详解射频放大器与雷达接收机原理及应用

射频放大器

射频功率放大器（RF PA）是各种无线发射机的重要组成部分。在发射机的前级电路中，调制振荡电路所产生的射频信号功率很小，需要经过一系列的放大一缓冲级、中间放大级、末级功率放大级，获得足够的射频功率以后，才能馈送到天线上辐射出去。为了获得足够大的射频输出功率，必须采用射频功率放大器。

分类及用途

射频功率放大器的工作频率很高，但相对频带较窄，射频功率放大器一般都采用选频网络作为负载回路。射频功率放大器可以按照电流导通角的不同，分为甲（A）、乙（B）、丙（C）三类工作状态。甲类放大器电流的导通角为360°，适用于小信号低功率放大，乙类放大器电流的导通角等于180°，丙类放大器电流的导通角则小于180°。乙类和丙类都适用于大功率工作状态，丙类工作状态的输出功率和效率是三种工作状态中最高的。射频功率放大器大多工作于丙类，但丙类放大器的电流波形失真太大，只能用于采用调谐回路作为负载谐振功率放大。由于调谐回路具有滤波能力，回路电流与电压仍然接近于正弦波形，失真很小。

技术参数

放大器的主要技术指标：

（1）频率范围：放大器的工作频率范围是选择器件和电

路拓扑设计的前提。

（2）增益：是放大器的基本指标。按照增益可以确定放

大器的级数和器件类型。G（db）=10log（Pout/Pin）=S21（dB）

（3）增益平坦度和回波损耗

VSWR《2.0orS11，S22《-10dB

（4） 噪声系数：放大器的噪声系数是输入信号的信噪比 与输出信号的信噪比的比值，表示信号经过放大器后信号质量的变坏程度。NF（dB）=10log［（Si/Ni）/（So/No）］

射频放大器的功率参数

现代的无线通信中，射频设备的使用相当普及，而射频放大器在设备中起粉至关重要的作用，放大器中有关功率参数的测t也引起相当的重视，而在实际的研发生产中对功率参数的理解和应用存在一定的误解，下面就一个放大器的特性来说明相关功率参数的含义和应用 。

在描述一个放大器时，基本的参数有增益和最大输出电平（功率）。为对增益有较为准确的描述，引人线性特性的参数来衡t，通常用ldB压缩点对应输人功率和线性垠小输人电平来表示，两者之差就是放大器的输人动态范围。对于ldB压缩点，在GSM直放站标准YD汀952一1998中是这样描述的：ldB压缩点输出功率是指放大器在增益下降ldB时，对应此时的输人功率，用图示方法表示是指当时的实际输出功率比理想的线形放大器对应的输出功率小ldB 。

为进一步描述线性度。还有一个指标就是增益步长误差，表示的是当输人变化单位信号强度时输出是否也变化相同的大小 。

一个实际的放大器，由于物理特性和噪声的影响，当输人电平太小时不能保持有线性状态。因此引人最小输出电平的概念。通常认为输出比噪声电平高3dB时对应的输人电平为最小输人电平。放大器的输出噪声功率为：P=kTBGF 。

雷达接收机是雷达系统的重要组成部分，主要功能是对雷达天线接收到的微弱信号进行预选、放大、变频、滤波、解调和数字化处理，同时抑制外部的干扰杂波以及机内噪声，使回波信号尽可能多的保持目标信息，以便进一步信号处理和数据处理。

接收机前端主要包括接收机保护器射频放大器，射频滤波器和混频器。

采用频率合成器的雷达又称为全相参雷达。

本地振荡器是雷达接收机的重要组成部分，在非相参雷达中，本振是一个自由振荡器，通过自动频率控制（AFC）电容将本振的频率f2

自动调谐到接受射频信号所要求的频率上。

灵敏时间控制和自动增益控制是雷达接收机抗过载、扩展动态范围和保持接收机增益稳定的重要措施。灵敏时间控制也称为近程增益控制，它是某些探测雷达使用的一种随作用用距离R减小而降低接收灵敏度的技术，基本原理是将接收机的增益作为时间（或对应距离R）的函数来实现控制。但它降低了接收机在近距离的灵敏度，从而降低了在近距离检测小信号目标的能力。

自动增益控制是一种增益反馈技术，他用来调整接收机的增益，以保证接收机在适当的增益范围内工作，它对保持接收机在宽温度和宽频带范围中稳定功能工作有重要作用。

中频放大器的成本比射频放大器低，它的增益高，稳定性好，而且容易实现信号的匹配滤波，对于不同频率和不同频带的接收机，都可以通过变换本地频率形成固定中频和带宽的中频信号。

1.接收前端

因为对于具有一定射频带宽的雷达接收机，一次变频的镜像频率，一般都会落在信号频率带宽之内，只有通过提高中频频率才能使镜像频率落在信号频带之外。镜像频率的信号和噪声是不需要的，它会使接收机的噪声系数变高，必须通过射频滤波器滤除。

