梅永勝，楊 楠

(西安電子科技大學(xué)電子工程學(xué)院，陜西西安 710071)

隨著現(xiàn)代電子戰(zhàn)爭(zhēng)日趨激烈，雷達(dá)作為電子戰(zhàn)的重要技術(shù)武器，其接收機(jī)接收信號(hào)、處理信號(hào)的能力成為關(guān)鍵?；诖?，文中針對(duì)雷達(dá)接收機(jī)的各項(xiàng)性能指標(biāo)進(jìn)行了系統(tǒng)的分析與評(píng)估。接收機(jī)的首要任務(wù)就是將微弱的回波信號(hào)放大到足以進(jìn)行信號(hào)處理的電平，同時(shí)接收機(jī)內(nèi)部的噪聲應(yīng)盡量小，以保證接收機(jī)的高靈敏度［1］。

1 接收機(jī)相關(guān)理論

1.1 接收機(jī)原理圖

典型的接收機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1所示，其是由天線、射頻濾波器、低噪聲放大器、混頻器、本振信號(hào)源、中頻濾波器和中頻放大器等部分組成［2］。

圖1 典型接收機(jī)結(jié)構(gòu)

1.2 接收機(jī)性能指標(biāo)

1.2.1 靈敏度

接收機(jī)的靈敏度表示接收機(jī)微弱信號(hào)的能力。噪聲總是伴隨著微弱信號(hào)同時(shí)出現(xiàn)，如需檢測(cè)信號(hào)，微弱信號(hào)的功率應(yīng)大于噪聲功率或可同噪聲功率相比［3］。因此，靈敏度用接收機(jī)輸入端的最小可檢測(cè)信號(hào)功率Simin來(lái)表示。其計(jì)算公式為

其中，NF表示噪聲系數(shù);SNR表示滿足一定條件誤碼率所需的最低信噪比;BW表示工帶寬。

1.2.2 選擇性

接收機(jī)的另一個(gè)關(guān)鍵特征就是其選擇性。選擇性的定義為，在臨近頻率強(qiáng)干擾和信道阻塞的情況下，接收機(jī)滿意提取所需信號(hào)的能力。在多數(shù)體系結(jié)構(gòu)中，中頻信道選擇濾波器的設(shè)計(jì)決定了接收機(jī)的選擇性。接收機(jī)頻帶的選擇與發(fā)射波形的特性、接收機(jī)的工作帶寬以及所能提供的高頻部件和中頻部件的性能均有關(guān)。在現(xiàn)代雷達(dá)接收機(jī)中，頻帶的選擇可在30 MHz～4 GHz之間，當(dāng)需在中頻增加某些信號(hào)處理部件，如脈沖壓縮濾波器、對(duì)數(shù)放大器和限幅器等時(shí)，從技術(shù)實(shí)現(xiàn)來(lái)說(shuō)，中頻選擇在30 ～500 MHz更合適［4］。

1.2.3 相互調(diào)制失真(IMD)

相互調(diào)制(互調(diào))失真是一個(gè)導(dǎo)致產(chǎn)生輸入信號(hào)基本頻率線性組合的頻率非線性過(guò)程［6］。若輸入信號(hào)頻率是f1和f2，二階互調(diào)失真產(chǎn)生的信號(hào)頻率為0、f1－f2、f1+f2、2f1和 2f2。三階互調(diào)失真產(chǎn)生的信號(hào)頻率為2f1－f2、2f2－ f1、2f1+f2、2f2－ f1、3f1和 3f2。對(duì)于窄帶信號(hào)，只有三階互調(diào)產(chǎn)物2f1－f2和2f2－f1才落在帶內(nèi)，因此，通常關(guān)注的是三階互調(diào)失真。這些三階互調(diào)產(chǎn)物的功率電平由下式給出

其中，Pf1是頻率為f1的輸入信號(hào)功率，單位為dBm。Pf2是頻率為f2的輸入信號(hào)功率，單位為dBm。PIP是三階互調(diào)截獲點(diǎn)，單位為dBm。

互調(diào)會(huì)產(chǎn)生各種不利的影響。例如，雜波回波的互調(diào)引起雜波多譜勒頻譜展寬，從而導(dǎo)致目標(biāo)遮蔽。由于帶外干擾信號(hào)互調(diào)出現(xiàn)帶內(nèi)信號(hào)互調(diào)產(chǎn)物，不能通過(guò)線性對(duì)消技術(shù)輕易地消除，從而導(dǎo)致對(duì)干擾敏感。

1.2.4 交叉調(diào)制失真

交叉調(diào)制是由三階互調(diào)引起的，由此引起信號(hào)的幅度調(diào)制(AM)。下式給出了對(duì)有用信號(hào)幅度調(diào)制的百分比(%d)

式中，%u是無(wú)用信號(hào)的幅度調(diào)制百分比，PU是無(wú)用信號(hào)功率，PIP是三階截獲點(diǎn)。

交調(diào)將導(dǎo)致幅度較大的調(diào)制帶外干擾對(duì)雜波和目標(biāo)回波的調(diào)制，從而使雜波對(duì)消性能和距離副瓣性能變差［7］。

