雷达接收机前端的系统设计

弹 箭 与 制 导 学 报 2006 年 　 雷达接收机前端的系统 3 周亚辉 (江南机器 (集团) 有限公司 ,湖南湘潭 　411207 ) [摘要 ] 文中介绍了一种雷达接收机前端的系统设计方法 ,它选用一种超外差式接收机 ,采用前端高增益低噪 声放大器来减小接收机的噪声系数 ,再利用混频器将射频信号转变为中频信号 ,在确定采用自动增益控制接 收机后将功率合理分配 ,以保证接收机有较大的动态范围 ,提高探测精度。 [关键词 ] 噪声系数 ;混频器 ;增益 ;目标回波 [中图分类号 ] TN95715 　　[文献标识码 ] A Design of System for Receiver’s Forepart of Radar ZHOU Ya2hui (J iangnan Machinery Company Group Ltd. , Hunan Xiangtan 411207 ,China) Abstract :A method used to design the system of the f ront2ends in radar receiver is int roduced here. The superhetero2 dyne reception is used and a high2gain low noise amplifier in the f ront2ends is used to reduce the noise figure , also ,mixer is used to t ransmit the RF signal to the medium frequendy signal. Then , the A GC receiver is adopted ,af ter which the power is dist ributed suitable in order to make sure the receiver have enough dynamic range. At the same time ,the detec2 ting precision is advanced. Key words :noise figure ; mixer ; gain ; target echo 1 　引言 随着科学技术的发展和战场态势的不断变 化 ,雷达技术作为一项重要的军事高科技在国防 现代化建设的发展过程中日益成熟 ,其在战场上 发挥的作用也将越来越大。雷达受到许多因素 的限制和影响 ,从而产生测量误差。这些误差包 括雷达本身引起的误差 (接收机噪声、环境噪声、 器件测量误差等) ,优化雷达接收机前端设计 ,减 小噪声干扰则能提高雷达的探测精度。 2 　系统指标和组成 本系统要利用多普勒频移测速 ,所以采用超 外差式接收机。其主要技术指标如下 : 工作频段 　X 波段 10. 5 GHz 工作体制 　伪码调制连续波超外差式 信号波形 　伪码调制连续波 ,脉冲宽度 50ns 系统噪声 　≤4. 5dB 接收机带宽 　40M Hz 接收机灵敏度 　2. 01705 ×10 - 4 w 接收机前端结构图如下 : 图 1 　接收机前端系统组成 3 　低噪声放大器 雷达接收机前端的性能特别是噪声性能对系 统噪声系数的影响很大 ,是接收机设计的关键。 接收机由多个单元级联组成 ,个个单元电路 都存在内部噪声 ,级联电路的总噪声系数为 : F0 = F1 + F2 - 1 G1 + F3 - 1 G1 ·G2 + ⋯+ Fn - 1 G1 ·G2 ⋯Gn- 1 式中 : Fi 为第 i 级电路的噪声系数 ; Gi 为第 i 级电 路的功率增益。 设低噪声放大器、混频器、中频部分的噪声 系数和功率增益分别为 Fa 、Ga 、Fc 、Gc 、FI 、Gi ,滤 ·262· 3 收稿日期 :2006 - 03 - 22 作者简介 :周亚辉 ,女 ,高级工程师 ,研究方向 :电子控制系统研究。 　