（电子科学与技术专业论文）全中频比幅比相测向系统接收机的设计.pdf

国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 a b s t r a c t t h i sp a p e ri sb a s e do nt h ep r o j e c to ft h eu l t r ab a n di fd i r e c t i o nf m d e rb y c o m p a r i n ga m p l i t u d ea n dp h a s e ，w h i c hb e l o n g st ot h e9 8 5p r o j e c t s a c c o r d i n gt ot h e w o r k i n gp r i n c i p l ea n dt h er e q u i r e m e n to ft h ed i r e c t i o nf m d e r , t h es t i u c t u 】旧o ft h e4 c h a n n e l s1f r e q u e n c yc o n v e r s i o ns u p e r h e t e r o d y n er e c e i v e rb a s e do nt h em i ca n dt h e m m i cd e v i c e si sd e s i g n e d a n dt h ef r e q u e n c ys o u r c eo ft h er e c e i v e ri sd e s i g n e da n d m a n u f a c t u r e d f i r s t l y , a c c o r d i n gt ot h er a d a rr e c e i v e rs y s t e mm o d u l e s p a r a m e t e r , t h ef r e q u e n c y c h a r a c t e ri nt h ef r e q u e n c yc o n v e r s i o nc i r c u i ti sa n a l y z e d t h e nt h ed e s i g ns c h e m eo ft h e s y s t e mi sd e c i d e da n dt h ef u n c t i o nm o d u l ei s c o n f i r m e d t h ed e s i g ns c h e m ei s r e a l i z a b l e ，w h i c hi sp r o v e db yc h e c k i n gt h ep e r f o r m a n c eo f t h er e c e i v e rs y s t e m t h ec i r c u i to ft h ef r e q u e n c yd o w n - c o n v e r s i o nm o d u l ei st h em a i np a r to ft h e r e c e i v e rs y s t e m t h ed o u b l eb a l a n c ef r e q u e n c ym i x e ri su s e di nt h i sm o d u l e t h e f u n c t i o nm o d u l e so ft h ef r e q u e n c yd o w n c o n v e r s i o nm o d u l e , w h i c hi n c l u d ec o u p l i n g c i r c u i t ，l o wn o i s ea m p l i f i e rm o d u l e ，f r e q u e n c ym i x e rc i r c u i t ，i n t e r m e d i a t ef r e q u e n c y a m p l i f i e ra n df i l t e r , p o w e r - s p l i t t e rc i r c u i tf o rl oa n dp o w e r - s p l i t t e rc i r c u i tf o rt e s ts i p ， a l ed e s i g n e da n dm a n u f a c t u r e d a n dt h ee m cd e s i g no f t h ef r e q u e n c yd o w n - c o n v e r s i o n m o d u l ei sa l s oc a r r i e do u t t h ed e s i g no ff r e q u e n c ys o u r c eh a sb e c