2 接收機(jī)系統(tǒng)模型的建立

使用濾波器、放大器、混頻器等行為級(jí)的功能模塊搭建接收機(jī)系統(tǒng)。運(yùn)用S參數(shù)仿真、交流仿真、諧波平衡仿真、瞬態(tài)響應(yīng)仿真等仿真器對(duì)接收機(jī)系統(tǒng)的性能參數(shù)進(jìn)行模擬檢測(cè)。

2.1 接收機(jī)靈敏度模型的建立

圖2 接收端模型

由于各模塊的參數(shù)均為已知，通過(guò)計(jì)算可得出系統(tǒng)總的噪聲系數(shù)和三階互調(diào)截點(diǎn)等。

噪聲系數(shù)定義為系統(tǒng)的輸入信噪功率比(SNR)i=Pi/Ni，與輸出信噪比(SNR)o=Po/No的比值。噪聲系數(shù)表征了信號(hào)通過(guò)系統(tǒng)后，系統(tǒng)內(nèi)部噪聲造成信噪比惡化的程度，噪聲系數(shù)常用NF表示。根據(jù)噪聲系數(shù)的級(jí)聯(lián)式

可以計(jì)算出系統(tǒng)總的噪聲系數(shù)。給定低噪聲放大器的增益為13.5 dB，噪聲系數(shù)為1.5 dB，混頻器的增益為7.9 dB，噪聲系數(shù)為13.4 dB，利用式(4)可計(jì)算出NF=4.12 dB。

三階截點(diǎn)IP3定義為三階互調(diào)功率達(dá)到和基波功率相等的點(diǎn)，此點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的輸入功率表示為IIP3，其所對(duì)應(yīng)的輸入功率表示為OIP3［9］。根據(jù)三階互調(diào)截點(diǎn)的級(jí)聯(lián)式

可得，系統(tǒng)總的IIP3=－9.75 dBm。

通過(guò)仿真，可得到整個(gè)接收機(jī)端的增益為17.205 dB，接收端總的噪聲系數(shù)為4.151 dB，而計(jì)算結(jié)果為4.12 dB。仿真接收端的三階輸入截點(diǎn)為－10.124 dBm，而計(jì)算結(jié)果為－9.75 dBm。以上結(jié)果有一定的差異，該差異是由增益壓縮等因素所引起的。此外，根據(jù)仿真結(jié)果還可計(jì)算得出接收機(jī)的靈敏度。

設(shè)計(jì)中，NF=4.12 dB，B=6 MHz，當(dāng)(SNR)0，min=10 dB時(shí)，由靈敏度計(jì)算結(jié)果為92.08 dBm。

2.2 接收機(jī)選擇性模型的建立

圖3 頻帶選擇性原理圖

對(duì)模型進(jìn)行S參數(shù)仿真，仿真結(jié)果如圖4所示。m1點(diǎn)接收機(jī)在頻帶選擇濾波器的中心頻率(2.4 GHz)有20 dB的最大增益，即LNA的增益減去微波帶通濾波器的插入損耗。在中心頻率處，反射損耗最小，約在－50 dB。m2表示在偏離中心頻率70 MHz處約為25 dB的衰減。接收機(jī)射頻前端的接收帶寬為6 MHz，而通帶內(nèi)的波動(dòng)不超過(guò)0.125 dB。

圖4 射頻器前端帶寬仿真曲線

2.3 接收機(jī)預(yù)算增益仿真模型的建立

通過(guò)建立接收機(jī)的預(yù)算增益模型，可看到系統(tǒng)總增益在系統(tǒng)各部分中的分配情況。預(yù)算增益仿真在諧波平衡分析及交流分析中均可進(jìn)行，但若在交流仿真中進(jìn)行的話，混頻器不能是晶體管級(jí)［8］。因?yàn)榇诉M(jìn)行的是行為級(jí)仿真，混頻器的非線性特征是已知的，所以需利用交流分析進(jìn)行仿真。

圖5 預(yù)算增益仿真原理圖

通過(guò)圖6可看出，接收機(jī)VGA增益最大和最小的情況下整機(jī)增益的分配情況。總體來(lái)說(shuō)，整機(jī)增益最大處在中頻放大器(AMP)，且當(dāng)VGA增益變化時(shí)，中頻放大器(AMP)處的增益也隨之變化。

圖6 整機(jī)增益分配情況

3 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)實(shí)際的集成射頻模塊的選擇，以及利用ADS對(duì)接收機(jī)進(jìn)行仿真，可得到一些重要的性能指標(biāo)，通過(guò)對(duì)這些性能指標(biāo)的分析和預(yù)估，可得出器件是否滿足實(shí)際無(wú)線通信環(huán)境對(duì)射頻系統(tǒng)的要求。本文對(duì)接收機(jī)系統(tǒng)相關(guān)射頻器件進(jìn)行相應(yīng)的指標(biāo)性能分析，為接收機(jī)的電磁兼容研究分析提供參考和依據(jù)。

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