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相控陣?yán)走_(dá)接收系統(tǒng)噪聲系數(shù)分析與測(cè)試驗(yàn)證

2016-11-16 08:31:57李維梅王旭艷
現(xiàn)代雷達(dá) 2016年10期
關(guān)鍵詞:測(cè)量系統(tǒng)

李維梅,劉 波,王旭艷

(西安空間無(wú)線電技術(shù)研究所,西安 710100)

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相控陣?yán)走_(dá)接收系統(tǒng)噪聲系數(shù)分析與測(cè)試驗(yàn)證

李維梅,劉 波,王旭艷

(西安空間無(wú)線電技術(shù)研究所,西安 710100)

噪聲系數(shù)是影響雷達(dá)接收機(jī)性能指標(biāo)的主要參數(shù)之一,與雷達(dá)的作用距離緊密相關(guān)。文中采用將多端口網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)化為二端口網(wǎng)絡(luò)的基本思想,對(duì)相控陣?yán)走_(dá)接收系統(tǒng)的噪聲特性以及增益進(jìn)行了分析。首先,求出多端口網(wǎng)絡(luò)的等效增益;再基于噪聲系數(shù)的基本定義推出相控陣接收系統(tǒng)的噪聲系數(shù)計(jì)算式;同時(shí),基于等效的思想,提出了多端口網(wǎng)絡(luò)噪聲系數(shù)以及增益的直接測(cè)量方法;最后,用仿真以及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該計(jì)算及測(cè)量方法。

噪聲系數(shù);相控陣?yán)走_(dá);多端口網(wǎng)絡(luò)

0 引 言

噪聲系數(shù)作為影響雷達(dá)性能指標(biāo)的重要參數(shù)之一,在雷達(dá)系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)時(shí)必須進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)和評(píng)估。對(duì)于微波雷達(dá),從外部進(jìn)入雷達(dá)接收機(jī)的噪聲通常比較小。因此,噪聲系數(shù)通常用來(lái)衡量其接收系統(tǒng)內(nèi)部的噪聲大小。相控陣天線在現(xiàn)代雷達(dá)中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛[1-4],如何準(zhǔn)確地評(píng)估具有多通道的相控陣?yán)走_(dá)接收系統(tǒng)的噪聲系數(shù)[5]具有重要的工程意義。

關(guān)于相控陣?yán)走_(dá)噪聲系數(shù)的計(jì)算,文獻(xiàn)[6]是對(duì)波束形成網(wǎng)絡(luò)輸出的總信號(hào)功率的表達(dá)式進(jìn)行變換,根據(jù)其定義的等效天線增益,從總輸出信號(hào)功率的表達(dá)式中得到等效接收系統(tǒng)的增益,進(jìn)而根據(jù)等效噪聲功率求出有源多通道系統(tǒng)的噪聲系數(shù)。文獻(xiàn)[7-8]在分析接收網(wǎng)絡(luò)的噪聲系數(shù)時(shí),對(duì)于網(wǎng)絡(luò)輸出的總信號(hào)功率的表達(dá)式進(jìn)行變換時(shí),將增益分成了三部分:對(duì)信噪比沒(méi)有影響的陣元增益、對(duì)噪聲系數(shù)沒(méi)有影響的網(wǎng)絡(luò)接收增益,以及對(duì)信號(hào)有損耗的網(wǎng)絡(luò)合成增益,進(jìn)而得到系統(tǒng)的噪聲系數(shù)。文獻(xiàn)[7-8]對(duì)于輸出信號(hào)功率表達(dá)式的變換采用了文獻(xiàn)[6]的辦法。文獻(xiàn)[9]在求接收系統(tǒng)等效增益時(shí)也采用了文獻(xiàn)[6]對(duì)輸出的總信號(hào)功率表達(dá)式進(jìn)行變換的辦法,基于這種方法求出了雙層波束合成網(wǎng)絡(luò)的噪聲系數(shù)。文獻(xiàn)[10-13]則從多端口網(wǎng)絡(luò)的角度對(duì)噪聲系數(shù)進(jìn)行了較詳細(xì)的分析推導(dǎo)。文獻(xiàn)[12-14]對(duì)噪聲系數(shù)的測(cè)量進(jìn)行了討論,對(duì)比分析了n-1個(gè)輸入端接負(fù)載且n個(gè)有源網(wǎng)絡(luò)工作時(shí)的情況以及n-1個(gè)輸入端接負(fù)載且只有1個(gè)有源網(wǎng)絡(luò)工作的情況。文獻(xiàn)[14]給出了在待測(cè)網(wǎng)絡(luò)前接功分器的測(cè)試方法,其有源網(wǎng)絡(luò)前以及有源二網(wǎng)絡(luò)與合路器之間沒(méi)有插損,只是考慮了功分器和合路器的固有插損,而對(duì)于某些實(shí)際的相控陣接收系統(tǒng),為了波束形成的需要,有源二端口網(wǎng)絡(luò)與合路器之間一般具有可變衰減器。文獻(xiàn)[15]給出了陣列接收系統(tǒng)的輸出信噪比,根據(jù)輸出與輸入噪聲的功率比求得了系統(tǒng)的噪聲系數(shù)。文獻(xiàn)[16]在沒(méi)考慮接收系統(tǒng)儀器附加噪聲的情況下求得了噪聲系數(shù)。

