詳解射頻放大器與雷達(dá)接收機(jī)原理及應(yīng)用

射頻放大器

射頻功率放大器（RF PA）是各種無線發(fā)射機(jī)的重要組成部分。在發(fā)射機(jī)的前級(jí)電路中，調(diào)制振蕩電路所產(chǎn)生的射頻信號(hào)功率很小，需要經(jīng)過一系列的放大一緩沖級(jí)、中間放大級(jí)、末級(jí)功率放大級(jí)，獲得足夠的射頻功率以后，才能饋送到天線上輻射出去。為了獲得足夠大的射頻輸出功率，必須采用射頻功率放大器。

分類及用途

射頻功率放大器的工作頻率很高，但相對(duì)頻帶較窄，射頻功率放大器一般都采用選頻網(wǎng)絡(luò)作為負(fù)載回路。射頻功率放大器可以按照電流導(dǎo)通角的不同，分為甲（A）、乙（B）、丙（C）三類工作狀態(tài)。甲類放大器電流的導(dǎo)通角為360°，適用于小信號(hào)低功率放大，乙類放大器電流的導(dǎo)通角等于180°，丙類放大器電流的導(dǎo)通角則小于180°。乙類和丙類都適用于大功率工作狀態(tài)，丙類工作狀態(tài)的輸出功率和效率是三種工作狀態(tài)中最高的。射頻功率放大器大多工作于丙類，但丙類放大器的電流波形失真太大，只能用于采用調(diào)諧回路作為負(fù)載諧振功率放大。由于調(diào)諧回路具有濾波能力，回路電流與電壓仍然接近于正弦波形，失真很小。

技術(shù)參數(shù)

放大器的主要技術(shù)指標(biāo)：

（1）頻率范圍：放大器的工作頻率范圍是選擇器件和電

路拓?fù)湓O(shè)計(jì)的前提。

（2）增益：是放大器的基本指標(biāo)。按照增益可以確定放

大器的級(jí)數(shù)和器件類型。G（db）=10log（Pout/Pin）=S21（dB）

（3）增益平坦度和回波損耗

VSWR《2.0orS11，S22《-10dB

（4） 噪聲系數(shù)：放大器的噪聲系數(shù)是輸入信號(hào)的信噪比 與輸出信號(hào)的信噪比的比值，表示信號(hào)經(jīng)過放大器后信號(hào)質(zhì)量的變壞程度。NF（dB）=10log［（Si/Ni）/（So/No）］

射頻放大器的功率參數(shù)

現(xiàn)代的無線通信中，射頻設(shè)備的使用相當(dāng)普及，而射頻放大器在設(shè)備中起粉至關(guān)重要的作用，放大器中有關(guān)功率參數(shù)的測(cè)t也引起相當(dāng)?shù)闹匾暎趯?shí)際的研發(fā)生產(chǎn)中對(duì)功率參數(shù)的理解和應(yīng)用存在一定的誤解，下面就一個(gè)放大器的特性來說明相關(guān)功率參數(shù)的含義和應(yīng)用 。

在描述一個(gè)放大器時(shí)，基本的參數(shù)有增益和最大輸出電平（功率）。為對(duì)增益有較為準(zhǔn)確的描述，引人線性特性的參數(shù)來衡t，通常用ldB壓縮點(diǎn)對(duì)應(yīng)輸人功率和線性垠小輸人電平來表示，兩者之差就是放大器的輸人動(dòng)態(tài)范圍。對(duì)于ldB壓縮點(diǎn)，在GSM直放站標(biāo)準(zhǔn)YD汀952一1998中是這樣描述的：ldB壓縮點(diǎn)輸出功率是指放大器在增益下降ldB時(shí)，對(duì)應(yīng)此時(shí)的輸人功率，用圖示方法表示是指當(dāng)時(shí)的實(shí)際輸出功率比理想的線形放大器對(duì)應(yīng)的輸出功率小ldB 。

為進(jìn)一步描述線性度。還有一個(gè)指標(biāo)就是增益步長(zhǎng)誤差，表示的是當(dāng)輸人變化單位信號(hào)強(qiáng)度時(shí)輸出是否也變化相同的大小 。

一個(gè)實(shí)際的放大器，由于物理特性和噪聲的影響，當(dāng)輸人電平太小時(shí)不能保持有線性狀態(tài)。因此引人最小輸出電平的概念。通常認(rèn)為輸出比噪聲電平高3dB時(shí)對(duì)應(yīng)的輸人電平為最小輸人電平。放大器的輸出噪聲功率為：P=kTBGF 。

雷達(dá)接收機(jī)是雷達(dá)系統(tǒng)的重要組成部分，主要功能是對(duì)雷達(dá)天線接收到的微弱信號(hào)進(jìn)行預(yù)選、放大、變頻、濾波、解調(diào)和數(shù)字化處理，同時(shí)抑制外部的干擾雜波以及機(jī)內(nèi)噪聲，使回波信號(hào)盡可能多的保持目標(biāo)信息，以便進(jìn)一步信號(hào)處理和數(shù)據(jù)處理。

