（信号与信息处理专业论文）伪随机码调相雷达接收机前端研究.pdf

硕士论文伪随机码调相雷达接收机前端研究 abs t r a c t ther e ce i v er 云 幻 峨 isan n n po比 均 t p alt of r a d 肚 s y 翻 翔 m . itsh o u 】 do per at e the 介 比l en es s si gnalrecei ve d by the ant e 址 ia，add 爬 成 m 访the 加is e . itsperforlnanced i r e c t l y a d 触 c ts th e r 月 山 ars y s t e m ， s w o r k . t h j s p a per des i gns a r 创 笼 i v erfroni川 犯 d i n a m 已 眨 川 团 口 9 明目 e r a d ar at fir st， the th e o ryofp se u d o . r 助d om c 0 d e ra d arisin tr o d u c e dinthe di ss e rt at i 叽 叨d a m 创 由 edofm e as 山 肚 玛angl e isal sop re s 曰 时 ed. t h e n the s c b 曰 叮 e o f th e 化 喊ver 丘 d niis di seus s ed. 钻ththe a d s (ad v anc e d d es i gns y st e m ) so ft w ar e ， the 愈. 供 旧 y po ， 八 江 di v i d 成 l n aand 而x er， w b l chuse s 面 chipo f h m c 412 m s s g， are desi gned. the te stre sult s h o ws th a t the com pon entscan m 喊 the r equ 叮 曰 m ent o f the 丘 。 n t s y 目 记 m. a t l as屯 the l ayo ut sol utio n o f 俪 r 以 笼 i v e r 丘 o n t l s gi ven b as edo n th e co侧pon erltsa bov e. k e 州 o rd: rec e i v erf ron t ， p o 、 v e r d i v i d e r ， l n a， mi x e t， k u b and 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的 研究成果，尽我所知，在本 学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发表或 公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学历而使 用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均已在论文 中作了明确的说明。 研究生签名: 年月日 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以 借阅或 上网公布本学位论文的部分或全部内容， 可以向有关部门或机构送交并 授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容。对于保密 论文，按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名: 年月日 硕士论文伪随机码调 相雷达接收机前端研究 1 绪论 1 . 1研究背景 随着生活水平的不断提高， 雷达技术已不仅仅应用在军事领域， 其应用的环境和 需求也变得多种多样。 以 往许多重复的甚至是人们无法完成的事情， 现在都可以 交给 雷达去完成。比如气象雷达， 手持测速雷达， 舰船导航雷达等等。 可以说， 雷达技术 已 经脱离的单一军事应用的背景， 而渗透到了 人们生活的方方面面. 在某些雷达应用中， 测量距离并不要求很远， 但是需要对目 标进行方位和距离的 精确鉴别， 比如机场管制中的测角定位雷达， 汽车防撞雷达， 装甲车辆上的防护雷达 等等. 它们对于测角精度都有着严格的要求。 在汽车雷达中， 需要雷达完成测距和测 角 的 任 务 来 定 位目 标 位 置 ， 以 便 可以 避开 障 碍 物。 装甲 车 上 的 防 护 雷 达121 川， 要 对 周 围炮弹有实时的探侧能力， 这样才能准确的进行防护， 此外它们还必须能够应用在干 扰较强的环境中。 因此从目 前的发展现状来看， 改善雷达适应环境的能力和提高雷达 测角和测距精度是目 前雷达发展的关键。 本文设计的接收机前端应用于近距离测角或测距雷达系统中， 它负责把射频信号 变换为中频信号， 以 便中频处理器分辨出目 标的角度和距离。 因此接收机前端的性能 直接影响到整个雷达系统的性能. 