雷达接收机

子模块七　雷达接收机

学习目标：掌握雷达接收机的组成及各部分作用；

　　　　　熟悉雷达接收机的主要技术指标；

　　　　　了解雷达接收机各辅助电路的作用。

重点难点：雷达接收机各部分作用和主要技术指标。

一、接收机的组成及各部分作用

船用雷达接收机均采用超外差式接收机。其基本组成包括由本机振荡器和混频器组成的变频器、由前置中频放大器（简称前置中放）和主中频放大器（简称主中放）组成的中频放大器、检波器、前置视频放大器（简称前置视放）、增益和海浪干扰抑制电路及自动频率控制电路（AFC）等部分，如图1-21所示。下面简要说明各部分的作用。

图1-21　接收机组成方框图

1. 变频器

变频器（Frequency Converter）的作用是把超高频回波信号变成频率较低的中频回波信号。它由本机振荡器及晶体混频器组成。船用雷达接收机的中频一般为30MHz或60MHz，少数也有用45MHz的。

在一些新型船用雷达中，在变频器之前加入了一级射频放大器，将回波信号先进行放大后再送入变频器。这样可以提高信号增益，减小接收机噪声系数，从而改善对远距目标的探测能力。

2. 中频放大器

中频放大器（IF Amplifier，Intermediate Frequency Amplifier）的作用是要把微弱的中频回波信号不失真地放大十几万倍，然后送去检波。

3. 检波器

检波器（Detector；Demodulator）的作用是把经过放大的中频回波信号进行检波，即去掉中频成分，取出其包络，变成视频脉冲信号。这一过程正好与发射机里的调制过程相反，所以检波器也叫解调器。船用雷达的检波器一般由晶体二极管（或晶体三极管）及低通滤波器组成。

4. 前置视频放大器

前置视频放大器（Pre-Video Amplifier）用来初步放大检波器输出的视频脉冲信号并实现前后电路的相互匹配。输出的视频脉冲信号用同轴电缆送给显示器。

5. 增益控制及海浪干扰抑制电路

（1）增益控制电路（Receiver Gain Control）。其作用是改变中放的增益（放大倍数），实现对屏上回波强度的控制。

（2）海浪干扰抑制电路（Anti-Clutter Sea Control）。其作用是用来抑制海浪干扰的强度。

6. 自动频率控制电路

自动频率控制电路（Auto Frequency Control Circuit，AFC）的作用是根据混频器输出中频的频率的变化自动控制本机振荡器的频率，使混频器输出保持在预定中频上，使屏上回波稳定清晰。接收机各部分的输出波形如图1-22所示。

为了改善接收机的性能，提高雷达的探测能力，现在不少雷达采用了一些其他辅助电路，将在后面学习。

图1-22　接收机波形图

二、接收机主要技术指标

1. 增益（Gain）

接收机的增益表示将输入的回波信号（一般仅几个微伏）放大至显像管正常工作所需要的幅值（一般为20～40V）的放大倍数，通常为130dB。此时屏上可见到背景噪声斑点。

2. 灵敏度

接收机的灵敏度（Sensitivity）表示接收机接收微弱信号的能力，以可以从噪声背景中辨认出回波信号的接收机输入端的最小回波信号功率P_rmin表示（称接收机门限功率，最小可分辨信号功率）。显然，P_rmin越小，接收机灵敏度越高，雷达的作用距离也就越远。

接收机灵敏度可用下式表示：

P_min = k·T·Δf·N·m　（1-4）

式中：P_min——接收机灵敏度；

　　　k——波尔兹曼常数；

　　　T——接收机输入端绝对温度；

　　　Δf——接收机通频带宽度；

　　　N——接收机总噪声系数；

　　　m——识别系数。

由上式可见，N越小，P_rmin越小，灵敏度越高；Δf越小，P_rmin越小，灵敏度也越高，所以，远量程时要用窄通频带。

3. 通频带

接收机通频带（Band Width）表示接收机能有效放大的信号频率范围，一般指接收机对输入信号的电压放大倍数从中心频率f₀的最大相对值1下降到0.707时的两个对应频率的差Δf。

通频带宽，能够通过的频率多，则失真小，测距精度高，距离分辨力高，但是灵敏度低，影响探测能力；通频带窄，灵敏度高，探测远距目标的能力强，但失真大，测距精度及距离分辨力差。所以，现在雷达根据远近量程的不同采用了不同的通频带宽度，并随量程开关转换。表1-3列出远、近量程不同的脉冲宽度τ、脉冲重复频率F及接收机通频带宽度Δf。

