毕业设计（论文）雷达的发射和接收机制分析

1、 学科分类号： 湖南人文科技学院本科生毕业论文题 目：雷达的发射和接收机制分析学生姓名： 学号 系 部： 通信与控制工程系 专业年级： 通信工程2008级 指导教师： 职 称： *学院教务处制毕业论文诚信声明本人郑重声明：所呈交的本科毕业论文，是本人在指导老师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果，成果不存在知识产权争议，除文中已经注明引用的内容外，本论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 作者签名： 二 年 月 日雷达的发射和接受机制分析摘 要:在当代，雷达的应用越来越广泛

2、，从事雷达研究和开发的人也越来越多。本论文对雷达的工作原理进行了分析，便于帮助大家了解掌握雷达的基本信息。本文第一章介绍了雷达的发展趋势和当代的应用。第二章简单地分析了雷达的结构和原理，介绍了多普勒原理在雷达工作中的应用。接下来的三章分析了雷达的结构，及其各部分的功能。雷达主要由发射机、天线、接收机这三个不可缺少的部分组成。雷达的工作过程：发射机产生并发射特定的电磁波信号，天线将信号进行处理发射到空中。一部分信号被天线接收，然后送回接收机。接收机对信号进行处理，最后从其中取出有用的信号并记录。关键字：雷达；发射机；接收机analysis of radars emotion and accept

3、ance principleabstract: in modern times, radar is widely used. more and more people are engaged in radars research and development. in this thesis, i will introduce the working principle of the radar, so it is easy to help you to know the basic radar information.in the first chapter i describe the t

4、rends and applications of the radar. in the second chapter i simple analysis radars composition and introduce the use of dopplers principle in the radar. in next three parts, i will show you the radars structure and their function. radar is mainly composed by three parts. they are transmitter, anten

5、na and receiver. there are the work processes of radar. transmitter generates and emits specific electromagnetic signal. the antenna sends this signal to the sky. part of the signal received by the antenna, and then sent back to the receiver. after the receiver working on the signal，we can take out

6、what useful for us and record it. keywords：radar; the transmitter; receiver 目 录第1章 绪 论11.1课题背景11.2雷达的发展历史1第2章 雷达32.1雷达的基本原理32.2雷达的基本结构42.3雷达的种类5第3章 雷达发射机制分析73.1 雷达发射机的基本任务和组成73.1.1单级振荡式发射机73.1.2 主振放大式发射机73.2固态发射机93.2.1固态高功率放大器模块103.2.2固态发射机的应用103.3脉冲调制器113.4雷达发射机的主要质量指标113.4.1工作频率或波段113.4.2输出功率123.4

7、.3 总效率133.4.4信号形式(调制形式)133.4.5 信号的稳定度或频谱纯度13第4章 雷达接收机制分析144.1雷达接收机144.1.1 雷达接收机的任务和组成144.2接收机工作的考虑因素164.2.1噪声和动态范围考虑164.2.2带宽考虑184.3接收机前端194.3.1混频器的寄生反应214.3.2放大和混频器的特性224.4本振234.4.1接收机滤波254.4.2相参振荡器和定时器的不稳定性274.4.3雷达整机的不稳定性274.5增益控制放大器284.6滤波304.7雷达接收机的主要质量指标33第5章 天线345.1天线的作用和分类345.2 基本原理和参量34第6章

8、总结37致 谢38参考文献39第1章 绪 论1.1课题背景自1922年雷达诞生至今，科学技术的不断发展和需求的不断变化，都在促使着雷达的迅速发展。雷达的技术性能、可靠性、维修性和抗恶劣环境的生存能力等也发生了天翻地覆的变化。特别是近些年，雷达在综合化的过程中发生了很大的改变。如雷达作为一种有源传感器，逐渐与不同传感器如激光、红外和声学等信息融合，增强了探测和适应环境的能力。为了跟上时代的发展，我们有必要仔细研究雷达发展的历史，分析雷达系统的特点，总结雷达发展的普遍规律，展望雷达系统发展的方向。1.2雷达的发展历史20世纪初，欧美的一些科学家发现了物体能发射电磁波的现象，开始了雷达的研究。192

9、2年，意大利马可尼发表关于无线电波能检测物体的论文。1925年，美国研制出能测量电离层高度的脉冲调制雷达。30年代初，欧美一些国家开始研制探测飞机的脉冲调制雷达。1936年，美国研制出作用距离达40公里、分辨力为457米的探测飞机的脉冲雷达。1938年,英国应用了能观测敌方飞机的早期报警雷达链作战。在第二次世界大战时，由于战争的推动，雷达技术得到了迅速的发展。其中，频率方面的发展最为明显。大战初期，大功率三、四极电子管在德国的研制成功，把频率从几十兆赫提高到500兆赫以上，使雷达的搜索和引导飞机的精度得到提高。1939年，英国在地面和飞机上装备了工作在3000兆赫的功率磁控管的微波雷达,使盟军

