射頻仿真系統(tǒng)饋電網(wǎng)絡(luò)基底噪聲分析與控制?

傅亦源 康躍然 肖本龍 牛鳳梁

（中國(guó)洛陽(yáng)電子裝備試驗(yàn)中心 洛陽(yáng) 471003）

1 引言

射頻仿真技術(shù)具有真實(shí)、經(jīng)濟(jì)、方便、用途廣等優(yōu)點(diǎn)，在電子裝備的研制、鑒定中得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用［1～3］。系統(tǒng)中的饋電網(wǎng)絡(luò)是其重要組成部分［4］，主要用于將射頻仿真系統(tǒng)模擬產(chǎn)生的各類(lèi)射頻模擬信號(hào)通過(guò)電子開(kāi)關(guān)傳輸?shù)较鄳?yīng)的天線陣列輻射單元，并用I/Q器件和程控衰減器對(duì)信號(hào)相位和幅度進(jìn)行精確控制，從而實(shí)現(xiàn)在特定角度下將各類(lèi)射頻模擬信號(hào)輻射到被試裝備。為了保證射頻仿真系統(tǒng)能夠適應(yīng)不同的被試裝備，一般要求饋電網(wǎng)絡(luò)具有高增益、寬頻帶的特點(diǎn)。

射頻仿真系統(tǒng)饋電網(wǎng)絡(luò)一般由大量的功率放大器、程控衰減器、IQ器件、射頻電纜和電子開(kāi)關(guān)組等射頻器件組成。根據(jù)噪聲理論可知任何電子設(shè)備都會(huì)產(chǎn)生基底噪聲，其噪聲功率大小與工作溫度、工作帶寬、噪聲系數(shù)以及器件級(jí)數(shù)密切相關(guān)。當(dāng)饋電網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生的基底噪聲過(guò)高時(shí)，會(huì)造成被試裝備信號(hào)處理機(jī)飽和，妨礙了對(duì)目標(biāo)信號(hào)的檢測(cè)［5］，從而無(wú)法開(kāi)展仿真試驗(yàn)。因此需要對(duì)射頻仿真系統(tǒng)饋電網(wǎng)絡(luò)的基底噪聲進(jìn)行分析，并采取相應(yīng)的措施，確保饋電網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生的基底噪聲低于被試裝備接收機(jī)靈敏度。

2 饋電網(wǎng)絡(luò)基底噪聲理論

按照噪聲理論，射頻仿真系統(tǒng)饋電網(wǎng)絡(luò)的基底噪聲功率可以通過(guò)以下公式計(jì)算得到：

式中，k為波耳茨曼常數(shù)，k≈1.38×10-23J/K；T0為室溫（17°C）下的熱力學(xué)溫度，T0=290K；Bn為噪聲帶寬；Fa為饋電網(wǎng)絡(luò)噪聲系數(shù)；Ga為饋電網(wǎng)絡(luò)總增益。為了準(zhǔn)確計(jì)算出饋電網(wǎng)絡(luò)的基底噪聲功率，需要確定系統(tǒng)的噪聲帶寬，并計(jì)算饋電網(wǎng)絡(luò)噪聲系數(shù)以及通道總增益。

射頻仿真系統(tǒng)工作帶寬一般都比較寬，在其工作的全頻段上都會(huì)產(chǎn)生基底噪聲。但是在計(jì)算饋電網(wǎng)絡(luò)的基底噪聲功率時(shí)，不能采用通道本身的工作帶寬作為噪聲帶寬，而是應(yīng)該采用被試裝備瞬時(shí)工作帶寬作為噪聲帶寬［6～7］。這是因?yàn)殡m然饋電網(wǎng)絡(luò)在全頻段內(nèi)都有基底噪聲，但是只有處于被試裝備接收機(jī)瞬時(shí)帶內(nèi)的噪聲信號(hào)才會(huì)進(jìn)入被試裝備接收機(jī)內(nèi)，對(duì)其信號(hào)處理產(chǎn)生影響，而被試裝備接收機(jī)瞬時(shí)帶寬外的基底噪聲，無(wú)法通過(guò)接收機(jī)中的濾波器［8］進(jìn)入到被試裝備信號(hào)處理中。