表1-3　不同量程的τ、F及Δf

现代船用雷达接收机通频带为3～25MHz，其中窄带为3～5MHz，宽带常用18～25MHz。

4. 抗干扰性

抗干扰性（Anti-Interference Capacity）表示接收机抗干扰的能力。按船用雷达性能标准规定，雷达接收机应有抑制海浪干扰、雨雪干扰的装置。

5. 恢复时间

接收机从强信号过后，退出饱和状态恢复正常工作时所经历的时间称为接收机恢复时间（Recovery Time）。这个时间越短，越不易丢失强信号之后的微弱信号，越能接收近距离的目标。

6. 动态范围

接收机各级都不饱和时最大输入信号功率与最小可辨信号功率之比，称为接收机的动态范围（Dynamic Range）。动态范围越大越好。此外，接收机还有一些其他技术要求。

图1-23　反射式速调管结构

三、本机振荡器

本机振荡器（Local Osillator）的任务是产生一个频率比磁控管振荡频率高一个中频的小功率连续等幅振荡，作为本机振荡信号送入混频器。用作本机振荡器的有反射式速调管、固态振荡源（微波晶体三极管）和（体效应（耿氏）二极管）。其中，由后二者构成的本振源称为固态振荡源。

1. 反射式速调管

反射式速调管（Klystron）的结构如图1-23所示。内腔式反射速调管的外壳是金属做的，起高频屏蔽作用。内部结构很特殊，上面是圆盘形反射极，由导线连至顶帽。反射极下面是两个相隔很近的圆形网状栅极，这两个栅极的四周均是金属片且都与金属管壳相接，两层金属片中间形成环形空腔。两层网状栅极（等效于电容C）和金属片中间的环形空腔（等效于电感L）组成谐振系统，其尺寸大小等决定固有频率。有的速调管在网状栅极下面还有一个网状加速极，它同样与外壳相接。谐振腔中有耦合环并通过直径约为3mm的同轴电缆从管座中伸出管外。栅极下面是圆筒形阴极，阴极里面是灯丝。灯丝、阴极、栅极的引线均从管座引出。金属管壳两侧有固定螺柱及弓形支架。弓形支架上有调节螺丝，可使弓形支架伸长或缩短，以改变网状栅极间距，进而改变谐振腔的固有频率。

2. 固态振荡源

固态振荡器是用微波器件（如微波晶体三极管、体效应二极管（耿氏二极管）等制作的微波振荡器。由于它具有体积小、重量轻、可靠性高、工作电压低、耗电省、寿命长及使用方便等优点，目前正在逐步替代传统的速调管。图1-24是一种耿氏二极管固态振荡源的外形图与结构示意图。

图1-24　一种固态振荡源的外形图及结构示意圈

（a）外形图；（b）结构示意图

1—输出口；2—衰减器调整螺丝；3—机械调谐螺丝；4—偏置电压引线；5—变容管套筒；

6—工作电压引线；7—耿氏管套筒；8—谐振腔；9—耿氏二极管

3. 耿氏二极管

耿氏二极管放在波导腔的适当位置，当在耿氏二极管两端加上的工作电压大于它的阀值电压时，管内便产生周期性脉冲电流，在这个电流的作用下，波导腔内便产生微波振荡。调整波导销钉（机械调谐）螺丝及调整变容管偏置电压（电调谐、电位器在显示器面板上），即可调整振荡频率。振荡能量从波导口输出加到混频器。

四、混频器

1. 作用与组成

混频器（Mixer）的作用是将回波信号f_S与本振信号f_L进行混频而得到其差频信号，即中频信号（f_I=f_L−f_S）。混频器由混频晶体与选频回路组成，如图 1-25所示。

混频器的原理是利用混频晶体（二极管）的非线性，将加到它两端的两种信号（f_L及f_S）变成包含有各种组合频率mf_L±nf_S（m、n为正整数）的电流，再利用选频回路取出所需的中频信号（f_L−f_S）。混频器应满足功率传输系数大及混频噪声系数小等要求。

2. 混频晶体

常见的混频晶体有点接触型和面接触型两种，其结构分别如图1-26所示，其中（a）、（b）为点触型，（c）为面触型。面触型结构的混频晶体除要求本振功率较大外，其他性能（如功率传输系数、噪声系数及反向击穿电压等）均较点触型好，因而近年来已逐渐取代点触型混频晶体。

