吳志毅，徐秀會

（四川信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院 四川 廣元 620840）

全相參雷達需然具有性能穩(wěn)定，噪聲低，壽命長，不受電源波動和機械震動的影響等特點。但價格比較高，架設(shè)、移動比較麻煩，靈活性不夠。如果采用中頻相參脈沖多普勒體制，雷達性價比高。雷達采用磁控管發(fā)射機，其使用的磁控管價格低，高壓工作時間超過2 000小時[1]。接收機采用可變本振數(shù)字中頻接收技術(shù)，具有大動態(tài)線性范圍。采用這些先進技術(shù)的雷達在性能上達到全相參雷達的水平，在價格上特別是在全壽命期成本上大大低于全相參雷達。

1 X波段中頻相參多普勒天氣雷達接收機主要技術(shù)指標

1）接收機工作頻率： 9 700 MHz

2）接收系統(tǒng)靈敏度： -105 dBm（0.5 μs）

3）動態(tài)范圍： ≥90 dB

4）噪聲系數(shù)： ≤3 dB

5）本振的短期頻率穩(wěn)定度為：10-10/ms

6）中頻輸出：30 MHz

7）中頻帶寬：2 MHz

2 接收機系統(tǒng)設(shè)計方案框圖

接收系統(tǒng)的主要功能是將來自天線的微弱回波信號放大變頻，再放大到所需的功率電平。放大后的中頻回波信號送到數(shù)字中頻接收機，轉(zhuǎn)換為數(shù)字中頻信號并且經(jīng)過正交相位運算獲得正交的數(shù)字信號送到信號處理器。雷達接收機系統(tǒng)設(shè)計方框圖如圖1所示。

圖1 接收機框圖Fig.1 Receiver block diagram

3 主要技術(shù)參數(shù)計算

3.1 接收機噪聲系數(shù)計算

我們知道，接收機的總噪聲系數(shù)可以用（1）所示計算。

在X波段中，低噪聲高頻放大器的噪聲系數(shù)一般≤2 dB，增益為G1＝251.2（24 dB）。30 MHz中頻放大器的噪聲系數(shù)≤4 dB，混頻器的噪聲系數(shù)一般為8 dB左右，增益為G2＝0.158（－8 dB）。因此取 F1≤1.58（可以自己選）。將數(shù)據(jù)代入（1）可求出：F（dB）＝2.15 dB。 滿足設(shè)計要求（≤3 dB）。

3.2 接收機靈敏度計算

接收機的靈敏度是表征接收機接收微弱信號能力的一個物理量，它的表達式為：

根據(jù)工程設(shè)計經(jīng)驗，一般情況下，我們?nèi)〗邮諜C輸出端的信號噪聲功率比為1時（即識別系數(shù)D=1）接收機輸入端的功率為靈敏度，也就是所謂的“臨界靈敏度”：

由（3）式可看出“臨界靈敏度”只與接收機帶寬B和噪聲系數(shù)F有關(guān)，因為K（波茨曼常數(shù)）、T0均為常數(shù)——標準室溫（290°K）。接收機帶寬的設(shè)置與所接收的信號有關(guān)，在該接收機中，接收信號最小脈沖寬度為0.5μs。對應(yīng)匹配濾波器帶寬為2 MHz，因此雷達系統(tǒng)的中頻帶寬按2 MHz帶寬計算。即?。築=2 MHz（0.5 μs），由此可算出接收機的“臨界靈敏度”

數(shù)據(jù)代入（4）式可以計算出Psmin≈-110dBm。

由此可見，接收機靈敏度是滿足指標要求的，且有一定的余量?？紤]工程化、器件老化等因數(shù)，以下的計算仍按靈敏度為－109 dBm計算。接收機輸入阻抗按50Ω計算，輸入阻抗上的最小可辨電動勢[5]為：

按場放輸入端靈敏度Psmin=-109 dBm計算場放輸入端最小可測電壓Umin:

式中：R=50Ω為場放輸入阻抗，計算可得Umin=0.7934 uV。如果按噪聲功率考慮：

場放輸入端的噪聲功率按下式計算：

式中：

TR=T0（F-1）=290°（1.64-1）=185.6°

PN=1.38×10-23×（290°+185.6°）×1×106-6.563 3×10-15

噪聲電壓

式中：R=50 Ω，UN=0.572 9 uV

可以看出Usmin與UN的比值是>1的，因而從背景噪聲中檢出信號是沒問題的。

3.3 前端增益計算

數(shù)字中頻轉(zhuǎn)換器的接口電平為-76～+14 dBm，即最小輸入信號電平為-76 dBm（35.44 uV），前面已算得場放輸入端最小可測電壓uV，由此可算得接收機前端總增益：35.44 uV/0.7934 uV=44.67（33 dB），即：-76 dBm-（-109 dBm）=33 dB。在設(shè)計時取A=33 dBm。接收機前端增益分配為：場放為+24 dB、預(yù)選濾波器為－3 dB、混頻器為－8 dB、前中為+20 dB。