10、在空中作战和空海作战方面处于优势。大战后期，美国进一步把磁控管的频率提高到10吉赫，使机载雷达小型化、测量精度提高。40年代后期出现的动目标显示技术，使得雷达能够在云雨等杂波背景中发现目标；50年代出现的高速喷气式飞机已较广泛地采用了动目标显示、单脉冲测角和跟踪以及脉冲压缩技术等。60年代出现了以相控阵雷达技术为主的作战机器如低空突防飞机和中、远程导弹以及军用卫星等。70年代固态相控阵雷达和脉冲多普勒雷达问世。在中国，雷达技术是在50年代初才开始发展起来。现在，中国已经研制成防空用的二坐标和三坐标警戒引导雷达、地空导弹制导雷达、远程导弹初始段靶场测量雷达和再入段靶场测量与回收雷达。远洋轮船的导

11、航和防撞雷达、飞机场的航行管制雷达以及气象雷达等均已生产和应用。中国研制成的机载合成孔径雷达已能获得大面积清晰的测绘地图。中国研制的新一代雷达都已采用计算机或微处理器，并应用了中、大规模集成电路的数字式信息处理技术，频率已扩展至毫米波段。第2章 雷达2.1雷达的基本原理雷达是用于检测和定位反射物体的一种电磁系统。它的工作是将能量辐射出去并接收由物体或目标反射的回波信号。通过与发射信号的比较，可以对雷达与目标之间的距离变化率（即径向速度）和目标的定位等重要数据进行测量。1.雷达的基本原理发射机产生电磁信号（如正弦波短脉冲），由天线辐射到空中，发射的信号一部分被目标拦截并向许多方向再辐射。其中向后

12、再辐射的信号被雷达天线采集，并送到接收机。在接收机中，该信号被处理后能够帮助工作者检测目标的存在并且确定其位置。通过测量雷达信号到目标并从目标返回雷达的时间，得到目标的距离。目标的角度位置可以根据收到的回波信号幅度为最大时，雷达天线所致的窄波束宽度方向获得。如果目标是运动的，多普勒效应回波信号的频率会漂移。该频率漂移与目标相对于雷达的速度成正比。多普勒效应被广泛应用于雷达中，作为将所要的运动目标从自然环境反射回来的固定“杂波”回波中分离开来的基础。雷达还能提供被观察目标的特征信息。2.1 雷达工作示意图2.2雷达的基本结构雷达可分为连续波雷达和脉冲雷达两大类。1. 连续波雷达连续波雷达是发射连

13、续波的信号的雷达，是雷达最简单的形式之一。它的信号是单一频率的或多频率的，或者频率是经过调制的。非调制连续波雷达能对相当距离范围内的具有任何速度的目标进行测速。它容易获得运动目标与雷达之间的距离变化率（即径向速度）。非调制连续波雷达的发射信号(单一载频)通过发射天线辐射到空间。如果目标以径向速度相对于雷达运动，从目标反射回来的信号会使载频产生多普勒频移=。式中为雷达波长，的正、负号由目标运动方向决定。反射信号由天线接收后与基准信号()进行频率抓拍、放大，最后由指示器指示出多普勒信号。非调制连续波雷达的特点是：发射频谱很窄，能减少无线电干扰，因而信号处理简单，不存在速度模糊，但它不能测距。图2.

14、2 非调制连续波雷达连续波雷达的主要缺点有：无法直接测知目标距离，且通过调频得到的目标距离不及脉冲雷达的精确；不能精确识别目标，容易与其他目标混乱；大多数连续波雷达的接收天线和发射天线必须分开，并要求有一定的隔离度。2.脉冲雷达脉冲雷达（如图2.3）在各种雷达中占据主要地位。它主要由脉冲调制器、大功率射频振荡器和电源组成。脉冲调制器的功能是提供脉冲信号；大功率射频振荡器的作用是对脉冲信号进行功率放大；电源是分别给脉冲调制器和大功率射频振荡器提供电流。脉冲雷达的优点是测距精确，且绝大多数脉冲雷达用于接收和发射的都是同一副天线。雷达发射的脉冲信号可以是单一载频的矩形脉冲，也可以是编码或调频形式的脉

15、冲调制信号。这种信号可以增大信号带宽，并在接收机中经匹配滤波器输出很窄的脉冲，从而提高雷达的测距精度和距离分辨力。此外，雷达发射的相邻脉冲之间的相位有两种：不相干（随机）的信号和规律的相干信号。相干信号的频谱纯度高，能得到好的动目标显示性能。图2.3单机振荡式脉冲雷达各种雷达的用途和结构不尽相同，但基本形式是一致的，包括发射机、收发开关、天线、接收机、显示器和定时器等部分。 2.3雷达的种类雷达的种类多样根据不同性质分类如下：雷达按用途可分为军用雷达和民用雷达。如火控雷达和天气雷达。雷达按安装位置可分为地面雷达、机载雷达、天基雷达和舰载雷达。雷达按信号波形可分为连续波雷达、脉冲波雷达、脉冲压缩

