雷達技術與應用第五章

雷達接收機5.1雷達接收機的作用和主要技術參數5.2雷達接收機的基本組成及工作原理

5.3

接收機的動態范圍與增益控制5.4自動頻率控制5.5現代雷達接收機第五章

雷達接收機雷達發射機產生大功率的射頻能量，經饋線傳輸到天線，以電磁波的形式向某一空間定向傳播。位于天線波束內的物體將使電磁波產生反射，而總有部分能量向雷達方向反射，被雷達天線接收后再經饋線和收發轉換開關變換成電壓或電流送給雷達接收機。雷達接收機將收到的微弱回波信號予以放大、轉換、處理、以滿足后續信號處理機和數據處理機的要求。5.1雷達接收機的作用和主要技術參數5.1.1雷達接收機的作用1）選擇信號

在空間總是同時存在各種各樣的無線電波：

各種雷達、通信系統、干擾機和工業電氣設備輻射的無線電波，宇宙空間各個天體產生的電磁輻射，以及雷達本身輻射的能量被無用目標（如雨、雪、鳥群、昆蟲、大氣擾動和金屬筒條等）所散射并被該雷達接收的部分。

而雷達接收機必須能從各種信號或各種干擾中分離出所需要回波信號。

因此，接收機的重要任務之一就是利用固定調諧或可變調諧的諧振電路對需要的信號實現頻率選擇。

接收機選擇信號、抑制干擾的能力稱之為選擇性。5.1.1雷達接收機的作用1）選擇信號

在雷達接收機中選擇信號的另外一種方法就是時間選擇。對各種雷達來說，通常在跟蹤狀態只能對某一目標進行跟蹤，若在同一方向、不同距離上出現多個目標，這些目標回波的載波頻率相同，它們都能進入接收機，但它們在到達雷達接收機的時間上卻有先有后。

此時可以根據這些目標回波進入接收機的時間差異進行時間選擇。時間選擇是由接收機中放的選通電路來實現的（由時間上可以移動的選通波門來控制）。2）放大信號雷達天線接收到的回波信號通常是很微弱的。雖然由雷達天線輻射到空間的高頻脈沖能量很強的，通?？梢赃_幾十千瓦或幾百千瓦；但是雷達天線接收到的由目標反射回來的信號能量是極其弱的，一般只有零點幾微伏到幾微伏；而顯示器等終端設備要求輸入信號電壓幅值在幾伏到幾十伏以上；因此接收機應能把接收到的微弱信號放大到能使雷達終端設備正在工作所需的數值，以便在顯示器上現實目標。放大信號的任務由接收機中的高頻放大器、中頻放大器、視頻放大器等共同完成的。5.1.1雷達接收機的作用3）變換信號雷達接收機收到的回波信號是脈沖調制的高頻信號；而顯示器等終端設備要求輸入的信號為視頻脈沖信號；因為不能直接將這些信號送至終端設備或控制系統中去，而必須利用接收機中的非線性電路，將高頻信號變換成易于放大的中頻信號，以及將高頻調制波解調成原調制信號。接收機中信號的這些變換是由變頻器和檢波器等電路來實現的。應當指出，隨著發射機中信號的調制方式不同，接收機中相應的解調方式也隨之不同。5.1.1雷達接收機的作用4）抑制雜波和干擾任何雷達在使用過程中總會遇到各種自然或人為的干擾;這些干擾妨礙目標的正常觀察和檢測，或造成錯誤的判斷，嚴重時完全破壞接收機的正常工作。為此，要求雷達接收機應具有良好的抗干擾性能，要求雷達接收機能在復雜電磁環境下正常工作，所以雷達接收機必須有抗干擾、抑制雜波的作用。綜上所述，雷達接收的主要用途是：選擇信號、放大信號、變換信號，并盡可能地抑制雜波和干擾。5.1.1雷達接收機的作用5.1.2接收機的主要技術參數1）靈敏度靈敏度表示接收機接收微弱信號的能力。能接收到的信號越微弱，則接收機的靈敏度越高，雷達的作用距離就越遠。當接收機的輸入信號功率達到靈敏度時，接收機就能正常接收且在輸出端檢測出這一信號；如果信號功率低于此值，信號將被淹沒在噪聲干擾之中，不能被可靠地檢測出來。接收機靈敏度的極限值是受內部噪聲功率所限制的。5.1.2接收機的主要技術參數

2）動態范圍接收機正常工作時，如果輸入信號增大，輸出信號也會成正比例增大;但當接收機的輸入信號增大到某一幅值后，其輸出信號不會再隨著輸入的增大而成正比例的增大，嚴重時反而會隨之減小，接收機會暫時停止工作，這是由于強信號輸入使放大器工作于飽和狀態，失去了放大作用，這種現象稱之為“過載”。圖5-1所示為輸出電壓與輸入電壓的關系。接收機剛開始出現過載時的輸入信號功率與最小可檢測功率之比，稱為動態范圍。