图1-25　混频器组成框图

图1-26　混频晶体二极管结构图

（a）普通结构；（b）具有屏蔽结构；（c）肖特基势垒二极管结构

1—金属电极；2—金属丝；3—半导体；4—金属电极；5—调节螺丝；6—陶瓷管壳

1—金属帽；2—金属引线；3—垫垒层；4—半导体衬底；5—陶瓷管壳；6—金属帽；

7—绝缘填充物；8—屏蔽铜壳；9—灌蜡空间

图1-27　KPC. NC与PL（I₀）的关系曲线

3. 混频器工作特点

混频器的功率传输系数K_PC、噪声系数N_C与加到混频晶体上的本振功率P_L（mW）大小有关，而加到混频晶体上的P_L的大小用晶体电流I₀（mA）表示，如图1-27所示。晶体电流I₀基本上由本振连续振荡信号决定。由图可见，当I₀=I_K时（即P_L=P_LK时），K_PC较大，N_C最小，即混频性能最好。这个I_K值称最佳值，一般为0.5mA。由于各雷达的晶体电流监测电路不同，具体的晶体电流最佳值由雷达说明书给出，并可用本振衰减膜片（或螺钉）调节得到。

4. 混频晶体使用注意事项

（1）晶体好坏可用万用表R×100档测量其正反向阻值来检查。通常正向电阻约为200～500Ω，反向电阻约为几十至几千欧姆。一般较好的晶体反向与正向阻值比应大于100，小于10时，性能极差，不能使用。注意：用万用表电阻档测量时，切不可使用R×1或R×10K档，否则易损坏晶体。

（2）发现混频晶体烧坏，更换新管前应先检查收发开关的预游离状态，确定正常后方可更换新管。收发开关检查方法待后介绍。

（3）更换或测量混频晶体时，应先关掉高压，防止高频辐射伤害晶体；而且在拆、装晶体时应先使人体与机壳接触，以消除静电影响。备用管应放在铅屏蔽盒内，不得受冲击、震动。

（4）要注意调好“本振衰减”，使晶体电流等于说明书规定值（此时，混频效果最好）。

5. 混频器分类及比较

船用雷达接收机混频器的结构形式随工作频率而异：工作频率低于4 000MHz时常用同轴线结构；高于4 000MHz时常用波导结构；而在集成化的小型接收机中常用微带结构。在每一类中，按所用混频晶体的个数可分为单端式混频器和双端（晶体）平衡混频器。

双晶体平衡混频器与单端混频器相比，虽然结构较复杂，体积稍大，但具有混频噪声系数较小（将本振引起的噪声大大降低）、本振与回波信号两支路的隔离好、工作可靠（即使坏了一只晶体，仍可使用，只是性能近于单端混频器）等优点，因此在现代船用雷达中已被广泛采用。注意：双晶体平衡混频器中的两个晶体极性是相反的，安装时应按基座上的晶体管符号装入，不可装错，更不要在两个基座内装入相同极性的两个晶体。

五、中频放大器

对中频放大器的主要技术要求有：高增益、低噪声、宽通频带（小失真）及高稳定性等。为了满足这些要求，在中频放大器电路中采取了下述措施。

（1）结构上将中频放大器分成前置中频放大器及主中频放大器，分别装在两个屏蔽盒内，二者之间用短同轴电缆连接；前置中放紧接混频器的输出，一般仅2～3级，增益不高，主要着眼于降低噪声和提高稳定性。主中放一般为6～7级，满足高增益（约70～80dB）、宽通带及稳定工作的要求。

（2）为满足宽通频带要求，在放大器耦合回路中常用三参差调谐回路；为适应不同量程段对雷达使用性能的不同要求，通常随脉冲宽度的变换，通频带也随着改变。

（3）为适应对强弱程度不同的目标回波的探测，设置了手动增益控制电路，用显示器面板上的增益钮调节中频放大器的偏压，使中频放大器的增益随实际需要而改变。当接收弱信号时，可适当增大增益，以保证信号有足够的强度；当接收强信号时，可适当减小增益，以免接收机饱和或过载而使屏面回波模糊，丢失强信号后面的弱回波，甚至损伤荧光屏。通常，增益调到屏上的杂波斑点刚刚可见为好。

