1、第一章雷达原理2二、雷达的任务Radar-Radio detection and ranging（无线电探测和测距）雷达回波中的可用信息 斜距；空间角度定位（方位角、俯仰角）；径向速度；目标特征（大小、形状、表面粗糙度及介电特性）目标PHRBDaO正北雷达D=R cos，H=Rsin雷达原理3测距发射脉冲回波噪声trtrtt2rcRt11500.15smkm83 10/cm s 雷达原理4 测角 天线的方向性 方位角、俯仰角 天线波束轴对准目标时，目标回波信号最强 测速当目标和雷达站之间存在相对速度时，目标回波载频相对发射信号载频产生一个频移 多普勒频移目标O2rdvf雷达原理5 目标尺寸和形
2、状 雷达足够高的分辨力 目标尺寸测量 距离维已达到，切向距离维 用多普勒频率维达到 （SAR雷达成像）三、雷达方程设雷达发射机功率为Pt,当用各向均匀辐射的天线发射时,距雷达R远处任一点的功率密度等于功率被假想的球面积4R2所除考虑到天线增益G在辐射方向上功率增加的倍数，距雷达R处目标所照射到的功率密度为 1S214 RPSt214 RGPSt雷达原理6在雷达处的回波信号功率密度:雷达截面积为被目标截获入射功率后再次辐射回雷达处功率的大小。设雷达天线的有效接收面积为Ae,则雷达收到的回波功率Pr为接收到的回波功率Pr等于最小可检测信号Smin时,雷达达到其最大作用距离Rmax4/1min21m
3、ax)4(SGAPRe22212444RRGPRSSt422)4(RGAPSAPeter雷达原理71.2、雷达基本组成发射机 天线 目标 接收机 数据采集 信号处理 显示器（控制系统，通讯系统）目标发射机接收机显示器发射的电磁波接收的电磁波信号处理机天线收发转换开关噪声R雷达原理8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原理91.3 雷达的工作频率常用工作频率范围：220MHz35GHz（超视距雷达2MHz、毫米波雷达94GHz）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
4、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率3 kHz30 kHz300 kHz3 MHz30 MHz300 MHz3 GHz30 GHz300 GHz3000 GHz波长雷达原理10 米波段（HF,VHF,UHF）早期雷达频段，体系简单，辐射功率高，造价低，受气象影响小，应用于对空警戒雷达、电离层探测，超视距雷达等。缺点：目标角分力低，体积大 分米波段（L，S）具有较好的角度分辨力，外部噪声干扰小，天线设备适中，应用于对空监视雷达。雷达原理11 C波段介于厘米波和分米波段之间，
5、用于对目标的监视和跟踪，应用于舰载雷达，对气象因素有一定影响。厘米波段（X,Ku,K,Ka）用于火控系统，体积小，精度高，可得到足够的信号带宽。应用于机载火控雷达、机载气象雷达、机载多普勒导航雷达、地面炮瞄雷达等 缺点：功率小，测距近，气象因素影响大，外部噪声干扰大。毫米波段 天线尺寸小，目标定位精度高，分辨力高，信号频带宽、抗电磁波干扰性能好。缺点：比厘米波段辐射功率更小，外部噪声干扰影响大，受大气衰减影响显著。仅工作在受气象因素影响较小的区间 激光波段 具有良好的距离和角度分辨力，应用于测距和测绘系统中。波长短，应用于大气成分的探测。缺点：功率小，波束窄，探测周期长，不能在复杂气象条件下使
6、用。第二章雷达原理132.1 雷达发射机的任务和基本组成雷达发射机的任务和基本组成 定义：定义：雷达是利用物体反射电磁波的特性来发现目标并确定目标的距离、方位、高度和速度等参数的。发射机发射一种特定的大功率无线电信号，为雷达提供一个载波受到调制的大功率射频信号,经馈线和收发开关由天线辐射出去。特点：特点：体积大；重量重；成本高；消耗功率大为何发射机功率如此之大？雷达距离4次方与功率、天线孔径面积成正比。发展发展：雷达发射机伴随着二次世界大战初出现的第一批搜索雷达的应用而诞生。(真空三极管发射机，工作频率限于VHF和UHF)在随后的年代相继出现了速调管（美国人Varian兄弟发明），磁控管（英国