RFSTC表示射频灵敏时间控制。

零中频鉴相的优点是电路简单，缺点是I/Q的正交度和振幅平衡度较差。

数字脉压最大的优点是精度高、能进行波形捷变，而波形捷变则是现代雷达抗干扰的重要措施。

频率源主要是具有一定频率稳定度的本机振荡器、相干振荡器和自动频率控制（AFC）电路组成。

全相参雷达频率源主要由基准源、频率合成器、波形产生器和发射激励器等部分组成。

频率合成器是全相参频率源的核心部分，它可以用直接合成和间接合成的方法来实现。

2.雷达接收机的主要质量指标

（1）灵敏度和噪声系数

灵敏度表示接收机接收微弱信号的能力，接收机的灵敏度越高，能接收到的信号就越微弱，因而雷达作用的距离就越远。

接收机的灵敏度通常用最小可检测信号功率：

噪声系数F的定义是：接收机输入端的信号噪声比（）与输出端信号噪声功率比（）的比值，其表达式为

。

噪声系数是表示接收机内部噪声的一个重要指标。实际的F总是大于1的，如果F=1，则说明接收机内部没有噪声，这就是“理想接收机”。

接收机灵敏度与噪声系数的关系如下：

式中，k表示玻尔兹曼常数，，为室温（）下的热力学温度；为系统噪声带宽，M为识别系数，M的取值应根据不同体制的雷达要求而定，当取M=1时，接收机的灵敏度称为“临界灵敏度”。

（2）接收机的工作频带宽度表示接收机的瞬时工作频率范围。即滤波特性。

（3）动态范围表示接收机工作时所允许的输入信号强度变化的范围。

增益表示对回波信号的放大能力。

接收机具有大的动态范围，以保证信号不论强弱都能正常接收。

为了防止接收机饱和、扩展动态范围和保持接收机增益的稳定性应增加灵敏度时间控制（STC）和自动增益控制（AGC）。

（4）频率源的频率稳定度主要是短期频率稳定度，短期频率稳定度常用单边带相位噪声功率密度来计量。

频谱纯度主要是频率源的杂波抑制度和谐波抑制度。

（5）幅度和相位稳定性主要包括常温稳定性、宽温稳定性、宽频带稳定性及在振动平台上的稳定性等。

在单脉冲跟踪雷达中，幅度和相位不稳定性直接影响高低角和方位角的测角精度；在多波束三坐标雷达及频率扫描和相位扫描三坐标雷达中，幅度和相位的不稳定性直接影响测量精度。在相控阵雷达中，收发组件的幅度和相位误差会使相控阵天线的副瓣电平增大。

（6）正交鉴相器的正交度。它是同时提取回波信号的幅度信息和相位信息的有效方法。

正交鉴相器的正交度表示鉴相器保持信号幅度和相位信息的准确程度。由于鉴相器的不正交产生的幅度误差和相位误差，将导致信号失真。在频域中，幅度和相位误差间产生镜像频率，影响雷达系统的动目标改善因子，在时域中，幅度和相位失真将会使脉冲压缩信号的主副瓣比变坏。

接收机中频实信号为：

式中，和分别为信号的幅度和相位调制函数。

模拟正交鉴相器又称为“零中频鉴相器”，这是指相干振荡器的频率与中频信号的中心频率相等，使其差频为零。模拟正交鉴相器将回波信号分解为同向分量和正交分量，分别表示为

式中表示回波的多普勒频率。

回波信号此时称为“零中频信号”，它的复信号表示为

模拟正交鉴相器的优点是可以处理较宽的基带信号。但主要的缺点是难以实现I，Q通道良好的幅度平衡和相位正交。

影响正交的主要原因是相干振荡器输出的不正交性和视频放大器的零漂。

（7）A/D变换器的技术参数：A/D变换器与接收机相关的参数主要有位数、采样频率及输入信号的带宽，与此对应的量化噪声、信噪比以及动态范围也是A/D变换器的重要参数。

（8）抗干扰能力，当雷达系统用频率捷变方式抗有源干扰时，接收机的频率源输出的本振频率应与发射机频率同步跳变，同时接收机应有足够大的动态范围，以保证后面的信号处理有较高的处理精度。

（9）频率源和发射激励性能

从频域角度，主要是检测波形和发射激励信号的频谱特性；从时域角度，信号的质量主要是调制信号的前沿、后沿和顶部起伏，以及调至载频的频率和相位特性。对于发射激励信号，还需要用频谱仪测量其稳定性及对应的系统改善因子。

（10）微电子化、模块化和系列化

对于不同频段和各种不同用途的雷达接收机而言，除了天线结构、微波馈线结构和频率源以外，基本上都是由接收机前端、线性中放、对数中放、I/Q正交鉴相及A/D转换器等基本模块组成的。