16、雷达，其中脉冲雷达又可以分为高重复频率雷达、中重复频率雷达、低重复频率雷达。雷达按体制和原理可分为单基地雷达、双基地雷达，主动雷达、被动雷达，单脉冲雷达，合成孔径雷达、逆合成孔径雷达。第3章 雷达发射机制分析雷达的发射过程包括产生信号和发射信号。发射机产生特定频率的信号并将这种信号传送到天线，天线再将它发送出去。而雷达产生的信号的好坏将对目标的检测产生重要的影响。3.1 雷达发射机的基本任务和组成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。因此, 雷达工作时要求发射一种特定的大功率无线电信号。发射机在雷达中就是起这一作用的。它为雷达提供一个载波受到调制的

17、大功率射频信号, 经天线和收发开关由天线辐射出去。经典的雷达发射机由单机振荡式发射机和主振放大式发射机两种类型。3.1.1单级振荡式发射机图 3.1 单级振荡式发射机如图3.1所示的单级振荡式发射机由定时器、脉冲调制器、大功率射频振荡器组成。定时器提供以为间隔的脉冲触发信号，脉冲调制器在触发脉冲信号激励下经由大功率射频振荡器产生脉宽为的大功率射频脉冲信号。单级式振荡器的特点有：简单，廉价，高效，难以产生复杂调制，频率稳定性差。3.1.2 主振放大式发射机主振放大式发射机先产生小功率的振荡，再分多级进行调制和放大。主振放大式发射机的结构如图（3.2）所示： 图3.2主振放大式发射机定时器：给三个

18、脉冲调制器提供不同时间，不同宽度的触发脉冲信号。固体微波源：是高稳定度的振荡器，在脉冲调制下形成输出脉冲。中间放大器：在微波源脉冲到达后很短时间处于放大状态，在微波脉冲结束后退出放大状态，受脉冲控制。 输出功率放大器：产生大功率的脉冲射频信号。主振放大式发射机具有调制准确，能够适应多种复杂调制，系统复杂，昂贵，效率低的特点。它的优点有：1.具有很高的频率稳定度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。因为在单级振荡式发射机中,信号的载频直接由大功率振荡器决定。由于振荡管的预热漂移、温度漂移、负载变化引起的频率拖曳效应、电子频移、调谐游移以及校准误差等原因,单级振荡式发

19、射机难于达到高的频率精度和稳定度。在主振放大式发射机中,如前所述,载频的精度和稳定度在低电平级决定,较易采取各种稳频措施。例如恒温、防震、稳压以及采用晶体滤波、注入稳频及锁相稳频等措施, 所以能够得到很高的频率稳定度。2.发射相位相参信号 在要求发射相位相参信号的雷达系统(例如脉冲多普勒雷达等)中，必须采用主振放大式发射机。所谓相位相参信号，是指两个信号的相位之间存在着确定的关系。对于单级振荡式发射机,由于脉冲调制器直接控制振荡器的工作,每个射频脉冲的起始射频相位是由振荡器的噪声决定的,因而相继脉冲的射频相位是随机的。或者说,这种受脉冲调制的振荡器输出的射频信号相位是不相参的。所以,有时把单级

20、振荡式发射机称为非相参发射机。在主振放大式发射机中,连续波信号由主控振荡器提供,射频脉冲是射频功率放大器在脉冲调制器的控制下形成的。因此，相继射频脉冲之间就具有固定的相位关系。主控振荡器有良好的频率稳定度和射频放大器有足够的相位稳定度是发射信号良好的相位相参性的重要条件。为此,常把主振放大式发射机称为相参发射机。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基准信号提供,那么所有这些信号之间均保持相位相参性,通常把这种系统称为全相参系统。 3.能产生复杂波形图 3.3 能产生复杂波形的主振放大式发射机3.2固态发射机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

21、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。3.2.1固态高功率放大器模块1.大功率微波晶体管大功率微波晶体管的迅速发展,对固态发射模块的性能和应用起到重要的推动作用。在s波段以下,通常采用硅双极晶体管。在s波段以上则较多采用砷化镓场效应管(gaas fet)。 2.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,即可制成固态高功率放大器模块。输出功率并行组合的主要要求是高功率和高效率。3.2.2固态发射机的应用 1.在相控阵雷达中的应用固态模块在相控阵雷达

22、中的应用已受到重视。相控阵天线中的每个辐射元由单个的固态收发模块组成。相控阵天线利用电扫描方式,使每个固态模块辐射的能量在空间合成为所需要的高功率输出,从而避免了采用微波网络合成功率所引起的损耗。2.在全固态化高可靠性雷达中的应用在l波段高可靠全固态化发射机中应用的例子中，假设这个固态发射机的输出峰值功率为8kw、平均功率为1.25kw。它的主要特点是: (1) 功率放大级采用64个固态放大集成组件组成,每个集成组件峰值功率为150w、增益为20db、带宽为200mhz、效率为33%。 (2) 采用高性能的18功率分配器和81的功率合成器,保证级间有良好的匹配和高的功率传输效率。 (3) 采用

