大动态高增益雷达接收机设计

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大动态高增益雷达接收机设计
Subject large dynamic and high plus radar receiver project Specialty Communication and Information System Name Ma hangang (Signature) Instructor: Sun yi (Signature) ABSTRACT Radar receiver is an important part of the radar system the main function is to amplificd, changc frcqucncy and filter and to digital the signal reccivc from the radar antenna, while suppressant the interference and clutter from the outside, and aircraft noise inside, so that the signal can be maintained as much target information as possible for further signal processing and data processing. As wireless communication technology, especially the modern modulation system and the developing software radio technology with the increasing wireless spectrum, the receiver in the design and implementation is of a growing trend in high-pcrformancc and highly-intcgratcd direction. Thcrc proposcd morc and more stringent requirements to the performance indicators about the receiver such as linearity, dynamic range sensitivity, anti-interference ability, adaptability. These requirements also contributed to the continuous progress of the receiver which require it to undcr the premise of ensuring signal detection ability (ie high sensitivity)of the premise, as far as possible to improve the receiver linearity, minimize the signal distortion and lowest the error rate. Broaden the dynamic range of the receive as possible can greaten fitness and strengthen anti-intcrfcrcncc ability of the receiver The input signal of radar receiver often in a very short time interval swings, or simultancously with a varicty of vcry diffcrent signal strength. If a gcncral lincar amplifiers handled these signals, which be input a large-Signal, it cause receiver overload and does not work. In order to properly receive these signals, instantaneous dynamic range compression devicc must be used. At the same time in order to ensure dynamic range and systcm bandwidth of the A/d converter, it requirements IF circuit can provide a dynamic range