針對(duì)現(xiàn)有噪聲系數(shù)的計(jì)算及測(cè)量方法,本文采用將多端口網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)化成二端口網(wǎng)絡(luò)的辦法,直接求得等效二端口網(wǎng)絡(luò)的增益,再根據(jù)噪聲系數(shù)的基本定義求得接收系統(tǒng)的噪聲系數(shù)。在求解過(guò)程中,充分考慮了有源二端口網(wǎng)絡(luò)前后的無(wú)源二端口網(wǎng)絡(luò)引入的系統(tǒng)噪聲?;诰W(wǎng)絡(luò)等效的思想,采用在接收網(wǎng)絡(luò)前加功分器的辦法,直接測(cè)量系統(tǒng)的噪聲系數(shù)。為了說(shuō)明本文所提方法的有效性,給出了一個(gè)四端口接收網(wǎng)絡(luò)的仿真模型和測(cè)量實(shí)例。

1 噪聲系數(shù)推導(dǎo)及特性分析

考慮一個(gè)相控陣接收系統(tǒng)的信號(hào)合成網(wǎng)絡(luò)通用模型,如圖1所示。網(wǎng)絡(luò)的每一個(gè)接收通道包含了環(huán)行器、限幅器、低噪聲放大器(LNA)、可調(diào)衰減器、數(shù)字移相器以及濾波器等。為了簡(jiǎn)化問(wèn)題,對(duì)相控陣天線接收系統(tǒng)進(jìn)行合并處理,因天線陣列單元接收到的遠(yuǎn)場(chǎng)回波信號(hào)是平面波,對(duì)于陣列天線,其每個(gè)陣列單元一般都具有相同的增益。因此,每個(gè)接收通道接收到的信號(hào)功率大小相等。通常所說(shuō)的雷達(dá)接收機(jī)應(yīng)不包括天線,所以可以將圖1a)所示的系統(tǒng)簡(jiǎn)化為圖1b)。將LNA前的損耗統(tǒng)稱(chēng)為輸入損耗,用L1表示;LNA的噪聲系數(shù)為NfA,增益為GA;LNA與合路器之間的固有損耗用L2表示,L2包括衰減器的固有插損、移相器的插損以及線損等。用L3m表示衰減器的控制衰減量,即波束形成時(shí)每個(gè)支路所加的可變衰減。合路器的固有插損用Ls表示。本文所有的損耗參數(shù)均認(rèn)作為不小于1的參數(shù),進(jìn)行推導(dǎo)計(jì)算時(shí)取其真值。

圖1 相控陣?yán)走_(dá)接收系統(tǒng)框圖

基于噪聲系數(shù)的原始定義,為了計(jì)算如圖1b)所示接收系統(tǒng)這樣的多端口網(wǎng)絡(luò)的噪聲系數(shù),辦法之一是將網(wǎng)絡(luò)等效為一個(gè)二端口網(wǎng)絡(luò)。根據(jù)相控陣的特點(diǎn),入射到陣面的具有一定相位差的信號(hào)經(jīng)過(guò)移相器的調(diào)整之后,到達(dá)合路器時(shí)是同相的,這里不考慮通道不一致性和相位加權(quán)等導(dǎo)致的相位誤差。

