（电子科学与技术专业论文）简易海面防撞雷达接收机设计.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 ep r i m a r yf u n c t i o no f r a d a rr e c e i v e ri st os e l e c tt h ew e a kh i g hf r e q u e n c ys i g n a l r e c e i v e db yt h ea n t e n n af r o mi n t e r f e r i n ga n dn o i s e ，a n dt h e nt r a n s f e ri tt om o m t o 墙o r c o m p u t e rc o n t r o l l e dr a d a rt e r m i n a l sa f t e ra m p l i f y i n ga n dd e m o d u l a t i n g f r o mt h e p o i n to fl o wc o s t ，s i m p l e c i r c u i ta n de a s yr e a l i z a t i o n , a n dt om e e tt h es y s t e m r e q u i r e m e n t sa n di n d i c 髑o ft h eb a s i cs h i pc o l l i s i o na v o i d a n c er a d a r , t h et h e s i s p r e s e n t e dt h ep r o d u c i n gp r o c e s so fe v e r yu n i tc i r c u i t sa n do v e r a l lc i r c u i t s ，m a i n l y f o c u s e do nt h es t u d yo f t h ef u n c t i o na n ds t r u c t u r eo f t h el o wn o i s ea m p l i f i e r , f r e q u e n c y s y n t h e s i z e ra n dt h ei n t e r m e d i a t ef r e q u e n c ya m p l i f i e r , t h ec i r c u i to fw h i c hw e r e 勰i o a n a n l y z e d a n d d e s i g n e d r e s u l t s s h o w e dt h a tt h e d e s i g n m e tt h e s y s t e m r e q u i r e m e n t s t h e r e f o r et h ee x p e c t e dr e s u l t sh a db e e na c h i e v e d f i r s t l y , t h em a i nt e c h n i c a lp a r a m e t e r so fl o w - n o i s ea m p l i f i e rw e r ea n a l y s i z e d , a n d t h e n , al n aw a sd e s i g n e da c c o r d i n g t ot h e r e q u i r e m e n t so ft h es y s t c m , a t l a s t , s i m u l a t i o nr e s u l tw a ss h o w nb ym w o i nt h i st h e s i sal n aw i t h3 0 d bg a i na n d l e s st h a n2 d bn o i s ef i g u r ew a sr e a l i z e d b yc o m p a r i n gt h et h r e er e a l i z a t i o nm e t h o d so ff r e q u e n c ys y n t h e s i z e r , t h et h e s i s a d o p t e dt h ep i 工p l a n a r e rt h a t , p r i n c i p l eo fp i 工w a se x p o u n d e d , a n dt h el o o p s 1 1 u c t i t r ew a sa n a l y z e d , b a s e do nw h i c ht h ed u a l - f r e q u e n c ys y n t h e s i z e rw a sd e s i g n e d a n dr e a l i z e d , e x p e r i m e n t a lr e s u l t sw l a l - ep r e s e n t e d 嬲w