為了保證對微弱信號均能正常接收，要求動態范圍大，就需要采取一定措施，例如采用對數放大器、各種增益控制電路等。5.1.2接收機的主要技術參數圖5-1所示為輸出電壓與輸入電壓的關系過載uiuouismaxuisminuosmaxuosmin03）接收機的選擇性和工作頻帶寬度選擇性:表示接收機選擇所需要信號而抑制鄰頻干擾的能力。雷達接收機必須能在一定的頻帶范圍內接收目標反射信號，而盡量不接收其他頻率的信號。接收機的工作頻帶寬度（又稱為接收寬帶）表示接收機的瞬時工作頻率范圍。選擇性與通頻帶是一對矛盾，通頻帶越寬，選擇性越差；通頻帶越窄，選擇性越好。圖5-2所示為選擇性與通頻帶的關系。在復雜的電子對抗和干擾環境中，要求雷達發射機和接收機具有較寬的工作帶寬。接收機的工作帶寬主要取決于高頻部件（饋線系統、高頻放大器和本機振蕩器）的性能。5.1.2接收機的主要技術參數圖5-2所示為選擇性與通頻帶的關系f（A）諧振曲線1諧振曲線2BR11BR12ffn2fn1fsfn1fn24）波形質量如果雷達接收機的通頻帶很寬，能使所有的頻率分量都能通過，那么就不會產生波形失真。但實際上，接收機的通頻帶是不可能做得很寬的。因為通頻率太寬，抑制鄰頻干擾的能力就要變差。由于寬帶的限度，因此就會使一部分邊頻能量不能通過，接收機的輸出波形就會產生失真，如圖5-3所示。5.1.2接收機的主要技術參數波形失真的表現及危害如下：（1）測距精度降低。因為脈沖前沿不再陡直，上升時間tr增長，這樣就不能精確地測出回波脈沖與主脈沖之間的時間差值。（2）距離分辨率降低。因為脈沖后沿不再陡直，下降時間tr增長，這樣就會使雷達對相距較近的兩個目標的距離分辨率降低。圖5-3接收機輸出波形失真正向肩峰tf負向肩峰U010.90.10tpΔt波形失真對測距精度和距離分辨力的影響如圖5-4所示。（3）接收機發生過載或截止，失去目標。因為脈沖發生頂部降落，并出現正向肩峰；脈沖尾部也出現反向肩峰。當脈沖寬度τ一定時，要波形失真小，接收機的通頻帶就要寬。但是通頻帶太寬時會使得通過的噪聲功率增加，從而使接收機的靈敏度降低，因此應根據雷達的不同用途來確定接收機的通頻帶。5.1.2接收機的主要技術參數圖5-4波形失真對測距精度和距離分辨力的影響5）中頻選擇和濾波特性中頻的選擇和濾波特性是接收機的重要質量指標之一。中頻的選擇與發射波形的特性，接收機的工作帶寬以及所能提供的高頻部件和中頻部件的性能有關。中頻可以在30MHz~4GHz范圍內選擇。當需要在中頻增加某些信號處理部件，例如脈沖壓縮器，對數放大器和限幅器的時候，從技術實現上，選擇30~500MHz比較合適。減少接收機噪聲的關鍵參數是中頻濾波特性。在白噪聲（即接收機熱噪聲）背景下，接收機的頻率特性為“匹配濾波器”時，輸出信號噪聲比最大。5.1.2接收機的主要技術參數6）放大倍數放大倍數表示接收機放大信號的能力。接收機必須有足夠的放大倍數，才能使微弱的回波信號在顯示終端中現實出來。接收機放大信號的能力，常用增益表示。增益是放大倍數的對數值，它們之間的關系為：電壓增益（dB）Gu=20lgKu功率增益（dB）Gp=10lgKp式中：Ku為電壓放大倍數；Kp為功率放大倍數。雷達接收機的電壓放大倍數一般為106~109倍，相應的增益為120~180dB。5.1.2接收機的主要技術參數7）抗干擾能力抗干擾能力是現代雷達接收機的主要性能要求。干擾可能是因海浪、雪雨、地物反射引起的雜波干擾，或是友鄰雷達無意造成的干擾以及敵方干擾機施放的干擾等。這些干擾會妨礙對目標的正常觀測，從而造成判斷錯誤，嚴重時會完全破壞接收機的正常工作。因此，為使抗干擾性能力良好，需要：一方面要提高雷達接收機本身的抗干擾性能，如提高系統的頻率和幅相穩定性，采用寬帶自適應跳頻體制等；另一方面還需要加裝各種抗干擾電路，如抗過載電路，抗噪聲調制干擾電路等。5.1.2接收機的主要技術參數5.2雷達接收機的基本組成及工作原理