3.4 系統(tǒng)動態(tài)范圍分析

當場放輸入端靈敏度為-109 dBm時，按系統(tǒng)輸入動態(tài)為90 dB計算，則場放輸入端最大信號功率為：90dB-109 dBm=-19 dBm；由系統(tǒng)前端增益設(shè)置可知，此時到達數(shù)字中頻轉(zhuǎn)換器輸入端的信號強度為：-19 dBm+33 dB=14 dBm；如前所述數(shù)字中頻轉(zhuǎn)換器最大輸入信號強度為14 dBm，即輸入信號范圍在靈敏度（-109 dBm）至-19 dBm計算，可以知道此時系統(tǒng)仍可保持線性輸出，達到90 dB的線性動態(tài)范圍，因此系統(tǒng)線性動態(tài)范圍滿足設(shè)計性能要求。

結(jié)合前面分析，前端在輸入最大信號狀態(tài)下，信號流程各段電平、動態(tài)分析框圖見圖2所示。

圖2 前端信號流程各段電平、動態(tài)分析框圖Fig.2 The front-end signal process paragraphs、Dynamic analysis diagram

3.5 穩(wěn)定本振

為保證雷達的測速精度，接收機本振采用高穩(wěn)定度固定頻率振蕩器，其短期1 ms頻率穩(wěn)定度為10-10量級。根據(jù)雷達性能要求，由于晶振倍頻源具有相位噪聲低、雜散小等特點，為保證系統(tǒng)、整機穩(wěn)定可靠工作，避免可能存在的環(huán)路失鎖等問題，本系統(tǒng)考慮選用晶振倍頻本振。

對頻率穩(wěn)定度的要求：

由于采用了數(shù)字校正技術(shù)（DSI）[6]，降低了發(fā)射機對整機改善因子的限制，提高了整機地雜波中目標可見度，使改善因子≥30 dB，取30 dB。

4 測試與結(jié)果分析

靈敏度、動態(tài)范圍、噪聲系數(shù)的測試驗證。

4.1 靈敏度測試

靈敏度測試方框圖如圖3所示。在接收機場放口輸入噪聲（由微波信號源代替），在數(shù)字接收機輸出端接示波器。逐漸減小輸入信號源的輸出功率，當在示波器上觀察的信號幅度剛好與噪聲信號相當時，記錄信號源的輸出功率為AdBm，則接收機靈敏度為AdBm－LdBm，LdBm為電纜的損耗。所測靈敏度可以達到為-110.5 dBm。

圖3 接收機靈敏度測試方框圖Fig.3 The receiver sensitivity test block diagram

4.2 線性動態(tài)范圍測試

采用機外信號源，由接收機前端注入，在數(shù)據(jù)終端讀取信號的輸出數(shù)據(jù)。輸入輸出曲線采用最小二乘法進行擬合，擬合直線的斜率由輸入功率和對應(yīng)的輸出數(shù)據(jù)來確定。由測量曲線與擬和直線的差值≤1 dB來確定接收系統(tǒng)低端的拐點和高端的飽和點，飽和點和拐點所對應(yīng)的輸入信號功率值的差值為系統(tǒng)的動態(tài)范圍。經(jīng)測試，擬和直線斜率為1.005 7，擬和均方根誤差為0.14，高端飽和點為-16 dBm，低端拐點為-110 dBm。因此，動態(tài)范圍為94 dBm。

表1 噪聲系數(shù)值測量值Tab.1 Noise factor values measured values

4.3 噪聲系數(shù)

測試方框圖如圖4所示。在雷達終端顯示上讀出噪聲功率值，測試結(jié)果如表1所示。

圖4 噪聲系數(shù)測試方框圖Fig.4 Noise factor test block diagram

因此噪聲系數(shù)平均值為2.83 dB。滿足設(shè)計要求。

5 結(jié) 論

波段中頻相參多普勒天氣雷達接收機設(shè)計理論分析與計算方法，已經(jīng)在一些小型中頻相參氣象雷達中運用，在這些雷達中，經(jīng)過生產(chǎn)測試，對計算出的理論參數(shù)完全滿足了設(shè)計要求，說明這種設(shè)計方案切實可行。

[1]Merrill l.Skolnik.雷達系統(tǒng)導(dǎo)論[M].北京：電子工業(yè)出版社2007.

[2]蔡成仁.雷達原理與氣象雷達系統(tǒng)[M].北京：兵器工業(yè)出版社，2001.

[3]弋穩(wěn).雷達接收機技術(shù)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2005.

[4]丁鷺飛.雷達原理[M].北京：電子工業(yè)出版社，2009.

[5]焦中生，沈超玲，張云.氣象雷達原理[M].北京：氣象出版社，2005.

[6]王小謨.雷達與探測[M].北京：國防工業(yè)出版社，2000.