接收機(jī)前端主要包括接收機(jī)保護(hù)器射頻放大器，射頻濾波器和混頻器。

采用頻率合成器的雷達(dá)又稱為全相參雷達(dá)。

本地振蕩器是雷達(dá)接收機(jī)的重要組成部分，在非相參雷達(dá)中，本振是一個(gè)自由振蕩器，通過自動(dòng)頻率控制（AFC）電容將本振的頻率f2

自動(dòng)調(diào)諧到接受射頻信號(hào)所要求的頻率上。

靈敏時(shí)間控制和自動(dòng)增益控制是雷達(dá)接收機(jī)抗過載、擴(kuò)展動(dòng)態(tài)范圍和保持接收機(jī)增益穩(wěn)定的重要措施。靈敏時(shí)間控制也稱為近程增益控制，它是某些探測(cè)雷達(dá)使用的一種隨作用用距離R減小而降低接收靈敏度的技術(shù)，基本原理是將接收機(jī)的增益作為時(shí)間（或?qū)?yīng)距離R）的函數(shù)來實(shí)現(xiàn)控制。但它降低了接收機(jī)在近距離的靈敏度，從而降低了在近距離檢測(cè)小信號(hào)目標(biāo)的能力。

自動(dòng)增益控制是一種增益反饋技術(shù)，他用來調(diào)整接收機(jī)的增益，以保證接收機(jī)在適當(dāng)?shù)脑鲆娣秶鷥?nèi)工作，它對(duì)保持接收機(jī)在寬溫度和寬頻帶范圍中穩(wěn)定功能工作有重要作用。

中頻放大器的成本比射頻放大器低，它的增益高，穩(wěn)定性好，而且容易實(shí)現(xiàn)信號(hào)的匹配濾波，對(duì)于不同頻率和不同頻帶的接收機(jī)，都可以通過變換本地頻率形成固定中頻和帶寬的中頻信號(hào)。

1.接收前端

因?yàn)閷?duì)于具有一定射頻帶寬的雷達(dá)接收機(jī)，一次變頻的鏡像頻率，一般都會(huì)落在信號(hào)頻率帶寬之內(nèi)，只有通過提高中頻頻率才能使鏡像頻率落在信號(hào)頻帶之外。鏡像頻率的信號(hào)和噪聲是不需要的，它會(huì)使接收機(jī)的噪聲系數(shù)變高，必須通過射頻濾波器濾除。

RFSTC表示射頻靈敏時(shí)間控制。

零中頻鑒相的優(yōu)點(diǎn)是電路簡(jiǎn)單，缺點(diǎn)是I/Q的正交度和振幅平衡度較差。

數(shù)字脈壓最大的優(yōu)點(diǎn)是精度高、能進(jìn)行波形捷變，而波形捷變則是現(xiàn)代雷達(dá)抗干擾的重要措施。

頻率源主要是具有一定頻率穩(wěn)定度的本機(jī)振蕩器、相干振蕩器和自動(dòng)頻率控制（AFC）電路組成。

全相參雷達(dá)頻率源主要由基準(zhǔn)源、頻率合成器、波形產(chǎn)生器和發(fā)射激勵(lì)器等部分組成。

頻率合成器是全相參頻率源的核心部分，它可以用直接合成和間接合成的方法來實(shí)現(xiàn)。

2.雷達(dá)接收機(jī)的主要質(zhì)量指標(biāo)

（1）靈敏度和噪聲系數(shù)

靈敏度表示接收機(jī)接收微弱信號(hào)的能力，接收機(jī)的靈敏度越高，能接收到的信號(hào)就越微弱，因而雷達(dá)作用的距離就越遠(yuǎn)。

接收機(jī)的靈敏度通常用最小可檢測(cè)信號(hào)功率：

噪聲系數(shù)F的定義是：接收機(jī)輸入端的信號(hào)噪聲比（）與輸出端信號(hào)噪聲功率比（）的比值，其表達(dá)式為

。

噪聲系數(shù)是表示接收機(jī)內(nèi)部噪聲的一個(gè)重要指標(biāo)。實(shí)際的F總是大于1的，如果F=1，則說明接收機(jī)內(nèi)部沒有噪聲，這就是“理想接收機(jī)”。

接收機(jī)靈敏度與噪聲系數(shù)的關(guān)系如下：

式中，k表示玻爾茲曼常數(shù)，，為室溫（）下的熱力學(xué)溫度；為系統(tǒng)噪聲帶寬，M為識(shí)別系數(shù)，M的取值應(yīng)根據(jù)不同體制的雷達(dá)要求而定，當(dāng)取M=1時(shí)，接收機(jī)的靈敏度稱為“臨界靈敏度”。