为了能够适应强干扰的环境， 本文设计的雷达系统 将采用伪随机码调相体制。伪随机码的许多特性使它可以应用在千扰较强的环境中。 关 于 伪 随 机 码的 特点已 经 获得了 广 泛 的 研 究 和 应 用。加 口 . 3 刀 洲 1 . 2国内外发展现状 雷达的基本概念形成于20世纪初。 1 9 22年， 意大利的g . 马可尼发表了无线电波 可能检测物体的论文.1 9 25 年， 美国开始研制能测距的脉冲调制雷达，并首先用它 来测量电 离层的高度. 1938年， 英国己 在邻近法国的本土海岸线上布设了一条观测敌 方飞 机的早期报苦雷达链。 第二次世界大战期间，由于作战需要， 雷达技术发展极为 迅速。1 9 39年， 英国发明了工作在3 0 00兆赫的功率磁控管，并在地面和飞机上装备 了 采用这种磁控管的微波雷达， 使盟军在空中作战和空一 海作战方面获得优势。 近年来， 雷达技术也融入了 人们的日 常生活生活中， 这使的雷 达获得了 更广阔的 发展前景.常见的就是气象雷达、 汽车雷达、 交通测速雷达等。 由 于近距离测角测距的雷达的 广泛应用， 国内 外许多科研机构和企业都在积极 研 制性能更高的 雷达， 来满足不同的应用领域。 在军事领域中， 应用于主 动防护系统中 的 雷达需要实时探测周围的炮弹， 若发现高 速运动的目 标即向目 标所在的方向抛出引 爆物， 使炮弹在远离装甲 车的地方就开始引 爆， 保护了 装甲 车辆. 这种技术是未来战 l 硕士论文伪随机码调相雷达接收机前端研究 斗系统的重要组成部分， 许多国家已 经开始研制这种系统，并且有的已 经装备部队， 比 如法国kb明主动防护系统， 它可安装于各种高技术水平的战车， 如坦克和侦察车， 来抵御各种直射威胁. 2 0 07年5 月雷声公司宣布向美国交付了首批2 部多功能无线 电频率系统 ( m fr咫) ，并将用于集成到美国陆军 快速杀伤主动防护系统中。 在民 用方面， 最为常见的就是汽车倒车雷达， 这种雷达探测到汽车尾部有障碍物 后，就发出 信息，以 提醒司机注意避让。这种雷达的作用距离更短， 通常都在z o 0c口 以内，目 前已成为许多轿车的标准配置，广泛的进入了人们的生活。 1 . 3本文研究工作 本文首先扼要的分析了伪随机码调相雷达的工作原理，阐述了这种体制的优点。 然后分析了接收机前端的各项指标， 对本设计的 特定应用提出了具体要求。 接下 来着重于接收机前端的硬件设计。 在理论分析的基础上，通过计算机仿真， 设计了 接收机前端中的功率分配器、 低噪声放大器、 混频器。 在仿真结果符合指标要 求情况下， 加工制作出实物， 并分别进行了测试。 测试结果表明， 各项指标可以 达到 系统的要求。 因此可以 认为， 各部件装配系统后可以正常工作。 最后， 利用本设计中 的各个部件，设计了本接收机前端的系统方案，并画出了电路板图. 硕士论文伪随机码调相雷达接收机前端研究 2伪码调相雷达接收机分析 2 . 1 伪随机码调相雷达简介 相位编码信号是一种按照某种相位函 数来调制信号相位的信号。 它将宽矩形脉冲 信号分成许多个彼此相接的短脉冲， 每个脉冲的宽度相同、 载频相同的。 但是每个脉 冲之间载频的相位不同，彼此间有特定的关系。 相位编码信号的复数表示一般可以写为: s(t ) = a(t丫 州 ejz 妇= 砷丫 2 妇(2.l.l) 其 中 神) 为 相 位 调 制 函 数 ， 这 个 相 位 函 数 在 子 脉 冲 存 在 时 间 内 是 固 定 的 ， 对 不 同 的 子 脉 冲 它 可 取 不 同 值 。 如 果 相 位 函 数 尹 (t) 只 有 两 个 值 ， 即。 、 二 ， 那 么 对 应 这 个 相位调制函数的信号就称为二相编码信号。 伪随机码调相雷达采用的相位调制函数是一个伪随机序列。 在调相雷达应用中， 为了获得较强的抗干扰能力， 需要在信噪比较低的情况下也能把目 标回波从干扰中提 取出来。 因此需要它在相关处理时其自 相关函数只在某一点上出 现最大值. 随机序列 可以 满足这个要求。 但是由于真正的 二元随机序列的产生和处理都较困难， 实际上能 采用的是在一定程度上满足上述要求的二元伪随机序列。 二元伪随机序列是指， 序列的变化规律是可以 赋予的。 同时， 这种序列也可以 重 复产生。二元伪随机序列具有以下特点: 1 在二元伪随机序列中“ 一 户 数目 永远比“ 十尸 的数目 多一个: 2 .类似二元随机序列的蝉联特性: 3 .具有陡峭的双电平自 相关函数。 典 型的 伪随 机序列是m序列 ( 又 称为最 大长度 序列 ) 、巴 克 码、 oold序列 族、 互 补 序 列、 l 序列、 霍尔 序列 等。叫 以 常见的m序列为 例， 它的 统计 特性与白 噪声的统计特性相近。 .序列可由r 级线性反 馈移位寄存器产生。 它在各种伪随机序列中具有最长的码长。 . 序列的三条 随机特性可以表达如下: 1 . 