23、两套前置预放大器(组件65和66),如果一路预放大器失效,转换开关将自动接通另一路。上述三点使这个固态发射机具有高可靠性,而且体积小、重量轻、机动性好。 3.3脉冲调制器图3.4脉冲调制器的组成方框 脉冲调制器由三个部分组成：电源部分、能量储存部分和脉冲形成部分。电源部分作用是把初级电源变换成符合要求的直流电源（在某些特殊情况下也可能是变成符合要求的交流电源）。能量储存部分的作用是为了降低电源部分的高峰值功率要求。脉冲形成部分是利用一个开关，控制储能单元对负载（射频发射器）放电，以提供电压、功率、脉冲宽度及脉冲波形参数都满足要求的射频脉冲。3.4雷达发射机的主要质量指标3.4.1工作频率或波段

24、雷达的工作频率或波段是按照雷达的用途确定的。为了提高雷达系统的工作性能和抗干扰能力,有时还要求它能在几个频率上跳变工作或同时工作。工作频率或波段的不同对发射机的设计影响很大,它首先牵涉到发射管种类的选择,例如目前在1000mhz以下主要采用微波三、四极管,在1000mhz以上则有多腔磁控管、大功率速调管、行波管以及前向波管等。目前各类发射管所能提供的射频功率与带宽能力如图3.5所示。图 3.5 微波发射管功率与带宽能力现状3.4.2输出功率脉冲雷达发射机的输出功率又可分为峰值功率和平均功率。是指脉冲期间射频振荡的平均功率(注意不要与射频正弦振荡的最大瞬功率相混淆)。是指脉冲重复周期内输出功率的

25、平均值。如果发射波形是简单的矩形脉冲列,脉冲宽度为,脉冲重复周期为,则有 式中的是脉冲重复频率。称作雷达的工作比d。常规的脉冲雷达工作比的典型值为d=0.001,但脉冲多卜勒雷达的工作比可达数量级,甚至达数量级。显然,连续波雷达的d=1。 3.4.3 总效率 发射机的总效率是指发射机的输出功率与它的输入总功率之比。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,不仅可以省电,而且对于减轻整机的体积重量也很有意义。对于主振放大式发射机, 要提高总效率,特别要注意改善输出级的效率。 3.4.4信号形式(调制形式)如下表所示，雷达的信号形式可以分为矩形振幅调制；线性调频、脉内相位编码

26、；矩形调幅、线形调频、正弦调频；相位编码。表3.1雷达常用信号形式波形调制类型工作比/%简单脉冲矩形振幅调制0.011脉冲压缩线性调频0.110脉内相位编码高工作比多布勒调频连续波矩形调幅3050线形调频100正弦调频连续波相位编码1003.4.5 信号的稳定度或频谱纯度信号的稳定度是指信号的各项参数,例如信号的频率(或相位)、振幅、脉冲宽度及脉冲重复频率等随时间作怎样的变化。任何不稳定的雷达信号都会给雷达整机性能造成不好的影响。例如对动目标显示雷达,它会造成不应有的系统对消剩余,在脉冲多普勒系统中会造成假目标等。信号参数的不稳定可分为两类：规律性的与随机性的。造成规律性的不稳定的原因有电源滤

27、波不良、机械震动等,而随机性的不稳定则是由发射管的噪声和调制脉冲的随机起伏所引起的。第4章 雷达接收机制分析4.1雷达接收机 前文已经介绍了发射机的功能，它是发送信号的重要部分。而处理这些信息的就是接收机了。4.1.1 雷达接收机的任务和组成接收机的任务是：不失真的放大所需的微弱信号，抑制不需要的其他信号。雷达接收机的功能是鉴别所需回波和干扰信号，提取并放大有用信号，对其进行放大、滤波、下变频和数字化。干扰不仅包含雷达接收机本身产生的噪声，还包含从银河系、邻近雷达、通信设备和可能干扰机所接收到的能量。实际上，所有的雷达接收机都是超外差原理工作（如图4.1所示）。本地振荡器产生频率为的等幅正弦信

28、号，输入信号是一中心频率为的已调制频带有限信号,通常 。这两个信号在混频器中变频，输出为差频分量,称为中频信号，=-为中频频率。输出的中频信号除中心频率由变换外，其频谱结构与输入信号相同。因此，中频信号保留了输入信号的全部有用信息。另外，超外差接收机的本振频率可随着发射机频率的改变而变化，同时并不影响中频滤波。接收机的其他形式包括超再生式、晶体视频式和射频调谐式。雷达信标有时采用超再生接收机，一方面是因为超再生接收机可以用一个管子既当发射机又当接收机，另一方面是因为结构简单和紧凑比灵敏度高更重要。晶体视频接收机结构简单，但灵敏度太差。射频调谐接收机只用了射频和视频放大；虽然它的噪声温度可能较低

29、，但其灵敏度差，要达到普通雷达回波频谱的最佳带宽滤波是不现实的。只有对辐射比较宽的百分比带宽信号的雷达而言，滤波才是实用的。来自天线收发开关的输入回波信号检测目标数据处理器cpacs译码器数字信号处理器模拟接收机射频放大器混频器中频放大器中频滤波器中频限幅器同步检波器模数转换器多普勒滤波器（组）灵敏度时间控制自动增益控制稳定本质相参振荡器自动相位控制90相移译码器对数检波器相位检波器对数功率合成器相位检波器译码器求模处理组合单元平均虚处理杂波图恒虚警积累器积累器至显示器和数据处理器的检测判决图4.1 雷达接收机的一般组成4.2接收机工作的考虑因素4.2.1噪声和动态范围考虑接收机本身所产生的内