（2）接收機(jī)的工作頻帶寬度表示接收機(jī)的瞬時(shí)工作頻率范圍。即濾波特性。

（3）動(dòng)態(tài)范圍表示接收機(jī)工作時(shí)所允許的輸入信號(hào)強(qiáng)度變化的范圍。

增益表示對(duì)回波信號(hào)的放大能力。

接收機(jī)具有大的動(dòng)態(tài)范圍，以保證信號(hào)不論強(qiáng)弱都能正常接收。

為了防止接收機(jī)飽和、擴(kuò)展動(dòng)態(tài)范圍和保持接收機(jī)增益的穩(wěn)定性應(yīng)增加靈敏度時(shí)間控制（STC）和自動(dòng)增益控制（AGC）。

（4）頻率源的頻率穩(wěn)定度主要是短期頻率穩(wěn)定度，短期頻率穩(wěn)定度常用單邊帶相位噪聲功率密度來計(jì)量。

頻譜純度主要是頻率源的雜波抑制度和諧波抑制度。

（5）幅度和相位穩(wěn)定性主要包括常溫穩(wěn)定性、寬溫穩(wěn)定性、寬頻帶穩(wěn)定性及在振動(dòng)平臺(tái)上的穩(wěn)定性等。

在單脈沖跟蹤雷達(dá)中，幅度和相位不穩(wěn)定性直接影響高低角和方位角的測(cè)角精度；在多波束三坐標(biāo)雷達(dá)及頻率掃描和相位掃描三坐標(biāo)雷達(dá)中，幅度和相位的不穩(wěn)定性直接影響測(cè)量精度。在相控陣?yán)走_(dá)中，收發(fā)組件的幅度和相位誤差會(huì)使相控陣天線的副瓣電平增大。

（6）正交鑒相器的正交度。它是同時(shí)提取回波信號(hào)的幅度信息和相位信息的有效方法。

正交鑒相器的正交度表示鑒相器保持信號(hào)幅度和相位信息的準(zhǔn)確程度。由于鑒相器的不正交產(chǎn)生的幅度誤差和相位誤差，將導(dǎo)致信號(hào)失真。在頻域中，幅度和相位誤差間產(chǎn)生鏡像頻率，影響雷達(dá)系統(tǒng)的動(dòng)目標(biāo)改善因子，在時(shí)域中，幅度和相位失真將會(huì)使脈沖壓縮信號(hào)的主副瓣比變壞。

接收機(jī)中頻實(shí)信號(hào)為：

式中，和分別為信號(hào)的幅度和相位調(diào)制函數(shù)。

模擬正交鑒相器又稱為“零中頻鑒相器”，這是指相干振蕩器的頻率與中頻信號(hào)的中心頻率相等，使其差頻為零。模擬正交鑒相器將回波信號(hào)分解為同向分量和正交分量，分別表示為

式中表示回波的多普勒頻率。

回波信號(hào)此時(shí)稱為“零中頻信號(hào)”，它的復(fù)信號(hào)表示為

模擬正交鑒相器的優(yōu)點(diǎn)是可以處理較寬的基帶信號(hào)。但主要的缺點(diǎn)是難以實(shí)現(xiàn)I，Q通道良好的幅度平衡和相位正交。

影響正交的主要原因是相干振蕩器輸出的不正交性和視頻放大器的零漂。

（7）A/D變換器的技術(shù)參數(shù)：A/D變換器與接收機(jī)相關(guān)的參數(shù)主要有位數(shù)、采樣頻率及輸入信號(hào)的帶寬，與此對(duì)應(yīng)的量化噪聲、信噪比以及動(dòng)態(tài)范圍也是A/D變換器的重要參數(shù)。

（8）抗干擾能力，當(dāng)雷達(dá)系統(tǒng)用頻率捷變方式抗有源干擾時(shí)，接收機(jī)的頻率源輸出的本振頻率應(yīng)與發(fā)射機(jī)頻率同步跳變，同時(shí)接收機(jī)應(yīng)有足夠大的動(dòng)態(tài)范圍，以保證后面的信號(hào)處理有較高的處理精度。

（9）頻率源和發(fā)射激勵(lì)性能

從頻域角度，主要是檢測(cè)波形和發(fā)射激勵(lì)信號(hào)的頻譜特性；從時(shí)域角度，信號(hào)的質(zhì)量主要是調(diào)制信號(hào)的前沿、后沿和頂部起伏，以及調(diào)至載頻的頻率和相位特性。對(duì)于發(fā)射激勵(lì)信號(hào)，還需要用頻譜儀測(cè)量其穩(wěn)定性及對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)改善因子。

（10）微電子化、模塊化和系列化

對(duì)于不同頻段和各種不同用途的雷達(dá)接收機(jī)而言，除了天線結(jié)構(gòu)、微波饋線結(jié)構(gòu)和頻率源以外，基本上都是由接收機(jī)前端、線性中放、對(duì)數(shù)中放、I/Q正交鑒相及A/D轉(zhuǎn)換器等基本模塊組成的。