线性调频雷达的增益控制

摘要：雷达作为大气科学领域中极具代表性的观测仪器，应用相当广泛，因此提高雷达的观测能力有着极为重要的意义。本设计针对雷达接收系统中的滤波部分，主要针对现实应用中可能遇到的噪声进行处理。以巴特沃斯滤波器为基本结构设计了一款高通滤波器，通过计算机软件的仿真结果分析，证实了此设计在设定的截止频率上的工作表现达到预期。

关键词：巴特沃斯；高通滤波器；集成运放；信号增益

1 前言

1.1 研究背景和意义

自上世纪 60 年代以来，雷达技术已经存在并投入使用。随着科学技术的进步，雷达的种类越来越多，投入使用的行业也随之增长[4]。线性调频雷达作为一种使用调频和脉冲压缩的雷达，能够把调频和脉冲雷达的能力相结合。不同于传统的脉冲雷达的是，线性调频雷达的探测距离更远、距离分辨率更好、同等性能下峰值功率更低、抗噪性能表现更突出、能够在减少电源电压的情况下使用抗干扰性更强的雷达架构。线性调频信号还有一个优点，能够在不减少脉宽的前提下提高雷达分辨率。这恰好弥补了微波雷达的不足，正因如此，该雷达得以在社会发展的许多方面广泛使用。

本文将以雷达的滤波元件作为研究对象，基于巴特沃斯滤波器的原理结构，设计了一种截止频率为 20MHz 的高通滤波器，利用计算机绘制出了电子元器件的结构图，并对其进行仿真模拟。

2 电路设计原理与验证手段

2.1 电路设计前的考量

巴特沃斯滤波器（Butterworth filter）是一种理想状态下通频带的频率响应曲线平坦无纹波的信号处理滤波器，其特点是频率响应在广播频段内最顺滑，没有震颤，在屏蔽频段内间歇性跌落到零。考虑到大气科学领域的观测目标主要是温压湿风等气象要素、降雨降雪等天气现象和云层信息，所用的雷达多为毫米波段雷达，接收信号以高频信号为主，因此本文选择以此为模型设计一个高通滤波器。为了方便后续处理，这里选择将一个放大电路串联接入滤波器。

2.2 二级同相比例运算放大电路

本设计采用的放大电路是二级同相比例运算放大电路，总结同相比例电路的特征主要有以下几点：

1）同相比例电路中凭借着电压负反馈，输出电阻近似为零，带负载能力优秀。

2）负反馈因为是串联接入电路，所以输入电阻值非常大。

3）共模输入电压为 vi ，对运算的共模抑制比要求较高。

运用叠加原理，第二级电路中存在以下数学关系：

图 1  二阶同相放大电路

综上可知，若是要提高电路的放大倍数，就需要将电阻Rf的值增大，而大电阻在制造上存在比较严重的精度问题，并且市面上也难以购买。因此，设计直接放大一百倍的电路既难保证制作的精度，又会有一个很高的

成本。但运用叠加原理，将两个同比例运算放大电路串联，就可以实现通过使用一个能够保证元器件精度的电阻值较小的电阻Rf ，而实现高倍放大的效果。这一方式既节约了成本，又提高了整个电路的可靠性。

根据此原理，将两个结构一致的一级放大电路组合，搭建出了图 2 所示的二级同相比例运算放大电路，图中R13和R23 的电阻值均未超过 1000Ω,

 。

图 2  设计的放大电路原理图

2.3 滤波器设计

这里采用的的压控电压源滤波器的基本构造如图 3 所示，输出电压在上端通过连接 R2 接入反相输入端，引入的是负反馈，下端通过连接电阻 R和电容 C2 接入了同相输入端，引入的是正反馈。

图 3  二阶压控电源电路原理图

据此原理设计出的压控电压源二阶高通滤波器如图 4，该滤波器设计的截止频率为 20MHz，当处于截止频率时，电路的放大倍数为理想状态应该是 40dB。

图 4  设计的二阶压控电压源高通滤波器电路原理图