2015-雷达原理第三讲
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声表器件
声表延迟线
电压效应产生形变， 产生超声波
压电效应产生电信号
必须是色散的
利用声表器件的脉压能达到－40dB 左右 频率范围：几百兆赫兹
波形的产生
数字产生方法 基带产生法
优点： 产生波形灵活，对数字电路要求不高 缺点： 幅相平衡的问题，导致镜像虚假信号和载波泄漏， 从而影响脉压
波形的产生
目的：使目标信号输出维持稳定
输出
中放
检波 LPF
视放 峰值检波器
2、IAGC（瞬时自动增益控制）
目的：防止信号太强，使干扰电压衰减，而维持目标信号的增益 放大器
输出
关键：迅速建立控制电压 为了不影响目标信号强度
i n i
控制 电路
检波器
i : n :
控制电路的时间常数 干扰持续时间
主振放大式
优点：频率稳定度高、可以形成复杂波形、相位相参、适于频率捷变 缺点： 结构复杂，效率低
高性能发射机的要求
发射信号必须是相参的 发射信号脉间必须是高稳定的 具备发射多种复杂波形的能力 抗干扰的能力 采用宽带发射机（>10%） 捷变频工作方式
发射机的主要指标 1、工作频率（频段）、带宽
接收机中的几种主要附属电路 3、时间增益控制（灵敏度时间控制STC）
目的：防止近程杂波引起的中频放大器过载
使偏置电压随时间的变化而变化
4、AFC （自动频率控制）
速调管振荡器所决定的本地振荡频率 fL 混频 本机振荡器
fi Ei
fs
中放 AFC电路
输出
判断与额定中频的偏差
现代接收机的共性要求： 宽频带、低噪声、大动态、高稳定 数字化
副主峰比（dB） -20lgN
- 6.0 -9.5 -12.0 -14.0 -16.9 -20.8 -22.3
其它的信号形式
LFM和PSK复合信号
FSK & PSK
OFDM & PSK
5、信号的稳定度
5、信号的稳定度
不对称性和随机性
针对离散型分量的频谱纯度（dB/Hz）：该离散分量的单边带功率与
优于
脉冲雷达发射机效率
通常峰值功率越高、占空比越小，效率越低
效率比较：
速调管、行波管发射机 磁控管、前向波放大管发射机 分布式全固态发射机
+ ++ +++
发射机的主要指标 4、信号形式
脉冲宽度： ps, ns ～ ms a) 固定载波的矩形脉冲调制信号
0.9A
0.1A
上升沿
下降沿
4、信号形式
b) 线性调频信号(LFM)
雷达接收机的主要性能指标（续） 3、稳定性 短期稳定性（ms）和长期稳定性 频率源的稳定性和频谱纯度 幅度和相位的稳定性： 常温稳定性、宽温稳定性、振荡 常温稳定性、宽频带常温稳定性 4、动态范围和接收机的增益
Smin
S max
So G Si
雷达接收机的主要性能指标（续） 5、抗干扰能力
JATS（Jamming Analysis and Transmission Selection）： 杂波分析和发射
N amp k Tamp Bn
G
S o : GSi
N o : G ( N i N amp )
等效噪声温度
Si / N i F S0 / N 0
Si / N i (GSi ) / G ( N i N amp )
N i N amp Ni
1
Tamp Tin
Tin 290k
常用雷达发射机
根据平台划分 地面雷达发射机 发射功率高 窄带：高增益和高功率的速调管 宽带：行波管放大器 复合式发射机、全固态发射机 舰载雷达发射机 与地面雷达发射机相似
常用雷达发射机
机载雷达发射机 发射功率：
几千瓦 ～几十千瓦 （峰值） 几百瓦 ～几千瓦 （平均值）
通常采用行波管放大器 星载雷达发射机 通常采用体积小、重量轻的行波管放大器 固态微波晶体管放大器
信号载频功率的比值
fc
fm
f
针对分布型分量的频谱纯度（dB/Hz）：分布性频谱的每单位频带上
的单边带功率与载频功率的比值
L ( f m ) 10 lg
B 带宽内的单边带功率
载频功率
10 lg( B)
(dB/Hz)
典型要求： －80 dB
波形的产生
主要针对线性调频信号 模拟产生方法 有源法
发射机的主要指标 2、输出功率
峰值功率、平均功率、占空比
发射信号
Tr
Pt Pave Tr
D
TrБайду номын сангаас
占空比 or 雷达工作比
功率： 几毫瓦 ～ 几太瓦
发射机的主要指标 3、发射机的效率
定义： 发射机输出高频功率 发射机输入功率（供电，包括冷却用电）
连续波雷达发射机效率： 20～30％
N o N 'G2 ( F2 1)G2 N i S /N F i i S0 / N 0 Si N o S i G1G2 N i
T amp ( F 1 ) T in
1 F1G1G2 N i ( F2 1)G2 N i G1G2 Ni