在每 个周期p = 2 护 一 1内 ， “ 护 出 现2一 1次， “ 1 行 出 现2 问次; 2 ， 每 周 期 内 共 有2 卜 ， 个 游 程 ， 其 中 长 度 等 于1 的 游 程占 游 程 总 数 的 1/ 2 ， 1 1 ， 一 2 ， 此 外 还 有 一 个 长 为 ; 的“ 1 ” 游 程 ， 一 个 长 为 仓 一 1) 的“ 0 ” 游 程 : 3 .具有双值自 相关特性，其自 相关系数为: 1.r = 0 卜1/ 牌 r 一 1 ) = 一 v 夕 ，1 ， 夕 一 1 再以7 位的. 序列为例，它的周期自 相关函数可以表示为: 硕士论文 伪随机码调相雷达接收机前端 研究 r . 闭 p + 1 _ _ 叫 - - 二 犷卜一fj 州， p1 。 引 : 一 p 州 t ， 1 = 0， 1， 2 口 (2. 1 . 2) 其中t 为子脉冲宽度。 ， 口 th er 自 相关函数图形为: 图2 . 1 . 17 位口 序列的自 相关函数 伪随机码调相雷达信号还具有近似的“ 图钉” 型的模糊函数， 其逼近程度随等效 时宽和等效带宽的乘积的增大而增大. 伪随机序列的特性使它得到广泛的应用。 例如， 伪码测距、 导航、 遥控遥测、 扩频通信、 多址通信、 数据加乱、 信号同步、 误码测试、 线性系统测量、天线方向图 测量、 各种噪声源等均可有一定的应用. 本文设计的雷达系统采用采用伪码调相体制进行近距离测角。 利用伪码也可以 在 测角的同时，计算出目 标的距离。 伪码测距的工作原理是，由目 标反射回来的信号由接收机加工还原为伪随机序 列，然后与本地伪随机序列发生器产生的序列进行相关判决。如果二者的相位不同， 相关器将得到很小的输出， 然后序列发生器再移相输出与接收序列进行相关判决， 直 到相关器输出 最大值时， 停止相移。 而此时的相移值就代表了距离。 通常接收到的伪 码序列会被送进距离门 进行相关判决。 这样做的 好处是， 距离判定速度快， 不需要序 列 发 生 器 每 次 都 进 行 相 移 ， 但 缺 点 是 设 备 变 的 复 杂 . 叫 2 . 2近距离测角雷达工作原理 本接收机应用于近距离实时 测角雷达系统， 测角方式为等信号法测角。 等信号法 测角的主要优点 是: ( 1)测角 精度高。 ( 2) 只需按照两个波束收到的 信号的强弱可判 别目 标偏离等信号轴的方向， 便于自 动测角。 本雷达系统测角的具体实现方法是采用 6 天线测角， 其中3 个天线测水平角，另外3 个天线测垂直角。为简要起见，只叙述 水平测角的工作原理. 假设目 标是静止的， 且目 标处在在雷达信号的 覆盖范围内. 图 2. 2 . 1 为3 天线组成的 水平测角系统。 硕 士 论 文伪随机码调相雷达接收机前端研究 图之 2 ， 1 3 天 线测角示意图 设 天 线电 压方 向 性 函 数 为f 矽 ) ， 1 、 2 天 线 波 束的 等 信 号 轴o a 的 指向 为 氏， 则 波束1 、 2 的 方向 性函数分别可写 成: 月 (0 ) = f 俩) = f 扭 + 氏一 氏 )(2 .2. 1) 凡 印 ) = 尸 帆) = f 脚 一 氏 一 风 )(2 .2. 2) 其 中久 为氏与 波束 最 大 值 方向 的 偏 角 . 测 量 时 ， 波 束1 接 收到 的 回 波 信号 u : = 朔娜二 kf帆一 0， ) ， 波 束2 收 到的 回 波 电 压 值u : = kfz 沪 ) = kf(- 风一 乓 ) = 灯帆+ 叹 ) ， 式 中 乓 为 目 标 方向 偏 离 两 临 近 波 束 等 信 号 轴00 的 角 度。 对u ， 和u z 信 号 进 行 处 理 ， 可以 获 得目 标 方向 只 的 信 息 . 一般常用的信号处理方法有: 比 幅法和 和差法。 但是不 管信号用何种方法进行处 理， 都必须使各路输出接收机后， 保持增益相同， 才能 保证各路信号在比 值方面的一 致 性。 由 于信号在本接收机中 只经过了低噪 声放大器和混频器。 因 此针对增益一致性 这一 要求， 有必要对低噪 声放大器和 混频器提出 额外的 指标。 对于 l n a ， 各个支路中的 放大器偏置点 要一致， 否则很可能造成增益的不同。 而 对混频器，由 于其存在着变频损 耗， 因 此也必须 保证各路的 损耗也一致。 本设计中 的 混频器采用的是一块无源的芯片， 除了 射频 端和中频端 外， 还要外接本振功率， 本 振功 率的 大小也会影响到混频器的 变频损耗， 因 此就必 须使各路本振信号保持功率一 致 性。 由 于本振信号是 经过功分器进 入混频 器的， 那么功分器各路的幅度一致性就必 须 提上指标。本测角系统的接收 机前端框图如图2. 2 2所示， 硕士论文伪防机码调相雷达接收机前端研究 图2. 2. 2 本系统的 接收 机前端框图 本系统的各部分的关键指标如下: 系统增益:g之1 4 db l n a噪声系数:刀 f z db 带宽:b 牙之 1 0 0 再 办 五 功分 器幅度差: 0. s db 电 路 板 采 用 ， = 3 ，38， 厚 度h 二 。 5 13 恤 的 介 质 基板 。 各模 块 采用 分 仓 设 计 ， 使 用 s ma接头进行连接。 下面章节将分别对功分 器、 低噪声 放大器、 混频器和系统进行分析。 