噪聲系數(shù)定義如下

(1)

式中:Sin為圖1b)接收系統(tǒng)輸入端總信號(hào)功率;Sout為接收系統(tǒng)輸出端信號(hào)功率;Nin=kT0B為網(wǎng)絡(luò)的輸入噪聲,對(duì)于多通道的接收系統(tǒng),其單支路的輸入噪聲與整個(gè)接收系統(tǒng)的輸入噪聲是一樣的[16],其中,k為玻爾茲曼常數(shù),B為工作帶寬,T0為室溫;Nout為接收系統(tǒng)輸出端噪聲功率;Gr為圖1b)所示網(wǎng)絡(luò)的等效接收增益。

假設(shè)系統(tǒng)有n條支路,則Sin=nP0,對(duì)于n路的合路器,其每個(gè)輸入端口的信號(hào)功率只有1/n到達(dá)其輸出端口。因此,第m條支路的信號(hào)到達(dá)合路器輸出口的信號(hào)功率為

Som=P0Gm/(nLs)

(2)

式中:Gm為第m條支路的增益,有

Gm=GA/(L1·L2·L3m)

(3)

對(duì)于有用信號(hào),加法器的輸出為各支路信號(hào)功率轉(zhuǎn)化成場(chǎng)疊加后再計(jì)算的總功率,因相控陣每一支路的信號(hào)經(jīng)過(guò)移相器的作用到達(dá)合路器輸入口時(shí)的相位相同,則合路器輸出信號(hào)功率為

(4)

將式(2)和式(3)代入式(4),進(jìn)而可以求得該接收系統(tǒng)的等效增益為

(5)

根據(jù)式(1),合路器前單個(gè)接收通道輸出的噪聲功率為

Nom=kT0B·Nfm·Gm

(6)

式(3)已經(jīng)求得Gm,Nfm為單個(gè)接收支路的噪聲系數(shù),由多級(jí)接收系統(tǒng)的噪聲系數(shù)級(jí)聯(lián)公式可得

(7)

合路器自身的產(chǎn)生噪聲功率如下

(8)

第m條接收通道經(jīng)過(guò)合成網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生的噪聲功率到達(dá)合路器的輸出口時(shí)為Nom/nLs,則合成網(wǎng)絡(luò)總輸出的噪聲功率為

(9)

將式(5)、式(9)代入式(1),得到接收系統(tǒng)的噪聲系數(shù)為

(10)

至此,我們可以將圖1b)所示的接收系統(tǒng)簡(jiǎn)化為圖1c),該二端口網(wǎng)絡(luò)的增益為Gr,噪聲系數(shù)為Nf。

2 噪聲系數(shù)測(cè)量

通常噪聲系數(shù)表征的是一個(gè)二端口網(wǎng)絡(luò)的特性,對(duì)于噪聲系數(shù)的直接測(cè)量,文獻(xiàn)[13-14]提到在n-1個(gè)輸入端接負(fù)載且n個(gè)有源網(wǎng)絡(luò)工作時(shí)情況與n-1個(gè)輸入端接負(fù)載且只有1個(gè)有源網(wǎng)絡(luò)工作情況下進(jìn)行測(cè)量,文中的分析均沒(méi)有考慮有源二端口網(wǎng)絡(luò)后接衰減器的情況。實(shí)際上,對(duì)于多端口網(wǎng)絡(luò)的噪聲分析,有源二端口網(wǎng)絡(luò)和合路器之間的可變衰減量,對(duì)于系統(tǒng)輸出的噪聲有很大影響。因此,對(duì)于噪聲系數(shù)的測(cè)量,將系統(tǒng)等效為一個(gè)二端口網(wǎng)絡(luò)將會(huì)更加直觀。根據(jù)上面的分析,可以將多端口合成網(wǎng)絡(luò)等效成一個(gè)二端口網(wǎng)絡(luò),即可以將圖1b)等效為圖1c)的系統(tǒng),其增益為Gr,噪聲系數(shù)系數(shù)為Nf。既然可以將圖1b)等效為圖1c),那么就可以在圖1b)所示系統(tǒng)前端加一個(gè)功分器,將其變成圖2a)的系統(tǒng),即本文的測(cè)量系統(tǒng)。圖1b)系統(tǒng)前加了功分器之后,其等效接收系統(tǒng)就變成圖2b)的系統(tǒng)。為了和圖1b)的信號(hào)形式保持一致,固有損耗里不再包含移相器的貢獻(xiàn),因?yàn)閷?shí)際相控陣接收系統(tǒng)各支路不同相位的入射信號(hào)經(jīng)過(guò)移相器的作用到達(dá)合路器輸入口時(shí)是同相的。圖1c)與圖2b)的差別在于圖2b)多了一個(gè)大小為L(zhǎng)g的固有插損。根據(jù)噪聲系數(shù)的級(jí)聯(lián)公式,圖2b)系統(tǒng)的噪聲系數(shù)為