現代所有雷達接收機系統都是使用超外差式接收機。超外差式接收機的主要特點：是利用變頻器（由混頻器和本機振蕩器組成），將高頻信號變換為固定的中頻信號后再進行充分放大。超外差式接收機與其他形式接收機相比，雖然在電路結構上復雜一些，但具有靈敏度高，選擇性好，工作穩定等突出特點，因為在實際中得到廣泛應用。5.2.1雷達接收機的基本組成不同波段和不同用途的雷達接收機，其組成結構不盡相同，但一般來說，其典型組成結構有以下兩種。1）米波搜索警戒雷達接收機米波警戒雷達接收機的工作波長為1~10m，其組成框圖如圖5-5所示。它包括有放大器、變頻器、中頻放大器、檢波器和視頻放大器等電路。5.2.1雷達接收機的基本組成1）米波搜索警戒雷達接收機圖5-5米波接收機簡化框圖收發開關高頻放大器信號混頻器中頻放大器振幅檢波器視頻放大器至終端設備本機振蕩器變頻器自發射機天線①②③④⑤⑥⑦2）厘米波跟蹤雷達接收機厘米波雷達接收機的工作波長為1~10cm，其組成框圖如圖5-6所示。厘米波跟蹤雷達接收機的組成框圖與米波搜索雷達接收機組成框圖基本相同，即包括高頻放大器、變頻器、中頻放大器、檢波器和視頻放大器等電路。但由于雷達的用途不同，工作波段不同，未來保證接收機具有更完善的性能。通常厘米波雷達接收機還有一些輔助性電路，如：增益控制電路、自動頻率控制電路及各種抗干擾電路。5.2.1雷達接收機的基本組成2）厘米波跟蹤雷達接收機5.2.1雷達接收機的基本組成圖5-6厘米波超外差雷達接收機框圖收發開關高頻放大器信號混頻器振幅檢波器中頻放大器視頻放大器變頻器至終端設備天線①②④⑤⑥⑦③本機振蕩器自發射機手動頻率微調自動頻率微調抗干擾電路MGC自動增益控制5.2.2收發開關1）作用天線收發開關是在發射機（發射期間）和接收機（接收期間）之間實施公用天線及饋線系統轉換的部件，盡管它為發射機和接收機所共用，但一般都把它作為接收機的一部分，且常簡稱為收—發（T/R）開關。通常雷達發射機和接收機都共用一套天線系統。當發射機工作時，讓發射機產生的高頻功率能量順利地達到天線，為此同時收發開關自動地切斷接收機支路，以避免發射時漏入接收機的高頻大功率能量過大，而使接收機前幾級嚴重過載飽和，從而妨礙對近距離目標的接收，嚴重時將使接收機前端的元器件損壞；在接收機工作時，只讓微弱的回波信號進入接收機，而自動地切斷發射機之路，防止微弱的回波信號功率漏入到發射機，使接收機的靈敏度降低。2）典型收發開關收發開關可以用氣體放電管、鐵氧體環流器以及半導體功率限幅相組合的固態化器件制作。用氣體放電管作為天線收—發開關的原理如圖5-7所示。用環流器構成的天線收—發開關的原理如圖5-8所示。T/R氣體放電管T/R氣體放電管接收機發射機λ/4λ/4λ/4天線圖5-7氣體放電管收—發開關發射機接收機132天線環流器圖5-8環流器收—發開關5.2.2收發開關環流器具有如下的特性：當電磁波從1端收入時，只在2端有輸出，而3端輸出為零；當電磁波從2端收入時，只在3端上有輸出，而1端輸出為零。用環流器作天線收發開關時，發射功率從1端輸入，這時電磁波只能從2端輸出送至天線；從天線接收到的回波信號從2端收入，這時只能從3端輸出進入接收機。采用環流器后，能使發射機與接收機共用同一套天線和饋線系統。用作天線收—發開關的鐵氧體環流器要求功率容量較大，其結構如圖5-9所示。鐵氧體環流器由兩個并列的不可逆的90°移相器、3dB裂縫電橋、H面折疊雙T接頭連接而成，這種環球器通常稱為雙T混合式環流器。5.2.2收發開關5.2.2收發開關圖4-9混合鐵氧體環球器收發開關5.2.3高頻放大器1）高頻放大器的作用高頻放大器是超外差式雷達接收機的重要組成部分；其任務是將雷達天線接收機收到的回波信號直接在載波頻率上進行放大，然后再將它送到混頻器去進行混頻，以形成中頻回波信號。雷達接收機的靈敏度要求很高，為了提高靈敏度，除了盡量減小內部噪聲的影響外，同時還要有足夠的增益。在雷達接收機中采用高頻放大器的主要作用：降低接收機的總噪聲，提高接收機的靈敏度。2）對高頻放大器的要求（1）噪聲系數小。（2）功率放大倍數要達到一定的數值，一般為100倍（20dB）左右。（3）工作穩定可靠。放大器級數不能多，一般為1~3級。（4）適當的帶寬，以便不失真地放大高頻脈沖信號。接收機的通頻帶既不能太寬，也不能太窄，太寬會使接收機的雜波增加，而太窄又會造成脈沖信號的失真。5.2.3高頻放大器3）高頻放大器的種類不同型號雷達的工作頻率不同，接收機采用的高頻放大器類型有很大區別。雷達接收機中常用的高頻放大器有以下幾類。（1）米波晶體管高頻放大器。在米波晶體管雷達接收機中，放大信號的中心頻率在幾百千赫茲到幾百兆赫（一般為300MHz）范圍內。