7、人Radall和Boot发明），行波管(Rudolph Kompfiner博士发明）等微波电子管，并付之实用。促使雷达发射机在微波频段获得大发展。近年来应用微波单片集成电路（MMIC）和优化设计的微波网络技术，将多个微波功率器件、低噪声接收器件等组合成固态发射模块，逐步代替微波电子管发射机。雷达原理14 微波三级管、微波四级管微波三级管、微波四级管 单级振荡式单级振荡式 脉冲调制脉冲调制 （组成简单、成本（组成简单、成本 磁控管振荡式（可工作在多个波段，磁控管振荡式（可工作在多个波段，结结雷达发射机雷达发射机 低，频稳低，非全低，频稳低，非全 构构 简单，成本较低）简单，成本较低）相参）相参）
8、主振放大式主振放大式 （频率稳定度高，发射全相参信号，可实现脉（频率稳定度高，发射全相参信号，可实现脉压）压）（成本高、组成复杂、效率较低）（成本高、组成复杂、效率较低）雷达原理15 一、单级振荡式发射机一、单级振荡式发射机优点：结构简单、成本低、效率高优点：结构简单、成本低、效率高缺点：频率稳定度差，难以产生复杂信号波形缺点：频率稳定度差，难以产生复杂信号波形 ，非全相参系统，非全相参系统（脉冲调制（脉冲调制器直接控制振荡器，每个射频脉冲的初始相位由振荡器的噪声决定）器直接控制振荡器，每个射频脉冲的初始相位由振荡器的噪声决定）脉冲调制器大功率射频振荡器电 源定时信号至天线TrTrTr雷达原理
9、16 二、主振放大式发射机二、主振放大式发射机 主控振荡器主控振荡器+射频放大链射频放大链中间射频功率放大器输出射频功率放大器脉冲调制器脉冲调制器射频放大链至天线前级放大器固态频率源高压电源高压电源电源fLfCLKfCOHO定时信号fr射频输入fRFfRF雷达原理17 固态频率源提供发射信号频率固态频率源提供发射信号频率fRF,本振信号频率本振信号频率 fL，中频相干振荡频率，中频相干振荡频率fCOHO，定时触发脉冲定时触发脉冲fr，时钟频率时钟频率fCLK，这些信号频率受高稳定的基准源控，这些信号频率受高稳定的基准源控制，他们之间有制，他们之间有确定的相位关系确定的相位关系，为全相参（全相干
10、）信号。，为全相参（全相干）信号。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个基准信号提供，则这些信号之间保持均由同一个基准信号提供，则这些信号之间保持相位相参性相位相参性，该系统称为，该系统称为全相参系统。全相参系统。优点：频率稳定度高，发射全相参信号，可实现复杂信号优点：频率稳定度高，发射全相参信号，可实现复杂信号缺点：成本高、组成复杂、效率较低缺点：成本高、组成复杂、效率较低 射频放大管的选择与多级射频放大链设计质量有关射频放大管的选择与多级射频放大链设计质量有关1GHz，直线电子注微波管（，直
11、线电子注微波管（O型管），正型管），正交场型微波管（交场型微波管（M型管）型管）雷达原理18 2.2 雷达发射机主要质量指标雷达发射机主要质量指标 根据：雷达用途根据：雷达用途+使用性能使用性能（1）工作频率）工作频率 选择选择f考虑：考虑：由雷达用途确定。有时还需在几个频率上跳变或同时工作来提由雷达用途确定。有时还需在几个频率上跳变或同时工作来提高系统工作性能和抗干扰能力；气候影响；雷达测试精度、分辨率；雷达高系统工作性能和抗干扰能力；气候影响；雷达测试精度、分辨率；雷达应用环境等等。应用环境等等。发射管种类的选择与发射管种类的选择与f有关有关 1GHz以下主要采用微波三极管、四级管（早期远
12、程警戒雷达以下主要采用微波三极管、四级管（早期远程警戒雷达VHF、UHF波段）波段）1GHz以上采用磁控管、大功率速调管、行波管及前向波管（以上采用磁控管、大功率速调管、行波管及前向波管（UHF、L、S、C、X）S波段大量采用全固态发射机，波段大量采用全固态发射机，C、X波段从真空管向全固态发射机发展。波段从真空管向全固态发射机发展。雷达原理19(2)输出功率输出功率通常规定发射机送至天线输入端的功率为发射机的输出功率。通常规定发射机送至天线输入端的功率为发射机的输出功率。有时为了测量有时为了测量方便方便,也可以规定在指定负载上也可以规定在指定负载上(馈线上一定的电压驻波比馈线上一定的电压驻波
13、比)的功率为发射机的功率为发射机的输出功率。的输出功率。单级振荡式发射机的输出功率决定于振荡管的功率容量；单级振荡式发射机的输出功率决定于振荡管的功率容量；主振放大式发射机则决定于输出机（末级）发射管的功率容量主振放大式发射机则决定于输出机（末级）发射管的功率容量脉冲雷达发射机脉冲雷达发射机峰值功率峰值功率Pt：脉冲期间射频振荡的平均功率（非射频正弦振荡的最大瞬时功率）：脉冲期间射频振荡的平均功率（非射频正弦振荡的最大瞬时功率）平均功率平均功率Pav：脉冲重复周期内的输出功率的平均值。：脉冲重复周期内的输出功率的平均值。雷达原理20脉冲宽度为脉冲宽度为 ，脉冲重复周期为，脉冲重复周期为Tr：峰