large enough, high sensitivity and bandwidth In this papcr, the significancc of the rescarch and the future direction of the largc ynamic high-gain radar receiver are put forward. In this paper, there describes four common receiver structure of the current system, and finally choose superheterodyne receiver system by analysing the advantages and disadvantages and System Requirements. at the same time the key indicator of the receiver has been analyzed. The design of rf front-end program are described, receiver design goals are proposed a detailed system of indicators requirements and distribution of specific indicators about function circuit of each unit are given. The whole cascadc systcm has been dctailed analysed. Also described in detail sclccted succcssivc detection logarithmic amplifier features as logarithmic IF amplifier, which enables a 70dB dynamic range logarithmic IF amplifier design, plate making, and testing Key words: Receiver Gain Noise Dynamic range Logarithmic amplifier Thesis Applicd rcscarch 1绪论 1绪论 1.1研究的背景及意义 雷达接收机的主要作用是放大和处理雷达发射后反射回的所需要的回波,并以在有 用的回波和无用的干扰之间获得最大鉴别率的方式对回波进行滤波。低噪声、大动态和 高稳定是现代雷达接收机的一般要求。 对于雷达接收机,大动态设计是非常重要的。众所周知,在实际的雷达信号环境下, 进入接收机频带的信号频谱很多,除了有川信号蜘率外,还有杂波和干扰信号频率。如 果雷达接收机是一个理想的线性系统,这些信号经过接收机放大,变频,检波等变换 再经数字信号处理后便能提取出目标信号。但接收机总是存在某种程度的非线性,并且 由于这种非线性作用,使得接收信号的频谱总会有些变化。例如,进入接收机的各种回 波信号的交调会产生两个或多个新频率信号,若非线性所产生的信号超过检测门限,则 会形成“虚警”,为了保证“虚警”在一定的限度内,就必须提高检测门限,这样将会 降低雷达对小信号的辨别能力,或者说可能产生“漏警”。 通信接收机、雷达接收机和遥控设备的输入信号经常在很短的时间间隔內从几微伏 变到几伏,或者同时作用着各种强度极不相同的信号,为了正常接收这些信号,必须采 用瞬时动态范围压缩的装置。对数放人器是一种常用的扩展接收机动态范围的方法。对 个线性接收机(由线性放大器组成的接收机)而言,其动态达到60dB以上就比较困难 但对一个对数接收机(由线性放大器和对数放大器组成的接收机)而言,其动态达到80dB 甚至90B已成为现实。随输入信号强弱的变化,其増益放人呈对数曲线。从控制理论上 讲,属于开环控制,利用了晶体管小信号时电流随VBE电压变化的指数曲线(IC= IS exp [VB(Vr-1)]),能够随输入信号强弱的变化而自动改变电路的放大倍数。克服了限幅 放大器在人信号输入时对波形影响较人的缺陷,且在使用时无需设计另外的控制电路, 这就使得对数放大器在通信、雷达、电子对抗以及各种放大和电子测量设备中得到了广 泛的应用 按瑞利规律分布的杂波通过对数接收机后,输出信号幅度的方差将是一个常数。利 用这个性质可以在一定的干扰环境中获得恒定的虚警率,并且还可在动目标显示雷达系 统中加以利用。利用对数放大器还可以实现特殊的信号处理功能。例如,把两个信号的 除法运算简化为两个信号的减法运算;把两个信号的乘法运算简化为加法运算。利用这 个性质,在单脉冲雷达接收机中,可以与距离无关地提取目标的角误差信息。此外,对 数放大器将动态范围很大的信号用分贝表示,因而可作为测量设备。