e l l i nt h ed e s i g no f t h e a g ca m p l i f i e r , t h et h e s i si n t r o d u c e dt h ec l a s s i f i c a t i o na n d o p e r a t i o n a lp r i n c i p l eo fa g c t h ep m e t i c a lo p e r a t i o n a lb l o c kd i a g r a ma n dr e l a t e d c i r c u i t sd i a g r a mw e r ep r e s e n t e d t h i sp a p e rr e g 盯d e dr f 3 3 3 0a n dm a x 2 0 1 5 勰m a i n c h i p ，a n dp a r t i c u l a r l ye x p o u n d e dt h ec i r c u i to fa m p l i f i e ra n dd e t e c t o r t e s t e dr e s u l t s s h o w e dt h a tt h ei fa g ca m p l i f i e rh a dt h ec h a r a c t e r i s t i c so fc r e d i b l ec o n t r 0 1 t a k e i n g u ps m a l lr o o m , t h i s1 fa m p l i f i e rw a sh i 曲i n t e g r a t e d , a n de a s yt od e b u g k e yw o r d s = r a d a rr e c e i v e r l o wn o i s ea m p l i f i e r f r e q u e n c ys y n t h e s i z e r i fa m p l i f i e ra g c v 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 表目录 表2 1 各单元模块预计指标 表3 1 驻波比、回波损耗、反射系数之间的换算表1 5 表4 ，1s i 4 1 3 3 压控振荡器特往 表5 1 输入功率与增益关系表 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 图1 1 图1 2 图1 3 图1 4 图2 1 图3 1 图3 2 图3 3 图3 4 图3 5 图3 7 图3 8 图3 9 图3 1 0 图3 1 1 图3 1 2 图3 1 3 图3 1 4 图3 1 5 图3 1 6 图3 1 7 图3 1 8 图4 1 图4 2 图4 3 图4 4 图4 5 图4 6 图4 7 图4 8 图4 9 图4 1 0 图目录 雷达接收机的一般框图。1 零中频接收机框图。2 h a r t l e y 结构抑制镜像频率3 w e a v e r 结构抑制镜像频率3 接收机原理图1 0 工作频带内增益图 接收机输出端各分量 p l d b 随频率变化曲线 l i p 3 随频率变化曲线 o i p 3 随频率变化曲线 $ 2 1 随频率变化曲线 s l l 随频率变化曲线 s 1 2 随频率变化曲线。 $ 2 2 随频率变化曲线 应用电路图。 增益随频率变化曲线 s 1 1 随频率变化曲线 。1 8 。1 8 s 1 2 随频率变化曲线2 0 $ 2 2 随频率变化曲线 s g l 0 1 6 3 评估板 l n a 实物图 放大器增益特性测试结果。2 4 锁相环方框图 正弦鉴相器模型2 9 压控振荡器的模型3 0 频率合成器结构框图 s i 4 1 3 3 功能框图。 输出匹配网络 控制流程图 1 1 6 g h z 频率输出 1 0 0 m h z 频率输出 频率合成器实物图 3 5 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 图5 1a g c 环路分析模型 图5 2a g c 线性模型 图5 3v c c = 5 0 vf ：5 0 m i - i zi p 3 随增益变化曲线。 图5 4 图5 5 图5 6 图5 7 图5 8 图5 9 图5 1 0 图5 1 l 图5 1 2 图5 1 3 图5 1 4 图5 1 5 图5 1 6 图5 1 7 图5 1 8 图5 1 9 图5 2 0 。3 7 3 9 v c c = 5 0 vf = 5 0 m i - - i z 增益随v c , - c 变化曲线4 l v c c = 5 0 vf = 5 0 m h zi p 3 随v g - c 变化曲线。4 1 i ，c 分支线型耦合器。 低通滤波器 二极管检波原理图 检波模式典型应用电路 控制模式典型应用电路 自动增益控制环路系统框图 输入功率与输出电压关系 射频脉冲响应 不同电压下的s 儿参数 不同温度下的s 1 i 参数 加法电路构成减法器。 差分式减法器。 