23雷达接收机性能分析 雷达 接收 机的主 要作用是放大和处理雷达发 射后反射回的所需要的回 波， 并以 在 有用的回 波和无用的 干扰之间获得最大鉴别率的 方式对回波进行滤波。 干扰不仅包含 雷达接收 机自 身产生的噪声， 而且包括从银河系、 邻近的雷达或通信设备以 及可能的 千扰台 接受到的电 磁能， 以 及雷达本身辐射的电 磁波被无用的目 标所反 射的 部分。 当 然， 不同 用途的雷达对于目 标的定 义是不同 的。 比 如对于气象雷达， 其有用目 标为云， 雨等天空中 的自 然信息; 而对于军事雷达， 目 标 将是敌方的车辆、 船只、 或人员个体， 空 间中云 雨的 存在将会影响到雷 达对于目 标的 检测和 搜索。 雷达接收机需要将天线上 硕士论文 伪随机码调相雷达接收机前端研究 接受到的微弱高频信号从伴随的噪声和干扰中选择出来， 并经过放大和检波后， 送至 显示器、 信号处理器或有计算机控制的雷达终端设备中。 雷达接收机可以 按应用、 设计、 功能和结构等多种方式来分类。 但是， 一般可以 将雷达接收机分为超外差式、 超再生式、 晶体视放式和调谐高 频式等4 种类型。 其中， 超外差式雷达接收机具有灵敏度高， 增益高、 选择性好和使用性广等优点， 在许多雷 达系统中 都获得实际应用。超外差式雷达接收机的简 化方框图如图2. 2. 1 所示。它的 主 要 组 成 部 分 是 :l，l ( 1) 高频部分，即接收机前端，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. 图2. 3 . 1超外差式接收机系统框图 由 于接收机是回波信号经过的第一个系统， 因 此接收机对信号的处理过程和处理 质量将显著影响到后期对信号的处理。 比 如接收机前端的噪声影响， 较大的系统噪声 将影响到信号的信嗓比， 如果系统噪声很大， 会使回波信号失去价值， 无法从中得到 有用的 信息。 再比 如接收机的 增益， 由 发信机发出的 微波信号经过长距离的传输， 因 空间 衰减而到达接收端的信号场强已 是很弱了。 至于卫星通信， 到达地球站接收机输 入 端 信号 就更 小了， 通常 只 有几个p w的 数量 级. 如果 接收 机的 增益不 够大， 那么 送 至后期中频处理的信号会变得很小， 导致无法处理。 噪声与增益只是两个比较常见的 指标， 不同体制的雷达系统还会有其它方面的要求。 2 . 3 . 1 嗓声分析 雷达接收机噪声的来源主要分为两种， 即内部噪声和外部噪声。 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。 外部噪声是伴随雷达信 号 进入接收机的各种人为干扰、 天电 干扰、 宇宙千扰和天线热噪声等， 其中以 天线热 噪声的影响最大。 硕士论文伪随机码调 相雷达接收机前端研究 为了明 确表示这些噪声的影响， 可以定义噪声系数为: 接收机输入端信号噪声比 与输出端信号噪声比的比值. 其物理意义表示为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。 对 于 一 个n 级的 级 联电 路， 系 统 总 的 噪 声 系 数 为 :回 _只 一1 =六 十一 - 二 ， - gl 月， 1 = 1 ， 2， 3 二 + 二 二 g : 仇 十 ， .+ 凡一 1 q 认 氏 -l (23 . 1 1) 式中凡为系统噪声系数， 表示第1 级的 噪 声系数， g， 1 = 1 皿 汤二 表 示第1 级的增益。 对于混频器而言，增益即为其变频损耗的倒数。 由 式(2 3.1 . 1) 可以 得 到一个重要的 结论: 级联 系 统中 ，电 路级数越靠前的， 对总 噪声系数的影响就越大。所以总噪声系数主要取决于最前面几级。 本接收机前端由 低噪声放大器和混频器组成， 如图2 :21 1 所示: 低噪声 放大器 混频器 图 设 低噪 声 放 大 器的 增 益为仇 系 数为凡。 根 据式 所 表 达的 意 义 其变频损耗的倒数) ， 2. 3. 1 . 1 接收机前端框图 噪 声 系 数为凡， 混 频 器的 变 频损 耗为与， 噪 声 可得系统总的噪声系数为 ( 混频器的 “ 增益”为 fo= 凡 + 凡 一 1 仇 ( 2 . 3 . 1 . 2 ) 低 噪 声 放 大 器的 增 益 一 般都 必 须 达 到z o db以 上 ， 而目 前 混 频 器 集 成电 路 的凡的 常见 值是8 一12db， 因此可以 看出， 这个系统中， 混频器对整机的噪声性能影响不大， 只有低噪声放大器的噪声系数才具有决定性作用。 因 此重点设计好低噪声放大器的噪 声系数是较为关键的任务。 2 . 3 . 2 灵敏度分析 接收机的灵敏度表征了 接收机接收微弱信号的能力。 接收机的灵敏度越高， 它所 能接收到的 信号就越弱， 雷达的 作用距离就越远. 接收信号的强度可用功率大小来表 示， 所以 接收 机的 灵 敏 度 用 最 小 可 检 测 信号 功 率蠕 来 表 示， 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 被鉴别出 来。 