（电子科学与技术专业论文）瞬态极化雷达射频前端设计.pdf

国防科学技术大学研究生院工学硕士学位论文 a b s t r a c t f o r m19 4 6w h e ngs i n c l a i rp r e s e n t e dt h ec o n c e p t i o no ft h et a r g e tp o l a r i z a t i o ns c a t t e r i n g m a t r i x ，t h er a d a rp o l a r i z a t i o nt e c h n o l o g yh a sb e e nr e s e a r c h e df o ra b o u t6 0y e a r s f o rt h es y s t e m o fp r e s e n tr a d a r , t h es t u d yo ft h ei n s t a n t a n e o u sp o l a r i z a t i o nn e ws y s t e mr a d a ra n dt h eu s eo ft h e c o u n t e rt a r g e th i d i n ga n dt a r g e tr e c o g n i t i o nw i l lb ea d v a n c e de s p e c i a l l y t h i sp a p e rb a s e do nt h e p r o j e c to ft h ei n s t a n t a n e o u sp o l a r i z a t i o nr a d a re x p e r i m e n ts y s t e m sd e v e l o p i n g ，w h i c hb e l o n g st o t h es e c o n dp e r i o d9 8 5p r o j e c t s t h i sp a p e r su s e f u l - b a c k g r o u n di st h i sr a d a r sr fs u b 。s y s t e m t h ef r o n t e n dr e c e i v e rs y s t e ma n dt r a n s m i t t e rs y s t e mo ft h i sr a d a rw h i c hi sb a s e do nt h em i c a n dt h em m i ci sd e s i g n e d t h ep a r t so ft h ek e yc i r c u i tb e l o n g st ot h e ma r em a n u f a c t u r e da tt h e s a m et i m ei nt h i sp a p e r 一 f i r s t l y , a c c o r d i n gt ot h ew o r k i n gp r i n c i p l ea n dt h ef r e q u e n c yo f t h ei n s t a n t a n e o u s p o l a r i z a t i o nr a d a r , t h es t r u c t u r eo ft h e2c h a n n e l s2f 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 e r e c e i v e ri sd e c i d e d t h es y s t e mo ft h er a d a rr e c e i v e ri sd e s i g n e d ，a 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 eo ft h es y s t e mi sr 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 e p e r f o r m a n c eo ft h er e c e i v e rs y s t e m s e c o n d 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 m sr e q u e s tt ot h el o wn o i s ea m p l i f i e r m o d u l e t h ed e s i g ns c h e m ea n dc i r c u i ts t r u c t u r eo ft h e3s t e pl o wn o i s ea m p l i f i e ri sd e c i d e d t h e l n ai so p t i m i z e db ym