為了保證放大器有足夠的電壓增益和功率增益，高頻放大器一般需要2~3級。（2）行波管放大器。行波管放大器是利用信號的電磁場與電子流相互作用而使信號的到放大。應用的頻率范圍很寬，噪聲系數一般為6~7dB，較好管子的噪聲系數可以低于4dB。行波管放大器的優點是頻帶寬、抗飽和能力強、工作穩定性好。缺點是體積大、需要較大的聚焦線圈。5.2.3高頻放大器3）高頻放大器的種類（3）參量放大器。通常采用的參量放大器是變容二極管參量放大器，它是利用非線性電容的周期性變化來放大信號。在常溫下工作時，噪聲系數約為2~3dB，增益可以達到20dB左右。（4）微波晶體管放大器。由于微波晶體管放大器具有工作頻帶寬、噪聲低、動態范圍大、便于集成等優點、使它獲得了迅速的發展。5.2.3高頻放大器5.2.4混頻器1）混頻器的作用雷達接收機的作用是通過接收天線接收攜帶目標信息的回波信號，通過進一步提取和處理信號，獲得目標信息。首先需要將接收到的微弱信號進行放大。但是在微波波段，若對信號直接放大會遇到以下幾個問題。（1）為了把天線接收到的微弱信號放大到所需要的幅度，以保證檢波器呈線性律檢波，通常要求接收機的電壓增益為105~106倍（100~120dB）。由于放大器受到最大穩定增益的限制，將微弱的高頻信號直接放大到如此高的倍數是很困難的。而且頻率越高，放大量越大時，放大器的工作越不穩定。接收機沒有足夠的增益，靈敏度也不可能很高。5.2.4混頻器1）混頻器的作用（2）信號頻率越高，放大器調諧回路的通頻帶就越寬，即選擇性越差。在厘米波波段，由高頻放大器直接選擇出幾兆帶寬的信號是非常困難的。（3）如果接收機是窄帶的，當信號頻率變化時，需要將所有的高頻放大器調諧到信號頻率上，這會使接收機的調諧結構變的十分復雜。為解決上述矛盾，通常采用稱為“變頻器”的設備將信號預處理；變頻器可以作為接收機的前置級或作為低噪聲放大器的后續級。變頻器是一個頻率變換器，它最重要的作用是把高頻回波信號與本機振蕩電壓進行混頻，輸出中頻回波信號。中頻信號的包絡形狀同高頻信號的包絡一樣，只是信號的載頻頻率由高頻降為中頻。5.2.4混頻器圖5-10所示為混頻前、混頻后的信號波及其頻譜?？梢钥闯觯c高頻信號相比，中頻信號的包絡形狀并未改變，其頻譜中各個分量的相對關系也沒有改變，只是各個分量的頻率都降低了一定的數值，相當于“整個頻譜”在頻率軸上向左“搬移”了一定的位置，由中心頻率為fs處搬移到了中心頻率f0處。這種電路的特點就是利用變頻器將高頻回波信號變換成頻率較低的中頻回波信號，然后再利用多級固定調諧的中頻放大器對中頻回波信號進行充分放大。這樣既能保證接收機獲得較高的靈敏度、足夠的放大量和適當的通頻帶，又能使電路穩定地工作。圖5-10混頻前后波形及頻譜5.2.4混頻器2）混頻器的組成要實現這種頻率變換，在電路結構上必須具有三個基本組成部分：（1）非線性元件，它是變頻器的核心，產生由本振頻率及高頻信號頻率所決定的各種頻率分量，實現頻率搬移。（2）本機振蕩器（簡稱本振）：它輸出高于或低于信號頻率一個中頻的本振信號。（3）帶通濾波器：在眾多頻率分量中，將所需的中頻分量選擇出來。5.2.4混頻器混頻器的基本工作原理是：高頻信號fs與本機振蕩器產生的高頻等幅信號fb同時加在非線性元件（混頻二極管）上，在混頻二極管電路的輸出端產生（fs±fb）和fs、fb的諧波頻率及其組合頻率。帶通濾波器電路用來取出所需的差頻fs-fb，完成頻率變換過程。圖5-11給出混頻器的原理方框圖。非線性元件帶通濾波器本機振蕩器混頻器變頻器信號輸入中頻輸出fsfbfs-fbnf±mfb圖5-11混頻器原理方框圖5.2.4混頻器3）平衡混頻器的基本電路在各種結構形式的混頻器中，通常可分為單端混頻器、平衡混頻器和雙平衡混頻器等三類。由于雙平衡混頻器結構復雜，應用受到限制。雖然單端混頻器的結構簡單，匹配方便，但是噪聲性能差，所需本振功率也較大，