由 于雷达接收机的灵敏度受噪声电 平的限制， 因 此要想提高灵敏度， 就必须尽量减小噪声电 平。 要减小噪声电平， 首先 是抑制外部的 干扰; 其次， 尽量减小 接收机内 部的 噪声。 正是由 于上述原因， 雷达接 收 机 一 般 都 要 采 用 低 噪 声 高 频 放 大 器 和 匹 配 滤 波 。 设 信 号 达 到气 时 的 信 噪比 为m ， 日 硕士论文伪随机码调相雷达接收机前端研究 且 p 忍 画= 匆 界 )(23. 2. 1) 其中从为 输 入端的 噪声功率， 它 包括 两 部分， 即 外 部噪声 功率凡和内 部噪声 功率 凡 ， 它们分别为 凡 ” 机 风(2 .3.2. 2) 凡= 仇一 承几 氏(2. 3.2.3) 其中 乙 为 天 线噪 声 温 度. 因此. 从 二 二 十 、 = 城 凡 卜 一 刹 仪.3.2. 4) “ = kto : 。 一 会 )m ( 2 .3 . 2 . 5 ) 由 于 接 收 机的 等 效 噪 声 温 度兀= 仇一 1 执， 雷 达 系 统 的 噪 声 温 度t = 兀+ 乙， 所 气 = 无 乃 民 材 (2.3 . 2 ， 6 ) 为了 比 较不同 接 收 机 对灵 敏 度 的 影 响， 令m= 1 ， 并 取乙= to ， 此时 可 得到 5 .” kto凡f.= k tb. ( 2 . 3 . 2 . 7 ) 此时，召 响称为“ 临界灵 敏度” ， 它是 衡量 接收机性能的主 要参数， 临界灵 敏度 主 要与 接收 机的噪声 带宽b ， 和 噪声 性能 有关。 通常接收机的灵敏度用功率来表示，并以d 肠来计值， 即 、= :。 19 互 烈 翼 = 一 : :4 十 :。 :9 凡 + 凡 俩) 。 3 .2 .: ) i u - 2 . 3 . 3 动态范围分析 动态范围表示接收机正常工作时， 所允 许的 输入信号的强度变化范围。 所允许的 最 小 输 入 信 号 强 度 通 常 取 最 小 可 检 测 信 号 蠕 ， 所 允 许 的 最 大 输 入 信号 强 度 则 根 据 正 常 工作的要求而定。 当输入信号 太强时， 接收机将发生饱和与过载， 从而使较小的目 标回 波显著减小甚至丢失。 为了 保证信号不论强弱都能正常接收， 就要求接收机的动 态范围大。 表征动态范围的常用参数是l db 压缩点和无失真信号动态范围。 对于放大器而言， l db 压缩点的的定义为: 增益下降到比 线性增益值低l db 时的 硕士论文伪随机码调相雷达接收机前端研究 输出 功 率 . 在典 型 情况 下， 当 功率 超 过君 。 后， 增 益 将 迅 速 下降 ， 达 到 一 个 最大 的 或 完全饱和的输出功率。 假 如 输 入 一 个 双 音 调 输 入电 压， 它 含 有 两 个 靠 的 很 近的 频率叭 ， 叭. 当 这 个电 压 进 入 非 线 性系 统 后， 这两 个 频率 会 产生 互 调 产 物. 这 些 互 调 分 量中 ， 频 率 为叭 一 仇 和2 口 2 一 口 ， 的 分 量由 于 距 离中 心 频 率 较 近， 使 得 它 们 难以 从 滤 波 器 中 滤出 ， 因 此 这 两 个分量的幅度大小必须被限制住， 使其对系统的影响较小。 因此定义3 阶截断点: 在 双对数坐标上， 画出1 阶和3 阶产物的 输出 功率变化曲 线， 由 于这两条曲 线有不同的 斜率，因此它们会相交， 其交点典型地在压缩开始点的上方。这个假想的交点称为3 阶 截 断 点 。 网如 图2. 3. 3. 1 所 示 点 断 截 丫 /识. 沙， j ， ， 二 尸一， 压编 夏 一叶沪厂声 一卜护 2耐对 叹声本底 -30却 月 和 . 用 ) 图2. 3. 3. 1 三阶截断点示意图 对于 低噪放或混频器， 在其工作范围内， 应该定义交调失 真的程度变得不可接受 时， 其输出 或输入功率的值为上限。 这就定 义了 无寄 生动态范围。 无寄生动态范围的 上限定义为3 阶交调产物的功率等于元件噪声电平时的最大输出 信号功率。 一个雷达接收机， 其动态范围是有其中的 各个部 件所决定的。 如本系统中， 低噪 声放大器和混频器都有它们各自 的动态范围。 因此整个前端系统的动态范围 就有它们 来 决 定 . 级 联 系 统 的 截 断 点 公 式 表 示 为 。 = 劣+ 幼 一 ， 其 中 为 第 一 级 的 ， 阶， _ 一 ， - - - - - - - - -一气 g z 凡 药 少 截 断 点 ， 耳 为 第 二 级 的 3 阶 截 断 点 ， 仇为 第 二 级 的 增 益 . 倒 2 . 4本章小结 本章首先扼要介绍了 伪码调相雷达的 特点， 然后描述了 一个采用伪码调相的 近距 离测角 雷达接收机前端。 结合这一实例， 分析了 该雷达系统的 工作方式和接收机主要 硕士论文伪随 机码调相雷达接收机前端研究 的性能指标， 并对接收机前端提出了 指标要求， 为以下各章电路仿真提供了理论依据. 后面的几章， 将根据这些指标进行功分器、 低噪声放大器和混频器的设计。 