i c r o w a v eo f f i c es o f t w a r ea n ds m i t hc h a r ts t e pb ys t e p t h el n at h a ti s d e s i g n e di sm a n u f a c t u r e d ，a n dt h em e a s u r e dr e s u l t sa r eb a s i c a l l y a c c o r d a n tt on u m e r i c a l s i m u l a t e dr e s u l t s a c c o r d i n gt o t h er a d a rr e c e i v e r s y s t e md e s i g n a n di t ss u b m o d u l e s p a r a m e t e r , t h e a p p r o p r i a t em i c i ss e l e c t e d t h ec i r c u i to ft h er ff 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 ea n dt h ei f f 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 eb a s e do nt h em i c ，i sd e s i g n e d t h e 2m o d u l e sa r e m a n u f a c t u r e da n dd e b u g g e d t h em e a s u r e dr e s u l t sa r eb a s i c a l l ya c c o r d a n tt ot h ed e s i g nr e q u e s t t h e n ，b a s e do nt h es p e c i a lf u n c t i o nr e q u e s to ft h ei n s t a n t a n e o u sp o l a r i z a t i o nr a d a ra n dt h e d e s i g ns c h e m eo fr e c e i v e rs y s t e m ，t h es t r u c t u r eo f2c h a n n e l s2f r e q u e n c yc o n v e r s i o nm a s t e r o s c i l l a t o ra m p l i f i e rt r a n s m i t t e ri sp r e s e n t e d t h ea p p r o p r i a t et r a n s m i t t e rp o w e ri ss e l e c t e d t h e p o w e rg a i n o ft h ea m p l i f i c a t i o na n df r e q u e n c yc o n v e r s i o nc h a i ni sa s s i g n e d ，b a s e do nt h e t r a n s m i t t e rs u mp o w e r t h ed e s i g ns c h e m eo ft h es y s t e mi sr e a l i z a b l e t h er ff r e q u e n c yu p - c o n v e r s i o nm o d u l ea n dt h ei ff r e q u e n c yu p c o n v e r s i o nm o d u l eb a s e d o nm i cw h i c hi si nt h et r a n s m i t t e rs y s t e mi sd e s i g n e da n dm a n u f a c t u r e d t h e2m o d u l e sa r e d e b u g g e d a n dt h em e a s u r e dr e s u l t sa r eb a s i c a l l ya c c o r d a n tt ot h ed e s i g nr e q u e s t t h el a s tc h a p t e ri s p a p e rc o n c l u d i n gr e m a r k s ，w h i c hs u m st h ep a p e rw o r k ，a n db r i n g f o r w a r dt h el a t t e rt a s k 。 