4 2 4 2 4 3 4 4 4 5 4 5 4 5 低通式l 型匹配电路 输入端巴伦连接图 输出端巴伦连接图 图5 2 l中放部分电路图 图5 2 2 电路设计流程 图5 2 3 中频自动增益控制放大器实物图 图5 2 4 输入输出功率曲线。 4 5 4 6 4 6 4 7 4 8 4 8 4 9 5 2 v 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 学雠嫦者獬：监车_ 魄加6 年，月m 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 ( 保密学旨文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：主竖蓝 作者指导教师签名：喜i 彭氢i 公 日期：9 毋f 年月，亏日 日期：伽咿绰t t b r a 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 第一章绪论 航海雷达是装在船上用于航行避让、船舶定位、狭水道引航的雷达，亦称 船用雷达。航海雷达在能见度不良时为航海人员提供了必需的观察手段。它的 出现是航海技术发展的重大里程碑 1 9 0 4 年德国工程师胡尔斯迈耶制成能发射和接收电磁波以探测船舶的装 置，但因作用距离不到l 英里，未引起重视1 9 3 5 年法国班轮“诺曼底”号最 先安装航海雷达，其天线不能旋转，用以探测前方冰山3 0 年代末，英国和美 国制成船用米波对空搜索雷达。第二次世界大战期间，研制了厘米波对海雷达 1 9 4 0 年英国人兰德尔和布特制成空腔磁控管，解决了微波源问题。1 9 4 1 年美国 首先制成带有平面位置显示器的脉冲微波海面搜索雷达。这种雷达在第二次世 界大战的反潜艇作战中发挥了重大作用，战后用作商船航海雷达，以保证航海 安全6 0 年代末到7 0 年代初出现了自动雷达标绘仪，进一步发挥了雷达在避 碰上的作用，得到广泛应用 1 1 雷达接收机简介 1 1 1 常见的接收机方案 接收机有许多种实现方案，根据结构，大致可分为以下几种： 1 超外差式接收机 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所遇到的困难。利用高品质的射频滤波器和 良好频率选择性的中频滤波器，一个设计良好的外差式接收机可以达到很高的 灵敏度、优良的选择性和较大的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 图1 1 雷达接收机的一般框图 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 图1 1 为超外差雷达接收机的一般系统框图。天线接收到的信号首先通过 选频网络即镜频抑制滤波器选频，滤除干扰信号( 特别是镜频干扰信号) ；经低 噪声放大器放大后送到混频器下变频，彳导到中频信号；中频信号经中频放大器 放大后解调输出基带信号外差式接收机的主要特征就是在电路上具有变频器 和中频放大器 超外差雷达接收机的优点是灵敏度高、选择性好、调谐简便、稳定性好， 特点是把高频信号下变频为中频信号后再进行放大，中频的频率较低，容易做 到高稳定性和高增益；通带可以做得很窄，选择性较好；此外中频频率相对固 定，不随发射信号频率变化，因而可以采用简便的固定调谐。缺点是易受到中 频干扰和镜频干扰，应采取镜像抑制或采用多次变频缒方法。 2 零中频接收机 零中频接收机是最简单的实现方法，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结构如图1 2 所示。 零中频接收机( 也称为直接变频接收机) 的思想是，跳过中频，将信号直 接从射频变换到基带。这种结构的好处显而易见，首先，不需要中频滤波器， 因此集成度大大提高；其次，信号下交频到基带，可以使用低通滤波器代替带 通滤波器来选择信号，从而简化了滤波器的设计；其次，由于镜像信号就是接 收信号本身，也就是说，两者的动态范围相同，因此对镜像信号抑制的要求大 大降低；再次，接收机的结构简单，功耗低。正因为这些优点，近年来该结构 得到了迅速发展，成为集成接收机设计的主要选择之一。 图1 2 零中频接收机框图 i q 3 低中频接收机 零中频接收机的直流寄生失调和l f 噪声都存在于低频，为了避开它们的 干扰，一种方法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，而是到个较低的中频。这种接收机的结构称为低中频接收机， 它与超外差式相比，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 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 择结构之一但是，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。 