硕士论文伪随机码调相雷达接收机前端研究 3功分器设计 功分器可以 将输入功率按一定的比 例分配到各分支电 路中，例如对相控阵雷达， 要将发射机功率分配到各个发射单元中去: 在接收 机中 要将本地振荡源功率分到 接收 混频电 路中等。 在本设计的雷达接收 机前端中， 功分器起到后者的作用。 事实上， 要将功率进行分配，也有几种方法。 比如祸合线定向祸合器、 比n g e 藕 合器等， 它们都是一种具有方向 性的功率分配器， 它利用矢量场叠加原理使祸合到副 线中的波在其中一个端口同相叠加形成祸合口， 在另一端反相抵消形成隔离口。 威尔 金 森 功 率 分 配 器由e . j . ，i i k i n s on于1 9 65年 提 出 川 ， 它 通 过 在 输出 端口 处 加 隔 离 电阻吸收奇模电压而产生隔离作用。 虽然威尔金森功率分配器和各种祸合器都可以 用 作功率分配， 但是它们的特点并不完全相同。 从表面结构看， 祸合器的结构较为复杂， 在单级祸合带宽不理想的 情况下， 增加祸合级数， 会使结构变的更为复杂。 并且在以 后的 仿真和测试阶段， 其调试也不方便。 而威尔金森功率分配器的结构比 较简单， 在 带宽指标不好的情况下， 增加四 分之一波长的节数也比 较方便。 由 于本设计中的功分 器是1 分6 路的结构， 端口 较多， 威尔金森功分器结构简单的特点也更适合于本系统 功分器的设计. 理论情况下， 威尔金森功率分配器可以 分出 任意多 个输出端口。 但是其隔离电 阻 的放置只有在立体的结构下才会比 较方便， 在平面结构中，多于2 个的 输出端口 数目 将会使隔离电阻的摆放变的不方便。 在本设计中采用的是平面微带线结构， 基本思想 是首先设计一个1 分3 的功率分配器， 再把两个1 分3 的功率分配器进行并联， 就得到了 1 分6 的功率分配器。 由于级联的缘故， 只要适当选取各节的特征阻抗， 就可以 扩展功 分器的带宽， 这对指标是有利的。 综上所述， 设计的 难点就落在了 如何设计1 分3 功分 器的问题上. 本设计中的功分器要求各路的幅 度差不超过0 . s db， 隔离度在一15 db以下， 工作 在1 4 g h z . 3 . 1 功分器方案选择 对于1 分3 的功分器设计，笔者曾考虑过以 下几种结构: 硕士论文伪随机码调相雷达接收机前端研究 ( c ) 图3 . 1 . 1功分器结构方案选择 图中a 的结构是最为简单的， 但是实际上它的隔离电阻用到了4 个， 若是再将两 个同 样的电 路并联， 那么隔离电 阻的 数目 将达到8 个。 如此多的隔离电阻不仅会给后 期的 加工产生困 难， 而且更会增加功分器的 损耗。 另外， 其中间一个支路将会不容易 摆 放， 因 为电 阻 必 须 加在刀 4 处， 而由 于 每 节 都 是刀 4 ， 中 间 一条 支 路 在实 际 设 计中 会出 现 蛇 行 线的 形 状， 这 对本 来 就 只 有3 mm 的砂 支路 变 得不 易 加 工。 图 b 称 为“ r ec o mbin an t po 明 肥 r divider” . 121 对比 可 知 ， 该 结 构 是 最 复 杂 的 ， 其 中 还涉及到了功率的合成. 但从文献以及本人所仿真的结果来看， 该结构对于插损、 隔 离 度、 回 波损耗， 带宽等指标有非常好的性能。 尤其是隔离度， 在某些频段内能 够达 到一3 0 db 的效果。但是，在进行板图 设计的时候，其中的功率合成部分遇到了很大 的 麻 烦. 因 为电 路中 ，人 、1 : 的 修改 都 将 使 得1 ， 、 1 : 、1 3 的 接触点 不 对 称， 于是 这 三 者的调整变得非常困难。 图c 有着与图b 类似的分配方法， 只是省去了 功率合成的部分， 而改为功分器级 联。 由 此带来的好处是， 假若要调节电 路中 各节阻抗， 将会变的非常容易， 因为它们 的 位置是 独立的， 调整单节微带线将不会影响到其它的位置。 并且， 注意到该结构中 只 用了 两个隔离电阻， 这也方便于加工。 在本人的仿真设计中， 该结构的电 路也获得 了比较好的效果。 因此综上所述，选择图c 所示的结构，是比 较适合的。 3 . 21 分6 功分器的电 路模型 图3 . 1 . 1 中结构c 输出为2 的端口 进行1 的功率分配方法为，先对输入功率进行 :l等分， 这样电路便是3 等分的输出了 1 :2比例的分配，再对 。 将两个1 分3 的功率 分配器进行并联，并且考虑隔离电 阻的合理摆放位置， 可以 设计出 如图3. 2 . 1 所示的 功分器: 硕士论文 伪随机码调相雷达接收机前端研究 图3. 2 . 1由 两个1 分3 功分器并联得到的1 分6 功分器 图3. 2. 1 中所示的微带线长度都是又 14，而各节的特性阻抗若按照一定的关系进 行 设定 ， 就 可以 扩 展 功分 器的 带 宽. 2 3 、 2.、 2 ， 的 加 入是 为了 便于 在 之后 可以 分出 下一节的支路。下面的讨论将阐述如何确定各节微带线的特性阻抗乙 3 . 3传输线等效电路 图3. 2. 