一 k e yw o r d s ：i n s t a n t a n e o u sp o l a r i z a t i o n f o r n te n dr fr a d a rr e c e i v e rr a d a rt r a n s m i t t e r l o w - n o i s ea m p l i f i e r ( l n a ) f r e q u e n c yc o v e r s i o nc i r c u i t 第页 国防科学技术大学研究生院工学硕士学位论文 图目录 图2 1 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 中频数字接收机结构j 一8 图2 6 瞬态极化雷达接收机系统12 图2 7 接收机增益分配与动态范围2 1 图3 1h e m t 管器件结构2 3 图3 2h e m t 小信号等效电路2 2 图3 3s 参数模型放大电路2 4 图3 4 工作频带内增益曲线2 6 图3 5 接收机输出端各分量2 7 图3 6 噪声系数及相关增益随频率和漏极电流变化曲线3 0 图3 7f h x l 3 l gs 参数圆图3 0 图3 8f l k 0 1 7 w f s 参数圆图3 1 图3 9 因子仿真结果3 2 图3 1 0f h x l 3 l g 漏极电流和漏源电压关系曲线3 2 图3 1l 直流偏置结构示意图3 3 图3 1 2 直流偏置对射频信号影响3 4 图3 13 三级放大器级联模型3 4 图3 1 4 等资用功率圆和恒噪声系数圆3 5 图3 1 5 输入匹配电路结构图3 5 图3 1 6 输出匹配电路结构3 4 图3 1 7 第一级输入匹配电路匹配圆图3 6 图3 1 8 第一级输出匹配电路匹配圆图- 3 5 图3 1 9 三级放大器电路拓扑结构3 7 图3 2 0 增益仿真曲线3 8 图3 2 1 噪声仿真曲线3 6 图3 2 2 输入输出驻波3 8 图3 2 3 稳定因子仿真曲线“仿真曲线3 7 图3 2 4 低噪声放大器射频版图_ 3 9 图3 2 6 低噪声放大器实物图：3 9 图3 2 8 增益实测曲线4 0 图3 2 9 驻波实测曲线3 9 第i i i 页 国防科学技术大学研究生院t 学硕士学位论文 图3 3 0l d b 输入功率压缩点测试曲线。4 1 图3 31 噪声系数测试原理框图4 1 图3 3 2 噪声系数测量曲线4 2 图4 1 单端混频器结构4 5 图4 2 单平衡混频器结构4 5 图4 3 镜像抑制混频器4 6 图4 4 双平衡混频器结构4 6 图4 5 射频下变频模块4 8 图4 6a t - 2 5 0 性能曲线5 0 图4 7 射频下变频模块电路原理图5 0 图4 8 中频下变频模块5 0 图4 9a d 8 3 6 9 工作电路图5 2 图4 1 0 中频下变频模块电路原理图5 2 图4 1 1 射频下变频模块实物图5 3 图4 1 2 最小增益输特性图5 3 图4 1 3 最大增益电路传输特性5 0 图4 。1 4 第l 、2 组一中频输出频谱5 4 图4 1 5 第3 、4 组一中频输出频谱5 5 图4 16 第5 、6 组一中频输出频谱5 5 图4 1 7 中频下变频模块实物图5 6 图4 1 8 第2 、3 组一中频输出频谱5 7 图4 1 9 第5 、6 组一中频输出频谱5 7 图4 2 0 后级增加滤波器后的输出频谱5 8 图5 1 单级振荡式发射机5 9 图5 2 主振放大式发射机6 0 图5 3 瞬态极化雷达发射机分系统j 6 4 图5 4 低通滤波器和衰减器6 5 图5 5 中频上变频模块结构6 6 图5 6 中频上混频模块电路原理图。6 6 图5 7 射频上变频模块结构一6 7 图5 8 射频上变频模块电路原理图。6 8 图5 9 调制器控制信号产生时序图6 8 图5 1 0 脉冲调制器原理图：6 9 图5 1 1 两级功率放大器7 0 图5 1 2 中频上变频模实物图一7 0 图5 1 3 滤波放大子电路7 1 第i v 页 国防科学技术大学研究生院工学硕士学位论文 图5 1 4 第1 、2 、3 、4 组一中频输出频谱7 2 图5 1 5 第5 、6 组一中频输出频谱7 2 图5 1 6 中频上变频模块输入驻波特性7 3 图5 17 射频上变频模块实物图7 3 图5 18 微波中功率微波实验电路7 4 图5 19 微波中功率微波实验电路增益、驻波测试结果7 4 图5 2 0ld b 功率压缩点测试。7 4 图5 2 1 模块输出频谱7 0 第v 页 国防科学技术大学研究生院工学硕士学位论文 表目录 表2 1 通过低本振混频产生一中频信号的磊频率1 4 表2 2 通过高本振混频产生一中频信号磊的频率1 5 表2 3 通过低本振混频产生- e e 频信号的靠频率1 5 表2 4 通过高本振混频产生二中频信号的厶频率1 5 表2 5 一中频谐波分量1 7 表2 6 中频混频产生二中频的厶i 频率1 7 表2 7 中频混频产生二中频的厶l 频率1 7 表2 8 二中频谐波分量1 8 表2 9 微波低噪声放大模块噪声系数估计2 2 表2 1 0 射频下变频模块器件噪声系数。