电磁能在大气中以光速磁能在大气中以光速(约约3 310108 8m/s)m/s)传播传播,如果目标恰如果目标恰好位于定向天线的波束内好位于定向天线的波束内,则它将要截取一部分电磁则它将要截取一部分电磁能。目标将被截取的电磁能向各方向散射能。目标将被截取的电磁能向各方向散射,其中部分其中部分散射的能量朝向雷达接收方向。雷达天线搜集到这部散射

32、的能量朝向雷达接收方向。雷达天线搜集到这部分散射的电磁波后分散射的电磁波后,就经传输线和收发开关馈给接收就经传输线和收发开关馈给接收机。接收机将这微弱信号放大并经信号处理后即可获机。接收机将这微弱信号放大并经信号处理后即可获取所需信息取所需信息,并将结果送至终端显示。并将结果送至终端显示。脉冲雷达基本组成框图脉冲雷达基本组成框图 调制器电源收发开关高频和混频激励器中放同步器信号处理高放激励和同步微波显示器底座和伺服发射机操作员天线接收机 雷达的工作频率雷达的工作频率 按照雷达的工作原理按照雷达的工作原理,不论发射波的频率如何不论发射波的频率如何,只只要是通过辐射电磁能量和利用从目标反射回来的回

33、波要是通过辐射电磁能量和利用从目标反射回来的回波,以便对目标探测和定位以便对目标探测和定位,都属于雷达系统工作的范畴。都属于雷达系统工作的范畴。常 用 的 雷 达 工 作 频 率 范 围 为常 用 的 雷 达 工 作 频 率 范 围 为 2 2 0 3 5 2 2 0 3 5 000MHz(220MHz35GHz),000MHz(220MHz35GHz),实际上各类雷达工作的频率实际上各类雷达工作的频率在两头都超出了上述范围。在两头都超出了上述范围。例如天波超视距例如天波超视距(OTH)(OTH)雷雷达的工作频率为达的工作频率为4MHz4MHz或或5MHz,5MHz,而地波超视距的工作频而地波

34、超视距的工作频率则低到率则低到2MHz2MHz。在频谱的另一端在频谱的另一端,毫米波雷达可以工毫米波雷达可以工作到作到94 GHz,94 GHz,激光激光(Laser)(Laser)雷达工作于更高的频率。工雷达工作于更高的频率。工作频率不同的雷达在工程实现时差别很大。作频率不同的雷达在工程实现时差别很大。雷达频率和电磁波频谱雷达频率和电磁波频谱 甚低频(超长波)低频(长波)中频(中波)高频(短波)甚高频(超短波)特高频(分米波)超高频(厘米波)极高频(毫米波)亚毫米波100 km10 km1 km100 m10 m1 m10 cm1 cm1 mm0.1 mm雷达频率广播段红外线音频视频微波段频

35、率3 kHz30 kHz300 kHz3 MHz30 MHz300 MHz3 GHz30 GHz300 GHz3000 GHz波长 雷达的工作频率和整个电磁波频谱如图所示雷达的工作频率和整个电磁波频谱如图所示,实实际上绝大部分雷达工作于际上绝大部分雷达工作于200 MHz200 MHz至至10 000MHz10 000MHz频段。频段。雷达频段和对应的频率雷达频段和对应的频率 收发共用一个发射机、接收机的简化相控阵雷达方框图 发射机相控阵天线接收机和信号处理机记录器显示器触发信号视频信号视频信号中心计算机控制波束计算机数据处理程序输入指示信号 雷达分类雷达分类按工作频段按工作频段 米波雷达、分