30、部噪声能够淹没被接收的微弱回波。如果把系统各单元的噪声分量用噪声温度来表示，而不用噪声系数或噪声因子表示，则雷达灵敏度的分析就简便灵活了。雷达接收机的噪声温度已降低到对选择可采用方案不再有显著影响的程度。虽然通常认为，噪声参数是雷达接收机的第一特性指标，然而，几乎没有一部雷达采用可能获得最低噪声的接收机，因为这样一种选择会大大牺牲某些其他特性，所以这种看法本身就是矛盾的。放弃低噪声方案并不是由于费用的考虑。降低对天线增益或发射机功率的要求所节约的费用，必然大大超过一部低噪声接收机所增加的费用。更重要的是，性能特性决定了对接收机前端的选择：（1）动态范围和对过载的敏感性；（2）瞬时带宽和调谐范围

31、；（3）相位和幅度的稳定性；（4）冷却要求。在接收机的噪声温度和动态范围之间必须采取折中办法。即使射频放大器本身有足够大的动态范围，但仍要综合考虑混频器的动态范围，如下表所示：表4.1混频器的动态范围射频部分噪声与混频器噪声之比6 db10 db13.3 db混频器动态范围的损失7 db10.4 db13.5 db混频器噪声引起的系统噪声温度降低1 db0.4d b0.2 db1.定义动态范围表示接收机能按预期进行工作的信号强度范围，它较难定义。这里需要确定以下三个参数。（1）要求的最小信号。要求的最小信号通常定义为在接收机输出端产生信噪比为1的输入信号。有时也采用最小可检测信号作为定义。（2

32、）预期特性的允许误差。最大信号是一种可产生对预期特性有某些偏差的信号。线性接收机通常规定增量信号(输出对输入曲线的斜率)下降1 db。对限幅接收机或对数接收机，则必须确定其输出的允许误差。对增益受控的接收机，必须区别瞬时动态范围和部分由可编程控制的增益变化而获得的动态范围。（3）信号形式。确定动态范围要求时，一般感兴趣的有三种信号形式：分布目标、点目标和宽带噪声干扰。如果雷达采用相位编码信号，译码器前的接收机部分将不像对分布地物干扰那样严格地限制点目标的动态范围。编码脉冲的带宽时间乘积表示译码器从点目标得到的附加动态范围。反之，如果雷达装有带宽特别宽的射频放大器，则宽带噪声干扰的动态范围可能被

33、严格限制。当低噪声放大器（lna）放到天线中时，在形成接收波束之前所达到的副瓣电平取决于所有lna的增益和相位特性相似的程度。因为与非线性的特性相匹配是不实际的，所以在这种接法中动态范围就更重要了。如果通过副瓣进入接收机的强干扰信号（杂乱回波、其他雷达脉冲、电子干扰）超出了低噪声接收机的动态范围，因副瓣变差，其影响将大大增加。低噪声放大器是一种宽频带装置，易受在整个雷达工作频段范围内以及该频段外的干扰；虽然外来干扰在接收机后面各级中被滤除，但强干扰信号在低噪声接收机中仍使杂乱回波失真，降低多普勒滤波器的有效性，造成虚警。因为许多干扰源的非重复性使得这种现象难以查找。2.计算为了防止噪声温度或动

34、态范围的意外损失，必须对接收机所有部分进行精确计算。动态范围不适当，会使雷达接收机易受干扰影响，引起饱和或过载，遮蔽或淹没有用的回波。这样一种计算的数值表能迅速找出那些影响噪声或限制动态范围的部件。使用表4.1需要注意，各个部分的动态范围是比较了各部分输出端的最大信号和系统噪声电平来计算的。这种方法本身固有的假定条件是，该部分所有的滤波（缩小带宽和译码）应在饱和之前完成。把接收机提供重要滤波的那些级当做独立的单元是重要的；如果把多级集总到单个滤波器中，这个假定条件会有很大误差。4.2.2带宽考虑1.定义部件的瞬时带宽是指，该部件在特定的增益（有时是相位）容差内能同时放大两个或两个以上信号的频带

35、。调谐范围是指该部件在调整适当的电气或机械旋钮时可以工作，而不降低指定性能的频带。2.重要特性雷达必然工作在有许多电磁辐射源的环境中，这些电磁辐射源可能遮蔽由雷达自己发射而反射回来的相当微弱的回波。对这些干扰的敏感性取决于接收机的性能，即当干扰源为窄带宽时,取决于接收机抑制干扰频率的能力，而在这些干扰源具有脉冲特性时，则取决于接收机迅速恢复的能力。因此，必须关心接收机在频域内和时域内的响应。一般来说，临界响应取决于接收机的中频部分，在超外差接收机中，理想混频器的工作和倍频器一样，它产生一个与两个输入信号乘积成正比的输出。如果没有非线性和不平衡的影响，这些混频器只产生两个输出频率，即等于两个输入