所以目前更多使用的是平衡混頻器。5.2.4混頻器

平衡混頻器使用兩個混頻二級管，利用輸入混合電路將大小相等和一定相位關系的高頻信號與本振功率同時加到兩個性能一樣的二極管上。既可以充分利用信號和本振功率，使兩管混頻后的中頻分量疊加輸出，同時增大混頻器的動態范圍，又可以抵消來自本振器的噪聲，改善混頻器的噪聲性能，還可以抑制混頻器所產生的寄生頻率分量，使混頻器效率大為提高。因此平衡混頻器在實際中應用廣泛。平衡混頻器的構成原則與單端混頻器相同，也由耦合器、阻抗匹配電路、二極管線等組成。不同之處在于，因為用兩個二極管平衡工作，耦合器應為本振和信號提供兩個相同的輸出。為此，應采用分支線或環形定向耦合器。另外，中頻輸出既可以用單端口輸出，也可以用雙端口平衡輸出。由于耦合器和中頻輸出的形式不同，混頻器的電路結構也就不一樣，但它們的基本原理相同。5.2.4混頻器以180°相移波導型正交場平衡混頻器為例，介紹波導型正交場平衡混頻器的工作原理。波導型正交場平衡混頻器結構如圖5-12所示。它的結構緊湊，體積小，頻帶寬，噪聲系數小。適用于小型化、輕量化和可靠性要求嚴格的場合。5.2.4混頻器圖5-12波導型正交場平衡混頻器結構這種混頻器主要由一個正方形的混頻腔和兩段相互垂直的波導組成。高頻信號由本振功率分別從兩端波導送入混頻器，混頻腔中有兩個混頻二極管串聯裝在一起。兩個二極管接頭處有一個與二極管軸線垂直的金屬桿為“擾動桿”?；祛l后得到的中頻電流，通過它引出到中頻諧振電路，在中頻輸出端有高頻扼流裝置，用來防止射頻能量泄露到中頻電路。5.2.4混頻器由于兩段輸入波導是互相垂直的，加入到混頻器中的信號和本振電場是互相垂直的，因此這種混頻器“正交場混頻器”或稱為“交叉場混頻器”?；祛l腔兩端的晶體插座接晶體電流表，為了能測出二極管的整流電流，兩個二極管與混頻腔外殼是絕緣的，在晶體插座與混頻腔之間的高頻旁路電容用來防止高頻能量逸出混頻腔。在每個晶體座中都裝有LC濾波網絡，用來濾除中頻并提供晶體電流的直流通路，電阻R作為晶體電流表的分流電阻。對直流回路來說，兩個二極管是串聯的，而對中頻輸出來說，兩個二極管是并聯的。正交場混頻器為什么是反相型平衡混頻器？由于信號波導寬邊與二極管軸線垂直，信號產生的電場方向與兩個二極管軸線平行，加在二極管上的信號電壓大小相等、方向相同。而本振的波導寬邊與二極管軸線平行，如果沒有擾動桿，注入到混頻腔中本振電場方向將與二極管軸線垂直，則混頻器無法工作。在金屬桿擾動的作用下，本振電場發生畸變。5.2.4混頻器電場發生畸變的原因是因為在金屬導體表面上只能有法線方向的電場分量存在，不能有切線方向的電場分量。當本振功率注入到混頻腔以后，只有發生電磁場的擾動才能滿足這個基本原則。這樣一來，兩個混頻管上就加有大小相同、方向相反的本振電壓。由此可見，信號電壓同相加到兩個二極管上，而本振電壓反相加到了兩個二極管上。因此，正交場混頻器為反相型平衡混頻器。正交場平衡混頻器的信號與本振隔離度好，原因是：信號波導與本振波導互相垂直，本振輸入波導對信號場來說是截止的；本振雖然有中心分支導體存在，出現了和信號場平行的分量，但由于存在兩個方向相反的分量，它們對信號波導的激勵互相抵消。因此，正交場平衡混頻器具有良好的信號和本振隔離度。5.2.5中頻放大器1）作用中頻放大器把變頻后的中頻信號進行充分放大后，送給檢波器。中頻放大器是含有諧振回路的多級放大器，總的放大倍數可以達到數十萬甚至上百萬；接收機的放大任務主要是由中頻放大器來完成的。在微波雷達接收機中，由于結構上的原因，混頻器通常與高頻裝置在一起，而中放又在遠離高頻裝置的主控臺機柜中。為了減少信號在混頻器與中放連接電纜中的損耗，不使信噪比嚴重變壞，在混頻器近旁先用前置中頻放大器將中頻信號放大到一定程度后，再用電纜傳送到主中頻放大器。常用的中頻頻率范圍在10~100MHz之間?？紤]到成本、增益、動態范圍、失真度、穩定性、選擇性等原因，一般都是選用較低的中頻，只有在要求較寬的頻帶時，才使用較高的中頻。（1）調諧式中頻放大器調諧式中頻放大器包括單調諧、雙調諧及參差調諧等幾種類型。單調諧中放的每級只有一個調諧回路，各級均調諧在中頻f0，如圖5-13（a）所示。這種放大器的通頻帶較窄，頻響曲線的形狀同矩形相差較遠，如圖5-14（a）所示。這種放大器通常在頻帶小于3MHz，放大量小于105的中頻放大器使用。由于它的電路簡單，制作、調整方便，穩定性也好，故為大多數防空雷達接收機所采用。5.2.5中頻放大器（1）調諧式中頻放大器5.2.5中頻放大器

為了增寬中頻放大器的通頻帶和改善矩形系數，參差調諧是一種有效的方法。

兩級放大器的調諧回路分別諧振在對稱于中頻的兩個不同頻率f1、f2上。如圖5-13（b）和圖5-14（b）所示。這種放大器通常用于通頻帶為3~8MHz范圍內的中放上，其頻響近似于矩形，通頻帶寬。這種放大器的通頻帶可以達到8MHz以上，但調整起來相當復雜，僅在精確測距雷達中使用。5.2.5中頻放大器圖5-13調諧式中頻放大器電路結構圖5-14調諧式中放的頻響曲線（1）調諧式中頻放大器圖5-13（c）和圖5-14（c）給出了三級參差調諧放大器的電路結構和頻響曲線。為了克服單調諧中放頻帶窄、矩形系統差的缺點，有時采用雙調諧中放。雙調諧放大器的集電極有兩個調諧回路，它們都是調諧于中頻f0，如圖5-13（d）所示。通常處于臨界耦合狀態，通頻帶達3~8MHz，頻響曲線近似矩形，如圖5-14（d）所示，但調整困難，應用也較少。5.2.5中頻放大器（2）濾波式中放。為克服調諧式中頻放大器的缺點（如輸入、輸出阻抗變化影響諧振曲線，從而使選擇性變差、通頻帶變窄等），目前廣泛采用濾波式中放。濾波式中放由集中選擇性濾波器和線性放大器構成，如圖5-15所示。集中選擇濾波器由電感電容濾波器、石英晶體濾波器、陶瓷濾波器等組成，以滿足選擇性和通頻帶的要求。線性放大器采用多級阻容放大器或線性集成電路，可保證足夠的增益。5.2.5中頻放大器放大器濾波器放大器放大器輸入輸出圖5-15濾波式中放組成框圖（2）濾波式中放。在實際應用中，常采用插入濾波器的方法構成中放電路，濾波器為LC集中參數帶通濾波器，濾波器的輸入和輸出阻抗分別與前后級放大器的輸出和輸入阻抗匹配，中頻放大器的選擇性由濾波器決定。采用插入濾波器法構成的中頻放大器具有明顯的優點：可以通過更換濾波器的方法來改變中放的中心頻率和通頻帶寬。（3）對數放大器。對數放大器是一種非線性放大器，當輸入信號在大范圍內變化時，輸出信號只在小范圍內變化，即動態范圍很大，因而具有抗飽和的特性，它可使雷達接收機同時監視多個強弱懸殊特殊的回波。由于對數放大器的動態響應很好，因而對強干擾過后的弱信號有較好的接收能力，并對干擾的快變化有較好的抑制能力。對數放大器是指輸出電壓Usc與輸入電壓Usr之間具有對數關系的放大器，其振幅特性可以表示為Usc=M