14、值功率峰值功率Pt：内信号射频振荡平均功率，内信号射频振荡平均功率，Pt和脉冲宽度一起决定了发射和脉冲宽度一起决定了发射脉冲的传送总能量。脉冲的传送总能量。平均功率平均功率Pav：在在Tr 内平均功率，是雷达可能探测距离的关键因素。内平均功率，是雷达可能探测距离的关键因素。rtrtavfPTPPrt式中的式中的f fr r=1/=1/T Tr r是脉冲重复频率。是脉冲重复频率。/T/Tr r=ffr r称作雷达的工作比称作雷达的工作比D D。雷达原理21（3）总效率总效率 发射机的总效率是指发射机的发射机的总效率是指发射机的输出功率输出功率与它的与它的输入总功率输入总功率之比。之比。因为发射机
15、通常在整机中是最耗电和最需要冷却的部分因为发射机通常在整机中是最耗电和最需要冷却的部分,有高的总效率有高的总效率,不仅不仅可以省电可以省电,而且对于减轻整机的体积重量也很有意义。对于主振放大式发而且对于减轻整机的体积重量也很有意义。对于主振放大式发射机射机,要提高总效率要提高总效率,特别要注意改善输出级的效率。特别要注意改善输出级的效率。雷达原理22（4）信号形式）信号形式(调制形式调制形式)雷达原理23 Trtt(a)Tr(b)0(c)tttt雷达原理24（5）信号稳定度或频谱纯度）信号稳定度或频谱纯度 信号的稳定度是指信号的各项参数信号的稳定度是指信号的各项参数,例如信号的振幅、例如信号的
16、振幅、频率频率(或相位或相位)、脉脉冲宽度及脉冲重复频率等是否随时间作不应有的变化。冲宽度及脉冲重复频率等是否随时间作不应有的变化。信号参数的不稳定：规律性、随机性信号参数的不稳定：规律性、随机性规律性：电源纹波、脉冲调制波形的顶部波形和外界有规律的机械振动等规律性：电源纹波、脉冲调制波形的顶部波形和外界有规律的机械振动等随机性：发射管的噪声、调制脉冲的随机起伏等随机性：发射管的噪声、调制脉冲的随机起伏等可在时域或者频域衡量信号不稳定，在时域用信号某项参数的方差表示，可在时域或者频域衡量信号不稳定，在时域用信号某项参数的方差表示，（如振幅方差，相位方差，脉冲宽度方差（如振幅方差，相位方差，脉冲
17、宽度方差）。信号稳定度在频域中的表示）。信号稳定度在频域中的表示称为称为频谱纯度，频谱纯度，指雷达信号在应有的信号频谱外的寄生输出。指雷达信号在应有的信号频谱外的寄生输出。雷达原理25 频谱纯度：雷达信号在应有的信号频谱之外的寄生输出。（离散型，分布型）频谱纯度：雷达信号在应有的信号频谱之外的寄生输出。（离散型，分布型）离散型：该离散分量的单边带离散型：该离散分量的单边带功率功率 与信号功率之比。（与信号功率之比。（dB）对应于规律性不稳定对应于规律性不稳定 分布型：以偏离载频若干分布型：以偏离载频若干Hz的傅的傅 里叶频率上每单位频带的里叶频率上每单位频带的单边单边 带带 功率与信号功率之比
18、（功率与信号功率之比（dB/Hz）对应于随机性不稳定对应于随机性不稳定 相对振幅Tr1fsinff01f0f01204060801000123信号的第一谱线离 散 型寄生输出分布型寄生输出fm/kHz/(dB/Hz)04雷达原理262.3 单级振荡和主振放大式发射机2.3.1 单级振荡式发射机特点：只有一级射频振荡器特点：只有一级射频振荡器优点：结构简单、成本低、效率高优点：结构简单、成本低、效率高缺点：频率稳定度差，难以产生复杂信号波形缺点：频率稳定度差，难以产生复杂信号波形 ，相位不相参，相位不相参预调器调制器振荡器发射机定时器显示器接收机天线开关天线控制系统电源、控制、保护电路(b)(c
19、)(a)(d)天线雷达原理272.3.2 主振放大式发射机主振放大式发射机1.具有很高的频率稳定度单级振荡式发射机中，信号载频直接由大功率振荡器决定。主振放大式发射机中，信号载频的精度和稳定度在低电平级决定，易采取稳频措施。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。2.发射相位相参信号 相位相参性：两个信号的相位之间存在确定的关系。单级振荡式发射机，脉冲调制器直接控制振荡器，每个脉冲的起始相位由振荡器的噪声决定，是随机的。主振放大式发射机，脉冲调制器控制射频放大器，射频脉冲间具有固定相位。（相参发射机）全相参系统：雷达系统的发射信号、本振信号、相参振荡信号和定时器触发