o m et h ek e yt e c h n i q u eo ft h e , r e c e i v e r s y s t e ma n dt h er a d a rs y s t e m t h ed i r e c td i g i t a lf r e q u e n c ys y n t h e s i z e r ( d d s ) a n dp l l t e c h n i q u ea r eu s e d , i nt h ed e s i g no ft h ef r e q u e n c ys y n t h e s i z e ri nt h i sp a p e r t h e f r e q u e n c ys y n t h e s i z e r , w h i c hi n c l u d e st h ed d s ，p l la n dt h ec o n t r o lc i r c u i tb a s e d0 1 1 a r m ，i sd e s i g n e da n dt e s t e d t h et e s tc e s u l t so ft h er e c e i v e ra n dt h ef r e q u e n c ys o l i c ec i r c u i ts h o wt h a tt h e d e s i g nm e e t st h es y s t e mr e q u i r e m e n tw e l l k e yw o r d s ：d i r e c t i o nf i n d e rb yc o m p a r i n ga m p l i t u d ea n dp h a s e 。r a d a r r e c e i v e r ， f r e q u e n c y d o w n c o n v e r s i o n c i r c u i t 。 f r e q u e n c y s y n t h e s i z e r 。 e l e c t r o m a g n e t i s mc o m p a t i b i l i t y 第i i 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 表目录 表2 1 通过高本振混频产生中频信号的厶f 频率单位：g 1 4 z 1 6 表2 2 通过低本振混频产生中频信号的厶f 频率单位：g h z 1 6 表2 3 中频谐波分量单位：g h z 1 7 表2 4 接收链路各单元预计指标2 0 表3 1 几种混频器的比较2 7 表3 2 偏置电阻r b i a s 的设计值3 0 表3 3c 1 、c 2 tl 1 韵设计值，3 0 表3 40 6 0 1 2 0 的性能3 1 表3 5 低噪放l d b 输出功率压缩点测试结果3 9 表4 1a d 9 9 5 4 的指令字节结构。5 8 表4 2a d 9 9 5 4 的寄存器c f r l 定义5 9 表4 3a d 9 9 5 4 的寄存器c f r 2 定义一。6 0 表4 4a d 9 9 5 4 的寄存器f t w o 定义6 0 第h i 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 图目录 图1 1 全中频比幅比相测向系统1 图2 1 超外差雷达接收机的一般框图6 图2 2 零中频接收机结构6 图2 3h a r t l e y 接收机结构7 图2 4w e a v e r 接收机结构7 图2 5 数字中频接收机结构8 图2 6 接收机系统框图1 3 图2 7 频率合成器框图1 4 图2 8 混频器输入输出频谱示意图1 5 图2 9 接收机链路增益分配与动态范围1 9 图3 1 单端混频器结构2 3 图3 2 单平衡混频器结构2 4 图3 3 镜像抑制混频器2 5 图3 4 双平衡混频器结构2 6 图3 5 下变频电路框图2 8 图3 6 耦合器d b t c 1 7 5 + 的应用2 9 图3 7h m c 3 7 4 的性能及应用2 9 图3 8h m c 4 7 9 性能及应用3 0 图3 9l r p s 2 1 1 的性能曲线3 2 图3 1 0 功分电路框图3 2 图3 1 1 下变频( 一个通道) 电路原理图3 3 图3 1 2 下变频电路及其电源与功分电路p c b 图3 4 图3 1 3 接收机系统的屏蔽盒设计图3 6 图3 1 4 电源滤波器设计3 7 图3 1 5 下变频电路实物图3 8 图3 1 6 低噪放模块s 参数实测曲线3 9 图3 1 7 中频放大模块s 参数实测曲线4 0 图3 1 8 中频滤波特性实测曲线4 0 图3 1 9 噪声系数测试原理框图4 l 图3 2 0 噪声系数的测量4 2 图3 2 l 下变频电路噪声系数测量曲线4 2 图3 2 2 下变频电路变频特性实测图4 4 第页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 图3 2 3 中频功率随射频的变化4 5 图4 1 锁相环基本原理框图。