36、频率的和与差。尽管乘法混频器在中频级是常见的，但一般不适合用于射频向中频变换，而最通用的是二极管混频器。二极管的频率变换特性是由它的非线性特性产生的。如果它的特性由幂级数表示，则只有平方律项产生需要的变换。其他项产生的寄生分量表示把带外信号变换成接收机中频的能力，这些都是不期望有的。除镜像频率外，这些无用频率的转换效率很低，不会显著影响系统噪声温度，但是，混频器对强的带外干扰是敏感的。最好的雷达接收机具有与辐射频谱和硬件限制相当的最窄的射频瞬时带宽，以及良好的频率响应和脉冲响应。宽调谐范围具有对漏出干扰的适应能力，但是，如果干扰是人为的，就需要脉间变频。为达到更重要的目的，每个滤波器都有一些介

37、入损耗，并在噪声温度上有些牺牲。表4.2 噪声和动态范围特性天线传输线射频放大器混频器滤波器对数检波器部件的噪声温度 k520130030024 k部件的增益 db-1.025-615输入总增益 db-1.0241833天线噪声温度影响系统838 k8075660651229.3 dbk接收机总带宽63.0 dbhz92.3玻耳兹曼常数-198.6窄带宽噪声电平#-106.3dbm-106-107-82-88-73(-73)最大信号容量# db*m-5-16+5(+7)对分布目标的动态范围# db777278(80)点目标的带宽-时间乘积# db1111111100对点目标的动态范围# db8

38、88378(80)接收机带宽# mhz20010022接收机总带宽分配#1005011宽带噪声易损性# db201700宽带噪声动态范围# db575578(80) 中心频率上的连续波输出-连续波输入，非编码脉冲； 用括号（）表示的是在非线性器件输入端，其他是在标明的部件输出端。4.3接收机前端1.组成雷达接收机的前端由一个带通滤波器或带通放大器，以及后面的下变频器组成。雷达频率向下变换成中频，在中频具有适当带通特性的滤波器才可能实现。混频器本身和它前面的电路一般都有相当宽的带宽。改变本振的频率，即可完成接收机在预选器或混频器带宽所限定范围内的调谐。2.特性对雷达性能的影响接收机前端的特性在三

39、个方面影响非相参脉冲雷达的性能。前端引入的噪声会限最大作用距离。强信号下前端饱和可能限制系统的最小作用距离或处理强干扰的能力。最后，寄生特性影响着对带外干扰的敏感性。相参雷达的性能更要受混频器寄生特性的影响。在脉冲多普勒雷达中会降低距离和速度精度；在mti雷达中会损害对固定目标的对消能力；而对高分辨力脉冲压缩系统则会使距离副瓣升高。3.辐射频谱的寄生失真雷达接收机的部件会恶化发射机的辐射频谱，这使许多雷达工程师感到惊讶，为此载波的谐波或寄生多普勒谱应低于载波50 db以上。谐波对其他电子设备能产生干扰，它的最大量标准由国家远程通信和信息管理委员会（ntia）和milstd469确定。寄生多普勒

40、电平根据需要确定，以便通过多普勒滤波抑制杂乱干扰。在发射机产生的大功率下呈现非线性的任何器件将产生谐波分量并把这些谐波送到天线。接收机的保护二极管或空气放电开关是非线性的，在发射脉冲期间会将入射的能量反射回天线。隔离器或环行器可用来吸收反射回来的大部分能量，但对谐波通常作用不大。此外，这些铁氧体器件是非线性的，它们自身也产生谐波分量。在大多数雷达中都有谐波滤波器，但常常不能放置在合适的位置使其充分发挥作用。如果收发开关本身所产生的谐波分量无法接受，将谐波滤波器放在发射机与收发开关之间是无用的；滤波器必须放置在天线与收发开关之间。任何一个过程产生的寄生多普勒分量都不会在每个发射脉冲中精确地重复。

41、接收机空气保护开关在大功率发射脉冲作用下电离，但在脉冲的前沿电离开始或后续过程中，存在某些较小的统计变量。在要求杂波抑制较高的雷达中（50 db以上），需要加环行器和隔离器来防止这个变化的功率被辐射出去。4.3.1混频器的寄生反应1.混频器的数学模型混频器的幂级数表示也许对预测常常提到的各种寄生效应非常有用。非线性电阻中的电流i可用该电阻两端电压v的幂级数表示： （4.1）加到混频器上的电压为本振电压和信号电压之和，即 （4.2）如果将式（4.2）中的v代入式（4.1），并进行指定的运算，即得出预期的频谱特性。2混频器寄生效应图这些计算的结果已用不同形式列成图表，使系统设计者对究竟哪些输入频率

42、和带宽相结合不会产生强的低阶寄生分量的情况能一目了然。一种最有用的混频器图如图4.2所示，图中的粗线表示归一化输出频率(h-l)/h随归一化输入频率l/h的变化。主要产生于幂级数中平方律项的一阶混频器乘积h-l会引起上述这种响应。图上其他各线表示由幂级数中3次方和高次方项产生的寄生效应。为了简化对该图的使用，较高的输入频率以h表示，较低的输入频率以l表示。图4.1中用方块标出七个特别有用的区域。区域a表示以l/h=0.63为中心可得到的最宽无寄生带宽，以此说明该图的使用。适用的射频通带在0.610.65之间，则相应的中频通带为0.350.39。然而，0.34(4h-6l)的寄生中频频率和0.4