F1G1G2 ( F2 1)G2 G1G2 F2 1 F1 G1
雷达接收机的主要性能指标（续）
b) 不平衡时
1 1 j 2f i t j s (t ) (1 e )e (1 e j )e j 2f i t 2 2
fi 点的信号的模值
1 1 j Ad 1 e 1 2 cos 2 2 2
1 So (t ) 2
Si ( ) H ( )e jt d
激励信号的选择标准： 使扩展后的信号满足线性调频的要求
Wave candidate
f dr sin t 2 cos 0 t Si (t ) f dr 2 t
波形的产生
a) 平衡时
1, 0
s (t ) e j 2f it
( f fi )
f
b) 不平衡时
j ( 2f it ) j ( 2f it ) 1 j 2f it j 2f i t s (t ) e e e e 2 2 1 1 j 2f i t j (1 e )e (1 e j )e j 2f it 2 2
镜像点-fi 的信号的模值
1 1 j Ai 1 e 1 2 cos 2 2 2
Ai ) I/Q正交鉴相器对系统动态或改善因子的限制： 20 lg( Ad
接收机的噪声分析
目的： 获得级联系统的噪声系数
Si / N i
Si / N i S0 / N 0
F, G, Bn
x(t ) A cos2ft (t )
f (t ) f1 f dr t t 0 nTr , nTr , n 0,1,2,3,
A t f f1 f2
B
D B 1
脉冲压缩比
t
LFM: 大时宽带宽信 号，解决了普通信号 中大占空比与距离分 辨率间的矛盾。发射 峰值功率小。其最大 优点在于抗多普勒平 移干扰。
数字产生方法 基于DDS(直接数字频率合成器)的波形产生
波形的产生
DDS的基本原理 根据正弦函数的产生，从相位出发，不同的相位对应不同 的电压幅度，然后滤波平滑出所需的频率。
STANFORD公司的Stel-1173、2173、2171等 Qualcomm公司的Q2334、Q2220、Q2230 等 AD公司的产品
频率的选用与雷达的用途有关 工作频率在S波段以下的发射机大多选用全固态发射机 C、X波段及以上大功率发射机仍以真空管为主，但（GaAs FET）砷化 镓场效应管制造技术的发展，使这些波段的全固态发射机成为可能。 瞬时带宽： 瞬时带宽 > 信号带宽 频带内输出功率的变化应小于 1 dB 瞬时带宽的要求决定放大管的类型 窄带：选用三极管、四极管、速调管等 宽带：行波管、前向波管、行波速调管、 GaAs FET等
So / N o
噪声系数
F
噪声系数的大小与信号功率无关
接收机的功率增益
G N0 GN i
So Si
理想情况
F
F 1
N 0 GN i
F 1
放大器不能放大信噪比！
信号和噪声放大了G倍， 但没有引入新的噪声
等效噪声模型
Si / N i
F, G, Bn
So / N o
理想放大器
Si / N i
第二部分 雷达接收机
基本组成： 接收前端、中频接收机、频率源 雷达接收系统框图
天
线
雷达接收机（超外差式） 超外差的定义： 接收机利用一个或多个本振和混频器将 接收到的回波变换成中频
现 代 雷 达 接 收 机 框 图
AGC电路
AFC控制电路
AGC: Automatic gain control
AFC: Automatic frequency control
雷达接收机的主要性能指标（续） 6、波形失真 7、I/Q正交鉴相的正交度 （重要）
实现正交鉴相的方法：数字混频低通滤波法、数字插 值法、Hilbert变换法
NCO: Numerically Controlled Oscillator
雷达接收机的主要性能指标（续） I、Q通道不平衡
s (t ) cos(2f i t ) j sin( 2f i t )
利用压控振荡器（VCO）产生调频波，控制电压按所需的 调频规律变化 VCO: Voltage Controlled Oscillator 压控振荡器称为调频器，用以产生调频信号
波形的产生
无源法
So ( )
Si ( )
关键： 展宽滤波器的设计
波形的产生
无源法
So ( ) Si ( ) H ( )
Tamp ( F 1)Tin
级联形式下的噪声系数
N i kT0 Bn
F1 , G1 , Bn
' S N ' F1 N i Si
F2 , G 2 , Bn
N'
No
Si / N i F1 ' S / N'
N ' F1G1 N i
No :
G2 ( N ' N amp )
Recalling
软件雷达 A/D更靠近前端 开放式、灵活性、标准化、模块化
射频隐身的关键
4、信号形式
相位编码 码字的随机性对信号进行扩频，降低了单位频带内的信号能 量，提高了距离和多普勒分辨。 二相码： 180 dg. 四相码: 90 dg.