需要大幅度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，远远不能达到要求它适用于信号 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 超外差式接收机依靠变频前加滤波器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 结构可以完全抑制镜频信号，电路结构如图1 3 所示。w e a v e r 结构可以 有效抑制镜频信号，使得有用信号顺利通过，电路结构如图1 4 所示 射频袖全-二二：i薹中顿输出1 二三日 了”。 图1 3i - i a m e y 结构抑制镜像频率 t 缸。：。l 。吐 舅战蚶 图1 4w e a v e r 结构抑制镜像频率 中频输出 这种方案要真正做到抑制镜像干扰的关键有两点：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i 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 不可能完全抑制 5 宽带中频接收机 宽带中频接收机使用固定的本振信号，将所有信道下变颏到中频，在中频 完成信道选择后，再继续处理，它与一般在射频选择信道的接收机相比，有许 一3 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 多不可比拟的优点。首先，由于第一级本振频率固定，可以使用低带宽的锁相 环获得低相位噪声；其次，本振在接收信号带外，相位噪声对接收信号影响小； 再次，由于将所有的信道都下变频到中频，面不使用高阶的带通滤波器抑卷4 镜 相，因此有较高的集成度；由于信道的选择在中频完成，琐相环需要的分频比 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，以较低的分频比使琐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的信号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 6 数字中频接收机 数字中频接收机根据抽样定理，在中频直接对信号进行抽样，然后进行模 拟数字转换，在数字域完成信号解调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，在高中须进行带通抽样，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。从数字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；= 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 这几种结构都有着各自的优缺点，选择哪一种结构要依据系统的工作环境 和指标要求 1 1 2 雷达接收机的主要技术指标 下面对雷达接收机的主要技术指标作以简单介绍： 1 灵敏度 接收机的任务实质上是准确地恢复载频信号所携带的信息，首先应把微弱 的射频信号放大到足以进行信号处理的电平接收机在接收和检测有用信号时 不可避免的要混入某些干扰和噪声，这些干扰和噪声与微弱的有用信号一起被 放大，从而妨碍对有用信号的检测，成为限制接收机灵敏度的主要因素。接收 机中干扰的来源分为内部干扰和外部干扰。雷达接收机的工作频段一般较高， 外部于扰较少，所以应尽量减小接收机的内部噪声。内部噪声对检测信号的影 响可以用接收机输入端的信噪比& ，j 与其通过接收机后的相对变化来衡量。 在理想情况下。接收机没有内部噪声，其输出信噪比s 0 ，m 。与输入信噪比 咒，加相同实际接收机总是有内部噪声的，使s 0 ，圯。 i 内部噪声越大，& 。减少得越多，接收机性能越差 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 n f ：! 丝：生；丝生坐：1 + 生0 - d s 。| n 。n 西4n 4k r o b a o 由式1 1 ，实际接收机的输出额定噪声功率圯。由两部分组成：一部分是输 入噪声功率经接收机放大后的输出虬瓯，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 n 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) 接收机灵敏度指接收机检测微弱信号的能力，能检测的信号越小，接收机 灵敏度越高，雷达作用距离就越远通常用接收机输入端的最小可检测功率 s i n f m 表征接收机的灵敏度。在噪声背景下检测目标时，接收机输出端不仅要 将信号放大到足够的数值，更重要的是使输出信号信噪比达到所需的数值当 接收机的输入信号功率大于并达到s i m i n 时，接收机就能正常工作，在输出端 输出该信号。当信号功率小于s i n f t a 时，信号将被淹没在噪声干扰中，不能被 可靠地检测出来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 选择性是针对抑制干扰而言的，接收机选择有用信号、滤除噪声和干扰， 从而提高信噪比。选择性主要取决于接收机的高、中频部分的频率特性。