43、(3h-4l)的寄生中频频率产生在射频通带的两端。瞬时射频带宽的任何延伸都会引起中频频率的重叠，且这种情况不能由中频滤波改正。4h-6l和3h-4l的寄生频率，像所有的寄生中频频率一样，是由混频器的幂级数模型中的立方项或高次方项产生的。在任一指定区域中，有效的无寄生带宽约为中心频率的10%或(h-l)/10h。要求带宽宽的接收机应当采用位于其中一个区域的中心的高中频。对低于(h-l)/h=0.14的中频而言，寄生频率产生于幂级数模型中相当高的高次方项，因此，它的幅度低到常常被忽略不计。基于以上原因，单变频接收机通常比双变频接收机提供更好的寄生响应抑制。选择两次变频应该总是有根据的。这种寄生效应

44、图也表明寄生输入响应。一个较强的寄生输入响应产生于b点，在b点，2h-2l乘积在中频通带产生一个混频器输出，其输入频率为0.815。所有n(h-l)形式的乘积都可能产生讨厌的寄生响应。这些频率必须在射频级滤掉，以防止进入混频器。当两个或多个带外输入信号交叉调制产生一个位于射频通带的第三频率时，就会出现图上没有预示出的寄生输入响应。这种效应是由幂级数中的4次方和更高阶偶次项产生的。举例说，当 （4.3）时，它的效应就应注意。对混频二极管加正向偏压，以减小高次曲率，可在一些混频器设计中降低交叉调制。图4.2 下变频器寄生效应图（h表示高输入频率；l表示低输入频率。）4.3.2放大和混频器的特性1.

45、噪声温度混频器或放大器最常引用的质量因数是它的噪声系数。2.动态范围高频器件第二个有用的质量因数是从均方根噪声到引起动态增益压缩1 db的信号电平的动态范围。因为均方根噪声与中频带宽有关，故有效的动态范围随中频带宽增加而降低。对给定的中频带宽而言，平衡二极管混频器表明具有最大的动态范围。不过，在低噪声放大器之后的混频器，其动态范围的降低与放大器的增益成正比。因此，噪声特性和动态范围不能同时达到最佳。这个问题的一种解决办法是采用有源转换器的形式。4.4本振1.本振的作用超外差接收机利用一个或几个本振和混频器把回波变换成便于滤波和处理的中频信号。改变第一本振频率，对接收机进行调谐，不会妨碍接收机的

46、中频部分。接收机内中频以后的频移通常是由附加本振完成的，附加本振的频率通常是固定的。脉冲放大型发射机也采用相同的本振，以得到与第一本振有所需频率偏移的雷达载波频率。具有独立“载波”频率的脉冲振荡型发射机采用自动频率控制，来保持载波与第一本振频率之间正确的频率间隔。通常称为稳定本振（stalo）的第一本振对处理性能的影响大于发射机的影响。称为相参本振（coho）的末级本振，通常用于补偿雷达平台运动或发射机相位变化的相位校正。2.稳定本振的不稳定性稳定本振的稳定性要求，一般根据允许的相位调制频谱来确定。允许的相位偏移随调制频率增加而减小，这是因为多普勒滤波器抑制上述影响的效率不高。在双脉冲动目标显

47、示雷达中，允许的相位偏移和调制周期之间有着线性关系。它们的比值，即允许的频率调制或“短期频率稳定度”有时在文献中也可见到。这个参数不足以确定相参处理两个以上脉冲的脉冲多普勒或动目标显示雷达的相位稳定性要求。稳定本振的相位调制频谱是可以测量，并可转换成对动目标改善因子的限制，它们取决于到杂波的距离，以及雷达接收机中的两个级联滤波器的特性。值得注意的是，一些频谱分析器不能区分所要求的稳定本振频率以下和以上的频率。它们的响应是在每一个指定调制频率的两个边带的能量之和。在对正负多普勒频率具有同样响应的动目标显示雷达中，这一点并不重要。在一些使用对零点非对称的多普勒滤波器的雷达中，需要假设被测量的稳定本

48、振的频谱是对称的。3.距离相关大多数现代雷达用稳定本振来产生发射脉冲和对接收回波进行频移。发射机是功率放大器（行波管、正交场放大器、固态放大器等），而不是振荡器（磁控管等）。正是稳定本振这种两方面的应用导致杂波与距离相关，同时使某些无意义的相位调制分量增大6 db。临界频率是在发射和接收来自特定距离的杂波回波之间的时间段内使相位改变180的奇数倍的频率。在这些临界频率点上，从发射时的最大正相位偏移变化到接收时的最大负相位偏移，在中频上使不希望有的回波相位调制加倍。图4.3示出这种距离-相关滤波器的特性，可用数学表达式表示为 （4.4）式中，fm为调制频率，单位为hz；r为距离，单位为m；c为传

