精品课程：雷达探测与对抗-雷达接收机
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什么是超外差：
超外差接收机是利用本地产生的振荡波与输入信号混频，将输入信号频率变换为某个预先确定的频率的方法。
超外差原理如图。本地振荡器产生频率为 的等幅正弦信号f1，输入信号是一中心频率为fc 的已调制频带有限信号 。这两个信号在混频器中变频，输出为差频分量，fc称为中频信号，fc 为中频频率。图 表示输入为调幅信号的频谱和波形图。输出的中频信号除中心频率由变换到fi外，其频谱结构与输入信号相同。因此，中频信号保留了输入信号的全部有用信息。超外差原理的典型应用是超外差接收机。从天线接收的信号经高频放大器放大，与本地振荡器产生的信号一起加入混频器变频，得到中频信号，再经中频放大、检波和低频放大，然后送给用户。接收机的工作频率范围往往很宽，在接收不同频率的输入信号时，可以用改变本地振荡频率 的方法使混频后的中频 保持为固定的数值。
混频器是输出信号频率等于两输入信号频率之和、差或为两者其他组合的电路。混频器通常由非线性元件和选频回路构成。混频器位于低噪声放大器 (LNA )之后 , 直接处理 LNA 放大后的射频信号。为实现混频功能, 混频器还需要接收来自压控振荡器的本振 (LO)信号 ,其电路完全工作在射频频段。
混频器将天线上接收到的射频信号与本振产生的信号相乘，cosαcosβ=[cos(α+β)+cos(α-β)]/2
混频电路的输入是载频为fc的高频已经调制信号us和频率为fL的本地正弦波信号（本振信号）ul，输出是中频为fI的已调波信号uI，通常取fI=fL-fc。经过混频后，信号的中频频率凶fc平移到中心频率fI附近，频谱的宽度不变，包络信号的形成不变。
可以这样理解，α为射频信号频率量，β为本振频率量，产生和差频。当混频的频率等于中频时，这个信号可以通过中频放大器，被放大后，进行峰值检波。检波后的信号被视频放大器进行放大，然后显示出来。由于本振电路的振荡频率随着时间变化，因此频谱分析仪在不同的时间接收的频率是不同的。
当本振振荡器的频率随着时间进行扫描时，屏幕上就显示出了被测信号在不同频率上的幅度，将不同频率上信号的幅度记录下来，就得到了被测信号的频谱。
从频谱观点看，混频的作用就是将已调波的频谱不失真地从fc搬移到中频的位置上，因此，混频电路是一种典型的频谱搬移电路，可以用相乘器和带通滤波器来实现这种搬移。
混频过程中会产生很多的组合频率分量 : p f L ±qf S 。一般来讲 ,其中满足需要的仅仅是 f I =f L -f S 或者是f I =f S -f L 。前者产生中频的方式称为高差式混频 , 后者称为低差式混频 。在这里 ,混频过程中产生的一系列组合频率分量经过带通滤波器即可以选择输出相应的中频 ,而其他的频率分量会得到抑制
一个给定的射频信号，具有理想本振的理想混频器只产生两个信号输出，一个是射频与本振只和，一个是射频与本振只差，通过滤波器选取所希望的信号，选取IF频率比RF频率低，称之为下变频，反之为上变频。
镜像频率干扰是超外差式接收机特有的现象，假设信号频率为fs，振荡频率为flo，中频为fif=flo-fs。如果在比fs高二个中频出有一个有一个信号频率fm，它是以flo为镜子，站在fs出看到的镜像，所以称像频。
这个信号和本振信号通过混频，都得到中频的分类，然后进入中频处理，产生了混叠。这种干扰叫做镜像干扰。
如何消除镜像干扰：上变频的方式，采用高中频，像频率出现在fm=fs+2fif出，镜像频率会相对比较高
实际混频器的频谱图，从图中可以看出，混频器输出大量附近的，不希望的成分，包括混频器RF和LO的基波、谐波以及基波和谐波的和差分量，这些成分会危害射频系统，比如产生杂散，造成噪声恶化等等。
镜像频率：RF与LO会产生镜像频率=2LO-RF，镜像频率也会对射频系统产生干扰
