自混频技术及其在电子对抗中的应用分析

摘 要：通过对目前电子战接收机需求分析，回顾晶体检波视频接收机和超外差接收机的部分优缺点，推荐一种自混频技术。最后讨论了几种形式的自混频接收机结构形式、信号特征及可能的应用方向。

关键词：自混频；接收机；应用

引言

接收机是电子战系统中的必要组成部分。其种类繁多、特性各异，因而用途也各不相同。作为接收机的一种，电子战接收机与其他接收机的基本要求是类似的，比如：动态、灵敏度、带宽等基本指标是不可或缺的；作为电子战应用的接收机却有着特别的需求，比如：频域、空域、时域需要宽开，必须能够满足截获概率的基本要求，因为电子战接收机是以假设不知道被测信号的频率、方位、时间为前提而设计的。

宽开式设计使得电子战接收机面临着严峻的挑战，带来诸多需求上的矛盾。譬如，宽开将使灵敏度下降，宽开将不利于高密度信号环境下的信噪比提高，宽开将带来器件供应上的难度等等。目前解决问题的方法就是在一个输入条件下并行使用多种体制的接收机，调和电子战应用条件下截获概率与灵敏度、精细度等威力指标的矛盾。就目前来说，信道化与数字接收机是普遍认同的先进体制电子战接收机，特别是两者的结合使得诸多矛盾得到缓解，但这两种接收技术代价较高，并且仍有许多使用上的不足，需要折衷[1][2]。这就为诸多优点并不特别突出的各种体制接收技术预留了生存空间，仍然有讨论的必要和应用上的需求。

自混频接收技术就是一种颇有特点的接收技术，与超外差接收、检波视频接收技术关联度较大，它兼有两种接收机的某些优点，值得研究。

1 原理简析

1.1 超外差与视频检波接收

晶体视频检波接收机是目前使用的最简单的一类接收机，基本组成是二极管检波器和视频放大器。这种接收机是一种从原理和实践上都简单易行的宽开式接收机，只有器件机理上的限制，带宽往往由系统的带通滤波器决定，以保证一定的灵敏度（见图1）。

图1 典型结构晶体视频接收机

检波器是一个幅度解调器。大信号条件下是线性检波，小信号条件下为平方律检波，对于大多数接收条件下的检波信号都能满足平方律检波条件。

Smax=-114dBm+NPA+10log10（Bc）+SNRRQD （1）

其中：Smax，具有最佳前置放大器增益的灵敏度（dBm）；NPA，前置放大器噪声系数（dB）；BC，为有效带宽（MHz），且它与接收带宽（Br）和视频带宽（BV）相关联；SNRRQD，检测所需信号噪比（dB）。

目前晶体视频接收机灵敏度的有效经验数据是-40～-45dBm；对于典型结构的晶体视频接收机采用自动处理输出，通过前置放大的最终灵敏度可以改善到-65～-70dBm的范围。这种灵敏度接收机比较适合截获速度要求高、威力距离较近，或者高密度信号环境下对功率信号的自然稀释情况，对于较高精度的应用场合显然不太适用。

超外差接收机则是目前多数高灵敏度接收机采用的常见形式，如图2所示。通过一次（以至二次或二次以上）混频、放大补偿、滤波，超外差接收机形式具有较高的频率选择能力，抗干扰性能极好。通过调节预选器和中频带宽，可以达到较高的接收灵敏度，也可以达到一定程度的瞬时频率覆盖。

对于宽带或超宽带应用，这个系统的窄带实现需要复杂的密集频综器，价格比较昂贵。超外差接收机一般用于窄带电子系统中，也可以附加在宽带系统中完成复杂、高精度的任务，如：信号参数分析、高灵敏度接收等等。

超外差接收机灵敏度核算公式与晶体视频接收机类似（参见公式1），在许多窄带应用中，它能够获得的灵敏度往往接近理论上的极限。

超外差接收机赖以获得高灵敏度的优势在于窄带变频、中放与滤波接收方式，这往往是以牺牲截收概率为代价的。在阵列接收系统中其价格往往非常可观，对于超宽带截获系统来说其实现方式显然很不经济。

1.2 自混频接收原理与特点分析

有鉴于晶体视频接收机截获概率高而灵敏度低，超外差接收机灵敏度高而截获能力低，再某些场合可以使用兼有两种接收机部分优点的接收技术，自混频技术就是这样一种。

图3 单通道自混频接收机示意框图

自混频方式基本实现原理如图3所示，对此作一个简要分析：

假设A点输入信号为Ae-j？棕t，LO1频率为？棕L1（fL1），LO2频率为？棕L2（fL2），通路上各节点的信号电压满足线性信号流程。

则B、C点信号分别为：Be-j？棕t+？渍2，Ce-j？棕t+？渍1，？渍1、？渍2为A、B路固有相移；

E、F点信号分别为：k2Be■，k1Ce■

IF（中频）输出信号为：kBCe■

从IF输出信号可以发现，输入信号频率形式被抵消，这意味着系统可能获得频率无关的截获特性。进一步分析，如果f1、f2固定，那么系统将在IF输出节点获得某个固定中频信号；如果f1=f2，那么系统将是一个检波器，进一步假设两路相位平衡，系统等价于一个晶体检波器；IF输出带宽由信号调幅带宽决定，假如输入是雷达信号，则IF信号带宽多数2MHz左右。

进一步分析双路混频带来的噪声系数损失，假如A点是等功率分配器，几个混频器工作在线性区，则信号损失只有3dB，也就是说双路混频带来的噪声系数损失只有3dB，系统将获得类似结构超外差接收机相当的灵敏度特性，即这个系统将是高灵敏度接收机。