（5位巴克码信号）
4、信号形式
相位编码
巴克码 码元长度
2 3 4 5 7 11 13
码元
+ -, + + +++ + - +, + + + +++-+ +++--++++---+--++++++--++-+-+
雷达频率源的实现方法 3、基于DDS的频率合成器 DDS+PLL
DDS直接频率合成器
雷达接收机的主要性能指标 1、灵敏度和噪声系数 Si,min, F 灵敏度受噪声电平的限制 一般采用预选器、低噪声高频放大器和匹配滤波
Si,min： 10－12 ~ 10－14 W
2、选择性和信号带宽 信号带宽：接收机的通频带 带宽越窄，选择性越好，抗干扰能力越差， 采用滤波器组
第三章
雷达发射机和接收机
第一部分：发射机
第二部分：接收机
雷达发射机
发射机的功能
产生所需的某功率电平的射频信号
雷达发射技术
对雷达频率源产生的小功率射频信号进行放大或直接自激振荡 产生高功率雷达发射信号的一种综合技术
发射机分类
单级振荡式 主振放大式
单级振荡式
优点： 简单、经济、轻便 缺点： 频率稳定度差、难以形成复杂波形、相位不相参
雷达频率源的实现方法 现代的频率源：宽频带、高稳定、能产生复杂波形 1、直接合成频率源 用稳定的晶振作为参考频率源 特点： 频率转换速度快（<10 us）、稳定可靠 输出相位噪声基底低 体积大、成本高 2、间接合成频率源 锁相频率合成器PLL (phase-locked loop ) 组成： 高稳晶振参考源、鉴相器 压控振荡器（VCO）、低通滤波器（LPF） 特点： 电路简单、原理复杂
F2 1 F F1 G1
N级联
FN 1 F2 1 F3 1 F F1 G1 G1G2 G1G2 GN 1
T3 TN T2 Te T1 G1 G1G2 G1G2 GN 1
接收机中的几种主要附属电路 1、AGC（自动增益控制）
声表延迟线
电压效应产生形变， 产生超声波
压电效应产生电信号
必须是色散的
利用声表器件的脉压能达到－40dB 左右 频率范围：几百兆赫兹
波形的产生
数字产生方法 基带产生法
优点： 产生波形灵活，对数字电路要求不高 缺点： 幅相平衡的问题，导致镜像虚假信号和载波泄漏， 从而影响脉压
波形的产生
目的：使目标信号输出维持稳定
输出
中放
检波 LPF
视放 峰值检波器
2、IAGC（瞬时自动增益控制）
目的：防止信号太强，使干扰电压衰减，而维持目标信号的增益 放大器
输出
关键：迅速建立控制电压 为了不影响目标信号强度
i n i
控制 电路
检波器
i : n :
控制电路的时间常数 干扰持续时间
主振放大式
优点：频率稳定度高、可以形成复杂波形、相位相参、适于频率捷变 缺点： 结构复杂，效率低
高性能发射机的要求
发射信号必须是相参的 发射信号脉间必须是高稳定的 具备发射多种复杂波形的能力 抗干扰的能力 采用宽带发射机（>10%） 捷变频工作方式
发射机的主要指标 1、工作频率（频段）、带宽
接收机中的几种主要附属电路 3、时间增益控制（灵敏度时间控制STC）
目的：防止近程杂波引起的中频放大器过载
使偏置电压随时间的变化而变化
4、AFC （自动频率控制）
速调管振荡器所决定的本地振荡频率 fL 混频 本机振荡器
fi Ei
fs
中放 AFC电路
输出
判断与额定中频的偏差
现代接收机的共性要求： 宽频带、低噪声、大动态、高稳定 数字化
副主峰比（dB） -20lgN
- 6.0 -9.5 -12.0 -14.0 -16.9 -20.8 -22.3
其它的信号形式
LFM和PSK复合信号
FSK & PSK
OFDM & PSK
5、信号的稳定度
5、信号的稳定度
不对称性和随机性
针对离散型分量的频谱纯度（dB/Hz）：该离散分量的单边带功率与
优于
脉冲雷达发射机效率
通常峰值功率越高、占空比越小，效率越低
效率比较：
速调管、行波管发射机 磁控管、前向波放大管发射机 分布式全固态发射机
+ ++ +++
发射机的主要指标 4、信号形式
脉冲宽度： ps, ns ～ ms a) 固定载波的矩形脉冲调制信号
0.9A
0.1A
上升沿
下降沿
4、信号形式
b) 线性调频信号(LFM)
雷达接收机的主要性能指标（续） 3、稳定性 短期稳定性（ms）和长期稳定性 频率源的稳定性和频谱纯度 幅度和相位的稳定性： 常温稳定性、宽温稳定性、振荡 常温稳定性、宽频带常温稳定性 4、动态范围和接收机的增益