2 2 表2 11 中频下变频模块器件噪声系数2 2 表3 1f h x l 3 l g 性能表2 9 表3 2f l k 0 1 7 w f 性能表2 9 表3 3f h x l 3 l g 噪声性能3 1 表4 1 带通滤波器特性参数4 9 表4 2h m c 4 7 8 m p 8 6 特性参数4 9 表4 3a d 8 3 6 9 特性。51 表4 4 射频下变频模块变频特性测试结果5 4 表4 5 中频下变频模块变频特性测试结果5 7 表5 1 雷达参数估计值6 3 表5 2 雷达作用距离估计6 3 表5 3h m c 4 7 9 s t 8 9 性能表6 6 表5 4 拟采用的功放器件：6 9 表5 5 中频上变频模块变频特性测试结果7 1 第v i 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，论文中不包含其他人已 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：暧查拯丝重达射叛煎监遮进 学位论文作者签名： 丝錾日期：如7 年，月2 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 许论文被查阅和借阅；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：壁查拯焦重达射麴煎监选i 土 学位论文作者签名：兰量堑 日期：2 口7 年，月27 日 作者指导教师签名：名毖日期：砷年f ， 月多。日 国防科学技术大学研究生院工学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 课题研究背景及意义 雷达是英文r a d a r 的音译，源于r a d i od e t e c t i o na n dr a n g i n g 的缩写，原意是“无线 电探测拶，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 。随着雷达技术的发展，雷达的任务不仅是测量曩标的距离、方位和仰角，而且还 包括测量目标的速度，以及从目标回波中获取更多有关的目标信息l l 】。 雷达是利用目标对电磁波的反射，即二次散射现象来发现目标、测定其位置并且提取 英特梭的。开发与利用电磁波极化信息进雩亍强标特征的提取与识别，是对现代雷达技术发 展的一项挑战。雷达目标极化特征测量作为雷达极化学领域的基础问题，长期以来一直是 雷达探测技术领域倍受关注的前沿问题1 2 1 。准确的散射测量矩阵是各种极化域目标识别技 术韵基础。一般地，磊标的极化特性可以用极化散射矩阵来描述。对于单站雷达而言，极 化散射矩阵是一个二维复矩阵 3 1 1 4 1 。 从发射机结构上来看，极化测量雷达通常可以分为两种体制，即分时极化测量体制和 瞬时极化测量体制【5 】。分时极化测量雷达的发射机通常只有一个射频放大支路，雷达发射 的每个脉冲信号只有一个极化分量，接收枫在两个极化通道对基标脉冲回波进行接收，这 样雷达经过一个脉冲的收发处理可以得到目标散射矩阵的一列元素；在下一个脉冲上，雷 达发射与前一脉冲极化正交的雷达信号，并进行同样的接收处理，即可以得到另- n 元素。 巍予分时极化雷达需要对两个脉冲回波进行处理才可以得到疆标的散射矩阵，所以它存在 藉一些体制上的缺陷。首先发射机的变极化器受隔离度的限制，极化捷变对发射电磁波产 生交叉极化干扰作用；其次，雷达发射的两正交极化信号之间，网标的散射矩阵可能会因 为目标姿态和距离的改变而发生去相关效应，使极化信息处理变得不可能翻。 为了克服分时极化雷达探测霹标特性的这些不足，瞬态极化雷达的出现就菲常具有意 义。瞬态极化雷达由发射机同时发射两路正交极化电磁波脉冲，然后由接收机的两路通道 同时接收目标极化回波信号，如此经过一个脉冲的收发处理就能得到完整的目标极化散射 矩阵，完成嚣标特征识别。瞬态极化雷达对提高雷达系统在复杂战场环境中的探测性能、 感知能力、抗干扰、反隐身和反低空突防等方面具有极其重要的军事价值。在未来复杂多 变的现代战场环境下，宽带、高分辨、多极化已经成为新一代雷达扩大信息来源、提高探 测性能的必然发展趋势。 本论文研究课题所依托的瞬态极化雷达试验系统，属于9 8 5 二期工程的匿标识剐与感 知科技创新平台的目标感知子平台。论文中所设计研制的瞬态极化雷达射频子系统是瞬态 极化新体制雷达试验系统的必要组成部分，它包括了瞬态极化雷达接收机分系统和发射机 分系统。它佟为瞬态极化雷达的射频前端，其性能直接关系着雷达系统的优劣，该子系统 第l 夏 国防科学技术火学研究生院工学硕士学位论文 为后端极化信息处理和验证瞬态极化理论提供了重要的硬件保障。本文在原有经典的接收 机和发射机系统设计方案基础上，结合瞬态极化雷达的工作要求，独立提出脉冲信号的双 通道二次交频设计方案。