20、脉冲均由同一基准信号提供，所有信号之间均保有相位相参性。雷达原理28 3.适用于频率捷变雷达 基准频率振荡器输出的基准信号频率为F。发射信号（f0=NiF+MF）、稳定本振（fL=NiF）、相参振荡信号（fc=MF）、定时器触发脉冲（fr=F/n）均由基准信号F经倍频器、分频器及频率合成产生，信号间有确定的相位相参性，为全相参系统。分频器 n调制器多 级放大链基准频率振 荡 器倍频器 M上变频混频器谐 波产生器N1F控制器N2FN3FNkFNiF发射信号至天线f0(Ni M)F触发脉冲 fr F/nFFMFF相参振荡电压fC MF稳定本振电压fL NiF雷达原理29 本振电压频率与发射信号频率
21、同步跳变。发射信号频率f0可在N1F+MF、N2F+MF NKF+MF之间跳变本振频率fL相应在N1F、N2F NKF之间同步跳变。两者之间严格保存固定差频MF（接收机中频），保证回波正确接收。4、能产生复杂波形波 形产生器主振放大式发射机收发开关控制与定时器稳 频振荡器信 号处理器接收机复杂波形发射机输出天线雷达原理302.4 固态发射机发展概况和特点 2.4.1 发展概况固态发射机通常由几十个甚至几千个固态发射模块组成，应用先进的微波单片集成电路（MMIC）和优化设计的微波网络技术，可将多个微波功率器件、低噪声接收器等组合成固态发射模块或固态收发模块。与微波电子管发射机相比，优点：（1）不
22、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。(6)维护方便,成本较低。雷达原理312.4.2 固态高功率放大模块固态高功率放大模块 大功率微波晶体管大功率微波晶体管发展迅速,对固态发射模块的性能和应用起到重要的推动作用；S波段以下:通常采用硅双极晶体管；S波段以上:砷化镓场效应管(GaAs FET)。固态高功率放大器模块固态高功率放大器模块 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,输出功率并行组合的主要要求是高功率和高效率。主要有两种典型的输出功率组合方式：空间合成输出结构,主要用于
23、相控阵雷达；集中合成输出结构，可用于中小功率雷达或相控阵雷达。雷达原理32空间合成输出结构集中合成输出结构集中合成输出结构的固态高效模块(a)11:n12 n1n1:11:n2132 n2输入P n2AA11:n12 n1n1:11:n2132 n2输入n2:1P n2A损耗(b)A1:n11n1:12 n112 n21:n2n2:13C逻辑SW输入集电极电压输出(c)雷达原理332.4.3 微波单片集成（微波单片集成（MMIC）收发模块）收发模块 模块化设计方法,将固态收发模块中的有源器件(线性放大器、低噪声放大器、饱和放大器或有源开关等)和无源器件(电阻、电容、电感、二极管和传输线等)制作
24、在同一块砷化镓(GaAs)基片上,从而提高了固态收发模块的技术性能,使成品的一致性好,尺寸小,重量轻。收发模块主要由功率放大器、低噪声放大器、宽带放大器、移相器、衰减器、限幅收发开关和环行器等部件组成,具有高集成度、高可靠性和多功能特点。MMIC收发模块已经成为相控阵雷达的关键部件。从超高频波段至厘米波波段,都有可供实用的微波单片集成收发模块。雷达原理34MMIC收发模块的主要优点如下:(1)成本低(2)高可靠性（3）电路性能一致性好，成品率高，（4）尺寸小，重量轻2.4.4 固态发射机的应用固态发射机的应用 L-S波段应用更多，成本较低波段应用更多，成本较低适用于高工作比（大时宽信号）雷达或
25、者连续被雷达系统适用于高工作比（大时宽信号）雷达或者连续被雷达系统相控阵雷达中应用相控阵雷达中应用全固态高可靠性雷达中应用全固态高可靠性雷达中应用连续波体制对空监视雷达系统中应用连续波体制对空监视雷达系统中应用 雷达原理35 典型L波段相控阵发射/接收模块 L波段高可靠性全固态化发射机 1 2 3 4 5 6 7移相器T/R开关低噪声放大器限幅器T/R开关环行器至天线T/R逻辑功率放大器预放大器移相器移相逻辑射频信号12(T/R)2(T/R)1控制信号假负载150 W转换开关转换开关 65 66(1)组合器1:8(8)组合器 1 2 64150 W1:8(8)组合器8:1150 W150 W(