lnUsr

式中：M為常數。5.2.5中頻放大器5.2.6檢波器檢波器位于中頻放大器與視頻放大器之間，其任務是將中頻脈沖信號變換為視頻脈沖信號。檢波的過程就是取出中頻信號電壓包絡的過程，這種過程與調制過程正好相反，因而檢波也稱為“反調制”或“調解”。檢波有大信號檢波和小信號檢波之分。通常，當輸入電壓接近或超過1V時，稱為大信號檢波；信號電壓遠小于1V時，稱為小信號檢波。大信號檢波失真小，因為信號電壓幅度的變化部分處于檢波管特性曲線的“直線波分”；小信號檢波失真較大，信號電壓幅度的變化大部分處于特性曲線的“彎曲部分”。雷達接收機中的檢波通常是大信號檢波。任何非線性元件，如二極管、三極管或晶體管等，都能同電阻和電容組成檢波器，再完成檢波任務。5.2.7視頻放大器為了使目標回波能在顯示器上顯示出來，通常需要幾十伏的視頻電壓。因檢波器輸出的視頻脈沖電壓幅度一般只有1~2V左右，因此，必須采用視頻放大器對視頻信號加以放大。由于視頻脈沖具有相當寬的頻譜，因此要基本不失真地放大視頻脈沖信號，就要求視頻放大器必須具有足夠的寬帶。視頻放大器一般由2~4級視頻放大電路組成。接收機動態范圍是雷達接收機的一個重要指標。為了防止強信號引起的過載，需要增加接收機的動態范圍，就必須要有增益控制電路。同時，跟蹤雷達需要得到歸一化的角誤差信號，使天線正確地跟蹤運動目標，必須采用自動增益控制（AGC）。另外，由海浪等地物反射的雜波干擾、敵方干擾機施放的噪聲調制等干擾，往往遠大于有用信號，更會使接收機過載而不能正常工作。為使雷達的抗干擾性能良好，通常都要求接收機應具有專門的抗過載電路，例如瞬時自動增益控制（IAGC）電路、靈敏度時間控制（STC）電路、對數放大器等。5.3接收機的動態范圍與增益控制手動增益控制（MGC）又稱人工增益控制，當雷達處于搜索狀態時，雷達探測范圍內的全部目標都將分別在顯示器或其他終端設備上顯示或指示出來，以供觀察目標，進而判斷目標的性質或測量目標的坐標參數。但由于目標距離變化造成信號幅度的變化，影響這種觀察和測量，為了消除這種影響，一般均采用手動增益控制電路。5.3.1手動增益控制圖5-16手動增益控制原理示意圖手動增益控制原理示意圖如圖5-16所示，通過調節電位器W，以取得所需要的增益控制電壓Eg，使受控級的增益改變。其中圖5-16（a）是通過直接改變受控中放級增益來實現增益控制的；圖5-16（b）是通過改變電控衰減器衰減量，使中放總增益改變，從而實現增益控制。1）AGC的原理AGC是一種負反饋電路，用于調整接收機的增益，以便系統保持適當的增益范圍，它對接收機在室溫、寬頻帶工作中保持增益穩定具有重要作用。對于多路接收機系統，AGC還有保持多路接收機增益平衡的作用，AGC也常稱為AGB（自動增益平衡）。不同體制、不同用途雷達AGC作用不同。AGC的作用包括：防止由于強信號引起的接收機過載；補償接收機增益的不穩定，在跟蹤雷達中保證角誤差信號歸一化；在多束三坐標雷達中用來保證多通道接收機增益平衡，等。5.3.2自動增益控制（AGC）圖5-17AGC原理示意圖AGC電路主要是利用負反饋原理實現，如圖5-17所示。接收機輸出視頻脈沖信號經過峰值檢波，再經過低通后獲得控制電壓UAGC，加到被控的中放中去，這就實現AGC的作用。2）典型AGC電路組成圓錐掃描跟蹤雷達的AGC系統組成方框圖如圖5-18所示，虛線部分為AGC電路，它由視頻放大器、門限及脈沖展寬電路、峰值檢波器、直流放大器、射級輸出器等組成。（1）門限電路是一級比較電路，它加有一個門限電壓Ed（也稱延遲電壓），使電路平時處于截止狀態，只有當輸入脈沖信號的幅度超過門限電壓時，電路才導通而使信號通過，這時AGC電路才有控制電壓E4送到受控中方級去進行增益控制。通常將這種帶延遲電壓的AGC電路成為延遲式AGC電路。5.3.2自動增益控制（AGC）圖5-18圓錐掃描雷達AGC系統的組成框圖（2）脈沖展寬電路用來展寬視頻脈沖，這樣可以提高峰值檢波器的檢波頻率，保證在最低脈沖重復頻率和最小脈沖寬度時仍有足夠的檢波電壓輸出。（3）視頻放大器和直流放大器用來提高AGC電路的增益。增益越高，則控制越靈敏，這時只要接收機的輸出電壓U0偏離門限電壓Ed一個小的數值，就可以輸出足夠的控制電壓，因為在AGC電路不飽和的情況下可增大接收機的動態范圍。（4）陰隨器（或射隨器）為AGC電路和受控中放級之間的隔離電路，有時在AGC電路的級與級之間也用它進行隔離。（5）峰值檢波器的作用是獲得與視頻脈沖幅度成比例的直流電壓，濾除無用的其他頻率分量。在圓錐掃描雷達中，要求接收機輸出信號中應保留錐掃頻率（一般為20~50Hz），因此必須將低通濾波器的時間常數選得較大，以濾除AGC電路輸出電壓中的錐掃頻率，不讓它進行負反饋，所以圓錐掃描雷達的AGC系統屬于惰性AGC電路。5.3.2自動增益控制（AGC）（6）選通級的作用是為了保證雷達只對選中的某個單一目標進行角度自動跟蹤。