，4 9 图4 2 正弦鉴相器模型5 0 图4 3 压控振荡器的模型。5l 图4 4d d s 原理方框图5 2 图4 5 用d d s 输出作为p l l 的信号5 4 图4 6p l l 内插d d s 频率合成器原理5 5 图4 7 频率合成器总体框图5 6 图4 8a d 9 9 5 4 的内部结构简图5 7 图4 9a d 9 9 5 4 的工作流程图5 8 图4 1 0 a d 9 9 5 4 的串行读、写时序5 9 图4 11a d 9 9 5 4 及其外围电路。6 1 图4 1 2 低通滤波电路6 2 图4 1 3a d f 4 1 0 6 作鉴相器的锁相环路图6 3 图4 1 4 环路滤波器设计扔 图4 1 5 有源环路滤波的锁相环电路6 5 图4 1 6 无源环路滤波的锁相环电路一6 5 图4 t 7l p c 2 2 1 4 的内部结构简图6 6 图4 1 8l p c 2 2 1 4 及其外围电路原理图6 7 图4 1 9 频率合成器的控制电路及电源电路6 7 图4 2 0l p c 2 2 1 4 的程序控制框图6 8 图4 2 1 频率合成器的实物图6 9 图4 2 2 频率合成器的测试架7 0 图4 2 3 频率合成器的测试结果。一7 l 第v 页 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我本人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文申不包含 其他人已经发表和撰写过的研究成果，也不包含为获得国防科学技术大学或其它 教育机构的学位或证书而使用过的材料与我一同工作的同志对本研究所做的任 何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文题目：全主麴出蝇丝担型自爱统接邋扭煎送进 学位论文作者签名： 呈羞! 型! 丕!日期：2 口孵年，月，7 日 学位论文版权使用授权书 本人完全了解国防科学技术大学有关保留、使用学位论文的规定本人授权 国防科学技术大学可以保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 文档，允许论文被查阋和借闶；可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据 库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密学位论文在解密后适用本授权书。) 学位论文题目： 全主塑丝蝠地塑趟囱丕统董选扭鲍遮进 学位论文作者签名： ；e 盔；当望!日期：工口谚年，f 月7 7 日 作者指导教师签名：趁日期：力动伊年，月，；日 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 第一章绪论 1 1 论文的工作背景 2 1 世纪进入高技术兵器时代，武器装备的自动化和智能化是其发展的主要趋 势。智能化武器中最为突出的是精确制导和无人机，其精确的探测技术是由一个 建立在一定体制上的测向系统完成，因而现代电子战对测向系统的准确性要求越 来越高。在众多的测向体制中，比幅比相测向具有系统设备少、易实现、通道的 一致性好及抗干扰性高等优点，被广泛使用于电子侦察设备。 在这样一个测向系统中，雷达接收机是一个重要的组成部分。 雷达( r a d a r ) - - 词源于美国海军在1 9 4 0 年第二次世界大战中使用的一个保密 代号，它是无线电探测和测距( i 湖i od e t e c t i o na n dr a n g i n g ) 的英文缩写，即用无线 电方法发现目标并测定它们在空间的位置，因此雷达也称为“无线电定位一。随着 雷达技术的发展，雷达的基本任务不仅仅是从探测目标中提取诸如目标距离角 坐标( 方位角和俯仰角) ，而且还包括测量目标的速度，以及从目标回波中获取更 多目标反射特性等方面的信息n 1 。 雷达接收机是利用目标对电磁波的反射，即二次散射现象，以在有用的目标 回波和无用的干扰之间获得最大鉴别率的方式对回波进行预选、放大、变频、滤 波和解调，使目标反射回来的微弱的射频信号变成有足够幅度的视频或数字( 包 含有目标的幅度和相位等信息) 信号，经后续的信号处理和数字处理后，最终得 到所需要的目标信息啦! 。 本论文研究课题所依托的超宽带全中频比幅比相测向系统，如图1 1 所示。 图1 1 全中频比幅比相测向系统 第1 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 该测向系统包括四臂曲折天线( 含吸收背腔) 、四路下变频电路( 含提供混频 所需本振信号的频率源) 、中频模式形成电路和中频波束形成电路。