第 26 卷第 3 期 雷达接收机前端的系统设计 　周亚辉 波器的噪声系数为 Ff , 隔离器的噪声系数可不 考虑 ,它们的功率增益为 Gf 、Gg ,代入上式得 : F0 = Ff + Fa - 1 Gf + Fc - 1 Gf Ga Gg + FI - 1 Gf Ga Gg Gc 若不用低噪声放大器则 : F0 = Ff + Fc - 1Gf + FI - 1 Gf Gg Gc 低噪声放大器和滤波器的噪声系数 Fa 、Ff 一般很小 ,滤波器的功率增益接近于 1 ,而混频器 的噪声系数 Fc 和低噪声放大器的功率增益 Ga 相 对就比较大 ,显然采不采用低噪声放大器对接收 机的总噪声系数影响很大。由此得出以下结论 : 为减小接收机噪声系数 ,要求各级电路的噪声系 数小和功率增益高 ,同时各级噪声系数的影响并 不相同 ,位置越靠前 ,对总噪声系数的影响越大 , 所以接收机噪声系数主要决定于前端 ,这也正是 采用高增益低噪声放大器的原因。通常接收机前 端采用高增益、低噪声放大器和低噪声滤波器 , 则接收机的噪声系数增益近似为 : F0 ≈ Ff + Fa - 1Gf 低噪声放大器和滤波器的噪声系数 Fa 、Ff 一般可以做到小于2而接近于1 ,其功率增益 Gf , 即插损的倒数也近似等于 1 ,因此上式中 F0 一般 在 2 ～ 3 之间。 根据设计 ,采用 H EM T 场效应低噪声管制 作了低噪声放大模块 ,最终测试结果为 : 噪声系数 : < 3dB ;增益 : > 30dB ;带宽 : > 100M Hz ;驻波 : < 1. 5。 4 　混频器 混频器的作用是把接收到的射频信号转变 为易于进一步处理的中频信号 ,然后送到中放进 行放大。混频器一般是有一个或多个非线性元 件、本振源、滤波电路和输入输出回路所组成的 图 2 　单平衡混频器的原理框图 非线性网络 ,其 中非线性元件 的作用最为重 要。采用肖特 基势垒二极管混频电路 ,其电路形式如图 2 所示 的单平衡混频器 ,为减小体积 ,采用微带结构。 5 　接收机的功率分配 接收机的总增益决定于接收机的灵敏度、最 大输出电平和接收机的工作方式。在现代雷达 体制中 ,接收机的负载设备大多采用数字信号处 理器 ,接收机的输出电平应与 A/ D 变换器的要 求相适应 ,接收机的工作方式主要是指在接收机 中是否采用了自动增益控制措施 ,根据增益控制 情况可分为全线性接收机、自动增益控制接收 机、限幅接收机、对数接收机等 ,对总增益的要求 和计算方法也不一样。 表 1 　测试结果 参数 值 单位 射频频率范围 10. 0～11. 0 GHz 中频频率范围 DC～25 M Hz 变频损耗 8 dB 噪声系数 8 dB 本振到射频隔离度 15 dB 本振到中频隔离度 35 dB 射频到中频隔离度 35 dB IP3 (输入) 17 dBm 1dB 压缩点 9. 5 dBm 　　(1)全线性接收机 在全线性接收机中 ,输出信号强度虽输入信 号强度的线性变化 ,即 : G = S o/ S i = 常数 通常选取 S i = S mib ,即接收机的灵敏度 : S o = U2o / 2 RL ; RL = 负载阻抗 U o = 负载所需的最小可变电平 (2) 自动增益控制接收机 在自动增益控制接收机中 ,通常都因根据系 统设计要求或接收机的工作特点 , 预先确定 A GC 起控电平 , 即接收机输入信号电平小于 A GC 起控电平时 ,输出信号电平随输入信号线 性变化 ,而当输入电平超过起控电平后 ,输出电 平基本保持不变 ,则接收机的总增益为 : G = S oA / S iA 式中 , SoA , S iA 分别为 A GC 起控点的输入、输出电 平。这种接收机的增益较大 ,扩展后的动态范围也 较大 ,接收机内应具有相应的增益可控部件。 限幅接收机常用于相位式单脉冲雷达中 ,计 算总增益的方法类似于 A GC 接收机 ,即确定了 限幅点的输入输出电平后就可求得总增益。 (3) 对数接收机 对数接收机实际上都是线性 - 对数接收机 , 其振幅特性满足关系式 : U o = GU i U o = U o1 lg U iU i1 + U o1 ·362· 弹 箭 与 制 导 学 报 2006 年 　 式中 ,U o ,U i 分别为输入输出电平 ,U o1 ,U i1 分别 为线性段与对数段交点处的输入输出电平。 接收机的总增益确定后就可进行增益分配 , 增益分配的主要步骤和原则为 : a. 