1 所示的功分器电 路中 节数较多，因此采用等效电路的方法来分析各节的 阻抗。分析中需要用到并联导纳矩阵的 等效电路和a b c d矩阵的级联和并联的等效 电路。 3 . 3 ， 1 传输线导纳矩阵 图3. 3. 1 . 1 表 示由 一 段长 为1 ， 特性 阻 抗为20的 微 带 传输 线 所构 成的 二 端口 网 络， v ， 和11 表 示 流 入1 端口 的 电 压 波 和电 流 波， v z 和几 表 示 流 入2 端口 的电 压 波 和电 流 波. 并且以2 端口 处作为传输线的 起始点， 往1 端口为正 方向. i 端口1端口 2 20， 夕 图3 :31 . 1传输线的二端口网络 根 据 二 端口 网 络 导 纳 矩阵 的 定 义， 可以 求 得 传 输 线 导 纳 矩阵 为:冈 硕士论文伪随机码调相雷达接收机前端研究 、 = 反之 ) = (3 3 . 1 ， 1) 将两个这样的传输线进行并联，根据网络并联理论，得到的总的导纳矩阵为: -jjo一。矛 一卜c一卜一 7月一，山-7刊一，扮 y= 儿十 yo= ( 3 .3 . 1 .2 ) 可以 看 到 等 式 最 右边的 式 子 是 一 个 阻 抗为20/ 2 ， 线长 为1 的 传 输线的 导 纳 矩 阵。 因 此 两 个 并 联传 输 线的 导 纳 矩阵 可以 等 效 为 一 个长为1 ， 特 性阻 抗 为20/ 2 的 微 带 传 输 线，等效关系用图3. 3. 1 .2 来表示: i + 卜 一 一一 一 .一! 十 卜干 卜阅 瞥 凡/ 之 夕 。 叫曰 一二一 一 了 一 一 州- 图3 3 . 1 .2传输线并联等效矩阵 观察 其中的特征， 可以 看出 两个具有相同 特征阻抗的传输线进行并联连接， 与低 频电 路理论中的两电阻的并联特性相似，即其并联后的阻抗都为原来的1 /2。以 后在 公式推导中将利用到这个结果。 3 . 3 . 2 传输线的八 砚d 矩阵 如 图3. 3 . 1 . 1 所 示 的 传 输 线 二 端口 网 络， 它 的a b c d 矩阵 为 :冈 脸 := 障 jz0 sin声 cos 尽 (3.3.2. 1) 将 两 个 特 性 阻 抗 分 别 为z t ， 2 2 且 长 度 都 是1 的 传 输 线 级 联 ， 如图3 .3. 2 。 1 所 示 硕士论文伪随机码调相雷达接收机前端研究 挤岌匕邢台井兰牛秘一 vzv . 几， 刀 图3 .3. 2. 1 传输线的 级联 则每一级的刁 刀 c d矩阵分别为: jz: sin月 cos 夕 (3.3 2. 2 ) cosw型乙 r.es月se.l 一- 1胜.j 几几 1 co s 月 钊立 些 丝 l z2 jzz s in月 cos 口 (3. 3 .2 . 3 ) 几几 人q 级联后总的刁 刀 c d矩阵为: ab (z ， + 2 2 ) 几 a z + 2 1石 2 ( 3 .3 .2 .4 ) 凡几 人q r.es.l . ，.lesesj 几马 人q 乙几 其中a = j s in 尽，b = co s 那。 把a b c d矩阵转化为导纳矩阵为: ， 1孕华逃 “ 哩 呈 全 lab必 + 几) ( 3 . 3 . 2 . 5 ) 珠几 与 式 (3.3 .2. 5) 类 似的， 可以 求出 特 性阻 抗 分 别 为2 乙 和2 几， 且长 度都 为1 的 传 输 线级联时的注 刀 c 刀矩阵为 几 b z + 乙 a z (3 . 3 .2. 6) z l za b (z . + 2 2 ) 几 a ， + 乙 西 ， r.，.，.es.j.，l - ，.，ij 瓦乓 成暇 r.il * ，ij 斌侧 城叮 尸.胜.，l ，.!ij bd 2 2 1 2 2 再 将式 (3 .3. 2， 6) 转换成导 纳 矩阵， 得到: 硕士论文伪随机码调相雷达接收机前端研究 ，!.j 爪几 荞乙 r.es.l 1一2 一一 ，.les.se.j z z a z + 乙 吞 2 z a b 乙 (zl+ 2 2 ) 一1 z a b (z 。 + 2 2 ) (3. 3 . 2 . 乃 - 珠几 由 式 3. 3 .2. 7) 可以 看出， 若将两个级联传输线并联， 其网络矩阵等效为原对应传 输线阻抗的一半。 上述推导结果可以用图3. 3. 2. 2 来清晰的表示。 图3. 3. 2. 2传输线级联后的等效模型 上述结果也可以 推广到多个传输线级联的情况. 3 . 4二 项式匹 配理论 图3 :4 1 为 一 个 源阻 抗为2 。 ， 负 载为2 : 的 多 节阻 抗 变 换 器， ro下 矽r 厂 二 奋几- 石 户r n ee 蔺 驴 图3. 4 . 1 负 载为2 : 多 节阻 抗变 换 器 假 定 从 变 换 器 的 一 边到 另 外 一 边， 所 有 的 凡都 是 单 调 递 增 或 递 减 的 ， 而 且凡都 是 实 数 . 这 意 味 着 所 有 的几都 是 实 数 而 且 符 号 相 同 ( 若zl 20， 则几 。 ; 若几 20， 则rff 0 ) 。 