在白 噪声( 即接收机热噪声) 背景下，当接收机的频率特性为“匹配滤波器”时输 出信号信噪比最高 3 波形畸变 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 4 工作稳定性 雷达接收机对接收信号的放大量很大，首先应保证不会产生自激振荡此 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 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， 使混频后的实际信号产生偏差 5 动态范围和恢复时间 动态范围表征接收机能够正常工作时所容许的输入信号强度变化的范围 信号太弱接收机无法检测，太强则发生饱和。动态范围的下限通常取为最小可 检测功率s i m i n ，动态范围的上限则根据正常工作的要求而定，通常指使接收 机开始出现饱和时的输入功率，用，k u m ) 表示为了保证接收机对强弱信号均 能正常接收，要求动态范围足够大 当接收机发生饱和以后，即使其输入电平恢复到正常数值，接收机也不能 立即恢复正常工作，这段时间称为接收机的恢复时间要接收紧随在强信号后 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 的微弱信号，就要求接收机的恢复时间很短 1 2 论文完成的主要工作 本文研制完成了基于m m i c 器件的接收前端的低噪声放大器、频率合成器 及中频自动增益控制放大器，主要工作包括： 1 根据接收机的技术指标要求，提出了基于m m i c 器件的超外差结构的接 收机实现方案 2 利用m i c r o w a v eo f f i c e 仿真软件进行了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。 3 采用集成锁相环芯片s i 4 1 3 3 和单片机a t 8 9 c a 0 5 1 实现了中频1 0 0 m l - l z 、 射频1 1 6 g h z 两路频率输出的频率合成器。 4 以r f 3 3 3 0 ，m a x 2 0 1 5 为核心，详细阐述了中频接收机放大电路和反馈 环路的设计与实现，实现了具有5 0 d b 动态范围的1 0 0 m h z 中频自动增益控制 放大器 本文共分为五章： 第一章；简要介绍了雷达接收机的实现方案，以及雷达接收机的主要指标 第二章：确定了海面作业防撞雷达接收机实现方案及技术路线。 第三章；围绕低噪声放大器展开，首先对其主要技术指标作以简单介绍， 根据系统对低噪声放大器的指标要求，设计了低噪声放大电路，并利用m w o 进行了仿真，最终以锻带电路的形式实现了具有3 0 d b 增益，噪声系数小于2 d b 的低噪声放大器，并对测量结果进行了分析。 第四章：介绍了频率合成器的三种实现方法，确定了采用集成锁相环的实 现方案；阐述了锁相环的工作原理，并分析了环路构成。根据指标要求设计并 实现了双路输出的频率合成器，给出了测试结果。 第五章：对射频前端的中频放大器进行了功能和结构的研究，在此基础之 上，对其内部电路进行了分析与设计在对中频自动增益控制放大器的设计中， 介绍了自动增益控制的分类及其工作原理从海面作业雷达接收机的实际要求 出发，给出了所设计电路的原理图和相应的电路图。以l 江3 3 3 0 和m a x 2 0 1 5 为核心，详细阐述了中频接收机放大电路和检波电路的设计与实现，并给出了 测试结果。 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 本文研发的海面作业防撞雷达系统通过对其它物体测距功能的实现，为在 水面作业的船舶提供安全保障，在遇到大型船舶或其它水面障碍物时，为作业 人员提供安全警示此防撞雷达仅提供简单的危险报警信息，即仅仅判断一定 距离范围内是否存在其它船只。另外，要求系统简单、易实现、集成度高。因 此，此雷达为简易雷达。 对雷达波来说海面是极其复杂的反射体，在进行接收机设计时，考虑到无 线传输环境的特殊性，信号的损耗和衰落使得信号幅度在大范围内起伏，从而 要求接收机有良好的线性度；由于接收信号非常微弱，需要接收机有高的灵敏 度 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，中频高增益放大器要比射频高增益放大器容易实现；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；在中频上解调相对容易最大缺 点就是组合干扰频率多。目前随着滤波器制造工艺的提高，与天线相连的滤波 器会较大程度抑制镜像频率本文以海面防撞雷达为背景，要求完成复杂海面 噪声环境下测距功能，以低成本、易实现、性能稳定为目标，综合考虑本文采 用超外差方案 2 1 系统要求 1 基本功能 实现对海面大型船舶或渔船的全向距离测量，八方位指示，声光警示 2 作用距离 最小距离：3 0 0 米； 最大距离：5 0 0 吨船舶大于7 0 0 米；1 0 0 0 吨以上船舶大于1 0 0 0 米。 3 安装与维护 要求系统体积小，能方便的安装在渔业船舶上，操作在控制室内完成。