(11)

因此,若要求圖1b)系統(tǒng)與圖2a)測(cè)量系統(tǒng)的噪聲系數(shù)計(jì)算結(jié)果的差異(用分貝表示)在于功分器的歐姆損耗Lg,即前端接有功分器的測(cè)量系統(tǒng)的噪聲系數(shù)要比實(shí)際相控陣?yán)走_(dá)的噪聲系數(shù)大LgdB。如果是理想功分器,即其歐姆損耗為L(zhǎng)g=0 dB,那么求圖1b)與圖2a)所示系統(tǒng)的噪聲系數(shù)應(yīng)該相等。

圖2 等效測(cè)量系統(tǒng)

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

以下為該接收系統(tǒng)的噪聲系數(shù)計(jì)算和測(cè)量的仿真與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,其中,ADS仿真實(shí)驗(yàn)如圖3所示,實(shí)驗(yàn)測(cè)量系統(tǒng)如圖4所示。

圖3 實(shí)驗(yàn)ADS仿真框圖

圖4 實(shí)驗(yàn)測(cè)量系統(tǒng)

為了說(shuō)明實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)圖2a)與實(shí)際接收系統(tǒng)圖1b)的等效性,我們?nèi)g=0 dB,L1=0.9 dB,L2=8.3 dB,Ls=1 dB,GA=30 dB,NfA=1.4 dB,L3m取表1所示衰減量。將式(5)和式(10)計(jì)算得到的增益以及噪聲系數(shù)與在ADS里仿真的結(jié)果進(jìn)行比較。

表1 圖2a)計(jì)算結(jié)果與圖1b)(Lg=0)仿真結(jié)果對(duì)比dB

衰減量L3m噪聲系數(shù)式(10)仿真增益式(5)仿真[0,0,0,0]2.32362.323619.800019.8000[10,10,10,10]2.14302.143011.738211.7382[31.5,31.5,10.0,4.5]5.44665.44667.45037.4503

從表1可以看出,當(dāng)Lg=0 dB時(shí),在衰減量為0(即不加衰減),衰減量相同和不同情況下,實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)圖2a)與實(shí)際接收系統(tǒng)圖1b)是完全等效的。為了進(jìn)一步說(shuō)明此結(jié)論,接下來(lái)取Lg=0.4 dB,即實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的功分器具有固有插損,實(shí)際上,也不可能將功分器做到完全沒(méi)有固有插損,系統(tǒng)的其他參數(shù)不變。首先計(jì)算在L1=0.9 dB,L2=8.3 dB,Ls=1 dB,GA=30 dB,NfA=1.4 dB,L3m取表2所示衰減量時(shí),實(shí)際接收系統(tǒng)圖1b)的噪聲系數(shù)與增益;然后,在ADS里仿真圖2a)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng);最后,搭建實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)量。仿真原理圖如圖3所示。