26、1)组合器8:1至控制器面板至监控器8 kW射频输出射频输入增益(损耗)电平0.7 dB33.532.819.2 dB52.019.2 dB32.819 dB69.80.93 dB68.5(dBmW)雷达原理36 用于连续波对空监视雷达系统的固态发射机320 W144144个发射模块320 W144144个发射模块末前级激励2320 W 功率18 路输出1.8 kW1.8 kW6 个模块6 个模块激励级320 W功率2592320 W第三章雷达原理38第三章 雷达接收机3.1 雷达接收机的组成和主要质量指标3.2 接收机的噪声系数和灵敏度 3.3 雷达接收机的高频部分 3.4 本机振荡器和自动
27、频率控制3.5 接收机的动态范围和增益控制3.6 滤波和接收机带宽雷达原理393.1 雷达接收机的组成和主要质量指标任务：通过适当的滤波将天线上接收到得微弱高频信号从噪声和干扰中选择出来，并经过放大和滤波，送至显示器、信号处理器或雷达终端设备。分类：超外差式、超再生式、晶体视放式、调谐高频式。3.1.1 超外差式雷达接收机组成优点：灵敏度高、增益高、选择性好、适用性广组成：(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。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
28、放大器至终端设备本振高 频 部 分高频输入雷达原理40 天线接收的射频回波通过收发开关加至接收机保护器，经低噪高频放大器后，送至混频器与本振输出混频得到中频信号，再由多级中频放大和匹配滤波得到最大输出信噪比，最后经检波器和视频放大器送至终端显示器。中频放大器和匹配滤波后的处理方法：非相干处理：线性放大+包络滤波 相干处理：同步检波得到同相（I路）和正交（Q路）信号，（振幅与相位信息）；硬限幅放大+相位检波，（相位信息）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本振高 频 部 分高频输入雷达原理41收发开关低噪声高频放大器接收机保护器混 频 器中频放大
29、器中频增益衰减中频滤波器线性放大器包络检波器同频检波器对数放大器限幅放大器相干本振相位检波器发射机稳定本振近程增益控制(STC)AGC视 频 放 大 器天线uI(t)uQ(t)cossin90雷达原理423.1.2 超外差式雷达接收机的主要质量指标（1）灵敏度（2）工作频带宽度（带宽）（3）动态范围（4）中频的选择和滤波特性（5）工作稳定性和频率稳定度（6）抗干扰能力（7）微电子化合模块化结构雷达原理43（1）灵敏度：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。受噪声电平限制，提高接
30、收机灵敏度须尽力减小噪声电平，同时有足够的增益。（2）工作频带宽度：接收机瞬时工作频率范围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。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。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(1020)%。雷达原理44 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，是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。过载：当输入信号太强时,接收机将发生饱和而失去放大作用。最小输入信
31、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。为了保证对强弱信号均能正常接收,要求动态范围大,就需要采取一定措施,例如采用对数放大器对数放大器、各种增益控制电路增益控制电路等抗干扰措施。雷达原理454.中频的选择和滤波特性 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。中频的选择与发射波形的特性、接收机的工作带宽以及所能提供的高频部件和中频部件的性能有关。在现代雷达接收机中,中频的选择可以从30 MHz到4GHz之间。中频选择在30MHz至500MHz适用于需在中频增加某些信号处理部件，较高的中频适用于宽频带工作的接收机。减小接收机噪声的