（4）为调整海浪干扰的抑制程度，设置了海浪干扰抑制电路。常用的抑制电路的原理是：在触发脉冲的作用下产生一个按指数规律变化的梯形脉冲偏压，加到中频放大器的前两级，使中频放大器（也使整个接收机）的增益也按指数规律逐渐增大，即在近距离（此时海浪干扰最强）增益大大减小，随距离的增加，海浪干扰逐渐减弱，增益逐渐增大，直到恢复正常。因为海浪抑制电路控制的是接收机近距离增益，所以称为“近程增益控制”。又因为是随时间变化而控制接收机的灵敏度，所以又称为“灵敏度时间控制”（Sensitivity Time Control，STC）电路。海浪抑制的最大范围可用收发机内的“抑制宽度”预调，海浪抑制的程度（深度和范围）可用显示器面板上的“STC”钮调节。要注意的是，该电路在抑制海浪干扰的同时也抑制了相当强度的物标回波，所以使用“STC”钮要根据海浪强弱而酌情调整，以抑制海浪干扰又不丢失物标回波为好。

（5）为防止强信号、强干扰环境中造成接收机饱和或过载，有些雷达采用了“对数中频放大器”。

（6）为改善接收机的性能，在有些雷达中，还采用了一些其他辅助电路。

想一想

雷达接收机是怎样工作的？它受显示器面板上哪些旋钮、开关控

六、接收机辅助电路

图1-28　一种通频带转换电路框图

1. 带宽转换电路

图1-28是一种采用插入窄带滤波器的带宽转换电路（Bandwidth Change Circuit）。两边是宽带中频放大器，中间插入窄带滤波器，开关K1、K2由脉冲宽度开关控制，在宽脉冲时，开关在“1”位置，中放用窄通频带。在窄脉冲时，开关在“2”位置，信号不经过窄带滤波器，仅通过宽带放大器。

2.　AFC电路

磁控管、本机振荡器的振荡频率由于电压、温度或负载的变化会发生变化，这样混频器输出会偏离预定的中频值，中频放大器对回波信号的放大性能减弱，屏上回波变差。AFC电路就是为实现混频器输出频率稳定而设的。图1-29是一种AFC电路的框图。

混频器输出信号经过中频放大器放大后送入AFC中放进一步放大，然后送入鉴频器。鉴频器对此信号进行鉴频并产生误差信号，控制设备将误差信号变成控制本机振荡器振荡频率控制信号电压，改变本机振荡器的频率，使混频器的输出恢复到预定中频值。

在设AFC电路的雷达中，都在显示器面板上设AFC开关。当使用AFC时，将AFC开关置“ON”，此时，手动调谐不起作用；当AFC置“OFF”时，用手动调谐控制本振工作频率。

在现代船用雷达中，由于磁控管、本机振荡器的频率已具有足够的稳定性，因而一般不设AFC电路。

3. 对数放大器

所谓对数放大器（Log IF Amplifier）是指具有输出信号幅度是输入信号幅度的对数函数这一特性的放大器。两种中频放大器的振幅特性曲线对比如图1-30所示。由图可见，对数放大器较线性放大器在动态范围、抗过载能力、抗干扰能力方面都较优越。但对小信号的放大倍数较小，影响远距离目标的探测能力。所以，一般在有强干扰情况下用对数放大器，在接收弱信号而无强干扰时用线性放大器。通常在显示器面板上设“对数-线性（LOG-LIN）”转换开关以供选择。

在实际机器中，通常将中频放大器做成线性-对数中频放大器，即当输入信号幅度小于某值时为线性放大器，超过某值后为对数放大器。

图1-29　一种AFC电路的框图

图1-30　中频放大器的振幅特性

4. 恒虚警率处理

所谓雷达的虚警率就是在没有目标时，雷达却认为有目标存在的概率。虚警率大，显然不可取。但虚警率太小，则意味着探测能力的减小，也是不可取的。保持虚警率在一个较小恒定值上，使雷达在强杂波干扰下继续正常工作，实现清晰显示，以利观测，是很有必要的。

一种恒虚警率处理（Constant False Alarm Rate Process，CFAR处理）的方法是在带杂波干扰的原始视频信号中取出积分均值，然后再将它从原始视频中相减。因为这一积分均值实际上是机内热噪声和干扰（如雨雪、海浪等）等的强度平均值，所以相减后，可去除杂波，而输出有用的目标回波，如图1-31所示。如果噪声、杂波强弱变化，则取出积分均值也随之变化。用这样一个随输入噪声、杂波强度变化的积分均值作为减法器的相减门限电平，就具有自适应的性质，抑制效果更显著。但是，使用CFAR处理后，会损失一部分检测能力，对强杂波边缘的一些小目标可能会丢失。使用中要引起注意。有些雷达在显示器面板上设有专用开关，可视海面周围情况选择使用。