综上所述，得出一个结论：自混频接收机将是一个频域宽截获、高灵敏度检波接收机，其动态将有可突破常规晶体检波接收机的水平，与外差接收机相当，动态范围提高两个数量级。

1.3 多通道形式

通过1.2节对单通道自混频接收机的分析，了解了自混频方式的基本特点，这对于工程应用来说仍然不足。本节进一步分析多通道特性。

多通道结构如图4所示，假设1～n为正常接收通道，r为参考接收通道。以1、2通道为例，结合上节的分析方法，假设：1、2、r通道输入信号分别为A1e■、A2e■、Are■，假设信号流程均满足线性要求，则通道1、2各个节点信号如下：

图4 多通道自混频接收机示意框图

第一混频输出：k1A1e■、k2A2e■、krAre■

第二混频输出（IF1、IF2）：kr1k1A1e■、kr2k2A2e■

进行进一步延伸使用，将IF1、IF2进行混频，则有输出：kA2A1e■；若LO1、LO2频率相等，则输出为kA2A1e■，当进行限幅输出时则可以理解为通道1、2之间的相位检波器，由于采用超外差方式，且带宽只受接收带通滤波、调制带宽限制，因而也具有高灵敏度特性。

2 应用探讨

通过上节的分析，自混频技术可以有单通道、多通道使用方式，其超宽带截获特性的关键在于频率信息对消，高灵敏度的特性获得需要超外差方式保证。单通道使用，它是可以成为一个幅度检波器，多通道使用可以成为一个具有某种对消性能的相位比较器，也就是干涉仪。本节就其可能的应用作一个分析和讨论。

传统的RWR和ESM截获与分析接收机大多基于晶体检波放大和超外差方式实现，对于大功率、峰值敏感条件下的应用都能获得足够的截获概率、分析精度[3][4][5]。但雷达借助新的信号形式和相应的处理方式，已经可以获得较高的信号处理增益，使得雷达可以打破与RWR、ESM系统之间多年来的一种相对平衡的状态，出现LPI（低截获概率）雷达与RWR、ESM的新较量。对于这类LPI雷达，截获灵敏度可能需要-80dBm甚至更高，才能满足实战需要。比如：第四代战机的雷达工作方式就往往是低峰值功率、单脉冲探测，低灵敏度的RWR、ESM很难截获脉冲或则保证足够分辨的脉冲数量，需要寻求高截获概率、高灵敏度、形式简洁的新型接收技术。

目前机载RWR系统典型的接收技术实现采用多通道晶体检波比幅测向和IFM组合完成，这种系统灵敏度较低，难以对付现代高威胁、LPI辐射源。将自混频技术应用于RWR系统，将能有效提高距离威力，其测向系统将因同等条件下信噪比提高而提高了精度。

在经典高精度电子干涉仪测向系统中，往往是窄带实现，在高速ESM系统中一般是被引导对象，原因在于干涉仪往往需要高信噪比才能实现高精度测向，复杂环境下宽频带高速截获处理能力会受到严重挑战。自混频技术与干涉仪的实现方式类似，将自混频技术应用于干涉仪测向阵列，则测向和IFM可以在相同带宽条件下同步完成，并且拥有较高的动态范围，这样将使支援侦察系统的基本构架产生变化，改变目前许多基于IFM引导机制的方式，从而可能引起支援侦察分析技术体制的新变化。

常见的信道化概念是在射频或中频段用一组带宽较窄的滤波器组来实现。自混频构架则可通过合理安排每个自混频对的LO间隔和中心频率来接收不同的窄带RF频段信号，这些窄带接收通道在中频可以使用同一个中心频率的滤波器，从而形成一个新的信道化构架。

自混频接收机本身就是一个对消结构，当一些可以预计存在的干扰信号无法消除时，可以将这种构架应用于连续波干扰[6]对消、镜像信号消除[7]等，以便提高系统的环境适应能力。

3 结束语

正如干涉仪技术一样，自混频技术的启发来自于光学干涉测量，自混频技术在光电检测领域应用较多[8]，从这个意义上说干涉仪测向、IFM接收机均是某种意义上的自混频接收机。自混频技术引入电子接收机拓宽了系统的截获频带，其本质可以理解为一种检波技术，但妥善利用它能够进行幅度检波，也能够保留相位信息，比如方位～相位检测器。

自混频技术能够保证理论上的频率无关特性，也就是具备超宽带潜力，原因在于自混频的频率对消原理。与电子侦察技术应用中的其他体制接收机一样仍然是得失对比显著，失去频率这一重要信息将需要其他手段来弥补，显然它不是万能的。另外，工程应用告诉我们，过分追求超宽带会带来很多不必要的干扰，超宽带、高灵敏度接收机在现代高密度信号环境条件下将会造成后处理的负担而增加虚警。

如何有效的利用好自混频这种体制接收技术需要进一步在实践中探索。

参考文献

[1]胡来招.雷达侦察接收机设计[M].国防工业出版社，2000（1）.

[2]王燕.电子战接收机[J].国际电子战，2008.

[3]徐绍兴.一种新的雷达告警设备（RWR）[J].电子对抗枝术，1997（4）.

[4]束坤，盛九朝.ESM系统与低截获概率雷达之争[J].舰船电子对抗，2005（6）.

[5]Stephen E. Linpsky，Microwave Passive Direction Finding，John Wiley & Sons，Inc.，1987.

[6]Sullivan， William B，Multipath blanking in shipboard IFM receivers ，Microwave Journal，Sep 1997.

[7]晋军.零拍接收机[M].解放军理工大学学报，2000（8）.

[8]Silvano Donati， Michele Norgia，and Guido Giuliani ，Self-mixing differential vibrometer based on electronic channel subtraction，APPLIED OPTICS_Vol.45，No.28_10ctober2006.