镜像频率干扰是超外差接收机特有的现象，设信号频率为fs，振荡频率为fc，中频fid=fc－fs, 在比fs高二个fid处就有一个频率fm,，它象是以fc为镜子，站在fs处看到的镜像，所以称像频。镜像干扰是超外差式接收机特有的干扰，对付它只能通过提高一中频频率（或采用上变频方式）或提高高放电路Q值去**，而不能通过中放以后的电路减少或消除。
普通调幅收音机的本机振荡频率-接收频率=465KHz
只要满足“本机振荡频率-接收频率=465KHz”这个条件，收音机就能收到这个电台。但是，由于变频器的性质所决定，如果满足了“接收频率-本机振荡频率=465KHz”这个条件，收音机也能收到这个电台。
比如，一个收音机正在收听频率为548KHz的电台，此时收音机的振荡频率为548+465=1013KHz,如果在1478KHz的频率上也有一个电台正在工作，那么，因为1478-1013=465，所以，此时这个收音机可以同时收听到这两个电台的播音，只是548KHz的声音大，1478KHz的声音小，1478KHz就作为一个干扰出现了，这个干扰就是收音机的镜像干扰。
镜像干扰是超外差式接收机特有的干扰，对付它只能通过提高一中频频率（或采用上变频方式）或提高高放电路Q值去**，而不能通过中放以后的电路减少或消除 。
什么叫二次变频:
所谓二次变频就是先将电台信号变频到第一中频（如9702的10.7MHz），再将该第一中频通过第二次变频变换到通常的455kHz即第二中频。镜频抑制能力和变频的级数以及第一中频频率有着很复杂的数学关系，增加变频级数和使用较高的第一中频频率都有利于提高镜频抑制。
其实仅从原理上看也能有所了解，同样以15480kHz为例，第一中频为10.7MHz，那么本振频率为26180 kHz，镜频为36880 kHz，与15480kHz
相差十万八千里（相对于一次外差大了很多），即使是4波段的短波II接收范围在7～22 MHz的最高段也还差14 MHz，应该是都被抑制了。
由于提高了镜频抑制，就可以放心的使用各种提高灵敏度的手段。有些专业的接收机甚至有4次变频。变频级数的增加会大大提高成本，而所得到的性能提高并不成正比的，就象HiFi一样，为了最后一点音质的提高，几乎要花费以前的所有投入，因此二次变频使用最多。
最初的接收机属于直放式接收机，它的特点是，从天线上接收到的高频信号，在检波以前，一直不改变它原来的高频频率（即高频信号直接放大）。它的缺点是，在接收频段的高端和低段的放大不一样，整个波段的灵敏度不均匀。如果是多波段收音机，这个矛盾更突出。其次，如果要提高灵敏度，必须增加高频放大的级数，由此带来各级之间的统一调谐的困难，而且高频放大器增益做不高，容易产生自激。
如果能够把接收机接收到的高频信号，都变换成固定的中频信号进行放大检波。由于中频频率比变换前的信号频率低，而且频率固定不变，所以任何电台的信号都能得到相等的放大量，同时总的放大量也可以较高。从而克服了上述矛盾。
典型的超外差式接收机的框图可见，振荡器产生一个始终比接收信号高一个中频频率的振荡信号，在混频器内利用晶体管的非线性将振荡信号与接收信号相减产生一个新的频率即中频，这就是“外差”。
雷达接收机的任务是通过预选、放大、变频、滤波、解调和数字化处理等方法，从雷达天线接收到的各种外来干扰、杂波和接收机内部噪声中提取、放大微弱的有用目标回波信号，以满足信号处理和数据处理的需要。
超外差式雷达接收机的简化方框图如图所示。它的主要组成部分是:
(1) 高频部分, 又称为接收机“前端”, 包括接收机保护器、低噪声高频放大器、混频器和本机振荡器;
(2) 中频放大器, 包括匹配滤波器;
(3) 检波器和视频放大器。
从天线接收的高频回波通过收发开关加至接收机保护器, 一般是经过低噪声高频放大器后再送到混频器。在混频器中, 高频回波脉冲信号与本机振荡器的等幅高频电压混频, 将信号频率降为中频(IF),
再由多级中频放大器对中频脉冲信号进行放大和匹配滤波, 以获得最大的输出信噪比, 最后经过检波器和视频放大后送至终端处理设备。
更为通用的超外差式雷达接收机的组成方框图如图所示。它适用于收、发公用天线的各种脉冲雷达系统。实际的雷达接收机可以不(而且通常也不)包括图中所示的全部部件 。