其工作过程是 将四壁曲折天线接收的四路射频输出信号直接通过四路下变频得到中频信号，然 后经由中频数字接收机得到四路信号的幅度和相位信息，再进行数字模式形成处 理，得到数字和差信号，进而进行测向。 论文中所设计研制的雷达接收机是该测向系统的重要组成部分，它包括了下 变频电路和频率合成器( 图1 1 中椭圆框内的电路部分) 。作为该全中频方案测向 系统的算法实现电路，其性能直接关系着测向系统的优劣。此外，它还为测向系 统的后端数字信号的采集处理和增益相位的校正补偿提供了重要的硬件保障。本 文在原有经典雷达接收机系统设计方案的基础上，结合全中频比幅比相测向系统 的工作需要，采用了四通道一次变频的设计方案，其中各个模块电路都采用了微 波固态化设计。 1 2 国内外研究状况 总体来说，无论在军用还是民用系统中，接收机的设计趋势可以从以下两个 方面来讨论： 第一：从发展方向考虑 ( 1 ) 接收机功能的广泛数字实现。由于现阶段a d 、d a 变换器取样率、数字 信号处理能力的限制，大多数频段的射频变换部分还必须是模拟的。但随着数字 下变频技术的飞速发展，使得在很高中频频段上不需要模拟器件，可以直接进行 数字化，这是对传统微波电路的一个挑战口町。 ( 2 ) 扩频接收机。最初也是应用在军事上的，但其优良的特性使得其迅速转为 民用。它利用各种调制方法将信号调制到很宽的频带上传输，具有保密性，减少 干扰失真等优点。目前，大量的商业和军事上都广泛地应用扩频技术啼1 。 ( 3 ) 系统仿真设计的应用。仿真方法可以无需每次实际搭建系统或者电路就可 以估计其设计。在计算机中对复杂设计的参数进行修改要比搭建、测试、维修电 路经济得多。现在很多商业软件例如h pa d s ，a n s o f t 等在系统仿真方面已经做得 相当完善。 第二：从工艺方面考虑 微波电子线路一般泛指微波系统中各种功能模块的元器件与电路结构阳3 。 自2 0 世纪6 0 年代以来，微波半导体技术和工艺水平得到了飞跃发展，先后 出现了金属半导体二极管、硅双极晶体管、砷化镓金属半导体场效应管、雪崩二 极管、耿氏二极管、隧道二极管和p i n 管等微波半导体器件，并在微波系统中获 得了广泛的应用，这种以半导体管为核心组成的微波电子电路就称为微波固态电 第2 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 路哺。在微波半导体器件发展的同时，采用平面微波传输线( 微带线) 和薄膜淀积 与光刻技术的微波混合集成电路( m i c ) 和单片集成电路删c ) 也取得了迅速的发 展。按照技术和应用水平不断提高的顺序以及电路元器件的不同，微波固态电路 可以分为三个类型：分立集总元件电路、混合集成电路及单片集成电路嘲。在分立 集总元件电路中，电路采用的无源和有源器件都是集总参数的和分立的，如电阻、 电感、电容、二极管、三极管等，在组装电路时把这些元件分别装配于电路板上， 情况与低频电路类似；混合集成电路( m i c ) 是把常用的微波无源元件，如传输线、 电阻、电感、电容等，以分布参数方式制作在塑料、陶瓷、蓝宝石或铁氧体等介 质基片上，然后把分立微波固态器件装配于这些介质基板上构成的，其电路结构 紧凑，可以实现小型化，是目前微波固态电路最常用的方式；单片集成电路( m m i c ) 中，作为反馈和直流偏置元件的各个电阻器( 无源元件) 都采用具有高频特性的 薄膜电阻，并与各微波半导体固态有源器件一起封装在一个性能稳定的半导体基 片上，这使得各零件之间几乎无连接，从而使电路的感抗降至最低，且分布电容 也极小，因而可用于工作频率和频带都很高的场合中。可见，单片集成电路( m m i c ) 具有成本低、稳定性高、一致性好、体积小、工作频率高、工作频带宽等优点， 是微波固态电路发展的主要方向嘲口， 最初，单片集成电路( m m t c ) 主要应用于军用系统，如相控阵雷达、火箭与导 弹的制导和电子对抗等系统。9 0 年代以来，m m i c 在商用产品中开拓了广阔的市 场。它的采用显著减少了设备的体积和重量，降低了造价，提高了牲能，取得了 很好的效果。例如在海湾战争中，美军灵巧武器中就广泛地采用了m m i c ；欧洲 先进雷达技术集团研制的柯布拉炮位侦校雷达和美国r a y t h e o n h u g h e sa i r c r a f t 公 司研制的a n f f p q - 4 7 炮位侦校雷达等均已广泛采用m m i ci s 1 0 1 。目前，m m i c 的工 作频率已可做到6 0 g h z ，频带也已达到1 5 0g h z ，广泛应用于各种发射机和接收 机的射频和中频电路中。 此外，近年来涌现的l t c c ( t 氐温陶瓷共烧) 工艺在微波电路中，也越来越多地 受到专家和科研人员的亲睐n o 】【l u 。 1 3 论文的主要工作 本文依托“9 8 5 ”工程超宽带全中频比幅比相测向系统研制子项目，基于m i c 和m m i c 器件分模块设计了一个雷达接收机，主要工作包括。 