詳解射頻放大器與雷達接收機原理及應用

　　射頻放大器

　　射頻功率放大器（RF PA）是各種無線發射機的重要組成部分。在發射機的前級電路中，調製振蕩電路所產生的射頻信號功率很小，需要經過一系列的放大一緩衝級、中間放大級、末級功率放大級，獲得足夠的射頻功率以後，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，必須採用射頻功率放大器。

　　分類及用途

　　射頻功率放大器的工作頻率很高，但相對頻帶較窄，射頻功率放大器一般都採用選頻網絡作為負載迴路。射頻功率放大器可以按照電流導通角的不同，分為甲（A）、乙（B）、丙（C）三類工作狀態。甲類放大器電流的導通角為360°，適用於小信號低功率放大，乙類放大器電流的導通角等於180°，丙類放大器電流的導通角則小於180°。乙類和丙類都適用於大功率工作狀態，丙類工作狀態的輸出功率和效率是三種工作狀態中最高的。射頻功率放大器大多工作於丙類，但丙類放大器的電流波形失真太大，只能用於採用調諧迴路作為負載諧振功率放大。由於調諧迴路具有濾波能力，迴路電流與電壓仍然接近於正弦波形，失真很小。

　　技術參數

　　放大器的主要技術指標：

　　（1）頻率範圍：放大器的工作頻率範圍是選擇器件和電

　　路拓撲設計的前提。

　　（2）增益：是放大器的基本指標。按照增益可以確定放

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

　　（3）增益平坦度和回波損耗

　　VSWR《2.0orS11，S22《-10dB

　　（4） 噪聲係數：放大器的噪聲係數是輸入信號的信噪比 與輸出信號的信噪比的比值，表示信號經過放大器後信號質量的變壞程度。NF（dB）=10log［（Si/Ni）/（So/No）］

　　射頻放大器的功率參數

　　現代的無線通信中，射頻設備的使用相當普及，而射頻放大器在設備中起粉至關重要的作用，放大器中有關功率參數的測t也引起相當的重視，而在實際的研發生產中對功率參數的理解和應用存在一定的誤解，下面就一個放大器的特性來說明相關功率參數的含義和應用 。

　　在描述一個放大器時，基本的參數有增益和最大輸出電平（功率）。為對增益有較為準確的描述，引人線性特性的參數來衡t，通常用ldB壓縮點對應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態範圍。對於ldB壓縮點，在GSM直放站標準YD汀952一1998中是這樣描述的：ldB壓縮點輸出功率是指放大器在增益下降ldB時，對應此時的輸人功率，用圖示方法表示是指當時的實際輸出功率比理想的線形放大器對應的輸出功率小ldB 。

　　為進一步描述線性度。還有一個指標就是增益步長誤差，表示的是當輸人變化單位信號強度時輸出是否也變化相同的大小 。

　　一個實際的放大器，由於物理特性和噪聲的影響，當輸人電平太小時不能保持有線性狀態。因此引人最小輸出電平的概念。通常認為輸出比噪聲電平高3dB時對應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 。

　　

　　雷達接收機是雷達系統的重要組成部分，主要功能是對雷達天線接收到的微弱信號進行預選、放大、變頻、濾波、解調和數位化處理，同時抑制外部的幹擾雜波以及機內噪聲，使回波信號儘可能多的保持目標信息，以便進一步信號處理和數據處理。

　　接收機前端主要包括接收機保護器射頻放大器，射頻濾波器和混頻器。

　　採用頻率合成器的雷達又稱為全相參雷達。

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

　　自動調諧到接受射頻信號所要求的頻率上。

　　靈敏時間控制和自動增益控制是雷達接收機抗過載、擴展動態範圍和保持接收機增益穩定的重要措施。靈敏時間控制也稱為近程增益控制，它是某些探測雷達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，基本原理是將接收機的增益作為時間（或對應距離R）的函數來實現控制。但它降低了接收機在近距離的靈敏度，從而降低了在近距離檢測小信號目標的能力。

　　自動增益控制是一種增益反饋技術，他用來調整接收機的增益，以保證接收機在適當的增益範圍內工作，它對保持接收機在寬溫度和寬頻帶範圍中穩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，穩定性好，而且容易實現信號的匹配濾波，對於不同頻率和不同頻帶的接收機，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。

　　1.接收前端

　　因為對於具有一定射頻帶寬的雷達接收機，一次變頻的鏡像頻率，一般都會落在信號頻率帶寬之內，只有通過提高中頻頻率才能使鏡像頻率落在信號頻帶之外。鏡像頻率的信號和噪聲是不需要的，它會使接收機的噪聲係數變高，必須通過射頻濾波器濾除。

