接收機是雷達系統(tǒng)中必不可少的的一部分,而接收機性能也關系到雷達的正作。接收機根據(jù)其系統(tǒng)架構可以分成:超外差接收機、寬帶中頻接收機、零中頻接收機、數(shù)字中頻接收機等。接收機在朝著高集成度、低功耗、射頻前端的軟件化、數(shù)字化發(fā)展。
雷達接收機的射頻前端主要進行的是濾波、放大、頻率轉(zhuǎn)換等信號處理,而固有噪聲存在于整個接收機前端系統(tǒng),從而對接收的雷達信號產(chǎn)生影響,降低了輸入射頻信號的信噪比。而噪聲系數(shù)(NF)就是對這種影響的度量。所有接收機的靈敏度都受到熱噪聲的限制,而在雷達中,主要是來自接收機的熱噪聲(而不是外部噪聲源)。
噪聲系數(shù)
系統(tǒng)的噪聲系數(shù)決定了最小可檢測有用信號或者接收機的靈敏度。噪聲系數(shù)的線性描述-噪聲因子,是一個無單位的量,它是接收機所有的輸出噪聲(包括輸入信號引入的噪聲和接收器本身產(chǎn)生的噪聲)和僅有輸入噪聲產(chǎn)生的輸出噪聲之比。
式中,SNRin是接收機輸入信噪比,SNRout是接收機輸出信噪比。
級聯(lián)系統(tǒng)的噪聲系數(shù)可由如下公式表征。假設在一系列放大器鏈路中,第一級放大器的增益是G1、噪聲系數(shù)為F1,第二級放大器的的增益是G2、噪聲系數(shù)為F2,第三級放大器的增益是G3、噪聲系數(shù)為F3,以此類推,那么總的噪聲系數(shù)F如下式所示:
如果G1值很高,那么除了F1之外,其他項的貢獻都可以忽略不計,這是一個良好設計系統(tǒng)追求的目標。因此,系統(tǒng)噪聲系數(shù)很大程度上取決于接收機鏈路的第一級。
在大多數(shù)現(xiàn)代雷達系統(tǒng)中,采用基于砷化鎵(GaAs)或氮化鎵(GaN)的半導體低噪聲放大器(LNA)。這些部件徹底改變了雷達接收機的設計,使雷達接收機噪聲系數(shù)輕松提高1dB,這比以前的系統(tǒng)好10倍左右。
當然,做任何事情都是需要代價的,避免失真也是至關重要的,因此低噪聲放大器具有線性是至關重要的。一個非常高的增益器件(大的G1)往往缺乏線性度,因此,在線性度和噪聲系數(shù)之間進行權衡是接收機設計的一個重要方面。
在有源電子掃描陣列(AESA)雷達中,通常在陣列的每個發(fā)射/接收模塊中包含一個低噪聲放大器,這減少或消除了在后續(xù)接收機的輸入端接入低噪聲放大器的需求。任何給定的陣列都有許多低噪放,在典型的機載AESA雷達中可能有1000個或更多。
接收機靈敏度
接收機靈敏度是指接收機能夠輸出規(guī)定信噪比(S/N)的信號時,該接收機輸入端的最小可檢測信號功率Smin;靈敏度表示接收機接受微弱信號的能力,接收機的靈敏度取決于它的輸出信噪比(SNR)和內(nèi)部噪聲。
其中k為玻爾茲曼常數(shù),T為絕對溫度,室溫時取290K,B為噪聲通帶。靈敏度是一個功率電平,一般用dBm表示,通常是一個比較大的負dBm。
由上式可以看出系統(tǒng)所能接收的信號越微弱,則表示接收機的靈敏度越高。常溫下的接收機靈敏度由噪聲系數(shù)、匹配帶寬和所需信噪比決定。
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