灵敏度时间增益控制(STC-Sensitivity Tim Control)使接收机的增益在发射机发射之后, 按R-4规律随时间而增加, 以避免近距离的强回波使接收机过载饱和。灵敏度时间控制又称为近程增益控制, 可以加到高频放大器和前置中频放大器中。自动增益控制(AGC-Automatic Gain Control)是一种反馈技术, 用来自动调整接收机的增益, 以便在雷达系统跟踪环路中保持适当的增益范围。
对于非相参雷达接收机, 通常需要采用自动频率微调(AFC)电路, 把本机振荡器调谐到比发射频率高或低一个中频的频率。而在相干接收机中, 稳定本机振荡器(STALO)的输出是由用来产生发射信号的相干源(频率合成器)提供的。
输入的高频信号与稳定本机振荡信号或本机振荡器输出相混频, 将信号频率降为中频。信号经过多级中频放大和匹配滤波后, 可以对其采用几种处理方法。对于非相干检测, 通常采用线性放大器和包络检波器来为检测电路和显示设备提供信息。当要求宽的瞬时动态范围时, 可以采用对数放大器—检波器, 对数放大器能提供大于80 dB的有效动态范围。
对于相干处理, 中频放大和中频滤波之后有二种处理方法, 见图。第一种方法是经过线性放大器后进行同步检波, 同步检波器输出的同相(I)和正交(Q)的基带多卜勒信号提供了回波的振幅信息和相位信息。第二种方法是经过硬限幅放大(幅度恒定)后进行相位检波, 此时正交相位检波器只能保留回波信号的相位信息。
为什么要进行增益控制？简单而言，就是在追求更大的接收机动态范围的同时，防止强信号引起的接收机过载。增益控制有两类，一类是自动增益控制，一类是灵敏度时间控制，
在跟踪雷达中, 为了保证对目标的自动方向跟踪, 要求接收机输出的角误差信号强度只与目标偏离天线轴线的夹角(称为“误差角”)有关, 而与目标距离的远近、目标反射面积的大小等因素无关。为了得到这种归一化的角误差信号,使天线正确地跟踪运动目标, 必须采用自动增益控制(AGC)。是使放大电路的增益自动地随信号强度而调整的自动控制方法，可以对放大器增益进行自动调节，在实际中可实现自动测角。它核心的工作原理是使接收机的增益随着时间（或者对应的距离）增加而增加。
图示出了一种简单的AGC电路方框图, 它由一级峰值检波器和低通滤波器组成。接收机输出的视频脉冲信号, 经过峰值检波, 再由低通滤波器除去高频成分之后, 就得到自动增益控制电压UAGC, 将它加到被控的中频放大器中去, 就完成了增益的自动控制作用。当输入信号增大时, 视频放大器输出uo随之增大, 引起控制电压UAGC增加, 从而使受控中频放大器的增益降低；当输入信号减小时, 情况正好相反, 即中频放大器的增益将要增大。因此自动增益控制电路是一个负反馈系统。
对于一个由远而近飞行的目标而言，接收机的输出信号能保持稳定。
灵敏度时间控制主要的目的是为了扩展接收机的动态范围，防止近程的杂波使接收机过载。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距离R减小（R↓）而降低接收机灵敏度（Simin↑）的技术。
使接收机不受近距离的杂波干扰而过载饱和。在远距离时使接收机保持原来的增益和灵敏度，以保证正常发现和检测小目标回波信号。
最核心的原理是：每当发射机发射信号之后，接收机产生一个与干扰功率随时间变化规律相匹配的控制电压，控制接收机的增益按比规律变化。
杂波干扰(如海浪杂波和地物杂波干扰等)主要出现在近距离, 干扰功率随着距离的增加而相对平滑地减小, 如图所示。如果把发射信号时刻作为距离的起点, 则横轴实际上也就是时间轴。
根据试验, 海浪杂波干扰功率Pim随距离R的变化规律为
式中，K为比例常数, 它与雷达的发射功率等因素有关; a为由试验条件所确定的系数, 它与天线波瓣形状等有关, 一般a=2.7~4.7。
近程增益控制的基本原理是: 当发射机每次发射信号之后, 接收机产生一个与干扰功率随时间的变化规律相“匹配”的控制电压UC, 如图所示, 控制接收机的增益按此规律变化。所以近程增益控制电路实际上是一个使接收机灵敏度随时间而变化的控制电路, 它可以使接收机不致受近距离的杂波干扰而过载。