Smin
S max
So G Si
雷达接收机的主要性能指标（续） 5、抗干扰能力
JATS（Jamming Analysis and Transmission Selection）： 杂波分析和发射
N amp k Tamp Bn
G
S o : GSi
N o : G ( N i N amp )
等效噪声温度
Si / N i F S0 / N 0
Si / N i (GSi ) / G ( N i N amp )
N i N amp Ni
1
Tamp Tin
Tin 290k
常用雷达发射机
根据平台划分 地面雷达发射机 发射功率高 窄带：高增益和高功率的速调管 宽带：行波管放大器 复合式发射机、全固态发射机 舰载雷达发射机 与地面雷达发射机相似
常用雷达发射机
机载雷达发射机 发射功率：
几千瓦 ～几十千瓦 （峰值） 几百瓦 ～几千瓦 （平均值）
通常采用行波管放大器 星载雷达发射机 通常采用体积小、重量轻的行波管放大器 固态微波晶体管放大器
信号载频功率的比值
fc
fm
f
针对分布型分量的频谱纯度（dB/Hz）：分布性频谱的每单位频带上
的单边带功率与载频功率的比值
L ( f m ) 10 lg
B 带宽内的单边带功率
载频功率
10 lg( B)
(dB/Hz)
典型要求： －80 dB
波形的产生
主要针对线性调频信号 模拟产生方法 有源法
发射机的主要指标 2、输出功率
峰值功率、平均功率、占空比
发射信号
Tr
Pt Pave Tr
D
TrБайду номын сангаас
占空比 or 雷达工作比
功率： 几毫瓦 ～ 几太瓦
发射机的主要指标 3、发射机的效率
定义： 发射机输出高频功率 发射机输入功率（供电，包括冷却用电）
连续波雷达发射机效率： 20～30％
N o N 'G2 ( F2 1)G2 N i S /N F i i S0 / N 0 Si N o S i G1G2 N i
T amp ( F 1 ) T in
1 F1G1G2 N i ( F2 1)G2 N i G1G2 Ni
F1G1G2 ( F2 1)G2 G1G2 F2 1 F1 G1
雷达接收机的主要性能指标（续）
b) 不平衡时
1 1 j 2f i t j s (t ) (1 e )e (1 e j )e j 2f i t 2 2
fi 点的信号的模值
1 1 j Ad 1 e 1 2 cos 2 2 2
1 So (t ) 2
Si ( ) H ( )e jt d
激励信号的选择标准： 使扩展后的信号满足线性调频的要求
Wave candidate
f dr sin t 2 cos 0 t Si (t ) f dr 2 t
波形的产生
a) 平衡时
1, 0
s (t ) e j 2f it
( f fi )
f
b) 不平衡时
j ( 2f it ) j ( 2f it ) 1 j 2f it j 2f i t s (t ) e e e e 2 2 1 1 j 2f i t j (1 e )e (1 e j )e j 2f it 2 2
镜像点-fi 的信号的模值
1 1 j Ai 1 e 1 2 cos 2 2 2
Ai ) I/Q正交鉴相器对系统动态或改善因子的限制： 20 lg( Ad
接收机的噪声分析
目的： 获得级联系统的噪声系数
Si / N i
Si / N i S0 / N 0
F, G, Bn
x(t ) A cos2ft (t )
f (t ) f1 f dr t t 0 nTr , nTr , n 0,1,2,3,
A t f f1 f2
B
D B 1
脉冲压缩比
t
LFM: 大时宽带宽信 号，解决了普通信号 中大占空比与距离分 辨率间的矛盾。发射 峰值功率小。其最大 优点在于抗多普勒平 移干扰。
数字产生方法 基于DDS(直接数字频率合成器)的波形产生
波形的产生
DDS的基本原理 根据正弦函数的产生，从相位出发，不同的相位对应不同 的电压幅度，然后滤波平滑出所需的频率。
STANFORD公司的Stel-1173、2173、2171等 Qualcomm公司的Q2334、Q2220、Q2230 等 AD公司的产品
