用于氣象雷達(dá)接收系統(tǒng)低噪聲放大器的設(shè)計與實現(xiàn)

崔倩 傅超 鄭鐘堯

摘? 要：氣象雷達(dá)作為現(xiàn)階段進(jìn)行氣象觀測過程中廣泛運(yùn)用的一種設(shè)備，不僅可以有效提高氣象觀測效率，提升氣象觀測的準(zhǔn)確率，對工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)也具有重要的指導(dǎo)作用。噪聲放大器作為現(xiàn)階段雷達(dá)工作系統(tǒng)中的重要部分，現(xiàn)階段采用的設(shè)計手段耗費較高、效果較差。因此對現(xiàn)階段氣象雷達(dá)接收系統(tǒng)的噪聲放大器進(jìn)行設(shè)計改進(jìn)成為研究的重要方面。

關(guān)鍵詞：氣象雷達(dá);接收系統(tǒng);低噪聲放大器;設(shè)計與實現(xiàn)

中圖分類號：TP279? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? DOI：10.11974/nyyjs.20181233212

近年來，科技的發(fā)展對氣象雷達(dá)接收系統(tǒng)起到了極大的促進(jìn)作用。對氣象服務(wù)質(zhì)量要求的提高使得對氣象雷達(dá)接收系統(tǒng)低噪聲放大器的各項要求都有了很大提升。因此，必須設(shè)計一種經(jīng)濟(jì)高效的放大器以滿足現(xiàn)階段發(fā)展的要求。本文將就新型的氣象雷達(dá)接收系統(tǒng)低噪聲放大器的設(shè)計與實現(xiàn)進(jìn)行研究。

1? ? ?現(xiàn)階段寬帶放大器種類簡介

1.1? ? ?負(fù)反饋型寬頻放大器

負(fù)反饋性放大器是現(xiàn)階段應(yīng)用最為廣泛的放大器種類之一，工作原理是通過在可以產(chǎn)生場效應(yīng)的管道中的漏極和柵極之間加入一種負(fù)反饋機(jī)制進(jìn)行調(diào)節(jié)，可以使接收到的信號在頻帶中通過來回的進(jìn)行反饋獲得多次增益，以實現(xiàn)其放大的目的。通過這種負(fù)反饋式的放大形式所獲得的增益較為平緩，使得頻帶較為明顯，有效實現(xiàn)輸入頻率與輸出頻率匹配，使得由于產(chǎn)生音域回波造成的損耗較低，獲得的放大信號效果較好。

1.2? ? ?有損耗性的寬頻放大器

這種寬頻放大器的主要特點是在接受信號以后，通過有效增益可以獲得較好的放大信號波形。譜帶中的增益平緩性較好，在對輸入信號和輸出信號進(jìn)行匹配過程中也可以獲得較好的效果。這種信號放大器最初在進(jìn)行設(shè)計時為了獲得較好的增益后，使譜帶平緩度，但是在實際工作中發(fā)現(xiàn)由于對低噪音的增益性能不夠好使得噪音系數(shù)較高。因此應(yīng)用范圍受到一定的限制。

1.3? ? ?有源匹配式寬頻放大器

這種寬頻低噪聲放大器在設(shè)計時對原始的低噪聲放大器進(jìn)行了一定的改進(jìn)，通過對內(nèi)部結(jié)構(gòu)以及元器件進(jìn)行相應(yīng)的替換，實現(xiàn)輸入輸出信號匹配性能的提高。內(nèi)部設(shè)計摒棄了原始的微帶線，采用電容、電感作為電路元件，通過這種改進(jìn)可以有效提高其輸入輸出信號的匹配情況。提高了放大器的集成，減小了放大器的體積。

1.4? ? ?分布式寬頻放大器

這種放大器在進(jìn)行設(shè)計過程中加入了簡單的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，通過進(jìn)行簡單的拓?fù)溆嬎憧梢杂行^寬頻域的譜帶信號進(jìn)行接受，獲得較高增益，使得噪聲系數(shù)提高，已經(jīng)成為現(xiàn)階段進(jìn)行氣象雷達(dá)信號接收系統(tǒng)中較為熱門的放大器種類。

1.5? ? ?平衡式寬頻放大器

平衡和寬頻放大器的主要特點是輸入輸出配型性較好，可以有效滿足低噪聲放大器對增益平坦度的要求，對接收信號的增益程度高，產(chǎn)生的噪聲較小。但是，這種放大器的集成性較低，一般具有較大的體積。內(nèi)部電路較為復(fù)雜，在進(jìn)行實際制造過程中難度較大。但是由于其優(yōu)良的性能因此本文在進(jìn)行新型放大器設(shè)計時選用的總體設(shè)計思路是平衡式放大器的設(shè)計思路，通過進(jìn)行相應(yīng)的優(yōu)化以克服其原有的缺點，保留其優(yōu)良性能，實現(xiàn)其體積及制造工藝的簡化。

2? ? ?新型低噪聲放大器的設(shè)計與實現(xiàn)

2.1? ? ?選擇合適的晶體管

低噪聲放大器由于需要接收的音域頻率較寬，因此對晶體管的要求較高。依據(jù)氣象雷達(dá)在信息接收過程中的特點以及不同晶體管的性能可以發(fā)現(xiàn)，MGF4941AL型晶體管所能測定的頻率在12Hz左右，噪聲系數(shù)較小，只有0.4左右，但是增益效果較好，可以達(dá)到13左右。因此，這種晶體管完全可以滿足氣象監(jiān)測過程中的需求，只需要進(jìn)行一次信號放大就可以進(jìn)行監(jiān)測，因此較為合適。

2.2? ? ?耦合器的設(shè)計

在該放大器中，選擇采用3dB耦合器。在整個放大器設(shè)計過程中，耦合器作為中心部分，是設(shè)計的難點也是設(shè)計的重點。設(shè)計要求耦合器可以很好地在信號響應(yīng)以后的范圍內(nèi)實現(xiàn)相等份額的分配任務(wù)，產(chǎn)生的相位差相應(yīng)的要準(zhǔn)確達(dá)到90°。由于設(shè)計以后實際應(yīng)用過程中的要求較高，原有的雙枝放大器已經(jīng)無法滿足需求，因此在本次設(shè)計中選擇采用多枝節(jié)耦合器以實現(xiàn)平衡放大。通過嘗試以及對獲得的結(jié)果進(jìn)行分析可以發(fā)現(xiàn)四枝節(jié)耦合器不論是在功率上還是相位差值上都可以滿足氣象雷達(dá)接收系統(tǒng)的需求。

3? ? ?總結(jié)

本文通過對現(xiàn)階段氣象雷達(dá)信號接收系統(tǒng)中較為常見的低噪聲放大器的種類及其特點進(jìn)行介紹，對新型低噪音放大器的設(shè)計要點進(jìn)行介紹可知，傳統(tǒng)氣象雷達(dá)的各種性能已經(jīng)無法滿足現(xiàn)階段進(jìn)行氣象觀測過程中的各種需求，只有通過不斷改進(jìn)技術(shù)，提高設(shè)備性能，改善觀測條件，才能真正實現(xiàn)氣象雷達(dá)對氣象信息的接收處理能力。

參考文獻(xiàn)

[1]何川，孫玉發(fā)，賈世紅，XKu波段寬帶低噪聲放大器的設(shè)計[J].合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2014（10）：1510-1513.

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