系 统具有自检功能，方便维护 4 环境特性 抗风能力：安装于船体裸露部分的组件具有抗3 0 m s 强风的能力； 三防性能：系统具有较强的防盐雾、防潮、防霉菌的能力； 霄击保护能力：安装防雷击设备，保护天线后端电路 工作温度：- - 3 0 6 0 。 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 5 电磁兼容性 系统具有较强抗同频干扰的能力，且不影响船用其它电子设备正常工作 6 可靠性 最多可连续工作时间：2 0 小时； 平均无故障工作时间： 2 0 0 0 小时。 2 2 系统原理性设计 在对接收机进行设计之前，首先需要确定雷达接收机的工作带宽，天线增 益、接收机灵敏度及雷达制式。在实现系统功能的同时，还必须满足最终产品 的成本控制要求 1 t 作频带的选择 通过对l 波段、s 波段、x 波段条件下，雷达系统性能与造价的比较，选 用l 波段作为本系统的工作频段，确定中心频率为1 2 6 g h z ，带宽3 0 m h z 。 超外差雷达接收机需减少落入预选滤波器带内的寄生通道，并避免本振交 调产生带内干扰工程上为提高镜像抑制、减小寄生通道的影响，并兼顾到滤 波器的实现，中频选择需满足下列条件 正2 2 a 8 ( 2 1 ) 石s ( o 1 一o 2 ) ，：曲 ( 2 2 ) 式中：石是中频，口是雷达预选滤波器带宽，z 血是雷达最小工作频率 根据上述二式，确定接收机中频为1 0 0 m h z 2 天线增益与雷达发射功率的确定 确定天线增益与接收机灵敏度的主要依据是雷达方程 吐= 潞 眨， 其中k 为最远作用距离，曰为发射功率，q ，g ，分别为发射、接收天线 增益，z 为雷达工作波长，盯为船舶雷达r c s 、s 二为雷达接收机灵敏度 计算船舶r c s 的经验公式是 仃= 5 2 y 1 7 2 上) ，” ( 2 4 ) 其中是雷达频率，单位是g h z ；d 是船舶的排水量，单位是k t 若雷达最远作用距离取为1 5 i g n ，发射功率大于2 w ，工作频率1 2 6 g h z ， 排水量5 0 0 t ，若接收机灵敏度定为一1 1 0 d b ，采用收发共用天线，则天线增益 为8 d b 。 3 。雷达制式的选择 测距雷达是根据发射无线电波信号的往返时间来确定目标距离的，根据雷 一8 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 达发射信号的不同，测定往返时间通常采用脉冲法、频率法和相位法。 连续波雷达的优点是设备简单，发射频谱窄，所以减少了无线电干扰问题， 并使所有的微波预选、滤波变得简单缺点是对于收发双天线工作，存在信号 泄漏，即发射机的发射信号及其噪声直接泄漏到接收机，要求有较高的收发隔 离度 脉冲雷达提高作用距离有两个途径：其一是增加发射机峰值功率；其二是 加大发射脉冲的宽度来提高平均发射功率。发射机的发射功率峰值受电源、功 率放大器、功率传输通道的限制；简单增加发射脉冲的宽度，相当于降低发射 信号的带宽，导致测距精度下降。所以，对于简单矩形脉冲，难以兼顾作用距 离和测距精度脉冲调频、调相雷达在相同的时宽脉冲条件下。相对于简单矩 形脉冲而言，增加了带宽。因此，提高了测距精度和距离分辨力 综合考虑系统功能、成本与精度要求，本项目采用非零中频超外差型脉内 伪码( 伪随机码，p n 码) 调相的测距雷达。 2 3 主要技术指标 射频信号中心频率：1 2 6 g i k ； 带宽：3 0 m h z ； 中频信号中心频率：1 0 0 m i - i z ： 带宽；2 0 枷 i z ； 总增益： 1 0 0 d b ； 动态范围：6 0d b ； 噪声系数l - 1 0 0 d b m 。 2 4 系统结构及单元指标要求 2 4 1 接收机原理框图 图2 1 为接收机原理图天线接收的回波信号经环行器到达接收机限幅低噪 声放大器，输出信号与l 波段本振混频、滤波后，输出至1 0 0 m h z 中频放大器， 再完成中频信号对中频信号的相位解调，输出信号与延时的伪码进行相关计算， 根据回波时间对目标进行高精度测距 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 d 距离门l 料科目 图2 1 接收机原理图 2 4 2 接收前端各功能模块介绍 i 天线 接收回波信号，并提供一定的增益。 2 环行器 将发射信号与接收信号隔离，避免发射信号进入接收系统导致设备损坏 3 低噪声放大器 一般在系统前端，其噪声性能的好坏直接影响着整机的性能，尤其是接收 机灵敏度和整机噪声的好坏。它在不造成接收机线性恶化的前提下提供一定的 增益，抑制后续电路的噪声。所以它必须具有很低的噪声系数、合适的增益、 高的三阶互调截点以及低的功耗。 4 射频滤波器 选择工作频段，限露4 输入带宽；抑制镜频信号，避免杂散响应。 5 中频滤波放大器 中频自动增益控制放大器：放大中频信号，增加中频输出功率；调节信号 幅度，避免接收机饱和，为接收系统提供高动态范围； 中频滤波器：抑制相邻信道干扰，提供选择性；滤除混频器等产生的互调 干扰分量 6 频率合成器 由压控振荡器和锁相环组成，为混频器提供稳定的1 1 6 0 m h z 本振频率；并 为解调器提供1 0 0 m h z 的载波频率，完成解调。 