陣列系統中多端口網絡噪聲系數測試分析

郭文剛,郗洪杰

(中國電子科技集團公司第五十四研究所,河北石家莊050081)

0 引言

現代陣列系統中波束合成一般都會用到多端口網絡,而對其噪聲系數的測試就成為系統設計必須要考慮的一個關鍵問題。文獻[1,2]給出了幾種基于Y因子法的多端口網絡的測試方法,但是其推導過程復雜,工程實現困難。因此簡單準確的對陣列系統中多端口網絡的噪聲系數進行測試有著重要的工程意義。

1 等效模型

陣列系統的波束合成一般都會用多端口的合路器來實現。同時為了對天線接收的信號進行濾波放大,在合路器的各輸入端口前會接一有源的濾波放大雙端口網絡,整個網絡如圖1所示。

設合路器有n個輸入端口和1個輸出端口,其損耗為L。第m個有源雙端口網絡等效噪聲溫度和增益為Tem、Gm,系統的帶寬為B。

為了正確分析此多端口網絡的噪聲特性,將合路器等效成圖2虛線框內的模型。每條支路由有耗和無耗2個二端口網絡組成,其損耗分別為L,1/n。n條支路后接一理想加法器輸出。陣列系統中的多端口網絡模型如圖2所示。

圖1 多端口網絡示意圖

圖2 多端口網絡模型

2 噪聲系數測試分析

2.1 n-1個輸入端接負載且n個有源網絡工作

對于圖2所示的多端口網絡,將n-1個輸入端口接匹配負載,只留第m個輸入端口作為輸入,此時多端口網絡就變成雙端口網絡。令n個有源雙端口網絡全部工作。

設輸入信號為Si,則輸出信號功率為So=SiGm/(nL)。計算噪聲功率時設輸入端口接一溫度為T0的匹配噪聲電阻,即網絡輸入噪聲功率為Ni=kT0B。第m條支路在加法器輸入端的噪聲功率由3部分構成:

①輸入端口的匹配負載產生并到達加法器輸入端的噪聲功率為:

②由有源雙端口網絡產生到達加法器的噪聲功率為:

③由合路器支路的有功損耗L產生的噪聲功率為:

則第m條支路在加法器輸入端的噪聲功率為Nom=Nom1+Nom2+Nom3。由于各支路噪聲是無關的,加法器輸出總噪聲功率為各支路噪聲功率的直接相加[3],

噪聲系數為:

若有源雙端口網絡增益和等效噪聲溫度均相等,即Gm=G1,Tem=Te1,式(5)可簡化為:

這大概是服務性質工作的悲哀吧，在自己的工作并無錯漏的情況下，常常接受各種無理質疑；被人發泄情緒，自己的情緒卻無處發泄。

中括號中即為圖2所示多端口網絡的噪聲系數[4],其中NF1為有源雙端口網絡噪聲系數。當G1＞＞L時,NF≈NF1,即當有源雙端口網絡的增益遠大于合路器損耗時,待測多端口網絡和有源雙端口網絡的噪聲系數近似相等。

2.2 n-1個輸入端接負載且只有1個有源網絡工作

同樣是將n-1個輸入端口接匹配負載,只留第m個輸入端口作為輸入端,不同的是只有第m個有源雙端口網絡工作,其余均不工作。此時輸入輸出的信號功率不變,但輸出噪聲功率中由n-1個有源雙端口網絡貢獻的噪聲功率應減去:

噪聲系數為:

若有源雙端口網絡增益和等效噪聲溫度均相等,即Gm=G1,Tem=Te1,式(8)可簡化為:

應當注意的是:當G1＞＞nL時,以上2種測試方法的測試結果基本相同,都有NF≈NF1。當以上條件不成立時,第2種方法的測試結果需要通過換算才能得到真實的噪聲系數。

2.3 待測網絡前接—n分路器的噪聲測試

在待測多端口網絡前接一n分路器,設其損耗為L′,測試框圖如圖3所示。

圖3 接n分路器的多端口網絡測試框圖

設輸入信號為Si,到達分路器第m個輸出口的信號功率為Sim=Si/(nL′)。第m條支路到達加法器輸入口的信號功率為:

對于確知信號,加法器的輸出為各支路信號功率轉化成電壓疊加后再計算總功率,則加法器輸出信號功率為:

設分路器輸入口接一溫度為T0的匹配噪聲電阻,則網絡輸入噪聲功率為Ni=kT0B。計算總輸出噪聲功率時,可將噪聲分成2個部分計算:第1部分為相關噪聲,即由匹配噪聲電阻產生的噪聲功率,它通過整個網絡的效果與信號相同。由它在合路器輸出端產生的噪聲功率為:

另一部分為無關噪聲,其主要有3個來源:第1個來源為分路器各支路有功損耗L′產生的噪聲,

第2個來源為有源雙端口網絡在其輸入端等效的噪聲功率,

第3個來源為合路器各支路有功損耗L產生的噪聲,

加法器第m個輸入端的無關噪聲功率為:

對于各支路無關的噪聲功率,加法器的輸出為各支路噪聲功率直接相加,即

網絡的總輸出噪聲功率為:

噪聲系數為:

若有源雙端口網絡增益和等效噪聲溫度均相等,即Gm=G1,Tem=Te1,則式(17)可簡化為:

用這種方法測試出噪聲系數后,只要減去分路器的損耗即是待測多端口網絡噪聲系數。

3 噪聲系數測試結果及分析

3.1 噪聲系數測試結果

為了驗證上述測試方法的正確性,利用方法1和方法3分別對某20通道陣列接收網絡的噪聲系數進行了測試,各支路的增益和損耗近似相等。有源雙端口網絡的增益約為35 dB,合路器的有功損耗為2.6 dB。測試結果如表1所示。

表1 20端口網絡噪聲系數測試結果

3.2 測試結果分析

從測試數據可以看出,2種方法的測試效果基本相同,其細微差別應該來自各支路增益和損耗的不完全一致性。同時也對接收網絡中的有源雙端口網絡進行了測試。測試結果如表1所示。由上節可知,當有源雙端口網絡的增益遠遠大于合路器損耗時,多端口網絡的噪聲系數近似等于有源雙端口網絡的噪聲系數,這一點也可在測試結果中得到并進一步驗證了以上測試方法的正確性。

4 結束語

針對陣列系統中多端口網絡噪聲系數的測試問題,研究了3種噪聲系數測試方法。基本思想是將多端口網絡轉化成雙端口網絡,通過對信號功率、噪聲功率細致的推導和計算,得到多端口網絡噪聲系數的測試公式。最后通過試驗測試和測試結果比較分析,驗證了測試方法的的正確性。

[1]黃川東.相控陣雷達接收系統有效噪聲溫度的測試[C].全國微波測量會議,2000:55-59.

[2]顧墨琳,林守遠.有源相控陣接收系統的噪聲測試[J].現代雷達,2004,26(3):54-57.

[3]羅鵬飛,張文明.隨機信號分析與處理[M].北京:清華大學出版社,2006.

[4]於洪標.相控陣雷達中多端口網絡的噪聲特性分析[J].微波學報,2009,25(2):58-61.

[5]何其洪,藺占中.一種組合饋線的設計[J].無線電工程,2009,39(12):40-42.