對(duì)于多級(jí)器件級(jí)聯(lián)的射頻通道，其通道總增益為通道中各器件增益的總和：

式中，G1、G2、…Gn為各級(jí)器件的增益。

噪聲系數(shù)是饋電網(wǎng)絡(luò)輸入端信號(hào)噪聲比與輸出端信號(hào)噪聲比的比值。根據(jù)定義，噪聲系數(shù)可用下式表示［8］：

其中，Si為輸入端信號(hào)功率，Ni為輸入端噪聲功率；So為輸出端信號(hào)功率；No為輸出端噪聲功率。

射頻仿真系統(tǒng)饋電網(wǎng)絡(luò)中所用器件一般要求工作于線性區(qū)，因此其噪聲系數(shù)可以采用級(jí)聯(lián)電路噪聲系數(shù)計(jì)算公式進(jìn)行推導(dǎo)計(jì)算。對(duì)于n級(jí)電路級(jí)聯(lián)時(shí)接收機(jī)總噪聲系數(shù)為

式中，G1、G2、…Gn為各級(jí)器件的增益；F1、F2、…Fn為各級(jí)器件的噪聲系數(shù)。

3 饋電網(wǎng)絡(luò)基底噪聲分析

射頻仿真系統(tǒng)饋電網(wǎng)絡(luò)一般由功率放大器、精控單元、粗控單元以及射頻電纜組成［9］，其結(jié)構(gòu)一般如圖1所示。其中，精控單元主要由功分器、I/Q器件和程控衰減器組成，用于控制射頻信號(hào)的幅度和相位；粗控單元主要由程控電子開(kāi)關(guān)組成，用于實(shí)現(xiàn)信號(hào)在不同輻射單元之間的切換；通道中的各級(jí)功率放大器主要用于信號(hào)功率的補(bǔ)償。

圖1 饋電網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意圖

饋電網(wǎng)絡(luò)中的IQ器件、程控衰減器、功分器以及程控電子開(kāi)關(guān)的傳輸損耗在不同頻率下變化不大，分析時(shí)可以認(rèn)為其傳輸損耗為固定值。功率放大器的增益具有低頻段高，高頻段低的特點(diǎn)，增益平坦度可以控制在3dB以?xún)?nèi)，其噪聲系數(shù)在不同頻率上差別不大，分析時(shí)可以采用固定值。

現(xiàn)代射頻仿真系統(tǒng)天線陣列規(guī)模較大［10］，在饋電網(wǎng)絡(luò)中需要較長(zhǎng)的射頻電纜。為了準(zhǔn)確計(jì)算射頻饋電網(wǎng)絡(luò)的增益以及噪聲系數(shù)，需要確定射頻電纜在不同頻率上的傳輸損耗。射頻電纜的傳輸損耗可以用式（5）表示：

式中，α為電纜衰減（dB/1000m），f為工作頻率（MHz），ε為相對(duì)介電常數(shù)，k1、k2分別為內(nèi)、外導(dǎo)體結(jié)構(gòu)材料系數(shù)，d、D分別為內(nèi)、外導(dǎo)體的等效直徑，tgδ為絕緣的介質(zhì)損耗角正切。

圖2 射頻電纜傳輸損耗與頻率的關(guān)系圖

由式（5）可知，射頻電纜的傳輸損耗與信號(hào)頻率有關(guān)。圖2給出了某段射頻電纜傳輸損耗理論計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果。從圖2中可以看出射頻電纜的傳輸損耗隨頻率的升高而增大。