7 混频器 将高频载波频率搬移到较低频率上，由于本振信号的存在，混频器是接收 机中输入射频信号最强的模块，它的线性度尤为重要，要求高的三阶互调截点， 1 0 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 同时又要求较低的噪声系数。 接收前端各单元模块技术指标介绍如下： 1 射频滤波器：中心频率1 2 6 g h z ，带宽3 0 m i - i z ，带内插损 2 7 d b ，噪声系数 4 0 d b ，中频滤波器采用5 阶切 比雪夫原型集总参数滤波器，中心频率1 0 0 m i - i z ，带宽2 0 m h z ，插损 3 d b m ，相位噪声 优于9 0 d b c h z 1 0 k h z ； 5 混频模块：采用微带结构平衡混频器混频器输入1 2 6 g h z 的射频信号和 1 1 6 g h z 的本振信号，输出中频信号1 0 0 m h z ，变频损耗 6 0d b ( 2 5 ) 2 噪声系数计算： 由级联系统的噪声系数计算公式可以算得系统的总噪声系数n f ； n f - - m + ( 2 - i ) g i + ( m 1 ) g 冯+ 2 1 7 d b( 2 6 ) 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 第三章低噪声放大器设计 3 1 低噪声放大器总述 小功率辐射、远作用距离、大覆盖范围始终是雷达系统的追求目标，这就 对系统的接收灵敏度提出了更高的要求 系统接收灵敏度的计算公式如下： - 譬二= 一1 7 4 + 砸+ 1 0 l o g 曰。+ s ( 3 1 ) 由上式可见，在各种特定( 带宽、解调s n 已定) 的系统中，能有效提高 灵敏度的关键因素就是降低接收机的噪声系数n f ，而决定接收机的噪声系数的 关键部件就是处于接收机最前端的低噪声放大器低噪声放大器的主要作用是 放大天线从空中接收到的微弱信号，降低噪声干扰，以供系统解调出所需的信 息数据，所以低噪声放大器的设计对整个接收机来说是至关重要的。 低噪声放大器( 1 0 w - n o i s ea m p l i f i e r ，简称l n a ) 主要有四个特点。首先， 它位于接收机的最前端，这就要求它的噪声越小越好，为了抑制各级噪声对系 统的影响，要求有一定的增益，但为了防止混频器过载，产生非线性失真，它 的增益又不宜过大其次，它所接收的信号是很微弱的，所以低噪声放大器是 一个小信号线性放大器，而且由于受传输路径的影响，信号的强弱是变化的， 在接收信号的同时又伴随许多干扰信号混入，因此放大器要有足够大的线性范 围，而且增益最好是可调的。第三，低噪声放大器的输入端、输出端必须良好 的匹配，以达到功率最大传输或最小的噪声系数第四，应具有一定的选频功 能，以抑制带外和镜像频率干扰。 3 2 低噪声放大器的主要技术指标 l 噪声系数与噪声温度 噪声系数的定义为放大器输入信噪比与输出信噪比的比值，即： n f ；娑 ( 3 2 ) s _ | n “ 式中加7 微波器件噪声系数； 瓦，虬玢别为器件输入端的信号功率和噪声功率； 5 0 ，0 分别为器件输出端的信号功率和噪声功率； 从式3 2 可以看出，噪声系数的物理含义是；信号通过微波器件之后，由 1 2 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 于器件产生噪声，信噪比变坏，信噪比下降的倍数就是噪声系数。 由于放大器的噪声系数较小，用噪声系数表示方法很不方便，因此，多采 用等效噪声温度的表示方法：把放大器自身产生的噪声看成一个等效噪声湿度 为互的噪声源所产生的热噪声，噪声温度和噪声系数朋7 的关系为： 乏= 瓦x ( n f - i ) ( 3 3 ) 其中t 为放大器的噪声温度，t = 2 9 0 0k ，n f 为放大器的噪声系数。 脬( d 日) = 1 0 1 9 n f ( 3 4 ) 对单级放大器而言，其噪声系数的计算为： 腰= 蚝+ 4 足石i m i , - r 1 1 叫一可i - 限5 ) ( 1 一i r i r ) 1 1 一i l 。 其中朋。为晶体管最小噪声系数，是由放大器的管子本身决定的，r 乙、 足和r 1 分别为获得朋；= 。时的最佳源反射系数、晶体管等效噪声电阻、以及晶 体管输入端的源反射系数 对多级放大器而言，其噪声系数的计算为： n f = 弼+ ( 月赐一0 q + ( 喝- i ) g l g ：+ ( 3 6 ) 其中n f 为第n 级放大器的噪声系数，g 为第1 3 级放大器的增益。 2 功率增益、相关增益与增益平坦度 ( 1 ) 功率增益 微波放大器功率增益有多种定义，比如资用功率增益、实际增益、共轭增 益、单向化增益等。 对于实际的低噪声放大器，功率增益通常是指信源和负载都是5 0q 标准 阻抗情况下实测的增益实际测量时。常用插入法，即用功率计先测信号源能 给出的功率p l ；再把放大器接到信源上。