在跟蹤雷達的中放輸入端，輸入可能是某個角度上不同距離的許多個目標的回波。而一般跟蹤雷達只能跟蹤其中一個目標，選通級就是利用目標在距離上的不同來進行選通，選擇所需要跟蹤的某個目標的回波信號。選通級平時是截止的，只有當選通級脈沖與回波脈沖同時加到選通級時，選通級才有輸出。選通脈沖是一系列可以延時的視頻脈沖，其重復頻率與雷達重復頻率相同。選通脈沖的寬度一般等于或略小于回波脈沖的寬度，選通脈沖的延時可以由雷達操作員控制，也可以自動測距的跟蹤脈沖所控制。經過距離選通之后，選通級輸出端只有被選中的目標信號。5.3.2自動增益控制（AGC）3）AGC電路的工作原理AGC電路的工作原理比較簡單，它是利用負反饋的原理，使AGC電路根據接收機視頻放大器輸出信號的大小，自動產生一個相應的直流控制電壓Eg，用以調節受控中放級的增益，使接收機輸出信號U0基本保持恒定不變。在圓錐掃描跟蹤雷達中，為保證對目標的角度自動跟蹤，要求接收機輸出的角誤差信號電壓的大小僅與目標偏離天線軸線的角度有關，而與目標距離的遠近、反射面積的大小等因素無關。因此接收機的自動增益控制電路，應根據回波信號平均幅度的大小來控制接收機的增益，使得輸出信號的平均幅度不隨著距離的變化而變化，同時在增益控制過程中，不改變信號包括的調制情況。增益控制波形如圖5-19所示。5.3.2自動增益控制（AGC）假設目標是由遠到近以不變的誤差角飛向雷達站，這時中放的輸入電壓Ui是一串中頻調幅脈沖，其平均值也隨著輸入信號的增強而增大。當AGC系統處于開環狀態時，經過檢波、視放之后輸出的電壓U0是一串視頻調幅脈沖，其包括的變化規律與Ui相同。這時峰值檢波器的輸出電壓Ud是調幅脈沖的包絡電壓，其變化頻率就是圓錐掃描頻率。再通過低通濾波器濾除該包絡電壓的其他頻率之后，就得到包括電壓的平均值。開環時的控制電壓Eg是與回波信號強度成正比的。目標遠，則控制電壓?。荒繕私瑒t控制電壓大。當系統由開環轉為閉環工作時，由于AGC電路的作用，接收機輸出電壓U0的包絡電壓平均不隨目標的移近而增大。這時角度誤差信號不再隨著輸入信號的增大而增大，而只與誤差角成正比，從而保證對目標做正確的角度自動跟蹤。5.3.2自動增益控制（AGC）圖4-19圓錐掃描雷達增益控制的波形5.3.3瞬時自動增益控制（IAGC）這是一種有效的中頻放大器的抗過載電路，它能夠防止由于等幅波干擾、寬脈沖干擾和低頻調幅干擾等引起的中頻放大器過載。IAGC和一般的AGC電路原理近似，也是利用負反饋原理將輸出電壓檢波后去控制中放級，自動地控制放大器的增益。但IAGC電路對時間常數有要求，電路的時間常數應這樣選擇：為了保證在干擾電壓的持續時間τn內能迅速建立起控制電壓，要求電路時間常數τi＜τn；為了維持目標回波的增益盡量不變，必須保證在目標信號的寬度τ內使控制電壓來不及建立，即τi≥τ。干擾功率一般都很強，所以中頻放大器不僅末級有過載的危險，前幾級也有可能發生過載。為了得到較好的抗過載效果，增大允許的干擾電壓范圍，可以在中放的末級和相鄰的前幾級都加上瞬時自動增益控制電路。圖5-20所示為IAGC電路的原理波形。圖5-20IAGC電路的原理波形5.3.4近程增益控制（STC）STC電路又稱為“時間增益控制電路”或“靈敏度時間控制電路”，用來防止近程雜波干擾所引起的中頻放大器過載。STC是在某些探測雷達中使用的一種隨著時間距離減小而減小接收機靈敏度（增大衰減或損耗）的技術，它是將接收機的增益作為時間（對應為距離）函數來實現的。在信號發射之后，按照約R-4的變化使接收機的增益隨時間而增加，或者說使增益衰減器隨時間而減小。此技術的副作用是降低了接收機在近距離時的靈敏度，從而降低了近距離時檢測小目標的概率。由于雜波干擾（如海浪雜波和地物雜波干擾等）主要出現在近距離，干擾功率隨著距離增加而相對平滑減小。根據試驗，海浪雜波干擾功率Pm隨距離R的變化規律為Pim=KR-a，其中K為比例常數；a為由試驗條件所確定的系數，一般為a=2.7~4.7。STC的基本原理：當發射機每次發射信號之后，接收機產生一個與干擾功率歲時間的變化規律相“匹配”的控制電壓Ec（圖5-21），控制接收機的增益按此規律變化。所以近距離增益控制電路實際上是一個使接收機靈敏度隨著時間變化的控制電路，它可以使接收機不致受近距離的雜波干擾而過載。5.3.4近程增益控制（STC）圖5-21雜波干擾功率及控制電壓與時間的關系5.4.1自動頻率控制（AFC）電路的作用5.4自動頻率控制超外差式接收機利用一個或幾個本機振蕩器信號和一個或幾個混頻器，把回波信號變換成便于濾波和處理的中頻信號。通常中頻放大器與濾波器的頻率和濾波特性是相對固定的，一般把中頻放大器的頻率稱為“額定中頻”，表示為f00。在實際應用中，磁控管振蕩器發射機輸出的高頻信號頻率和接收機本振器的頻率穩定度都不夠高。受工作環境或外界條件影響，只要其中一個頻率發生變化，混頻器輸出的中頻f0就會與額定中頻f00發生偏差，直接導致接收機的增益和靈敏度下降，嚴重時有可能接收不到回波信號。為了保證接收機正常工作，有效的方法就是采用AFC電路，或者稱為自動頻率微調（自頻調）電路。如果雷達的信號頻率為fs，本機振蕩器的頻率為fb，則經過混頻以后得到的差頻稱為實際中頻f0，即f0=fb-fs