于 是， 可以 得到总的 反 射系数 近似为 r (a ) = ro 十 兀 e 一 e 十 几 尹 e + 一 十 几 e 一 ” (3 :41) l 7 硕士论文伪随机码调相雷达接收机前端研究 二项式匹配变换器的通带响应在给定节数的意义上说是最佳的， 在接近设计频率 处， 响应会尽可能的 平坦. 这种响应的n阶变换器是通过设置 在中心频率几处， l r (8) f 的前n 一 1 阶导数为零而设计的。假如令 i r(0) 卜 从1 十 。 一) ”口 .4. 2) 再 令f o0 ， 就能 够确 定出 常 数a . 因为 对于f = 。 ， 所有节的电 长度都是 零， 所以常数a可表示为 才 二 2 一 、 兰 三 二 兰 旦 2 : + 20 (3一4 . 3 ) 按照二项式将式(3 .3. 2) 中的l r 归 ) 1 展开为 r 网= a (l + e 一 ， ， e ) 万 = a 艺 伴e 一 功 a (3 .4. 4 ) 、 二_ 。n!。_“， 两 甲， 认 =， : : - - 二 丁 二，足一柳从 俐尔狱 。 吸 刀一 n ) 三 n ， 于是式(3 .4. 4) 与式( 3 4 . 1 ) 相等，即 r( 的 = a 艺 伴e 一 2 川= ro + rl e 一+ 几 洲 je +. 二 + 几 e 一 2 州 (3.4. 5 ) 等 式 两 边 对 应 相 等 即 可 求 出 各 节 的 反 射 系 数， 几= a 叮， 进 而 求出 特 征 阻 抗2 。 . 因 为几较小， 所以 可以 写出 几 漫 策 会 二 工 in 丛 2几 (3:46) 因为x 二 双 x 一 1) /( x + d. 于是， 可以 写出 in 丛 。 z 二zrisza 小2(z 一 )黯。2一 叮 “ 会 ( 3 .4 . 7 ) 用 此 式 可 以 求 出 2 。 ， ， 从 n = 0 开 始 . 网 3 ， 5电路分析 在偶模情况下， 由于隔离电阻两端等电位， 因此隔离电阻可以忽略其对整个电路 的影响 以把图 。于是在偶模作用下， 3 :21 进行等效变化， 根据3 3节导出的并联传输线特性和级联传输特性， 可 得到如图3. 5. 1 所示的等效电路 硕士论文伪随机码调相雷达接收机前端研究 图3. 5. 1功分器等效电路 ( 偶模作用下) 图中各节微带型长度仍是又 /4。图( a) 中各个输入输出端口的阻抗都是50q. 通过等效的变换后，得到的图 (b) ，左边的输入端口阻抗不变仍是500， 而输出端 口 的 阻 抗 变 为5 0/ 6 q 。 这相当 于 是 一 个阻 抗 变 换 器。 而各 节 阻 抗将 通 过二 项 式 变 换来 得 到 。由 于同 一 个阻 抗 变 换 器 可以 从zl匹 配 到20， 也能 用以 匹 配几到2 : ， 因 此为 了符合习惯， 把图3 :51 中的图 (b)倒置，得到图3. 5 .2所示的阻抗变换器， 图3 :5 倒置后的 等效阻抗变换器 根据3. 3 节所做出的二项式匹 配推导， 最后可求得: a = 4 9 . 3 0 5 0，b =科. 703 q，c =3 3 . 3 1 7 q d = 2 0 .4 1 2 q，e = 1 2 . 5 06q，f= 9 . 3 2 0 8 0 9二8. 450 8 0 根据3. 3 节所得出的并联传输线等效电路结果，图3 .5.1 中图 (b) 和图 (a)可 以得到如下个关系: _2.。2. 乙.=a， 一=0， 一=c 22 (3:51) 对 于2.一 乙 ， 的 求 解， 可以 把图3 :51 中 的(a ) 图 用图3. 5. 3 来等 效， 硕士论文伪随机码调相雷达接收机前端研究 3 00 0 图3. 5. 3功分器等 效电 路 而图 ( b )可以用图3 .5.4 来等效， 图3. 5. 4阻抗变换器的 等效电 路 图3. 5. 3 和图3. 5 滩中的电 路都为并联关系。 于是图3. 5. 3 和图3. 5. 4 可以对应相等， 从而得到 各段微带线的特性阻 抗和线宽， 如表3. 5 . 1 所示: 乙z2几乙几z.乙 阻抗对应 a 2b2 c3 d6d6e3 心 阻抗，0 4 9 . 3 0 58 9 . 4 066 6 。 6 3 46 1 . 2 3 61 2 2 . 4 7 27 5 . 0 3 63 7 . 5 1 8 线宽， 画 1 . 9 50 . 621 . 1 5 31 . 3 50 . 2 50 . 9 12 . 9 5 表3 :51功分器各节阻抗值 硕士论文伪随机码调相雷达接收机前端研究 z.几乙。2 1 1 阻抗对应6 f6 f6 g6 g 阻抗，05 5 . 9 2 5 5 5 . 9 2 55 0 . 7 0 55 0 . 7 0 5 线宽，回】 1 . 5 81 . 5 81 . 8 61 . 8 6 表3. 5 . 1续 对于隔离电阻的阻值求解可以按照奇模理论来分解电路， 由于本设计中的功分器 的端口 和节数都比较多， 因此采用部分分解的方法来求得各隔离电阻值。 在功分器中， 隔离电 阻只在奇模情况下才起作用， 因 此为了分析的简洁， 将省去偶模的分析，