在电子测量设备中, 对数显示己成为现代显示技术的基本工作模式之 西安科技大学硕士学位论文 随着杋载、弹载、预警雷达向着小型化、轻量化、高可靠方向发展,雷达整机电子 系统的小型化显得尤为重要和关键。直检式接收体制因具有结构简单、体积小、重量轻 耗电省、频带宽等显著优点,已在电子对抗雷达接收机屮得到广泛应用。在雷达、通信 系统的接收机中,通常接收到的信号幅度变化非常大。若采用一般的线性放大器来处理 这些信号,在大信号输入时,会导致接收机过载,使其不能正常工作。为了解决这一问 题,采用对数放大器是最好的选择。对数放大器是一种输入信号和输出信号幅度成对数 函数关系的瞬时压缩动态范围的放人器。其中的连续检波式对数放人器(SDLA)是应用 较为广泛的种对数放大器。目前广泛地应用丁通讯、雷达、电子对抗等电子设备中, 是直检式接收机屮最为关键的器件之一,直接影响着直检式接收机的主要性能水平。因 此,开发高性能的视频对数放大器,特别是大动态、小型化的集成视频对数放大器,具 有非常积极的现实意义。 在现代数字接收机屮,一般都把A转换提前到了屮频部分,以实现接收机体制的 灵活性。为了保证AD转换的动态范围和系统带宽,就要求中频电路能提供一个足够人 的动态范围、高的灵敏度和高带宽的放大性能,从目前国内外的研究情况来看,对数放 大器的应用并不太成熟,因此研制大动态高增益雷达接收机是十分必要的 1.2国内外的研究动态及发展趋势 现代雷达接收机的共性要求可以概括为:宽频带、低噪声、大动态和髙稳定。不管 是那种体制的雷达接收机其对动态范围要求都很高。 通常,般的接收机都具冇6dB~80dB的动态范围,现代接收机则对动态范围指 标提出相当苛刻的要求,往往超过100dB。 日前对数放人器在国內主要以中电科技集团公司第二十四研究所和第十三研究所 为主。中电科技集团公司24所凭借自身的硅工艺生产条件,同时进行着单片和混合对 数放大器的开发,在国内处于相对优势地位,经过多年发展,已形成了单片对数放大器系 列和包含数十个品种的对数放大器混合电路系列。AD公司在1990年代就采用先进介质 隔离互补双极工艺完成了对数放大器的升级换代,实现了对数放大器的高增益、大动态、 宽带特性。早期的AD640只有50dB的增益,其带宽为145MHz,静态电流为60mA(士 510V);而最新的AD8310已具有95dB的动态范围和从DC到440MHz的带宽,静态电 流仪为10mA(5V);AD8313/14/15的动态范围为70dB,带宽已达到了更高水平的01 2.5GHz,完全能够适应某些RF应用领域。 随着雷达、电子战和通信等电子信息系统新技术和新体制的发展。雷达接收机和电 子战、通信接收机一体化技术在引起人们的关注。三种接收机的一体化表现在技术上 的互相滲透和伓制上的互相兼容。例如,早期的雷达接收机一般为窄带接收机,而电子 戕接收机为宽带接收机。雷达接收机要检测回波信号的各种信息(嘔度、频率、相位。 1绪论 等),而电子战接收机则主要是快速测向和测频。然而,随着电子信息技术的发展,雷 达接收杋也在向多波段、宽频带方向发展,而电子战接收杋则向精确测频及脉内调尙特 性分析方向发展。在频率合成器方面,数字锁相环首先用在通信接收机屮。在接收机体 制上,信道化接收机和数字化接收机也广泛应用于三种接收机中。随着机载、星载电子 信息系统的快速发展,小体积、低功耗、高性能的多功能一体化接收机将成为雷达接收 机的重点发展方向之 1.3各章节内容安排 第一章:介绍了大动态高增益雷达接收机的研究背景,提出了用对数放大器来控制 接收机动态范围的技术,同时对对数放大器日前的硏究现状与接收机的发展趋势做了简 要介绍。 第二章:接收机系统设计部分,详细讲述了选择超外差式接收机结构做为接收机设 计模式,分析了各种不同体系结构接收机的特点。给出了系统指标的同时给出了系统设 计方突以及各级关键指标的分配方案。 第二章详细地讲述动态范围压缩的二种技术:AGC、对数放大器、限幅放大器。并 对上述三种动态范围压缩方法作了对比。由于对数放大器输入输出呈对数关系,对于大 信号无须类似AGC的外部控制电路等优势选择了对数放大器实现本接收机的动态范围 压缩。 第四章:70dB动态范围对数放大器的实现章节,其中包括了关键电路设计、元器件 选择、以及电路调试和测试结果等。 第五章:结论与展望部分,给出了本接收机的最终试验结论,同时提出了不足和改 进之处。 14本章小结 本章属于文章的绪论部分,从研究的背景和意义到国内外的硏究动态和发展趋势。 介绍了当接收机接收来自外部的变化范围大的信号时对接收机的瞬时动态范围压缩技 术提出了挑战。详述了大动态范围接收机研制的必要性,同时提出了使用对数放大器这 种特殊的非线性放大器来解决这一问题。同时分析本文的文章结构。 西安科技大学硕士学位论文 2接收前端设计方案 雷达接收机的主要任务是徵弱信号的提取。