通常首先以检波器 (幅度检波器或相位 检波器) 输入点为界面分为两段。在幅度检波器 中为避免出现平方律检波 ,常要求检波器输入电 平大于某一确定值。在相位检波器中 ,为避免产 生饱和 ,常要求最大输入电平小于某一确定值 , 这样就可分别确定高、中频部分和检波 - 视波部 分的增益 ; b. 高频部分的增益在满足要求的情况下 , 即对整机噪声系数不产生较大影响时 ,应尽可能 小一些 ,以避免过早的在高频部分饱和。总增益 主要由中频部分提供 ; c. 在确定各部分增益以后各级电路增益 时 ,应考虑所用器件的动态范围 ,即增益与动态 范围相适应 ; d. 考虑到更换各种部件或元器件是参数的 变化及电源的波动等影响 ,在计算总增益或进行 增益分配时 ,都应留一定的余量。同时上述增益 系指计入各种损耗 (变频损耗、滤波损耗等) 后的 净增益。 本系统采用了自动增益控制 ,属于自动增益 控制接收机。下面计算接收机的总增益 ,接收机 的灵敏度为 Smin = - 106195dBm ,自动增益控制 的输出电平为 :1V ( + 11. 24dB) , 要求输出信噪 比 ≥20dB ,所以接收机的总增益为 : G(dB) = S oA (dB) - S (dB) iA = 11124 - ( - 106195 + 20) = 81171dB 为了保证接收机有较大的动态范围和最大目 标回波信号经低噪声放大器放大后不致使混频器 饱和 ,低噪声放大器的增益不能取得太大 ,接收机 的增益必须有一部分分配到中频放大部分。根据 前面的分析可知 ,如果接收机具有较大的增益 ,则 接收机的总噪声系数将显著降低。但是考虑到目 前的技术水平 ,如果接收机的增益取得很大 ,则整 个系统的成本将显著提高 ,但接收机的总噪声系 数的改善却很有限。因此 ,综合各种因素 ,低噪声 放大器的增益取25～30dB较为合适 ,实际上系统 选取的低噪声放大器的增益为 25dB。 但是信号在经过混频器时有 8dB 的变频损 耗 ,到中频部分时前段增益将只有 17dB。因此要 求中频部分的增益为 64. 71dB。考虑到系统要留 一定量的余量 ,最终要求中频部分的增为 70dB。 6 　接收机的动态范围 图 3 　接收机输入 输出特性 在雷达系统中 , 由于目标距离和目标 反射界面的变化 , 以 及强地物杂波、海杂 波与人为的干扰 , 都 要求接收机有足够大 的动态范围 , 在一般 雷达系统中 , 接收机 的动态范围约为80 ～ 100dB 或更大。 根据动态范围的定义 ,接收机的最小输入信 号功率为接收机的灵敏度 ,最大输入信号功率一 般为输出功率 1dB 压缩点对应的输入信号功率 , 典型的接收机输入输出特性如图 3 所示 ,由图可 知动态范围 D 为 : D = S imax / S imin = S om / Gk T 0 B n F0 M 式中 : G为接收机的总增益 ; S om 为接收机的 1dB 压缩点的输出功率。 在接收机各级电路均不饱和的情况下 , S om 决定于末级电路的饱和输出功率 Posat ,一般情况 下 ,各种器件的 1dB 压缩点输出功率比饱和输出 功率约低 6dB。 显然 ,无论如何 ,接收机的动态范围都应该 不小于接收到的目标回波信号的变化范围 , 因 此 ,在确定接收机的动态范围以前 ,首先要计算 出目标回波信号的变化范围。雷达接收到的目标 信号功率为 : Pr = Pt Gt Grλ2σ (4π) 3 R4 L 根据总体部分分析可知式中 : Gt = Gr = 87 . 16 ; L = 1 ;λ = 2 . 86cm ; Pt = 64411mW = 2811dBmW ; R = 目标到雷达的距离 26 . 25m ; σ= RCS = 01001m2 ～ 01032m2 ; 显然 , R ,σ是一个随目标状态而不断变化的 量 ,这也是目标回波信号 Pr 变化的主要原因 ,它 Pr 与 R 成反比 ,与σ成正比。虽然目标可能在较 远的距离上就有回波信号了 ,但是那时回波信号 非常弱 ,接收机并不能到 ,只有当 Pr = Smin 时 ,目标回波信号才是有意义的。因此在考虑雷 达接收到的目标回波信号的变化范围时只需从 最小可检测信号考虑就行了 ,即 Prmin = Smin 。