49、播速度，取3108m/s；t为时间延迟，用2r/c计算。在低调制频率上，短时间延迟可承受较强干扰。因此，需要对几种时间延迟计算稳定本振的稳定性。图4.3 距离延迟对杂波对消的影响4.4.1接收机滤波雷达接收机后续各级的响应是多普勒调制频率的函数，因此，可通过这些滤波器的分贝响应与混频器先前频谱求和而得到输出的剩余频谱。接收机包括两个级联滤波器：中频最佳-带宽滤波器和多普勒滤波器，在现代雷达中，一般都是用数字滤波器实现。图4.4所示的例子包括一个3 db带宽为1.6 mhz的中频高斯滤波器和具有可变脉冲间周期和时变加权的四脉冲动目标显示。这种动目标显示使某些稳定本振的调制频率比平均值增大5 db

50、。注意：要使分析正确，动目标显示的速度响应必须定标为具有零分贝增益/噪声，而不是增益/最佳多普勒频率。图4.4 雷达接收机的频率响应1.剩余功率积累稳定本振对动目标显示改善因子的限制可表示为稳定本振的功率与级联滤波器输出端回波调制频谱总功率的比值。图4.5示出被测稳定本振调制频谱（曲线1）和15 ms延迟对杂波剩余影响（曲线2）的例子。借助图4.3和图4.5所示的滤波器可用计算机程序来修改测得的频谱数据，并可对除了低于100 hz的调制频率之外的多普勒频谱的总功率进行积累（低于100 hz的调制频率不能测量）。由于稳定本振的不稳定而产生51.8 db的对动目标显示改善因子的限制。如果雷达应用了

51、一个以上的多普勒滤波器，则需分别对每个滤波器计算稳定本振的不稳定性。如果单个滤波器的多普勒响应不对称，则正负多普勒带宽的剩余需分开计算，而它们的功率应相加。前面所描述的计算机分析方法是，测量稳定本振的有色调制频谱，修改有色调制频谱与距离相关效应和雷达接收机滤波器相适应，并对输出剩余功率进行积累。不作假设而对稳定本振的稳定性进行求解是一种有效的方法，但是求得的结果必须被认为只是比较给定用途的不同稳定本振的一个质量指标。在具有不同接收机滤波器的其他用途中，相同的稳定本振将有不同的稳定性数值。图4.5 15 ms距离延迟对稳定本振mti限制的影响图4.6 1200 ms距离延迟对稳定本振mti限制的

52、影响4.4.2相参振荡器和定时器的不稳定性现代雷达采用脉冲放大器发射机，相参振荡器对接收机的稳定不构成显著影响。但是，老雷达采用脉冲振荡器发射机，相参振荡器必须对每个发射脉冲的随机相位进行补偿，而且补偿不完善将导致多普勒滤波器输出端存在有杂波剩余。只可能对最近一次发射脉冲的回波进行补偿，而对应于前一发射脉冲产生的回波（跨周期杂波）不能通过脉冲振荡器雷达的多普勒滤波抑制掉，正是这个原因使脉冲振荡器雷达不再常用。当雷达在运动平台上或者杂波是运动的雨或海杂波，相参振荡器的频率将不时地变化，以便对这种运动及时进行补偿，把杂波频谱移到零多普勒频率。如果设计合理的话，在理想环境条件下（只有杂波回波、接收机

53、噪声为典型的实验测试噪声）完成这个工作的伺服结构将不致产生显著的不稳定。但是强的运动目标以及其他雷达的脉冲式干扰的影响有时是很严重的，会使相参振荡器频率从合适的补偿值发生偏移。发射机和a/d转换器的定时信号通常由相参振荡器产生，定时抖动会降低杂波衰减。但是，定时抖动的影响非常复杂，而且不能准确预测，因此它很少被独立测量。4.4.3雷达整机的不稳定性雷达不稳定的主要来源通常是稳定本振和发射机。基于相同的装置，无论是通过测量还是预测，如果能获得这两个部分的多普勒频谱，对双程稳定本振频谱（通过距离-相关系数变换）和发射机多普勒频谱进行卷积可得到稳定杂波回波的频谱估计。然后将得到的频谱通过两个接收机滤

54、波器滤波，并进行积累，就得到由稳定本振和发射机产生的剩余功率。这种功率可能比稳定本振和发射机单独产生的剩余功率的总和还要大。这些方法可用来分析现有雷达不稳定的来源，或在设计阶段预测雷达性能。对雷达整机不稳定性的测量可通过雷达天线搜索照射一个稳定的点杂波反射体进行，该反射源能产生接近于（但低于）接收机和多普勒滤波器动态范围极限的回波。在很多雷达阵地要找到适合的杂波源很困难，而在另外的情况通过终止天线旋转来进行这种试验又是不可取的。在这种情况下，可用微波延迟线来给接收机输送一个发射脉冲的延迟样本。这种简单测量已包含了除延迟线回路之外的所有不稳定性来源。定时抖动不会对回波脉冲所有部分产生相同的影响，通常在脉冲中心的影响最小，认识到这一点是重要的。因此，对回波（包括回波前沿和后沿）进行多重数据采样是很必要的。雷达整机不稳定性是多普勒滤波器输出剩余功率总和与多普勒滤波器输入功率总