1 根据全中频比幅比相测向系统的工作原理及测向要求，提出了四通道一次 变频体制的超外差接收机设计方案，并对接收机链路各单元的指标进行了详细地 分配和核算。 2 基于m i c 和m m i c 器件的选取，对下变频电路( 主要包括低噪声放大电路、 第3 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 混频电路、中频放大电路和滤波电路) 进行了详细设计，并完成了硬件的制作、加 工和调试，给出了较满意的电路测试结果。 3 在前面各个功能模块的设计基础上，完成了下变频电路的结构设计，并对 其进行了电磁兼容设计。 4 考虑到接收机系统所要求的本振频率变化范围较大且连续可调，采用了直 接数字频率合成( d d s ) 和锁相环( p l l ) 相结合的技术，设计并实现了本振信号 在0 4 伊2 0 6 g h z 范围内连续可变的频率合成器。 本文共分五章： 第一章介绍了本课题的工作背景和研究意义；简要分析了雷达接收机的国内 外发展趋势；结合本课题中电路的固态化设计，简要介绍了混合集成电路( m i c ) 和单片集成电路( m m i c ) 的优点和应用。 第二章对接收机系统进行了总体设计。介绍了几种经典雷达接收机的实现方 案，以及雷达接收机的主要性能指标；结合全中频比幅比相测向系统的工作要求， 针对接收机系统的总体技术指标，提出了四通道一次变频体制的超外差接收机实 现方案；对接收机进行了系统级设计和功能模块规划；对混频中可能出现的寄生 信道干扰、高次谐波交调以及本振泄漏进行了详细地分析；对接收机链路各单元 进行了指标分配和核算。 第三章进行了下变频电路设计。介绍了常见混频器的结构原理和实现方法， 分析比较了各种混频器的性能，在此基础上确定了采用双平衡混频器；对下变频 电路中各模块电路，包括耦合电路、低噪声放大电路、混频电路、中频放大电路 和中频滤波电路以及其本振信号功分电路和测试信号功分电路进行了详细设计， 并进行了调试和测试，给出了测试结果。 第四章进行了频率合成器设计。简要介绍了四种频率合成技术；分别介绍了 d d s 和p l l 的结构和工作原理，在此基础上确定了采用直接数字频率合成器 ( d d s ) 和锁相环( p l l ) 相结合的设计方案；完成了频率合成器各部分电路，包 括d d s 、p l l 以及其基于a r m 的控制电路的详细设计，并进行了频率合成器的 调试和测试，给出了测试结果。 第五章对论文的工作进行了总结，并对后续工作做了介绍。 第4 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 第二章接收机方案 雷达发射机产生的电磁波，经天线辐射到大气中后，以光速在空气中传播， 位于天线波束内的物体或目标遇到所辐射的电磁波，将会反射一都分，天线接收 到的微弱回波，通过雷达接收机将这部分回波加以放大后将射频信息转换成视频 或数字( 包含有目标的幅度和相位等信息) 信号，经信号处理和数据处理后，最 终显示出所需要的目标信息嘲。 雷达接收机是雷达系统的重要组成部分，它的主要功能是对天线接收到的微 弱的回波信号进行放大、变频、滤波以及解调，同时抑制来自外部的干扰、杂波 ( 如由自然物产生的杂波于扰、干扰机施放的噪声调频干扰等) 以及机内的噪声 ( 非线性器件产生的交调干扰 。所以，接收机的设计面临的主要问题是：在有干 扰存在时，如何使接收机检测目标回波的能力为最大嘲 雷达接收机是由微波电路、模拟电路和数字电路组成的( 数字电路部分不在 本课题研究的范围内) 。在接收机的实际设计中，除了考虑接收机噪声和杂波外， 还必须考虑其它因素，如增益、动态范围、带宽、相位、幅度稳定性以及过载和 饱和的敏感性等因素。现代雷达接收机的共性要求可以概括为：宽频带、低噪声、 大动态和高稳定瞳1 。随着雷达技术的不断发展和更新，雷达接收机技术也在不断地 向着微电子化、模块化和数字化方向发展。随着雷达和电子战一体化技术的发展， 宽带和超宽带特性也成为雷达接收机研究的重要课题n 。本文所研制用于超宽带全 中频比幅比相测向系统的接收机正是在这一发展趋势下应运而生。 2 1 雷达接收机简介 田也丁又1 工1 ，h i 砌，- 2 1 1 常见的接收机实现方案 一般的雷达接收机组成方案大致可以分为以下几种n 2 儿删： 1 超外差式接收机 这种形式的接收机，使用混频器将高频信号搬移到一个低得多的中频频率后 再进行信道滤波和放大、解调，从而解决了高频信号处理所遇见的困难，如图2 1 所示。依靠周密的中频频率选择和高品质的射频和中频滤波器，一个精心设计的 外差接收机可以达到很高的灵敏度、选择性和动态范围。有的接收机需要用两次 或多次变频，在多个中频频率上逐步滤波和放大 超外差式接收机可以采用在最后一级正交下变频到基带的结构。该结构用低 通滤波器实现信道选择，提高了接收机的集成度。正交变频也可以应用在中频， 在正交变频之后，两路信号相加，构成镜像抑制结构，降低了对镜像抑制滤波的 第5 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 要求。 