36、米波雷达、厘米波雷达以及毫米波米波雷达、分米波雷达、厘米波雷达以及毫米波雷达等。雷达等。按战术功能和用途按战术功能和用途预警雷达预警雷达(超远程雷达超远程雷达)它的主要任务是发现洲际导弹、它的主要任务是发现洲际导弹、战略轰炸机等战略轰炸机等,以便及早发出警报。它的特点是作用以便及早发出警报。它的特点是作用距离远达数千公里距离远达数千公里,至于测定坐标的精确度和分辨力至于测定坐标的精确度和分辨力是次要的。是次要的。搜索和警戒雷达搜索和警戒雷达 其任务是发现飞机其任务是发现飞机,一般作用距离一般作用距离在在400 km400 km以上以上,有的可达有的可达600 km600 km。引导指挥雷达(监

37、视雷达)这种雷达用于对歼击机的引导和指挥作战,民用的机场调度雷达亦属这一类。火控雷达 其任务是控制火炮(或地空导弹)对空中目标进行瞄准攻击。制导雷达 控制导弹去攻击目标。战场监视雷达战场监视雷达机载雷达机载雷达 机载截击雷达、机载护尾雷达、机载导航雷达、机载截击雷达、机载护尾雷达、机载导航雷达、机载火控雷达机载火控雷达无线电测高仪无线电测高仪雷达引信（无线电引信）气象雷达气象雷达航行管制航行管制(空中交通空中交通)雷达雷达宇宙航行中用雷达宇宙航行中用雷达遥感设备遥感设备 此外，在飞机导航此外，在飞机导航,航道探测航道探测(用以保证航行安用以保证航行安全全),),公路上车速测量等方面公路上车速测

38、量等方面,雷达也在发挥其积极作雷达也在发挥其积极作用。用。按工作体制按工作体制 连续波雷达、脉冲多普勒雷达、脉冲压缩雷达、编码连续波雷达、脉冲多普勒雷达、脉冲压缩雷达、编码脉冲雷达、动目标显示雷达、捷变频雷达、相控阵雷达脉冲雷达、动目标显示雷达、捷变频雷达、相控阵雷达以及合成孔径雷达等。以及合成孔径雷达等。不同用途、不同功能的雷达对信号参数（载频、不同用途、不同功能的雷达对信号参数（载频、脉宽、内调制等）要求不同。脉宽、内调制等）要求不同。由于不同用途的雷达其信号参数完全不同，导致由于不同用途的雷达其信号参数完全不同，导致功能单一、体制单一，无法适应在不同的环境下对不同功能单一、体制单一，无法

39、适应在不同的环境下对不同属性的目标进行智能化跟踪、探测的需要。对于目前属性的目标进行智能化跟踪、探测的需要。对于目前这种雷达参数相对固定不变的技术体制已经很难适应这种雷达参数相对固定不变的技术体制已经很难适应越来越复杂的作战环境，雷达的生存能力也面临挑战。越来越复杂的作战环境，雷达的生存能力也面临挑战。“软件雷达软件雷达”是以软件无线电为基础提出的现代雷达是以软件无线电为基础提出的现代雷达设计新思想、新概念。它采用软件无线电的设计理念，设计新思想、新概念。它采用软件无线电的设计理念，雷达信号波形和参数可以通过软件加载，根据不同的雷达信号波形和参数可以通过软件加载，根据不同的作战环境需求而适时地

40、改变，甚至进行作战环境需求而适时地改变，甚至进行“捷变参捷变参”工作，工作，即雷达参数（载频、脉宽、重复频率、脉内调制方式、即雷达参数（载频、脉宽、重复频率、脉内调制方式、调制参数等）可以快速捷变，以有效应对电子战的威胁。调制参数等）可以快速捷变，以有效应对电子战的威胁。“软件雷达软件雷达”的主要特点是雷达波形的软件化、可的主要特点是雷达波形的软件化、可编程、可升级。编程、可升级。软件雷达的信号波形和雷达处理算法不是固化的，软件雷达的信号波形和雷达处理算法不是固化的，它可以随着雷达信号处理技术的发展，新的雷达体制它可以随着雷达信号处理技术的发展，新的雷达体制波形和处理算法可以重新通过加载新的算