同 ·462· 　第 26 卷第 3 期 雷达接收机前端的系统设计 　周亚辉 理 ,在考虑最大的目标回波信号时 ,也只需考虑 最近距离上测得的目标回波信号 ,根据系统的分 析可知最近的检测距离为 Rmin = 26125m ,此时 假设目标具有最大的散射截面积 , 即σ = 01032m2 。将参数代入上式计算可得 : Ptmax = 1136139 ×e- 10 W 所以 ,目标回波的动态范围为 : D r = Ptmax / Ptmin = 6 7491428 07 = 38129dB 对于低噪声放大器 , 根据分析可知 S iminL N A = Smin ,而由选用的低噪声放大器的性能参数可 知 S omL N A = 10dBm ,所以有 : DL N A = S omL N A / S iminL N A = 116195dB 对于混频器 ,由于低噪声放大器的关系 , 最 小输入信号率为 : S iminMixer (dB) = Smin (dB) + GL N A = - 81195dBm 同样由选用的混频器的性能参数可知 S omMi xer = 915dBm ,所以有 : DMi xer = S omMixer / SminMi xer = 91145dB 虽然混频器的动态范围小于低噪声放大器 的动态范围 ,但这两个器件的动态范围都大于目 标回波信号的动态变化范围 , 因而符合系统要 求。显然整个接收机前端的动态范围为 : D = DMixer = 91145dB 7 　结束语 文中所设计的接收机前端的系统已用于超 近反导系统 ,它在可接收的目标回波信号内提供 最大的动态范围 ,在应用中能够很好地满足整个 系统的要求 ,其设计简单、结构可靠 ,性能优越。 [参 　考 　文 　献 ] [1 ] 　丁鹭飞 ,耿富录. 雷达原理[ M] . 西安 :西安电子科 技大学出版社 ,1997. [2 ] 　王小谟 ,张光义. 雷达与探测[ M] . 北京 :国防工业 出版社 ,2000. [3 ] 　杨素行. 模拟电子技术基础简明教程[ M] . 北京 : 高等教育出版社 ,1998. [4 ] 　陈秀中. 模拟集成电路的应用[ M] . 北京 :高等教 育出版社 ,1988. (上接第 261 页) 表 1 　单元、串联系统和并联系统可靠性评定结果 单元或系统 成败数据 可靠度 单　　元 f = 3. 000769 ,n = 52. 026536 ŽRL ,B = 0. 899024 z = 3. 000000 ,η= 50. 000000 ŠRL ,B = 0. 899023 串联系统 f = 3. 006711 ,n = 52. 076680 ŽRL ,B = 0. 898968 z = 3. 005938 ,η= 50. 047081 ŠRL ,B = 0. 898967 并联系统 f = 6. 0007495 ,n = 53. 621038 ŽRL ,B = 0. 830688 z = 6. 000761 ,η= 50. 002795 ŠRL ,B = 0. 830687 从表 1 可知 : (1)可靠度评定的精度高。对单元、串联系 统和并联系统来讲 ,可靠度第一近似下限 ŽRL ,B和 可靠度第二近似下限 ŠRL ,B ,评定的最大误差为 2 ×10 - 6 ,可取任意一个做为可靠性评定结果 ; (2)单元可靠度 > 串联系统可靠度 > 并联系 统可靠度。根据可靠性试验数据分析 ,由于单元 短路故障可能性大于断路故障可能性 ,并联系统 防止短路故障能力弱 (防止断路故障能力强) ,造 成上述结果。 [参 　考 　文 　献 ] [1 ] 　章国栋 ,陆廷孝 ,屠庆慈 ,等 . 系统可靠性与维修性 的分析与设计[ M] . 北京 :北京航空航天大学出版 社 , 1990. [2 ] 　梅启智 ,廖炯生 ,等. 系统可靠性工程基础[ M] . 北 京 :科学出版社 , 1987. [3 ] 　金星 ,洪延姬 ,等. 系统可靠性评定方法 [ M] . 北 京 :国防工业出版社 , 2005. [4 ] 　金星 ,洪延姬 ,等. 工程系统可靠性数值分析方法 [ M] . 北京 :国防工业出版社 , 2002. ·562·