图1-31　CFAR处理效果示意图

（a）原始对数视频；（b）CFAR偏压；（c）经CFAR处理后的视频

七、本机振荡器调谐

在更换磁控管或速调管后或调显示器面板上“调谐”钮无效时，要进行本振荡器（简称本振）的机内调谐。

1. 速调管的调谐步骤

雷达正常工作10min后，关掉AFC，把显示器面板上的调谐钮放中间位置，量程一般选6n mile以上（或按说明书规定量程），将收发机内电表转换开关拨向收发机，然后进行以下操作：

（1）用万用表测反射极电压，调粗调谐电位器，使电表指示−150V，然后撤去电表；

（2）将机内测试表转到调谐位置，调机械调谐螺丝，使调谐表指针偏转最大（或屏上回波最好）；

（3）将机内电表转晶体电流I或Ⅱ，调粗调谐电位器，使指针偏转最大；

（4）重复步骤（2）～（3），直到晶体电流最大时，屏上回波也最好（调谐表偏转也最大）。

（5）调“本振衰减器”，使晶体电流在说明书规定值。

2. 固态源调谐

固态振荡源的调整与速调管调整相似。有些固态源无机械调谐螺丝，仅有粗调谐电位器，调整更加方便，不再细述。

八、接收机工作状态判断

接收机工作状态判断可分两步进行。

1. 调“增益”看屏上噪声变化

顺时针调“增益”钮，当在4～5位置时，屏上已有明显噪声斑点，说明前置中放、主中放、视频通路等都是正常的；当调到底时，屏上才有些微噪声斑点，一般说明主中放及以后通路是好的，可能前置中放及变频器有问题；当调到底时屏上也无噪声斑点（此时假定屏上有固定距标、船首线等），则可能是主中放或以后的通路有问题。

2. 从晶体电流看变频器的工作

雷达工作后，晶体电流应在规定范围内。如果为零，说明本振没工作或晶体已坏。晶体电流偏小，说明本振工作不正常，或晶体性能变差，或未调谐好。要指出的是，有晶体电流只能说明晶体和本振是工作的，不能说明一定有回波输入。

想一想

简述恒虚警率处理（即CFAR处理）的原理。

思考与训练

1. 雷达本机振荡器使用的元件是________。

A. 微波晶体三极管　B. 体效应二极管

C. 反射速调管　　　D. 以上都是

2. 船用雷达接收机常用中频放大器的中频频率为________。

A.　30MHz　B.　45MHz　C.　60MHz　D.　以上都是

3. 实用雷达中，AFC电路通过控制________来保证混频输出的中频不变。

A. 发射频率　B. 本振频率　C. 谐振频率　D. 回波频率

4. 雷达设备中用来产生小功率超高频等幅振荡的元件是________。

A. 定时器　B. 调制器　C. 磁控管　D. 速调管

5. 速调管是雷达设备中________的组件。

A. 发射机　B. 天线系统　C. 接收机　D. 显示器

6. 雷达接收机输出的信号是________。

A. 射频回波信号　B. 本振信号　C. 中频信号　D. 视频回波信号

7. 雷达接收机中的反海浪干扰电路是用来________。

A. 调节接收机的近程增益　B. 调节回波脉冲强度

C. 改变海浪回波的极化　　D. 改变发射脉冲强度

8. 雷达接收机通频带随________转换而改变，在近量程采用________通频带。

A. 量程，窄　B. 量程，宽　C. 显示方式，窄　D. 显示方式，宽

9. 能表明雷达接收机工作是正常的，下列哪个说法正确________。

A. 有混频晶体电流　　　　　　B. 有磁控管电流

C. 旋增益钮屏上噪斑有变化　　D.　A+C

10. 雷达接收机的前置视频放大器的作用是________。

A. 放大检波输出的视频信号　B. 放大检波输出的中频信号

C. 使电路前后匹配连接　　　D. 推动视频放大器

11. 雷达接收机增益旋钮是控制________。

A. 荧光屏亮度电压　　B. 磁控管电压

C. 速调管反射极电压　D. 前置中放与主中放的控制电压

12. 在下列情况下，应对本振进行调谐的是________。

A. 更换磁控管后　B. 更换速调管后

C. A和B两者都要　D.　A和B两者都不必

13. 下列组件中不属于接收机的是________。

A. 仿真线　B. 距离扫描电路　C. 定时器　D. 以上都是

14. 接收机前置中频放大器的主要作用是________。

A. 放大中频信号　B. 抑制噪声，提高信噪比

C. 两者都是　　　D. 两者都不是

15. 接收机主中频放大器的主要作用是________。

A. 放大中频信号　B. 抑制噪声，提高信噪比

C. 两者都是　　　D. 两者都不是