其中主要电路采用固态化设计，避合了微波电路的发展要求。 1 2 极化雷达国内外动态 从1 9 4 6 年gs i n c l a i r 提出强标极化散射矩阵概念 6 1 以来，雷达极化技术已经经历了六 十年的研究。至今，极化测量雷达在众多领域获得了成功的应用，比较典型的雷达系统有： 美国的m i l l s t o n eh i l l 雷达、s i r - c x 多波段，多极化合成孔径雷达、宽带x 波段空中雷达 目标成像雷达系统( m e p j c ) 、s 波段气象雷达c s u c h i l l 、弹道导弹靶场测量雷达 a n m p s 3 6 、k a 波段机载毫米波极化s a r 系统等；日本去年研制的星载合成孔径相控阵 雷达p a l s a r 、加拿大的r a d a r s a t - 2 合成孔径雷达等等i 5 1 。国内外的文献一般认为雷达 极化技术的发展大致可以分为“马鞍形”的三个阶段：第一阶段从1 9 4 0 年代到1 9 5 0 年代 术期的第一次研究高潮；第二阶段即从5 0 年代末期开始，包括了整个6 0 年代和7 0 年代 的初期的短暂低潮：第三阶段即1 9 7 0 年代至今的再次高潮。 对于现役雷达体制雨言，瞬态极化新体制雷达的研制以及其反隐身和舀标识别的应用 研究将是一个质的飞跃。国内外学术界对雷达目标极化散射特性已经进行了长期两广泛的 研究，积累了相当的研究成果，极大推动了雷达技术和体制的发展。但是，大量的研究都 是面向窄带、低分辨、甚至非相干雷达系统，现有的雷达极化信息处理技术通常也只能适 用予窄带、低分辨场合。国防科大电子科学与工程学院曾为a t r 藿防重点实验室和航天科 工集团二院2 0 7 所研发了毫米波极化测量系统，但该系统为分时发射正交电磁波，同时接 收双极化电磁波体制，不同于瞬态极化雷达系统。国内外并无同类“瞬态极化雷达”设备 和产品。该院在霆内首次提出了“瞬态极化封理论体系，在宽带雷达极化信息处理、军用 目标高分辨极化散射特性、微弱电磁目标极化域检测与鉴别、极化域雷达晷标识别技术等 领域进行了大量的前期研究工作，并取得了一系列重要的基础性研究成果。 舀前国内外市场上无同类设备和产品，必须立足于自研。采用自研方式，可以充分发 挥优势，、将多年研究的理论成果直接应用予实践。 1 3 微波电路发展动态 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 7 1 。回顾微波技 术的发展史，在2 0 世纪五六十年代以前的2 0 多年时间里，由于对半导体材料研究的水平 较低和工艺技术的不足，整个微波领域几乎全部使用微波电真空器件，由这些器件组成的 微波电子线路成为微波电真空电路。自2 9 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 第2 耍 国防科学技术大学研究生院工学硕士学位论文 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 路。在微波半导体器件发展的同时，采用平谣微波传输线( 徼带线) 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( m m i 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 7 1 。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与这些介质基 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 片集成电路则把微波半导体固态器件和无源元件都制作在半导体基片上，其性能稳定，结 构更加小巧，是以上微波固态电路的主要发展方向1 7 1 。 本论文中的电路设计，考虑了工作频段、器件成本、技术水平，菘在不同电路模块中 综合采用了以上三种微波固态种电路形式。 1 4 论文的主要工作及章节安排 论文依托9 8 5 二期工程瞬态极化雷达试验系统研制项目，以其射频子系统为应用背景， 设计了基于m i c 和m m i c 器件的雷达接收机和发射机系统，并研制和加工了其中的部分 关键电路，本文的主要工 乍包括： l 。根据瞬态极化雷达的工作原理，提出了基于m i c 器件的双通道二次变频的超外差 接收机实现方案，并完成了具体方案设计。 2 根据瞬态极化雷达对发射枫的要求，完成了瞬态极化雷达双通道主振放大式发射机 的系统设计。 3 使用m i c r o w a v eo f f i c e 软件完成了x 波段三级低噪声放大器的仿真设计，完成了硬 件的制作、加工和调试，得到了较满意的结果，并根据调试经验，针对原有设计方案提出 了低噪敦设计具体改进措花。 ， 4 通过选用合适的m i c 器件，完成了二次下变频及中频放大电路的设计，完成了硬 件的制作、加工和调试，测试结果满足设计指标。 