外差式接收机的一个缺点是：由于镜像抑制滤波器和中频滤波器外接信号要 从片外引进片内引出，所以片上晶体管必须偏置在很大的电流下，以驱动无源滤 波器的低阻抗和驱动引脚和封装引起的大的容性负载，从而能量消耗增大而且滤 波器工作频率越高能耗越大n 羽。此外，外接元件之间的信号还存在着辐射干扰等 问题，从而进一步降低了接收机的可靠性。而且对一特定的r f 标准而言，可变 l o 将不同的频带信号下变频到一固定的中频。这样i f 滤波器是对特定的标准而 优化的，但由于中频滤波器是外接的无源器件，可调性差，这样对另一通信标准 而言，由于载波频率不同，所以中频也不一样。同时，由于信号带宽等要求也不 一致，原有的i f 滤波器不能灵活的改变以适应新的通信标准，所以外差式接收机 并不适应多通信标准的要求n 射。 接收机 保护器 收，发开关i 一发射机 l n a 混频器中放 觥小振i a g c l - 4 7 a f ci 回国出 a g c ，a f c 控制电路 图2 1 超外差雷达接收机的一般框图 2 零中频接收机 零中频接收机，也叫做直接变频接收机。此种接收机结构是接收机最简单的 实现方法，这种结构不存在镜像频率，所以不需要镜频抑制滤波器，只需要低通 滤波器进行信道选择。如图2 2 所示： i q 图2 2 零中频接收机结构 高集成度接收机的关键在于去掉分立元件，主要是中频滤波器。零中频接收 机的思想是：跳过中频，将信号直接从射频变换到基带。这种结构与超外差接收 机相比，具有以下优点： ( 1 ) 因为不存在镜像问题，不需要镜像抑制滤波器，从而大大简化了接收机的 结构。 ( 2 ) 由于中频为0 ，所以仅需要低通滤波器，而低通滤波器和带通滤波器相比， 第6 页 燕臣 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 不仅易于集成，而且能耗和所需芯片面积都f t t d , 。接收机集成度大大提高。 ( 3 ) 由于信号的放大发生在基带，进一步降低了能耗。 对于不同通信标准而言，不同载波的信号都下变频到基带，这样零中频的频 选滤波发生在基带，而基带低通滤波器可较容易设计成具有数字可编程特性，以 适应不同通信标准对信号滤波的要求，所以零中频结构是适用于多通信标准的。 3 低中频接收机 零中频接收机的直流寄生失调和l 纩噪声都存在于低频，为了避开它们的干扰， 一种简单的思路就是把它们和需要的信号从频谱上分开。这时，接收的信号不再 变频到基带，而是到一个较低的中频( 1 2 倍信号带宽) 。这种接收机结构称为低 中频接收机。它与超外差接收机相比，不需要高频的带通滤波器，集成度好，功 耗更低；它与零中频接收机相比，克服了直流失调等低频干扰。因此成为集成接 收机设计的选择之一引。但是，将下变频后的频率从基带变成低中频，带来了镜 像信号抑制和双路信号匹配问题。在零中频接收机中，镜像信号就是自身，因此 对镜像抑制度的要求比较低，而在低中频接收机中，镜像信号可能比有用信号高 很多，需要大镜像抑制和双路信号的精确匹配，这是该结构的最大缺点。一般的 正交结构只能提供2 6 d b 左右的镜像抑制，远远不能达到要求n 叭删。因此低中频接 收机适用于信号本身在中心频率携带信息，但对镜像信号的抑制要求不高的场合。 4 镜像抑制接收机 超外差式接收机靠变频前加滤波器来滤除镜像干扰频率。而镜像抑制接收方 案是采用改变电路结构来抑制镜像干扰频率。一般电路采用正交混频结构，例如 h a r t l e y 结构可以完全抑制中频的镜频信号，其电路结构见图2 3 。w e a v e r 结构也 可以有效抑制镜频信号，使得有用信号顺利通过，其结构如图2 4 所示： 射 射 图2 3h a r t l e y 接收机结构 图2 4w e a v e r 接收机结构 出 出 第7 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 这两种方案要真正做到抑制镜像干扰，关键有两点：一是两条支路必须完全 一致，其中包括本振信号的幅度、混频器的增益、低通滤波器的特性都必须一致； 二是正交必须精确，即本振的两路信号要精确的相差9 0 。，否则镜像频率不可能 被完全抑制n 力n 9 1 。 5 宽带中频接收机 宽带中频接收机使用固定的本振信号，将所有信道下变频到中频，在中频完 成信道选择，再继续处理，它与一般在射频选择信道的接收机相比，有以下的优 点： ( 1 ) 由于将所有的信道都下变频到中频，而不使用高阶的带通滤波器抑制镜 像，因此有较高的集成度； ( 2 ) 由于第一级本振固定，可以使用窄带宽的锁相环，以获得低相位噪声； ( 3 ) 本振在接收信号带外，相位噪声对接收信号影响小； ( 4 ) 由于信道的选择在中频完成，锁相环需要的分频比降低，因此锁相环中参 考晶振、相位检测器和分频电路对频率合成器的相位噪声影响减小，以较低的分 频比使锁相环输出的寄生分量减少。 