（高差式混頻）f0=fs-fb（低差式混頻）當發射機頻率或本振頻率改變而使差頻產生變化時，鑒別差頻變化大小和方向，相應地產生所需要的控制電壓，自動地調節振蕩器的頻率，使混頻以后得到的實際中頻仍然接近于額定中頻。5.4.2AFC電路的分類（1）單路AFC系統。接收機信號通道與自動頻率控制電路公用一個混頻器和中頻放大器，如圖5-22所示。單路AFC系統特點：結構簡單，但因發射脈沖通過放大管漏到接收機的主脈沖尖峰能量強、頻譜寬，對AFC系統的工作形成干擾，可能導致頻率錯誤控制。應用：要求不高的雷達接收機。（2）雙路AFC系統：環路單獨構成，與信號之路無關，如圖5-23所示。特點：由于雙路自動頻率控制輸入信號不經過收發開關，因而避免了單路自動頻率控制系統的缺點。經過衰減器后的高頻信號功率仍然較大，所以AFC系統中的中頻放大器的級數較少。圖5-22單路AFC系統的組成框圖圖5-23雙路AFC系統的組成框圖5.4.3AFC系統的組成當信號頻率或本振頻率改變而使實際中頻f0偏離額定中頻f00時，自動頻率控制電路中的誤差信號產生器能夠根據f0偏離f00的程度，相應地產生一個幅度與頻率偏差大小成正比，極性與頻率偏差方向相對應的控制電壓，然后用這個控制電壓去控制本機振蕩器的振蕩頻率，使之與信號頻率fs作同等變化，自動地將f0調整到f00附近，使中頻失諧最小。在實際工作中，由于厘米波雷達的頻率變化范圍是很大的，而且有時變化的速度也比較快，為了適應這種情況，保證有效地進行自動頻率控制，通常采用的是搜索式AFC系統，其組成方框圖如圖5-24所示。圖5-24搜索式AFC系統方框圖AFC系統是一個閉環的自動頻率控制系統，它主要由兩大部分組成：①AFC電路，由中頻放大器輸出端和本振輸入端之間的電路組成，它是一個負反饋電路，輸入量是中頻頻率f0，輸出量是控制電壓Ec。②頻率控制電路，包括本振、混頻器和中頻放大器。頻率控制電路的輸入量是控制電壓Ec，輸出量是中頻頻率f0。如果本振頻率f0與信號頻率fs相差很大，混頻后所得到的實際中頻f0就可能落到中頻放大器通頻帶之外，這時搜索電路自動接通，并將一個周期性變化的搜索電壓加到本機振蕩器上，因此本振輸出為掃頻信號，系統輸出頻率搜索狀態。在搜索過程中，當fb-fs逐漸接近于額定中頻，使差頻落入中放通帶以內時，調整器便自動斷開搜索電路而接入跟蹤電路，于是系統轉為自動跟蹤狀態，這個過程稱為頻率捕捉。頻率捕捉成功后，只要頻率變化不是很大，且變化速度不是很快，跟蹤電路就能根據較小的剩余誤差進行同步跟蹤?？梢娺@種系統既能在較大的頻率范圍內進行頻率自動搜索，又能以一定的精度進行頻率自動跟蹤，而且這兩種狀態還能自動進行轉換。5.4.3AFC系統的組成頻率搜索與頻率跟蹤狀態在電路上主要區別于調整器不同。在頻率跟蹤時，調整器就是一級支流放大器；在頻率搜索時，只要增加一級搜索電壓產生器或將直流放大器換成搜索電壓產生即可。由于鑒頻器輸出信號是視頻脈沖，若直接用視頻誤差信號去控制本振頻率，顯然只有在脈沖作用期間才有控制電壓，而脈沖過去以后，控制電壓也就消失了，這樣本振頻率就不能保持正常。此外，鑒頻器是一級含有惰性元件的電路，輸出脈沖需要一定的建立時間，因此要求在每個脈沖期間內使本振頻率能夠準確、迅速地進行調整，必然會遇到一定的困難。所以，通常都采用峰值檢波器把鑒頻器輸出的脈沖誤差電壓變換為直流誤差電壓，以便把脈沖作用期間得到的誤差電壓保持下來，待下一個脈沖到來時，即可在前一個脈沖對本振頻率調整的基礎上再略加調整，保證本振頻率是所需要的正確頻率。可見峰值檢波器實際上相當于一級保持電路。直流放大器用來對控制電壓進行放大，使之達到正常調整時所需要的電平。AFC電路中還包括有AFC中頻放大器和視頻放大器，這些電路與信號通路的電路完全相似，但應強調指出的是：處于鑒頻器后面的視頻放大器和直流放