在圖3中,因?yàn)閷?shí)際相控陣接收系統(tǒng)圖1b)每條支路接收到的信號(hào)相位不同,經(jīng)過(guò)移相器的調(diào)整之后,各支路信號(hào)到達(dá)合路器輸入口時(shí)是同相的,在圖2a)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中,信號(hào)經(jīng)過(guò)功分器之后是同相的,因?yàn)闉榱撕蛨D1b)保持一致,圖2a)中不再需要移相器的作用,因此不含移相器。圖4為實(shí)驗(yàn)測(cè)量系統(tǒng),采用噪聲系數(shù)測(cè)量?jī)x直接進(jìn)行二端口網(wǎng)絡(luò)的測(cè)量。

表2 噪聲系數(shù)計(jì)算圖1b)與測(cè)量結(jié)果圖2a) dB

衰減量L3m噪聲系數(shù)計(jì)算仿真測(cè)量增益計(jì)算仿真測(cè)量[0,0,0,0]2.3242.7142.63~2.8419.80019.41519.25~19.54[10,10,10,10]2.5572.9472.81~3.119.8009.4159.30~9.52[31.5,31.5,10.0,4.5]5.4475.8375.65~5.927.4507.0656.98~7.21

對(duì)圖1b)的計(jì)算以及對(duì)圖2a)的仿真與測(cè)量結(jié)果如表2所示。從表2可以看出,噪聲系數(shù)的仿真結(jié)果比計(jì)算結(jié)果大0.4 dB,而增益卻比計(jì)算結(jié)果小0.4 dB,這是因?yàn)榉抡嫦到y(tǒng)前接有歐姆損耗為0.4 dB的功分器,而實(shí)際相控陣接收網(wǎng)絡(luò)的噪聲系數(shù)和增益計(jì)算是不含有功分器的。對(duì)于測(cè)量結(jié)果,基本與仿真結(jié)果吻合,但是也有些許差異,那是因?yàn)樵肼曄禂?shù)測(cè)量?jī)x測(cè)量時(shí)本身存在0.15 dB~0.2 dB的誤差。由此,我們可以得出,本文對(duì)于噪聲系數(shù)的計(jì)算與測(cè)量方法是可行的。

4 結(jié)束語(yǔ)

對(duì)于相控陣?yán)走_(dá)接收系統(tǒng),本文提出用等效的辦法將多端口網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)化成一個(gè)二端口網(wǎng)絡(luò),求得網(wǎng)絡(luò)的等效增益,再基于噪聲系數(shù)的基本定義,考慮系統(tǒng)器件的附加噪聲,進(jìn)而求得多端口接收系統(tǒng)的噪聲系數(shù)。同時(shí)提出用仿真和實(shí)驗(yàn)對(duì)相控陣接收系統(tǒng)進(jìn)行等效驗(yàn)證測(cè)量的辦法,仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明本文所提出的噪聲系數(shù)計(jì)算與測(cè)量方法是正確可行的。

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李維梅 女,1986年生,博士。研究方向?yàn)镚EO SAR射頻收發(fā)系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)。

劉 波 男,1963年生,研究員,博士生導(dǎo)師。研究方向?yàn)樾l(wèi)星有效載荷系統(tǒng)。

王旭艷 女,1979年生,博士。研究方向?yàn)楹铣煽讖铰暭{信號(hào)處理。

Analysis and Measurement of Noise Figure in Phased Array Radar Receiving System

LI Weimei,LIU Bo,WANG Xuyan

(Xi′an Institute of Space Radio Technology,Xi′an 710100,China)

As one of the key parameters affecting the performance indexes of the radar receiving system,noise figure is closely related to the radar detection range.With the theory of equivalent conversion of a multi-port network model into a two-port network model,noise characteristic and gain of the phased array radar receiving system is analyzed and measured.Firstly,the equivalent gain of the multi-port network is computed by the equivalent theory.Then,based on the original definition of the noise figure,the formula of noise figure is deduced.At the same time,based on the equivalent theory,a direct measurement method of the noise and gain is presented.Finally,the method of computing and measuring noise figure and gain is verified by simulation and experiment.

noise figure; phased array radar; multi-port network

發(fā)技術(shù)·

10.16592/j.cnki.1004-7859.2016.10.016

李維梅 Email:li_weimei@163.com

2016-07-20

2016-09-20

TN958.92

A

1004-7859(2016)10-0069-05

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