宽带接收机的主要缺点是第一次下变频前几乎没有滤波，使得第二次下变频 不得不使用大动态范围信号。另外，由于要在第二次下变频时选择频段，增加了 电路实现的难度。当输出频率是基带或者低中频时，存在着与零中频接收机或低 中频接收机相似的问题n 7 】n 羽。 6 数字中频接收机 数字接收机是今年来迅速发展的接收机技术，随着超高速数字电路技术的迅 速发展，雷达接收机的数字化水平越来越高。图2 5 为数字中频接收机，它是将经 低噪声放大和混频后的中频信号直接进行a d 采样，随之进行数字正交鉴相和数 字滤波，然后将获得的数字i 、q 基带信号送数字信号处理器进行数字信号处理口1 。 它的优点在于信号不必变换到基带或低频，避免了低频失调和噪声的影响。另外， 在高中频进行带通抽样，将信号直接变换到数字域进行处理，充分发挥了数字电 路的功能，可以处理多种调制方式的信号，具有很高的灵活性。从接收机的发展 方向来看，一要简化模拟前端电路，将数字电路向射频靠拢；二要具备灵活性， 能接收多标准信号。采用数字中频结构的接收机满足这两点要求，是将来接收机 发展的方向之一n 町。 图2 5 数字中频接收机结构 第8 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 以上几种接收机结构都有着各自的优缺点，选择哪一种结构要看系统的工作 环境和指标要求。 2 - 1 2 接收机的主要技术参数 下面对雷达接收机的主要技术参数作以简要介绍呦n 舶： 1 灵敏度及噪声系数 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s 埘加来表示。当接收机输入信号功率达到s 历，刀时，接收机就能正常接 收而在输出端检测出这一信号。如果信号功率低于此值，信号就被淹没在噪声干 扰之中，不能被可靠地检测出来。 噪声系数是表征接收机内部噪声大小的一个物理量。噪声是限制接收机灵敏 度的根本原因。因此，衡量接收机中信号功率和噪声功率韵相对大小是接收机能 否正常工作的一个重要标志。通常，s 代表信号功率，代表噪声功率，s 和的 比值，叫做“信噪比 。信噪比越大，越容易发现目标。一个实际工作的接收机， 它除了放大天线所输入的信号和噪声外，本身还要产生噪声，因此在输出的噪声 中，除了天线的热噪声外，还有接收机本机的噪声。用表示接收机输入端的 信噪比& 批表示输出端的信噪比，将它们的比值定义为接收机的噪声系数， 用f 表示，即 f ：曼! 丝：堕= 业坐：l 斗l ( 2 1 ) s 哪| n 哪n p 4n 瞻g ok r o , c o 、。 由式2 1 ，实际接收机的输出额定噪声功率帆。曲两部分组成：一部分是输入 噪声功率经接收机放大后的输出以q ，另一部分是接收机内部噪声在输出端呈现 的额定噪声功率a 。噪声系数只适用于接收机的线性电路和准线性电路部分( 即 检波器以前的电路) 。通常情况下p j 。当接收机内部不产生噪声时，f = 1 。显然， f 表征了接收机内部噪声的大小。要想提高雷达接收机的灵敏度，就必须减小噪声 电平，同时还应该使接收机有足够的增益。 2 选择性和工作频带宽度 选择性表示接收机选择所需要的信号而滤除邻频干扰的能力，选择性与接收 机内部频率的选择( 如中频频率和本振频率的选择) 以及接收机高、中频部分的频 率特性有关。在保证可以接收到所需信号的条件下，带宽越窄或谐振曲线的矩形 系数越好，则滤波性能越高，所受到的邻频干扰也就越小，即选择性越好 接收机的工作频带表示接收机的瞬时工作频率范固。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，接收机的工作频带宽 第9 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 度主要决定于射频部件( 射频馈线、射频放大器、频率合成器) 的性能。要注意 的是：接收机工作频带较宽时，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。 3 动态范围和增益 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s 册胁，允许最大的输入信号强度则根据 正常工作的要求而定。当输入信号过强时，接收机将发生饱和而失去放大作用， 这种现象称为过载。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， 叫做接收机动态范围。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、各种增益控制电路等抗干扰措施。 增益表示接收机对回波信号的放大能力，它是输出信号与输入信号的功率比； 有时也用输出信号与输入信号的电压比表示，称为“电压增益 。接收机的增益并 不是越大越好，它是由接收机的系统要求确定的。接收机的增益确定了接收机输 出信号的幅度，在实际接收机设计中，增益及其分配与噪声系数和动态范围都有 直接的关系。 