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機載雷達(dá)接收機的基本原理

 goandlove 2018-03-13

在現(xiàn)代雷達(dá)中,簡單的雷達(dá)系統(tǒng)模塊劃分界面變得越來越模糊。比如,越來越多的接收機前端被集成到相控陣天線中;另一方面,以前由處理單元獨有的數(shù)字處理越來越多地被并入接收機單元。

本文描述的接收機大多數(shù)是經(jīng)典意義上的接收機,但對新的接收機設(shè)計方法也進(jìn)行了介紹。

雷達(dá)接收機有兩種基本類型,即脈沖接收機和連續(xù)波接收機。幾乎所有的機載雷達(dá)接收機都是脈沖體制的,雷達(dá)信號的發(fā)射和接收是分時復(fù)用同一個天線。

接收機的設(shè)計要求多種多樣,但有兩個要素是必不可少的:靈敏度(探測小信號的能力,通常受到熱噪聲的限制);選擇性(濾除不需要的信號的能力,通常是通過頻率濾波)。

基本原理

機載雷達(dá)接收到的回波非常小,通常只有10-15W左右,遠(yuǎn)低于熱噪聲水平。雷達(dá)接收機的工作就是放大這些微小信號,并從背景噪聲和雜波中把它們分離出來,這也是現(xiàn)代雷達(dá)使用大量數(shù)字信號處理去完成的任務(wù)。

本文主要討論接收機從射頻信號到數(shù)字化輸出的模擬部分,但也包括了一些數(shù)字濾波器,這是現(xiàn)代設(shè)計的重要組成部分。

除了放大、濾波和數(shù)字化的基本任務(wù)外,接收器還須避免信號的任何干擾或失真,因為這可能導(dǎo)致靈敏度降低或錯誤的檢測。

低噪聲放大器

所有接收機的靈敏度都受到熱噪聲的限制,而在雷達(dá)中,主要是來自接收機的熱噪聲(而不是外部噪聲源,如太陽)。雷達(dá)接收機的第一部分是低噪聲放大器(LNA),它的設(shè)計目的是使接收機的靈敏度達(dá)到最高水平,它是通常通過某種形式的雙工設(shè)備連接到雷達(dá)天線的。

低噪放是決定接收機基礎(chǔ)靈敏度的關(guān)鍵因素,通常使用噪聲系數(shù)來進(jìn)行表征。

在大多數(shù)現(xiàn)代雷達(dá)系統(tǒng)中,采用基于砷化鎵(GaAs)或氮化鎵(GaN)的半導(dǎo)體低噪聲放大器(LNA)。這些部件徹底改變了雷達(dá)接收機的設(shè)計,使雷達(dá)接收機噪聲系數(shù)輕松提高1dB,這比以前的系統(tǒng)好10倍左右。


當(dāng)然,做任何事情都是需要代價的,避免失真也是至關(guān)重要的,因此低噪聲放大器具有線性是至關(guān)重要的。一個非常高的增益器件往往缺乏線性度,因此,在線性度和噪聲系數(shù)之間進(jìn)行權(quán)衡是接收機設(shè)計的一個重要方面。

在有源電子掃描陣列(AESA)雷達(dá)中,通常在陣列的每個發(fā)射/接收模塊中包含一個低噪聲放大器,這減少或消除了在后續(xù)接收機的輸入端接入低噪聲放大器的需求。

任何給定的陣列都有許多低噪放(在典型的機載AESA雷達(dá)中可能有1000個或更多)。在單個單元上的低噪聲放大器(給定足夠的增益)將決定整個系統(tǒng)的噪聲系數(shù),與常規(guī)接收機完全相同。

濾波器

濾波在接收機設(shè)計的許多方面都是至關(guān)重要的,其中最基本的是確保接收到的信號損失最小,同時使接收機輸出端的噪聲最小化。濾波在下變頻器和數(shù)字化器的設(shè)計中也起著至關(guān)重要的作用。

匹配濾波器。與電子戰(zhàn)接收機的設(shè)計者不同,雷達(dá)接收機設(shè)計者有一個很大的優(yōu)勢,就是他們知道到底發(fā)射了什么信號。因此,與未知信號相比,檢測回波要容易得多。這里的關(guān)鍵概念是匹配濾波器,它的設(shè)計是為了匹配發(fā)送的信號,并在接收機輸出端最大限度地提高信噪比。

匹配濾波器接收機的本質(zhì)是將已知信號(即發(fā)射信號)與未知信號(接收信號)關(guān)聯(lián)起來,以從未知信號中檢測出已知信號。

匹配濾波可以不考慮發(fā)射信號的特性:它可以是一個簡單的脈沖、調(diào)頻、二進(jìn)制碼序列或任何其他已知的信號形式。

一個理想的雷達(dá)接收機需要在前端采用這種濾波器,這能確保只有期望的信號進(jìn)入雷達(dá)接收機,并將最大限度地提高靈敏度。

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