用同一功率计测放大器输出功率p 2 ， 功率增益就是 g - 鲁 n ， 在测量中，信号源和功率计都是标准5 0 q ，所钡ip l 是信源资用功率，而 p 2 则代表5 0o 负载能获得的功率从这个意义上讲，功率增益g 中考虑了放大 器输入和输出适配所造成的增益下降因素。 ( 2 ) 相关增益 低噪声放大器都是按噪声最佳匹配进行设计的，噪声最佳匹配点非放大器 最大增益点噪声最佳匹配情况下的资用功率增益称为相关增益通常相关增 益比最大增益低2 4 d b ( 3 ) 增益平坦度 增益平坦度是指工作频带内功率增益的起伏，如图3 1 所示，常用带内最 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 高增益与最低增益之差g ( 卿表示。对于低噪声放大器，要求全频带4 厂内增 益变化平缓，不允许增益有陡变。 口 图3 1 工作频带内增益图 3 工作频带 工作频带琴的含义标注于图3 1 中，工作频带不仅是指功率增益满足平坦 度要求的频带范围，而且还要求全频带内噪声满足要求。噪声系数是低噪声放 大器的主要指标，但是在较宽频带情况下难于获得极低的噪声，所以低噪声放 大器的工作频带一般不太高，较多为中心工作频率的2 0 上下 4 动态范围 动态范围是指低噪声放大器输入信号允许的最小功率和最大功率的范围 动态范围的下限受噪声性能的限制当放大器的噪声系数n f 给定时，输入信 号功率允许最小值： p 血= n f ( k t o b ) m ( 3 8 ) 式中，曰微波系统的通频带； 掰微波系统允许的信噪比，或信号识别系数； 矗环境温度，2 9 0 k 由式3 8 可知，动态范围的下限基本上取决于放大器的噪声系数，但也和 整个系统的状态及要求有关动态范围的上限受非线性指标的限制。有时动态 范围的上限定义为放大器输出功率呈现1 招功率压缩时的输入功率值( 线性动 态范围) ；有时要求更严格些，定义为放大器非线性特性达到指定三阶交调系数 时的输入功率值( 无杂散动态范围) 动态范围上限基本上取决于放大器末端 f e t 的功率容量。 5 端口驻波比与回波损耗 低噪声放大器的输入输出驻波比表征了其输入输出回路的匹配情况。在设 计低噪声放大器的匹配电路时，输入端为获得最小噪声而设计为最佳噪声匹配 网络，而输出端为获得最大功率和最低驻波比而设计为最佳功率匹配网络因 1 4 国防科学技术人学研究生院硕七学佛论文 此输入端必然偏离驻波比最佳的共轭匹配状态。此外，由于微波场效应管或双 极性晶体管的增益特性大体上按6 d b 每频程下降，为了获得工作频带内平坦增 益特性，在输入匹配电路和输出匹配电路都是无耗电抗性电路的情况下，只能 采用低频端失配的方式压低增益，以保证带内增益平坦，因而端口驻波必然是 随频率降低而升高。 由于用微波仪器测量反射功率比较容易，因此在微波波段通常用回波损耗 来表示端口的匹配情况。回波损耗的含义是反射功率与入射功率的比值( 用d b 表示) 。回波损耗见和驻波比p 的关系可以用下式表示： p , , = 2 0 l g ( - 考- i - ；) ， 又知反射系数的模值为 阼两p - 1 c ，舯) 由式( 3 9 ) ( 3 1 0 ) 可得出驻波比，回波损耗、反射系数之自j 的换算值如下表所 列。 表3 1 驻波比，同波损耗、反射系数之间的换算表 i 驻波比 1 0 51 11 21 3 1 5 2 o 3 05 o 回波损耗 3 2 2 62 6 4 42 0 8 31 7 6 9一1 3 9 89 5 46 ，0 23 5 2 i 反射系数 0 0 2 40 0 4 80 0 9 10 1 3 00 2 0 00 3 3 30 5 0 00 6 6 7 6 三阶交调系数与l d b 压缩点 由于接收系统存在非线性，当双音信号加到接收机输入端时，在系统的输 出端，除了包含有用信息的线性分量外，还有其二次谐波和三次谐波，以及二 阶交调和三阶交调分量。如果这些谐波及交调分量落到接收机的带宽之内，它 们产生的虚假信号将给信号检测和识别以及频率监测和选择带来很大困难。而 在实际的接收机系统中，由于非线性所产生的谐波及二阶交调分量通常不会落 到通带内，经过后面的滤波器将得到很大程度的抑制，因此只关注三阶交调分 量。 在微波通信、电视信号传输等领域，放大器的三阶交调系数是一个重要指 标。尽管低噪声放大器处于微波系统的前级，基本上工作于微弱信号状态，但 在高增益放大器情况下或微波传输处于上衰落时仍有可能使低噪声放大器未级 进入非线性区。这时微波信号的各频率分量问将产生交叉组合频率，从而产生 交叉干扰，通常用两个正弦信号频谱分量所产生的谐波成分来做定量分析。 若有两个频率相差不多的矛弦信号加到放大器中，其角频率分别为鳓和 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 皑，由于放大器增益特性的非线性，将产生许多交调分量： m a l 力吗( 珊，n = o ，1 , 2 ) ，交调分量中的2 q q 和2 鲣一q 最靠近输入频率q 和q ，将落在通频带内产生三阶交调干扰分量，其功率弓和信号q 或迥的功 率之比称为三阶交调系数且毛 矍 图3 2 接收机输出端各分量 作为对接收系统性能影响最大的三阶交调，它本身就可以作为衡量接收机 线性度的一个指标。在输入信号电平一定的情况下，三阶交调分量越小，接收