　　RFSTC表示射頻靈敏時間控制。

　　零中頻鑑相的優點是電路簡單，缺點是I/Q的正交度和振幅平衡度較差。

　　數字脈壓最大的優點是精度高、能進行波形捷變，而波形捷變則是現代雷達抗幹擾的重要措施。

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

　　全相參雷達頻率源主要由基準源、頻率合成器、波形產生器和發射激勵器等部分組成。

　　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現。

　　2.雷達接收機的主要質量指標

　　（1）靈敏度和噪聲係數

　　靈敏度表示接收機接收微弱信號的能力，接收機的靈敏度越高，能接收到的信號就越微弱，因而雷達作用的距離就越遠。

　　接收機的靈敏度通常用最小可檢測信號功率：

　　噪聲係數F的定義是：接收機輸入端的信號噪聲比（）與輸出端信號噪聲功率比（）的比值，其表達式為

　　。

　　噪聲係數是表示接收機內部噪聲的一個重要指標。實際的F總是大於1的，如果F=1，則說明接收機內部沒有噪聲，這就是「理想接收機」。

　　接收機靈敏度與噪聲係數的關係如下：

　　式中，k表示玻爾茲曼常數，，為室溫（）下的熱力學溫度；為系統噪聲帶寬，M為識別係數，M的取值應根據不同體制的雷達要求而定，當取M=1時，接收機的靈敏度稱為「臨界靈敏度」。

　　（2）接收機的工作頻帶寬度表示接收機的瞬時工作頻率範圍。即濾波特性。

　　（3）動態範圍表示接收機工作時所允許的輸入信號強度變化的範圍。

　　增益表示對回波信號的放大能力。

　　接收機具有大的動態範圍，以保證信號不論強弱都能正常接收。

　　為了防止接收機飽和、擴展動態範圍和保持接收機增益的穩定性應增加靈敏度時間控制（STC）和自動增益控制（AGC）。

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

　　頻譜純度主要是頻率源的雜波抑制度和諧波抑制度。

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

　　在單脈衝跟蹤雷達中，幅度和相位不穩定性直接影響高低角和方位角的測角精度；在多波束三坐標雷達及頻率掃描和相位掃描三坐標雷達中，幅度和相位的不穩定性直接影響測量精度。在相控陣雷達中，收發組件的幅度和相位誤差會使相控陣天線的副瓣電平增大。

　　（6）正交鑑相器的正交度。它是同時提取回波信號的幅度信息和相位信息的有效方法。

　　正交鑑相器的正交度表示鑑相器保持信號幅度和相位信息的準確程度。由於鑑相器的不正交產生的幅度誤差和相位誤差，將導致信號失真。在頻域中，幅度和相位誤差間產生鏡像頻率，影響雷達系統的動目標改善因子，在時域中，幅度和相位失真將會使脈衝壓縮信號的主副瓣比變壞。

　　接收機中頻實信號為：

　　式中，和分別為信號的幅度和相位調製函數。

　　模擬正交鑑相器又稱為「零中頻鑑相器」，這是指相干振蕩器的頻率與中頻信號的中心頻率相等，使其差頻為零。模擬正交鑑相器將回波信號分解為同向分量和正交分量，分別表示為

　　式中表示回波的都卜勒頻率。

　　回波信號此時稱為「零中頻信號」，它的覆信號表示為

　　模擬正交鑑相器的優點是可以處理較寬的基帶信號。但主要的缺點是難以實現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變換器的技術參數：A/D變換器與接收機相關的參數主要有位數、採樣頻率及輸入信號的帶寬，與此對應的量化噪聲、信噪比以及動態範圍也是A/D變換器的重要參數。

　　（8）抗幹擾能力，當雷達系統用頻率捷變方式抗有源幹擾時，接收機的頻率源輸出的本振頻率應與發射機頻率同步跳變，同時接收機應有足夠大的動態範圍，以保證後面的信號處理有較高的處理精度。

　　（9）頻率源和發射激勵性能

　　從頻域角度，主要是檢測波形和發射激勵信號的頻譜特性；從時域角度，信號的質量主要是調製信號的前沿、後沿和頂部起伏，以及調至載頻的頻率和相位特性。對於發射激勵信號，還需要用頻譜儀測量其穩定性及對應的系統改善因子。

　　（10）微電子化、模塊化和系列化

　　對於不同頻段和各種不同用途的雷達接收機而言，除了天線結構、微波饋線結構和頻率源以外，基本上都是由接收機前端、線性中放、對數中放、I/Q正交鑑相及A/D轉換器等基本模塊組成的。