32、关键参数是中频的滤波特性,如果中频滤波特性的带宽大于回波信号带宽,则过多的噪声进入接收机。反之,如果所选择的带宽比信号带宽窄,信号能量将会损失。这两种情况都会使接收机输出的信噪比减小。在白噪声(即接收机热噪声)背景下,接收机的频率特性为“匹配滤波器”时,输出的信号噪声比最大。雷达原理465.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。相参处理,对本机振荡器的短期频率稳定度有极高的要求(高达10-10或者更高),因此，必须采用频率稳定度和相位稳定度极高的本机
33、振荡器,即简称的“稳定本振”。6.抗干扰能力抗有源干扰和无源干扰是雷达系统的重要任务之一，雷达接收信号包括：目标信号、干扰、杂波、噪声，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：敌方施放的各种杂波干扰和邻近雷达的异步脉冲干扰；无源干扰：从海浪、雨雪、地物等反射的杂波干扰和敌机施放的箔片干扰。雷达原理47 7.微电子化和模块化结构 现代有源相控阵雷达和数字波束形成(DBF)系统中,通常需要几十路甚至几千路幅相一致性要求很严格的接收机通道，需采用微电子化和模块化的接收机结构。优选方案是采用单片集成电路,包括微波单片集成电路(MMIC)、中频单片集成电路(IMIC)和专用集
34、成电路(ASIC)；主要优点是体积小、重量轻,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。雷达原理483.2 接收机噪声系数和灵敏度3.2.1 接收机的噪声 主要来源：内部噪声、外部噪声 内部噪声：主要由接收机中的馈线、放电保护器、高频放大器或混频器等产生，时间上连续，振幅和相位随机，通常称为“起伏噪声”或简称为“噪声”。外部噪声：由雷达天线进入接收机的各种人为干扰、天电干扰、工业干扰、宇宙干扰和天线热噪声等，其中天线热噪声是一种起伏噪声，影响最大。雷达原理49 1.电阻热噪声由于导体中自由电子的无规则热运动形成的噪声，在导体中形成了起伏噪声电流,在导体两端呈现起伏电压。根
35、据奈奎斯特定律,电阻产生的起伏噪声电压均方值：k为玻尔兹曼常数,k=1.3810-23J/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。电阻热噪声的功率谱密度p(f)是表示噪声频谱分布的重要统计特性：白噪声：功率谱密度为常数的噪声。电阻热噪声在无线电频率范围内就是白噪声。kTRBun42p(f)=4kTR 雷达原理502.额定噪声功率信号电动势为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“额定”信号功率,用Sa表示,其值是 R
36、ERRESssa4222Z Rj XEsSaZ*Rj X雷达原理51 同理,把一个内阻抗为Z=R+jX的无源二端网络看成一个噪声源,由电阻R产生的起伏噪声电压均方值 ,见图3.5。假设接收机高频前端的输入阻抗Z*为这个无源二端网络的负载,显然,当负载阻抗Z*与噪声源内阻抗Z匹配,即Z*=R-jX时,噪声源输出最大噪声功率,称为“额定”噪声功率,用No表示,其值为 重要结论:任何无源二端网络输出的 额定噪声功率只与其温度T和通带Bn有关。nnkTRBu42nnokTBRuN42un4 kTRBnN0Z*Rj XZ Rj X2雷达原理523.天线噪声 是外部噪声,包括天线的热噪声天线的热噪声和宇宙
37、噪声，宇宙噪声，被天线吸收后进入接收机,就呈现为天线的热起伏噪声。天线的热噪声：由天线周围介质微粒的热运动产生的噪声；宇宙噪声：由太阳及银河星系产生的噪声。天线噪声的大小用天线噪声温度TA表示,其电压均方值为：RA为天线等效电阻，TA决定于接收天线方向图中各辐射源的噪声温度，与波瓣仰角和工作频率等因素有关。天线噪声并非真正白噪声，但在接收机通带可近似为白噪声。nAAnABRkTu42雷达原理53 4.噪声带宽白噪声,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。通常把这个不均匀的噪声功率谱等效为在一定频带Bn内是均匀的功率谱。这个频带Bn称为“等效噪声功率谱宽度”
38、,一般简称“噪声带宽”。H2(f0)为线性电路在谐振频率f0处的功率传输系数。高中频谐振电路的级数较多，可用信号带宽B直接代替噪声带宽Bn。200200()|()|()()nonnopf dfH fdfBpfHfBnPno(f0)ofPno(f)雷达原理543.2.2 噪声系数和噪声温度 1.噪声系数噪声系数定义1:接收机输入端信号噪声比与输出端信号噪声比的比值。物理意义:由于接收机内部噪声的影响由于接收机内部噪声的影响,使接收机输出端的信噪比相对其输入端的信噪使接收机输出端的信噪比相对其输入端的信噪比变差的倍数。比变差的倍数。式中,Si为输入额定信号功率;Ni为输入额定噪声功率(Ni=kT0
