第3章：天线系统与射频前端
各位同学，咱们今天聊聊雷达告警接收机最前端的两个关键部分——天线和射频前端。说实话，这部分做不好，后面数字处理再牛也白搭。我当年刚入行时，就吃过天线匹配的亏，后面慢慢跟大家细说。
3.1 天线类型：选对天线，事半功倍
天线这东西，说白了就是电磁波和电路之间的转换器。在雷达告警接收机里，我们常用的天线主要有三种：螺旋天线、喇叭天线和贴片天线。每种都有自己的脾气。
3.1.1 螺旋天线
螺旋天线，你想想看，就是一根导线绕成螺旋状。它最大的特点是圆极化，这对接收各种极化方式的来波特别友好。我做过一个项目，对方发射的信号极化方式不确定，用螺旋天线一把就抓住了。
- 优点：宽频带、圆极化、结构简单
- 缺点：增益一般、尺寸偏大
- 典型应用：2-18GHz频段的告警接收机
3.1.2 喇叭天线
喇叭天线，长得就像个喇叭。增益高、方向性好，适合做定向接收。我记得在测试一个高灵敏度接收机时，用的就是标准增益喇叭做参考天线。
- 优点：增益高、驻波比好、功率容量大
- 缺点：体积大、重量重
- 典型应用：地面站、测试系统
3.1.3 贴片天线
贴片天线，现在最火的一种。微带结构，可以印在PCB上。体积小、重量轻、容易共形。我最近做的几个小型化项目，全用的贴片天线。
- 优点：低剖面、易集成、成本低
- 缺点：带宽窄、增益有限
- 典型应用：机载、弹载、手持设备
3.2 天线方向图与增益
天线方向图，就是天线在空间各个方向上的辐射能力分布。增益呢，就是天线把能量集中到某个方向的能力。这两个参数，直接决定了你的接收机能看多远、能看多宽。
我习惯用半功率波束宽度（HPBW）来衡量方向图的尖锐程度。HPBW越小，增益越高，但覆盖范围也越小。在告警接收机里，我们经常需要权衡：
| 应用场景 | HPBW要求 | 增益要求 |
|---|---|---|
| 全向告警 | 360° | 0-3 dBi |
| 定向告警 | 30-60° | 10-15 dBi |
| 精确测向 | 10-20° | 15-20 dBi |
为什么会这样？你想想看，全向天线能听到各个方向的信号，但每个方向都弱；定向天线只能听一个方向，但听得远。这就是天线设计中的基本矛盾。
3.3 射频前端组成
射频前端，就是天线后面那一堆电路。它的任务是把微弱的射频信号，变成中频信号，送给后面的数字处理部分。典型的射频前端包括：
3.3.1 低噪声放大器（LNA）
LNA是射频前端的第一级放大器。它的噪声系数直接决定了整个接收机的灵敏度。我选LNA时，最看重的就是噪声系数和增益的平衡。
- 噪声系数：一般要求小于2 dB
- 增益：15-25 dB
- P1dB：至少-10 dBm以上
关键点：LNA的输入匹配一定要做好。我曾经遇到过一个案例，LNA的输入驻波比到了2.5，结果噪声系数直接恶化了0.8 dB。后来加了隔离器才解决。
3.3.2 滤波器
滤波器的作用是选频，把有用的信号留下，没用的滤掉。在告警接收机里，我们常用带通滤波器。
我个人习惯用腔体滤波器，插损小、选择性好。但体积大。如果空间受限，就用微带滤波器或者LTCC滤波器。
3.3.3 混频器
混频器把射频信号下变频到中频。这里有个关键——本振泄漏。我记得有一次调试，中频输出里总有个大信号，查了半天，原来是混频器的本振泄漏到射频端口，又被LNA放大回来了。
3.4 射频前端关键指标
评价一个射频前端好不好，主要看三个指标：噪声系数、动态范围和镜像抑制。
3.4.1 噪声系数
噪声系数（NF）表示信号经过射频前端后，信噪比恶化了多少。NF越小越好。整个前端的噪声系数可以用级联公式计算：
NF_total = NF1 + (NF2-1)/G1 + (NF3-1)/(G1*G2) + ...从这个公式可以看出，第一级LNA的噪声系数和增益最重要。所以，我选LNA时，宁可增益低一点，也要噪声系数小。
3.4.2 动态范围
动态范围，就是接收机能同时处理的最小信号和最大信号的范围。告警接收机经常要面对强信号和弱信号同时存在的情况。
我一般用无杂散动态范围（SFDR）来衡量。SFDR受限于三阶交调点（IP3）。IP3越高，动态范围越大。
3.4.3 镜像抑制
镜像频率，就是本振频率减去中频频率的那个频率点。如果镜像抑制不好，镜像频率的信号会混进来，造成虚假告警。
提高镜像抑制的方法主要有两种：
- 镜像抑制滤波器：在混频器前加一个带通滤波器，把镜像频率滤掉。简单有效，但滤波器体积大。
- 镜像抑制混频器：用正交混频器，通过相位关系抵消镜像信号。体积小，但设计复杂。
我个人更倾向于第一种方法，稳定可靠。第二种方法对相位和幅度平衡要求太高，稍微有点偏差，镜像抑制就变差了。
好了，天线系统和射频前端的内容就讲到这里。下一章我们聊聊中频处理和检波电路，那是把信号变成可用的数字信息的关键一步。