机载雷达接收机的基本原理

在现代雷达中，简单的雷达系统模块划分界面变得越来越模糊。比如，越来越多的接收机前端被集成到相控阵天线中；另一方面，以前由处理单元独有的数字处理越来越多地被并入接收机单元。

本文描述的接收机大多数是经典意义上的接收机，但对新的接收机设计方法也进行了介绍。

雷达接收机有两种基本类型，即脉冲接收机和连续波接收机。几乎所有的机载雷达接收机都是脉冲体制的，雷达信号的发射和接收是分时复用同一个天线。

接收机的设计要求多种多样，但有两个要素是必不可少的：灵敏度(探测小信号的能力，通常受到热噪声的限制)；选择性(滤除不需要的信号的能力，通常是通过频率滤波)。

基本原理

机载雷达接收到的回波非常小，通常只有10-15W左右，远低于热噪声水平。雷达接收机的工作就是放大这些微小信号，并从背景噪声和杂波中把它们分离出来，这也是现代雷达使用大量数字信号处理去完成的任务。

本文主要讨论接收机从射频信号到数字化输出的模拟部分，但也包括了一些数字滤波器，这是现代设计的重要组成部分。

除了放大、滤波和数字化的基本任务外，接收器还须避免信号的任何干扰或失真，因为这可能导致灵敏度降低或错误的检测。

低噪声放大器

所有接收机的灵敏度都受到热噪声的限制，而在雷达中，主要是来自接收机的热噪声(而不是外部噪声源，如太阳)。雷达接收机的第一部分是低噪声放大器(LNA)，它的设计目的是使接收机的灵敏度达到最高水平，它是通常通过某种形式的双工设备连接到雷达天线的。

低噪放是决定接收机基础灵敏度的关键因素，通常使用噪声系数来进行表征。

在大多数现代雷达系统中，采用基于砷化镓(GaAs)或氮化镓(GaN)的半导体低噪声放大器(LNA)。这些部件彻底改变了雷达接收机的设计，使雷达接收机噪声系数轻松提高1dB，这比以前的系统好10倍左右。

当然，做任何事情都是需要代价的，避免失真也是至关重要的，因此低噪声放大器具有线性是至关重要的。一个非常高的增益器件往往缺乏线性度，因此，在线性度和噪声系数之间进行权衡是接收机设计的一个重要方面。

在有源电子扫描阵列(AESA)雷达中，通常在阵列的每个发射/接收模块中包含一个低噪声放大器，这减少或消除了在后续接收机的输入端接入低噪声放大器的需求。

任何给定的阵列都有许多低噪放(在典型的机载AESA雷达中可能有1000个或更多)。在单个单元上的低噪声放大器(给定足够的增益)将决定整个系统的噪声系数，与常规接收机完全相同。

滤波器

滤波在接收机设计的许多方面都是至关重要的，其中最基本的是确保接收到的信号损失最小，同时使接收机输出端的噪声最小化。滤波在下变频器和数字化器的设计中也起着至关重要的作用。

匹配滤波器。与电子战接收机的设计者不同，雷达接收机设计者有一个很大的优势，就是他们知道到底发射了什么信号。因此，与未知信号相比，检测回波要容易得多。这里的关键概念是匹配滤波器，它的设计是为了匹配发送的信号，并在接收机输出端最大限度地提高信噪比。

匹配滤波器接收机的本质是将已知信号（即发射信号）与未知信号（接收信号）关联起来，以从未知信号中检测出已知信号。

匹配滤波可以不考虑发射信号的特性：它可以是一个简单的脉冲、调频、二进制码序列或任何其他已知的信号形式。

一个理想的雷达接收机需要在前端采用这种滤波器，这能确保只有期望的信号进入雷达接收机，并将最大限度地提高灵敏度。