5 根据瞬态极化雷达对发射机的要求，完成了瞬态极化雷达发射机系统设计，包括主 振放大式双通道设计方案的提出、功率放大及上混频链路的指标分配。 6 完成了基于m m i c 器件的上变频放大电路的设计，完成了电路板的制作和调试， 测试结果符合设计要求。 本文共分为六章： 第章：介绍本课题的研究背景和意义，简要分析了极化雷达的囡内外发展动态及现 状，结合本文的电路设计粗略回顾了微波电路的发展历程和今后发展趋势。 篱3 夏 国防科学技术大学研究生院工学硕士学位论文 第二章：通过几种经典雷达接收机方案的介绍，结合瞬态极化雷达的特殊功能要求， 提出了双通道二次变频超外差接收机方案。对雷达接收机进行了系统级设计和功能模块分 配；详细进行了针对本二次变频体制的信道干扰和信号高次交调分析；并根据雷达指标要 求，对接收机的增益、动态范围和噪声系数进行了指标划分；最后对系统指标进行了核算。 第三章：简要介绍低噪声放大器核心器件及技术指标，结合第二章雷达接收机系统对 低噪声放大器的设计要求，提出三级低噪声放大器的设计方案及电路结构。采用e u d y n a 公司的f h x l 3 l gh e m t 管和f l k 0 1 7 w ff e t 管为核心器件，利用m i c r o w a v eo f f i c e 微波 仿真软件结合传统s m i t h 图解法进行了设计优化。绘制并加工了实际电路和屏蔽盒体，实 测了低噪声放大器的各项性能指标。 第四章：根据第二章对瞬态极化雷达接收机分系统的总体设计及模块指标划分，选择 了合适的m i c 功能器件，对中频下变频模块和射频下变频模块进行了基于m i c 的电路设 计。绘制并制作了两个模块的子电路，组装并调试了两个模块。 第五章：介绍了经典雷达发射机方案，结合瞬态极化雷达的特殊功能要求和接收机的 方案设计，提出了双通道二次变频主振放大式固态发射机方案，通过雷达作用距离的论证， 选择了合适的发射机发射功率。对雷达发射机进行了系统设计和主要功能模块设计，并且 根据总发射功率对发射机放大变频链路进行了功率增益分派。加工并且完成了发射机系统 中基于m i c 的中频上变频模块和射频上变频模块，对两个模块进行了组装和调试。 第六章：对论文工作进行了总结，并且对论文撰写结束后的后续工作做了介绍。 第4 页 蓍骑科学技术大学研究生院工学硕士学缝论文 第= 章鼷态极化雷达接收祝系统设计 2 1 零l 言 在部宪整的雷达系统中，雷达发射机产生的电磁波，经天线辐射刘大气中詹，以光 速在空气中传播，位于天线波束蠢赫物体或器标遇到所辐射浆电磁波，将会爱射部分， 天线接收到瓣徽弱回波，通过雷达接牧机将这部分圜波鸯鼙殴放大艨将射频羹怠转换或撬频 或数字信号，经信号处理和数据处理詹，最终显示出所霈要的目标信息( 8 l 。 雷达接枝枫的主要作用黔是放大和处理雷达发射蜃反射围的所需要回波，并采用在有 蔫煞虱波帮秃焉熬干撬之阕获撂最大鉴裂率鹣方式对霹波遴褥滤波 9 1 。射频接牧机鹣功髓 楚解调经过调制的信号，同时又要保证足够的信嗓比。瞧于光线传输环境熬特殊性，例如 多径效应、路径损耗、时变性等，导致噪声和干扰无处不在，因此射频接收机性能就显得 笼隽重簧溺。雷遮搂枝撬一般是通过预选、教大、变凝，滤波稻解调等方法，爱毯标爱射 燕波信号交成有足够蟥度的视频髂号或数字信号，以满足信号楚避和数据处理的需要。 2 2 现代雷达接收机筒奔 2 2 莲接收执豢冕缒或蠢寨 一般鹁雷达接牧税组成方案大致茸激分毙以下凡辩器键： 毛，超外差式接收桃 这种形式的接收机，使用混频器将离频信号搬移到个低得多的中频频率后褥进行信 遴滤波和放大、勰调，靛磊解决了高频信号楚理所遇霓浆困难，如图2 。薹掰示。依靠周密 黪孛频频率选择弱蒿葫凄麴射频釉孛频滤波嚣，一个精心设计麴外差接收撬萄以：迭到缀高 的灵敏度、选择性和动态范围。有的接收机箍要用两次或多次变频，在瘳个中频频率上逐 步滤波和放大。 超外差式揍救褪哥毁罴黼冬最螽缀正交下变额到基带黪结搦。该结擒角羝遥滤波器 实现僖道选择，摄高了接收枕的集成度。正交变羰也可以应阕在中频，在委交变频之骺， 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要求。 癸差式接收枫豹一个缺点是：鸯予镜像捧制滤波器鞠中频滤波器井接信号要从片辨雩l 避片蠹萼l 塞，所以片上器蒋篱必缬馕置在缎大蕊瞧巍下，数驱动觅源滤波器照低艇摭和驱 动孳l 脚和封装引起的大的容性负载，从而能量消糕增大丽且滤波器工馋频率越高能耗越大 f l 斡。此外，辨接元件之闻翡信号还存在着辐射干扰等闯题，放而避一步降低了接收机的可 靠性。露显瓣特定熬r f 赫准荨孬畜，可交l o 将不嚣鹣频带信号下交频到固定熬孛频。 霉5 茭 国防科学技术大学研究生院工学硕士学位论文 这样i f 滤波器是对特定的标准丽优化的，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丽言，由予载波频率不同，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l 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。 