雷达接收机的工作频率范围包括毫米 波、微波、超高频、高频、中频,其信号形式冇模拟信号和数字信号,因而雷达接收机 设计所涉及的理论也相当广泛 2.1系统方案选择 不同用途、不同体制的雷达接收机的组成各有不同。但是,从雷达接收机系统设计 的角度来看,任何用途和体制的雷达接收机都可以用如图2.1所示的方框图来表示,按 其功能和电路特点分为五大部分:接收前端、中频接收机、频率合成器(包括本振、相 干振荡器、全时钟等)、发射前端和波形产生。 来至天线的 凵波信号 收前端 中频接收杌 刽信号处 接通道 频率源 颂率合成器(本、和千振荡 器和全机时钟 发射娜 波形产生 图2.1雷达接收系统方框图2 接收前端包括开关、限幅器、低噪声放人器、射频滤波器(又称“预选器”)、混频 前置中放及滤波、射频灵敏庋时间控制电路等。中频接收机包括线性中频放大、对数中 频放大、视频放大、匹配滤波、中频灵敏度时间控制电路和增益控制电路、正交鉴相 “宽限窄”反干扰电路及ΔD转换器等。在具有模拟脉冲压缩体制的雷达中,脉冲压缩 电路也在中频接收机中。接收前端和中频接收机组成接收通道。接收系统除接收通道外, 另一个很重要的组成部分就是频率源。频率源包括频率合成器、波形产生和发射激励。 其中,频率合成器里包含有本振信号、相干振荡信号和全机时钟,通过直接合成和间接 合成(锁相)等方式实现。波形产生主要是根据雷达总体的要求产生各种调制形式的中 频脉冲信号,其中包括线性调频信号,非线性调频信号、编码信号等。波形产生和中频 接收分别具有中频信号调制和解调的功能。发射激励一般包括上变频滤波和功率放人 2接收前端设计方案 等,有时还包括射频测试信号的产生。由于发射激励基本属于小功率线性系统,所以雷 达系统把这一部分功能包含在接收系统范围之内。在某些雷达系统中,有时也把频率源 称为“信号产生和基分系统”。 以上雷达接收机系统组成方框图是指全相参(或称“全相干”)雷达接收系统,这 也是现代雷达系统的主要工作方式。然而,磁控管振荡式发射机在现代雷达中也还在应 用,属于非相参(或称“非相干”)雷达系统,其接收机屮必须包括跟踪发射机频率的 自动频率跟踪子系统。 雷达接收机的发展过程中,曾出现过超再生式接收机、晶体视频接收机和调谐式射 频接收杋,然而自从超外差式接收机出现以后,由于其灵敏度高和抗干扰能力强,使得 几乎所有的雷达系统都采川了超外差式接收机。以下是几种具体的接收机体系结构介 21.1超外差接收机体系结构 (1)工作原理2 般雷达系统都采用了超外差式接收机,超外差式雷达接收机的原理方框图如图 22所示。该框图显示了雷达接收机的工作原理和各种功能,实际的雷达接收机并不包 括图中仝部部件,然而为了保证雷达的性能,实际的雷达接收机也可能比其原理方框图 更为复杂。例如,为了使接收机能在宽频带工作,常常要采用二次变频方案;为了保证 接收杋系统的频率稳定度和宽带跳频,稳定本机振荡器常常采用复杂的频率合成器。 从图22可知,经天线进入接收机的微弱信号首先要经过射频低噪卢放大器进行放 大,射频滤波器是为了抑制进入接收机的外部干扰,有时把这种滤波器称为预选器。对 于不同波段的雷达接收机,射频滤波器可能放置在射频放大器之前或者之后。滤波器在 放大器之前,对雷达抗十扰和抗饱和能力很有好处,但是滤波器的损耗增加了接收机的 噪声;滤波器放置在放大器之后,对接收机系统的灵敏度和噪声系数有好处,但是抗干 扰和抗饱和能力将变差。 混频器将雷达的射频信号变换成中频信号,中频放大器不仪比微波放大器成本低 增益高、稳定性好,而且容易对信号进行匹配滤波。对于不同频率不同频带的接收机都 可以通过变换本振频率,使其形成固定中频频率和带宽的中频信号。 西安科技大学硕士学位论文 发开共 发射机 灵啟度时间搾制 射增益空 射频放大器 射巅滤汉器 增 制 昆灰器 稳定本机振荡器 卩城放大鉴 自动率控制 H滤波器 AD 数宁鉴相 中控訇 I(n) 模拟脉压 相干振荡器 线性放大和检波器 对数放大检波器 相位检波器 90y AD AD 图22超外差式雷达接收机的原理方框图 灵敏度时间控制(STC)和自动增益控制(AGC是雷达接收机抗饱和、扩展动态及 保持接收机增益稳定度的主要措施。STC是在某些探测雷达中使用的一种随着作用距离 减小而减小接收机灵敏度(増人衰减或损耗)的技术,是将接收机的増益作为时间(即 对应为距离)的函数来实现的,在信号发射之后,按照大约R4的变换使接收机的增益 随时间而增加,或者说使增益衰减器的衰减量随时间而减小。此技术的副作用是降低了 接收机在近距离时的灵敏度,从而降低了近距离时检测小目标的概率。灵敏度时间控制 可以在射频或中频实现,经常表示为 RESTO或 IFSTO。 RESTO可能放置在射频放大器 之前或者之后,这要视接收机总动念的要求而定。AGC是一种反馈技术,用来调整接 收机的増益,以使系统保持适当的増益范围,对接收机在宽温、宽频带工作中保持増益 6

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