41、法软件来对波形和处理算法可以重新通过加载新的算法软件来对雷达进行升级改造雷达进行升级改造 ，适应不断变化的军事需求。，适应不断变化的军事需求。DAC 雷达 波形 产生 器 DSP +软件 数字 上变 频 滤波 HPA 模拟 上变 频 软件雷达发射机软件雷达发射机 )(2cos()()(0ttftats雷达信号：雷达信号：根据所需发射的雷达信号波形，求出根据所需发射的雷达信号波形，求出 和和 后，后，雷达波形产生器输出的正交数据为：雷达波形产生器输出的正交数据为：)(ta)(t)(sin)()()(cos)()(ntanQntanI)(nI)(nQ 经过正交数字上变频和经过正交数字上变频和D/A

42、D/A变换即可得到一个中频变换即可得到一个中频信号，然后通过模拟上变频，将其搬移到所需的雷达信号，然后通过模拟上变频，将其搬移到所需的雷达信号载频上，再经高功率放大后，通过雷达无线发射机信号载频上，再经高功率放大后，通过雷达无线发射机可以在任一载频上产生任何体制（波形）的雷达信号，可以在任一载频上产生任何体制（波形）的雷达信号，前者主要取决于模拟上变频器、功放和天线的工作带宽，前者主要取决于模拟上变频器、功放和天线的工作带宽，而后者则主要取决于软件。而后者则主要取决于软件。目前要实现全频段（从短波到毫米波）的软件化雷达目前要实现全频段（从短波到毫米波）的软件化雷达发射机还存在相当大的难度，尤其

43、是宽带功放和天线是发射机还存在相当大的难度，尤其是宽带功放和天线是其最主要的技术瓶颈。如果不考虑功放和天线，则实现其最主要的技术瓶颈。如果不考虑功放和天线，则实现一种多频段、多体制、多功能的软件化雷达发射机是一种多频段、多体制、多功能的软件化雷达发射机是完全可行的。完全可行的。ADC 雷达 信号 处理 器 DSP +软件 数字 下变 频宽带接收前端 软件雷达接收机软件雷达接收机 通过目标反射的雷达信号由天线接收后，送到接收通过目标反射的雷达信号由天线接收后，送到接收前端把射频信号变换为宽带中频信号，并进行放大后前端把射频信号变换为宽带中频信号，并进行放大后再送到高速再送到高速ADCADC变换为

44、数字信号，然后由数字下变频变换为数字信号，然后由数字下变频变换为正交的基带信号变换为正交的基带信号 ，雷达信号处理器，雷达信号处理器对正交数据对正交数据 进行诸如检波（求模）、进行诸如检波（求模）、FFTFFT等运算，并与发射信号作相关处理，即可计算得到到达等运算，并与发射信号作相关处理，即可计算得到到达时间、多普勒频移以及反射信号电平等参数，进而实现时间、多普勒频移以及反射信号电平等参数，进而实现对目标的探测和定位。对目标的探测和定位。)(nI)(nQ)(、Q)(nnI)(、Q)(nnI 需要注意的是，为了能从反射的雷达信号中获取与目标特性相关的信号到达时间、多普勒频移等信息，雷达发射机和雷

45、达接收机的所有时钟，包括本振以及ADC、DAC时钟等都必须严格同步（因为1s 的同步误差将导致150m的测距误差）。为了解决软件同步处理的困难，可以采取硬件相关处理的办法来解决。DAC 雷达雷达 波形波形 产生产生 器器 DSP DSP +软件软件 数字 上变 频滤波 HPA模拟上变频 软件雷达系统的组成软件雷达系统的组成 )(nI)(nQ分路 ADC 雷达雷达 信号信号 相关相关 处理处理 器器 数字 下变 频宽带接收前端)(nI)(nQ共用本振源T/R ADC 数字 下变 频)(nQ)(nIsf 由图可见，把雷达发射机输出的中频信号分成两路，由图可见，把雷达发射机输出的中频信号分成两路，其