根據(jù)各級(jí)射頻器件的增益和噪聲系數(shù)，利用式（1）、（2）、（4）可以計(jì)算得到通道的總增益、噪聲系數(shù)以及基底噪聲功率，計(jì)算結(jié)果如表1所示。從表1中可以看出，饋電網(wǎng)絡(luò)在2GHz頻點(diǎn)上的總增益比8GHz頻點(diǎn)上大19.1dB，而不同頻點(diǎn)的噪聲系數(shù)相差不大。其主要原因是，通道中使用了大量的射頻電纜，導(dǎo)致高頻點(diǎn)上的傳輸損耗高于低頻點(diǎn)；同時(shí)功率放大器在低頻點(diǎn)的增益大于高頻點(diǎn)的增益。而通道的噪聲系數(shù)主要取決于射頻鏈路中的前面幾級(jí)器件特性，因此射頻電纜的特性對(duì)噪聲系數(shù)的影響較小。射頻網(wǎng)絡(luò)基底噪聲功率主要受通道總增益的影響，不同頻率下基底噪聲功率差異為19.0dB。

表1 饋電網(wǎng)絡(luò)基底噪聲功率計(jì)算結(jié)果

4 饋電網(wǎng)絡(luò)基底噪聲控制方法

從上述分析計(jì)算結(jié)果中可以看出，射頻仿真系統(tǒng)饋電網(wǎng)絡(luò)的基底噪聲在低頻段明顯高于高頻段。為了僅可能降低射頻仿真系統(tǒng)饋電網(wǎng)絡(luò)基底噪聲對(duì)被試裝備的影響，設(shè)計(jì)時(shí)，需要重點(diǎn)降低饋電網(wǎng)絡(luò)低頻段的基底噪聲功率。

圖3 均衡器幅度特性實(shí)測(cè)結(jié)果

可采用的改造方法是根據(jù)饋電網(wǎng)絡(luò)基底噪聲曲線定制均衡器［11～12］，并加到饋電網(wǎng)絡(luò)合適的位置，以減小高低頻段上饋電網(wǎng)絡(luò)基底噪聲功率差異。圖3是定制均衡器的幅度特性曲線測(cè)量結(jié)果，從圖中可以看出均衡器傳輸損耗在低頻段高，在高頻段低。

在饋電網(wǎng)絡(luò)上增益均衡器后，再此計(jì)算饋電網(wǎng)絡(luò)的總增益、噪聲系數(shù)以及通道噪聲功率，結(jié)果如表2所示。

表2 改造后饋電網(wǎng)絡(luò)基底噪聲功率計(jì)算結(jié)果

從表2中可以看出，饋電網(wǎng)絡(luò)總增益一致性有較大的提高，從而確保基底噪聲功率一致性較好，不同頻點(diǎn)基底噪聲功率差異控制在6dB以?xún)?nèi)。

進(jìn)一步采取試驗(yàn)測(cè)試的方法獲得饋電網(wǎng)絡(luò)基底噪聲功率，其結(jié)果如圖4所示。

從圖4中可以看出，不同頻率下的基底噪聲功率差異由改造前的23.5dB減小到6.1dB。低頻段的基底噪聲功率明顯降低了，從而可以確保整個(gè)通道基底噪聲不高于被試裝備的接收機(jī)靈敏度。

圖4 饋電網(wǎng)絡(luò)基底噪聲實(shí)測(cè)結(jié)果

同時(shí)，從圖3中可以看出，均衡器在高頻段也是有固定的插入損耗，該損耗同樣也會(huì)降低高頻點(diǎn)的通道總增益，從而減小了整個(gè)射頻仿真系統(tǒng)最大輸出功率。因此在饋電網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)時(shí)需要綜合考慮，使功率放大器的增益留有余量，用于補(bǔ)償均衡器高頻點(diǎn)的插入損耗。

5 結(jié)語(yǔ)

本文根據(jù)噪聲理論確定了影響射頻仿真系統(tǒng)饋電網(wǎng)絡(luò)基底噪聲的三個(gè)主要因素，并提出通過(guò)增加均衡器的方法以降低基底噪聲。測(cè)試結(jié)果表明，由于射頻器件幅度特性的影響，導(dǎo)致饋電網(wǎng)絡(luò)基底噪聲功率在低頻段比高頻段高23.5dB；而通過(guò)增加均衡器，可以使射頻仿真系統(tǒng)饋電網(wǎng)絡(luò)基底噪聲功率最多降低25.8dB，并且不同頻點(diǎn)基底噪聲功率的差異也可以控制在6dB左右。