39、Bn);So为输出额定信号功率;No为输出额定噪声功率。ooiiNSNSF/接收机线性电路GaEsAEsiRASiNiSoNoRL雷达原理55定义2：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。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。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N,即将No代入,得到：实际接收机总会有内部噪声(N0),因此F1,只有当接收机是“理想接收机”时,才会有F=1。a
40、ioGNNF oaiSGSNo=NiGa+N=kT0BnGa+N anGBkTNF01雷达原理56对噪声系数作几点说明: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。检波器是非线性电路,而混频器可看成是准线性电路,因其输入信号和噪声都比本振电压小很多,输入信号与噪声间的相互作用可以忽略。为使噪声系数具有单值确定性,规定输入噪声以天线等效电阻RA在室温T0=290K时产生的热噪声为标准,噪声系数只由接收机本身参数确定。噪声系数F是没有单位的数值,通常用分贝表示 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。F=10 lg F(d
41、B)雷达原理57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,求其噪声系数。从网络的输入端向左看,是一个电阻为RA的无源二端网络,它输出的额定噪声功率为经过网络传输,加于负载RL上的外部噪声额定功率为从负载电阻RL向左看,也是一个无源二端网络,它是由信号源电阻RA和无源四端网络组合而成的,同理,这个二端网络输出的额定噪声功率仍为kT0Bn,它也就是无源四端网络输出的总额定噪声功率,即 niBkTN0无源四端网 络GaRARLanaiGBkTGN0noBkTN0aaioGGNNF1雷达原理58 2.等效噪声温度等效噪声温度 接收机外部噪声可用天线噪声温度TA来表示,如果用额定功
42、率来计量,接收机外部噪声的额定功率为:为比较内部噪声与外部噪声的大小，把接收机内部噪声在输出端呈现的额定噪声功率N等效到输入端来计算,这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”。物理意义：把接收机内部噪声看成是“理想接收机”的天线电阻RA在温度Te时所产生Te可放大差异，常用来表示低噪接收机和低噪器件的噪声性能。NA=kTABn N=kTeBnGa 0011TTGBkTGBkTFeananeTe=(F-1)T0=(F-1)290(K)雷达原理593.相对噪声温度相对噪声温度噪声比噪声
43、比相对噪声温度有时简称为噪声比tc,意义意义为实际输出的中频额定噪声功率为实际输出的中频额定噪声功率(FckT0BnGc)与仅由等效损耗电阻产生的输出额定噪声功率与仅由等效损耗电阻产生的输出额定噪声功率(kT0Bn)之比之比,即 Gc为混频器的额定功率增益或额定功率传输系数。噪声比tc表示有源四端网络中除损耗电阻以外的其它噪声源的影响程度。ccncnccGFBkTGBkTFt00雷达原理603.2.3 级联电路的噪声系数级联电路的噪声系数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：No由两部分组成:一部分是由第一
44、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,第二部分是由第二级所产生的噪声功率N2：可得两级级联电路的总噪声系数No=kT0BnG1G2F0 2012NNNoF1，G1，BnF2，G2，BnNo No12 N2Ni kT0BnN2=(F2-1)kT0BnG2 No=kT0BnG1G2F0=kT0BnG1G2F1+(F2-1)kT0BnG2 12101GFFF雷达原理61n级电路级联时接收机总噪声系数为重要结论: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。总噪声系数主要取