46、中的一路与雷达接收机前端输出的中频信号一起其中的一路与雷达接收机前端输出的中频信号一起同时送到两个同步同时送到两个同步A/DA/D变换器进行模数变换，并分别变换器进行模数变换，并分别经各自的数字下变频器变换为正交基带信号经各自的数字下变频器变换为正交基带信号 和和 ，这两路正交数据再送到雷达信号相关，这两路正交数据再送到雷达信号相关处理器进行相关运算，就可提取到达时间、多普勒频移处理器进行相关运算，就可提取到达时间、多普勒频移等有用信息。这种相关处理方法虽然增加了硬件的复杂等有用信息。这种相关处理方法虽然增加了硬件的复杂性，但降低了同步要求，尤其是避开了软件同步的困难，性，但降低了同步要求，尤

47、其是避开了软件同步的困难，是一种比较可行的软件雷达系统实现方案。是一种比较可行的软件雷达系统实现方案。)(、Q)(nnI)(、Q)(nnI2.2 2.2 智能天线技术智能天线技术一、概述一、概述 软件无线电系统中的天线应具有自适应的能力，软件无线电系统中的天线应具有自适应的能力，即能够根据所选择的不同频段或不同应用，自动调整即能够根据所选择的不同频段或不同应用，自动调整增益等参数，使系统完全适应不同的传输环境、要求。增益等参数，使系统完全适应不同的传输环境、要求。主要技术主要技术宽带宽带/多频段天线多频段天线 多频段和宽带天线的设计使天线能够在宽频段上多频段和宽带天线的设计使天线能够在宽频段上

48、工作，但多频段意味着能在几个分离的不同频段上工作，工作，但多频段意味着能在几个分离的不同频段上工作，在所设计的天线最高和最低频率之间常常无相邻覆盖，在所设计的天线最高和最低频率之间常常无相邻覆盖，而宽带则意着天线设计的最高和最低频段之间有相邻而宽带则意着天线设计的最高和最低频段之间有相邻覆盖。覆盖。在实际应用中，要做到各个通信系统的互联互通，在实际应用中，要做到各个通信系统的互联互通，显然要求射频天线具有良好的多频段性能和可程控的显然要求射频天线具有良好的多频段性能和可程控的多频段、多功率射频转换能力。多频段、多功率射频转换能力。宽带天线设计的难点是同时满足小型化、宽带、宽带天线设计的难点是同

49、时满足小型化、宽带、优良的时域特性以及系统性能优良等特点。优良的时域特性以及系统性能优良等特点。智能天线智能天线 智能天线是一种具有测向和波束形成能力的天线智能天线是一种具有测向和波束形成能力的天线阵列。它利用数字信号处理技术，产生空间定向波束，阵列。它利用数字信号处理技术，产生空间定向波束，使天线主波束对准期望用户信号到达方向，旁瓣或零陷使天线主波束对准期望用户信号到达方向，旁瓣或零陷对准干扰信号到达方向，达到充分、高效利用期望用户对准干扰信号到达方向，达到充分、高效利用期望用户信号并删除或抑制干扰信号的目的。信号并删除或抑制干扰信号的目的。二、智能天线的概念和原理二、智能天线的概念和原理

50、智能天线是利用多个天线阵元的组合进行信号处理，自动调整发射和(或)接收方向图，以针对不同的信号环境达到最优性能。智能天线以多个高增益窄带波束动态地跟踪多个期望用户；接收模式下，来自窄带波束以外地信号被抑制；发射模式下，能使期望用户接收的信号功率最大，同时使窄带波束照射范围以外的非期望用户受到的干扰最小。TalkTalk干扰干扰自适应阵列基站自适应阵列基站普通基站普通基站智能天线的作用 使用智能天线：能量仅指向小区内处于激活状态的移动终端正在通信的移动终端在整个小区内处于受跟踪状态 不使用智能天线：能量分布于整个小区内所有小区内的移动终端均相互干扰，此干扰是CDMA容量限制的主要原因普通天线智能