频率的选用与雷达的用途有关 工作频率在S波段以下的发射机大多选用全固态发射机 C、X波段及以上大功率发射机仍以真空管为主，但（GaAs FET）砷化 镓场效应管制造技术的发展，使这些波段的全固态发射机成为可能。 瞬时带宽： 瞬时带宽 > 信号带宽 频带内输出功率的变化应小于 1 dB 瞬时带宽的要求决定放大管的类型 窄带：选用三极管、四极管、速调管等 宽带：行波管、前向波管、行波速调管、 GaAs FET等
So / N o
噪声系数
F
噪声系数的大小与信号功率无关
接收机的功率增益
G N0 GN i
So Si
理想情况
F
F 1
N 0 GN i
F 1
放大器不能放大信噪比！
信号和噪声放大了G倍， 但没有引入新的噪声
等效噪声模型
Si / N i
F, G, Bn
So / N o
理想放大器
Si / N i
第二部分 雷达接收机
基本组成： 接收前端、中频接收机、频率源 雷达接收系统框图
天
线
雷达接收机（超外差式） 超外差的定义： 接收机利用一个或多个本振和混频器将 接收到的回波变换成中频
现 代 雷 达 接 收 机 框 图
AGC电路
AFC控制电路
AGC: Automatic gain control
AFC: Automatic frequency control
雷达接收机的主要性能指标（续） 6、波形失真 7、I/Q正交鉴相的正交度 （重要）
实现正交鉴相的方法：数字混频低通滤波法、数字插 值法、Hilbert变换法
NCO: Numerically Controlled Oscillator
雷达接收机的主要性能指标（续） I、Q通道不平衡
s (t ) cos(2f i t ) j sin( 2f i t )
利用压控振荡器（VCO）产生调频波，控制电压按所需的 调频规律变化 VCO: Voltage Controlled Oscillator 压控振荡器称为调频器，用以产生调频信号
波形的产生
无源法
So ( )
Si ( )
关键： 展宽滤波器的设计
波形的产生
无源法
So ( ) Si ( ) H ( )
Tamp ( F 1)Tin
级联形式下的噪声系数
N i kT0 Bn
F1 , G1 , Bn
' S N ' F1 N i Si
F2 , G 2 , Bn
N'
No
Si / N i F1 ' S / N'
N ' F1G1 N i
No :
G2 ( N ' N amp )
Recalling
软件雷达 A/D更靠近前端 开放式、灵活性、标准化、模块化
射频隐身的关键
4、信号形式
相位编码 码字的随机性对信号进行扩频，降低了单位频带内的信号能 量，提高了距离和多普勒分辨。 二相码： 180 dg. 四相码: 90 dg.
（5位巴克码信号）
4、信号形式
相位编码
巴克码 码元长度
2 3 4 5 7 11 13
码元
+ -, + + +++ + - +, + + + +++-+ +++--++++---+--++++++--++-+-+
雷达频率源的实现方法 3、基于DDS的频率合成器 DDS+PLL
DDS直接频率合成器
雷达接收机的主要性能指标 1、灵敏度和噪声系数 Si,min, F 灵敏度受噪声电平的限制 一般采用预选器、低噪声高频放大器和匹配滤波
Si,min： 10－12 ~ 10－14 W
2、选择性和信号带宽 信号带宽：接收机的通频带 带宽越窄，选择性越好，抗干扰能力越差， 采用滤波器组
第三章
雷达发射机和接收机
第一部分：发射机
第二部分：接收机
雷达发射机
发射机的功能
产生所需的某功率电平的射频信号
雷达发射技术
对雷达频率源产生的小功率射频信号进行放大或直接自激振荡 产生高功率雷达发射信号的一种综合技术
发射机分类
单级振荡式 主振放大式
单级振荡式
优点： 简单、经济、轻便 缺点： 频率稳定度差、难以形成复杂波形、相位不相参
雷达频率源的实现方法 现代的频率源：宽频带、高稳定、能产生复杂波形 1、直接合成频率源 用稳定的晶振作为参考频率源 特点： 频率转换速度快（<10 us）、稳定可靠 输出相位噪声基底低 体积大、成本高 2、间接合成频率源 锁相频率合成器PLL (phase-locked loop ) 组成： 高稳晶振参考源、鉴相器 压控振荡器（VCO）、低通滤波器（LPF） 特点： 电路简单、原理复杂
F2 1 F F1 G1
N级联
FN 1 F2 1 F3 1 F F1 G1 G1G2 G1G2 GN 1
T3 TN T2 Te T1 G1 G1G2 G1G2 GN 1
接收机中的几种主要附属电路 1、AGC（自动增益控制）