45、决于最前面几级,这是接收机要采用高增益低噪声高放的主要原因。典型雷达接收机的高、中频部分：1212131210111nnGGGFGGFGFFF馈线接收机放电器限幅器低噪声高 放混频器中 频放大器自天线Gf1/GfGg1/GgGl1/GlGRFRGcFcGIFI至检波器cRRcRgfGGFGFFGGGF111110雷达原理62一般都采用高增益(GR20dB)低噪声高频放大器,可简化为：若接收机的噪声性能用等效噪声温度Te表示,则它与各级噪声温度之间的关系为 10GGGFFgfR121213121nneGGGTGGTGTTT雷达原理633.2.4 接收机灵敏度接收机灵敏度定义：接收机的灵敏度表示接
46、收机接收微弱信号的能力。要能检测信号,微弱信号的功率应大于噪声功率或者可以和噪声功率相比。因此,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。雷达终端检测信号的质量取决于信噪比，输出信噪比So/No达到所需数值。接收机噪声系数F0：输入信号额定功率为：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 ooiiNSNSF/0000ooiinooSSSN FkT B FNNmin00minooniNSFBkTS雷达原理64把(So/No)min称为“识别系数”,并用M表示：为了提高接收机的灵敏度,即减少最小可检测信号功率Si min
47、,应做到:尽量降低接收机的总噪声系数F0,所以通常采用高增益、低噪声高放;接收机中频放大器采用匹配滤波器,以便得到白噪声背景下输出最大信号噪声比;式中的识别系数M与所要求的检测质量、天线波瓣宽度、扫描速度、雷达脉冲重复频率及检测方法等因素均有关系。在保证整机性能的前提下,尽量减小M的数值。min00minooniNSFBkTSMFBkTSni00min雷达原理65临界灵敏度：M=1时接收机的灵敏度：雷达接收机的灵敏度以额定功率表示,并常以相对1 mW的分贝数计值,即一般超外差接收机的灵敏度为-90-110 dBmW。0000minnniSkT B F MkT B Fminmin3n0()()1
48、0lg()10114dB 10 lgBMHz10 lgFiiSWSdBmWdBmW 雷达原理66051015201151101051009590Simin/(dB/mW)10 MHz9 MHz8 MHz7 MHz6 MHz5 MHz4 MHz3 MHzBRI2 MHz1 MHz0.5 MHz0.1 MHzF0/dB雷达原理673.5 接收机的动态范围和增益控制动态范围：接收机能正常工作所容许的输入信号强度范围。弱则无法检测，强则接收机饱和过载。增益控制：为防止强信号引起过载，提高角跟踪和抗干扰能力，需要增大接收机的动态范围，雷达接收机有专门的抗过载电路，如自动增益控制（AGC）、灵敏度时间控制
49、、对数放大器等。3.5.1动态范围动态范围 放大器:小信号，线性放大；信号过强，饱和。过载：信号过强时，放大器饱和，输出电压不再增大，反而减小，输出-输入振幅特性出现弯曲下降。雷达原理68信号与宽脉冲干扰共同通过中频放大器图 放大器饱和导致输出电压中的回波信号被丢失。UomOOUnm1Unm2UsmUsmtUimUimUomOt雷达原理69对于叠加在干扰上的回波信号来说,其放大量应该用“增量增益”表示,它是放大器振幅特性曲线上某点的斜率 只要接收机中某一级的增量增益Kd0，接收机就会发生过载,即丢失目标回波信号。动态范围动态范围D：接收机抗过载性能的好坏,是当接收机不发生过载时允许接收机输入信
50、号强度的变化范围。Pi min、Ui min为最小可检测信号功率、电压;Pi max、Ui max为接收机不发生过载所允许接收机输入的最大信号功率、电压。imomddUdUK KdOUimmaxmaxminmin10lg()20lg()iiiiPUDdBdBPU雷达原理703.5.2 增益控制增益控制(1).自动增益控制(AGC)在跟踪雷达中,为了保证对目标的自动方向跟踪,使天线正确地跟踪运动目标,必须采用自动增益控制(AGC)。中 频放大器包 络检波器视 频放大器低 通滤波器输出uo输入uiUAGCAGC峰 值检波器电路雷达原理71(2).瞬时自动增益控制（IAGC）目的：使干扰电压受到衰减