灵敏度表示接收机接收微弱信号的能力。能接收的信号越微弱, 则接收机的灵敏度越高, 因而雷达的作用距离就越远。
雷达接收机的灵敏度通常用最小可检测信号功率Si min来表示。当接收机的输入信号功率达到Si min时, 接收机就能正常接收而在输出端检测出这一信号。
噪声系数F的定义是：接收机输入端的信号噪声功率比与输出端信号噪声功率之比。
如果信号功率低于此值, 信号将被淹没在噪声干扰之中, 不能被可靠地检测出来, 如图所示。由于雷达接收机的灵敏度受噪声电平的限制, 因此要想提高它的灵敏度, 就必须尽力减小噪声电平, 同时还应使接收机有足够的增益。
超外差式雷达接收机的灵敏度一般约为(10-12-10-14)W, 保证这个灵敏度所需增益约为106-108(120 dB-160 dB), 这一增益主要由中频放大器来完成。
水平和垂直坐标分别代表目标的范围和回波幅度。
接收机的工作频带宽度表示接收机的瞬时工作频率范围。在复杂的电子对抗和干扰环境中, 要求雷达发射机和接收机具有较宽的工作带宽, 例如频率捷变雷达要求接收机的工作频带宽度为(10~20)%。接收机的工作频带宽度主要决定于高频部件(馈线系统、高频放大器和本机振荡器)的性能。接收机的工作频带较宽时, 必须选择较高的中频, 以减少混频器输出的寄生响应对接收机性能的影响。
接收机中频的选择和滤波特性是接收机的重要质量指标之一。中频的选择与发射波形的特性、 接收机的工作带宽以及所能提供的高频部件和中频部件的性能有关。在现代雷达接收机中, 中频的选择可以从30 MHz到4GHz之间。当需要在中频增加某些信号处理部件, 如脉冲压缩滤波器, 对数放大器和限幅器等时, 从技术实现来说, 中频选择在30MHz至500MHz更为合适。对于宽频带工作的接收机, 应选择较高的中频, 以便使虚假的寄生响应减至最小。
减小接收机噪声的关键参数是中频的滤波特性, 如果中频滤波特性的带宽大于回波信号带宽, 则过多的噪声进入接收机。反之, 如果所选择的带宽比信号带宽窄, 信号能量将会损失。这两种情况都会使接收机输出的信噪比减小。在白噪声(即接收机热噪声)背景下, 接收机的频率特性为“匹配滤波器”时, 输出的信号噪声比最大。
动态范围表示接收机能够正常工作所容许的输入信号强度变化的范围。最小输入信号强度通常取为最小可检测信号功率Si min, 允许最大的输入信号强度则根据正常工作的要求而定。当输入信号太强时, 接收机将发生饱和而失去放大作用, 这种现象称为过载。使接收机开始出现过载时的输入功率与最小可检测功率之比, 叫做动态范围。为了保证对强弱信号均能正常接收, 要求动态范围大, 就需要采取一定措施, 例如采用对数放大器、 各种增益控制电路等抗干扰措施。
一般来说, 工作稳定性是指当环境条件(例如温度、 湿度、 机械振动等)和电源电压发生变化时, 接收机的性能参数(振幅特性、 频率特性和相位特性等)受到影响的程度, 希望影响越小越好。
大多数现代雷达系统需要对一串回波进行相参处理, 对本机振荡器的短期频率稳定度有极高的要求(高达10-10或者更高), 因此，必须采用频率稳定度和相位稳定度极高的本机振荡器, 即简称的“稳定本振”。
在现代电子战和复杂的电磁干扰环境中, 抗有源干扰和无源干扰是雷达系统的重要任务之一。有源干扰为敌方施放的各种杂波干扰和邻近雷达的异步脉冲干扰, 无源干扰主要是指从海浪、雨雪、地物等反射的杂波干扰和敌机施放的箔片干扰。这些干扰严重影响对目标的正常检测, 甚至使整个雷达系统无法工作。现代雷达接收机必须具有各种抗干扰电路。当雷达系统用频率捷变方法抗干扰时, 接收机的本振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器有高的处理精度。
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