4 幅度和相位的稳定性 在现代雷达接收机中，接收机幅度和相位的稳定性十分重要。在多波束三坐 标雷达和相扫三坐标雷达中，幅度和相位的不稳定性直接影响着测高精度。在单 脉冲跟踪雷达中，幅度和相位的不稳定性直接影响着测角精度。 幅度和相位的稳定性包括常温稳定性、高温稳定性、在振动平台上的稳定性 以及宽频带的稳定性等。 5 中频选择和滤波特性 接收机中频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3 0 m h z 到4 g h z 之间。当需要在中频增 加某些信号处理部件，如脉冲压缩滤波器，对数放大器和可控增益放大器时，从 技术实现上来说，中频选择在3 0 m h z 到5 0 0 m h z 更为合适。对于宽频带工作的接 收机，应选择较高的中频，以便使虚假的寄生响应减至最小。 减小接收机噪声的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的噪声系数增大。 6 波形畸变和工作稳定性 波形畸变是指接收机输出信号波形对其输入信号包络失真的程度，主要是对 接收机的线性度提出要求。 工作稳定性要求：雷达接收机对接收信号的放大量很大，首先应保证不会产 第1 0 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 生自激振荡。此外，当环境条件和电源情况发生变化时接收机性能参数应不受影 响或影响较小。 7 频率源的频率稳定度和频谱纯度 雷达频率源的频率稳定度主要指短期频率稳定度( 一般在m s 量级) ，常常用 单边带相位噪声功率谱密度来表征。实际情况中，接收机本机振荡器频率稳定度 不高，易随外界条件改变而变化，使混频后韵实际信号产生偏差。因此，必须采 用频率稳定度和相位稳定度极高的本机振荡器简称“稳定本振”。 频谱纯度主要包括频率源的杂波抑制度和谐波抑制度，在机载雷达中有时还 要求给出所需信号的频谱宽度。当然，频谱宽度是和单边带相位噪声谱密度相关 的。 8 微电子和模块化结构 采用微电子化和模块化的接收机结构，可以从技术上和工艺结构上大大减少 雷达接收机的体积、重量、功耗、成本。优选方案是采用单片集成电路，包括微 波单片集成电路( m m i c ) 、中频单片集成电路( m i c ) 和专用集成电路( a s i c ) 。 9 抗干扰能力 一 抗干扰能力也是现代雷达接收机的主要性能要求。杂波、干扰会妨碍对目标 的正常观测，从而造成判断错误，严重时甚至会完全破坏接收机正常工作。因此， 为使抗干扰性能良好，一方面是要提高雷达接收机本身的抗干扰性能，如提高系 统的频率和幅相稳定性，采用宽带自适应跳频体制等；另一方面，还需加装各种 抗干扰电路，如抗过载电路、抗噪声调制干扰电路等。 2 2 接收机系统的总体设计 2 - 2 1 接收机系统指标要求 根据超宽带全中频比幅比相测向系统的工作要求，对本课题研究的接收机提 出以下技术指标： 1 射频输入频率：0 抛0 g h z ； 2 中频信号中心频率：6 0 m i - i z ： 3 中频信号带宽：1 0 z ； 4 噪声系数：小于4 0 d b ： 5 动态范围：大于卯d b ： 6 增益要求：输入信号电平5 0 d b m 时，输出幅度：v p - p = i vd ( 0 5 v ) 5 0 f i ； 7 须考虑加入校准测试信号； 暑下变频电路四通道一致性：幅度误差不超过i d b ，相位误差不超过1 0 。； 第 l 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 9 频率源输出本振信号频率：0 4 6 2 0 6 g h z ； 1 0 频率源输出本振信号功率：1 5 d b m ； 1 1 频率源输出的相位噪声：优于- 8 0 d b c h z l k h z 。 2 2 2 接收机系统设计方案 本课题研究的接收机用于超宽带全中频比幅比相测向系统，根据2 2 1 节的技 术指标要求，本接收机系统方案的设计需要考虑以下因素： 1 接收机类型选择的问题 接收机类型选择考虑到以下方面：( 1 ) 超外差接收机可以将接收到的微弱信号 分别在射频、中频、基带部分进行放大，中频高增益放大器和可控增益放大器要 比在射频容易实现；( 2 ) 超外差接收机各通道之间相对独立，可以较方便地控制任 意通道的幅相；( 3 ) 在中频实现信道选择，比在射频上实现对滤波器q 值要求低得 多，方便镜像抑制滤波器的设计；( 4 ) 在中频上a d 采样相对容易n 钔。但是，超外 差接收机最大的缺点就是组合干扰频率多。随着滤波器制造工艺的提高，与天线 相连的预选滤波器会较大程度抑制镜像频率，同时如果能对中频信号带宽进行合 适的选择，中频滤波器会很好地滤除低次组合频率干扰，例如：当信号带宽小于 8 时，通过精心选取高中频滤波器，可保证混频后无低于7 次项以下的低次谐波 干扰信号进入中频放大器n 阳。因此，本接收机采用超外差方案。 2 下变频电路四通道幅