一 强2 1 雷达接收视的一般框图 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的实现方法， 这季睾结构不存在镜像频率，所以不需要镜频翔制滤波器，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 零中频接收枧结构 提高接收机集成度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，不仅 易于集成，而且能耗和所需芯片面积都很小。接收机集成度大大提高。 3 ) 由于信号的放大发生在基带，这进一步降低了能耗。 从零中频接收机可以看出，对于不同通信标准而言，不同载波的信号都下变频至l j 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，所以零中频结梅是适于多通信标准的。 3 j 低中频接收机 零中频接收机的直流寄生失调和l 矿噪声都存在于低频，为了避开它们的干扰，一种 繁6 茭 薯 禳芏剥笠一翟 露悃甲由 国防科学技术大学研究生院工学硕士学位论文 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，不需要高频的带遥滤波器，集成度好，功耗更低；它与零中频接收枫相比， 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一1 2 】【1 3 1 。 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，镜像信号就是毒身，因此对镜像抑制度的要求比较低，丽在低中 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地精确匹配， 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【1 4 】，远远不能达 到要求。因此低中频接收机适用于信号本身在中心频率携带信息，僵对镜像信号的抑制要 求不高的场合。 4 镜像抑制接收机 超外差式接收枫靠变频蓠加滤波器来滤除镜像干扰频率。瑟镜像抑制接收方案是采翔 改变电路结构来抑制镜像于扰频率。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 【格】，其结构如图2 4 所示： 射频输 射频 图2 3h a r t l e y 接收机结构 一p 一 低通滤波器 + k 叩s i i l 2 t + c 。；c ：tl c 。s ( i ) z t 如 低通滤波器 园 频输出 频输出 图2 。4w e a v e r 接收机结构 这两种方案要真正做到抑制镜像干扰的关键有两点：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【1 6 【1 9 1 i 5 宽带中频接收机 第7 页 国防科学技术大学研究生院工学硕士学位论文 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，可以使用低带宽的锁相环，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综合器的相位噪声影响减小，已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【1 9 】。 6 数字接收机 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 为中频数字接收机，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。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。 图2 5 中频数字接收机结构 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 2 2 接收机主要性能指标 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& m 加 第8 页 国防科学技术大学研究生院工学硕士学位论文 来表示。当接收机输入信号功率达到& 肌加时，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，不能被可靠得检测出来。 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的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