相控陣雷達接收系統(tǒng)噪聲系數(shù)分析與測試驗證

李維梅，劉 波，王旭艷

(西安空間無線電技術研究所,西安 710100)

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相控陣雷達接收系統(tǒng)噪聲系數(shù)分析與測試驗證

李維梅，劉 波，王旭艷

(西安空間無線電技術研究所,西安 710100)

噪聲系數(shù)是影響雷達接收機性能指標的主要參數(shù)之一，與雷達的作用距離緊密相關。文中采用將多端口網(wǎng)絡轉化為二端口網(wǎng)絡的基本思想，對相控陣雷達接收系統(tǒng)的噪聲特性以及增益進行了分析。首先，求出多端口網(wǎng)絡的等效增益；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)計算式；同時，基于等效的思想，提出了多端口網(wǎng)絡噪聲系數(shù)以及增益的直接測量方法；最后，用仿真以及實驗驗證了該計算及測量方法。

噪聲系數(shù)；相控陣雷達；多端口網(wǎng)絡

0 引 言

噪聲系數(shù)作為影響雷達性能指標的重要參數(shù)之一，在雷達系統(tǒng)工程設計時必須進行優(yōu)化設計和評估。對于微波雷達，從外部進入雷達接收機的噪聲通常比較小。因此，噪聲系數(shù)通常用來衡量其接收系統(tǒng)內(nèi)部的噪聲大小。相控陣天線在現(xiàn)代雷達中的應用越來越廣泛[1-4]，如何準確地評估具有多通道的相控陣雷達接收系統(tǒng)的噪聲系數(shù)[5]具有重要的工程意義。

關于相控陣雷達噪聲系數(shù)的計算，文獻[6]是對波束形成網(wǎng)絡輸出的總信號功率的表達式進行變換，根據(jù)其定義的等效天線增益，從總輸出信號功率的表達式中得到等效接收系統(tǒng)的增益，進而根據(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[7-8]在分析接收網(wǎng)絡的噪聲系數(shù)時，對于網(wǎng)絡輸出的總信號功率的表達式進行變換時，將增益分成了三部分：對信噪比沒有影響的陣元增益、對噪聲系數(shù)沒有影響的網(wǎng)絡接收增益，以及對信號有損耗的網(wǎng)絡合成增益，進而得到系統(tǒng)的噪聲系數(shù)。文獻[7-8]對于輸出信號功率表達式的變換采用了文獻[6]的辦法。文獻[9]在求接收系統(tǒng)等效增益時也采用了文獻[6]對輸出的總信號功率表達式進行變換的辦法，基于這種方法求出了雙層波束合成網(wǎng)絡的噪聲系數(shù)。文獻[10-13]則從多端口網(wǎng)絡的角度對噪聲系數(shù)進行了較詳細的分析推導。文獻[12-14]對噪聲系數(shù)的測量進行了討論，對比分析了n-1個輸入端接負載且n個有源網(wǎng)絡工作時的情況以及n-1個輸入端接負載且只有1個有源網(wǎng)絡工作的情況。文獻[14]給出了在待測網(wǎng)絡前接功分器的測試方法，其有源網(wǎng)絡前以及有源二網(wǎng)絡與合路器之間沒有插損，只是考慮了功分器和合路器的固有插損，而對于某些實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)絡與合路器之間一般具有可變衰減器。文獻[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[16]在沒考慮接收系統(tǒng)儀器附加噪聲的情況下求得了噪聲系數(shù)。

針對現(xiàn)有噪聲系數(shù)的計算及測量方法，本文采用將多端口網(wǎng)絡轉化成二端口網(wǎng)絡的辦法，直接求得等效二端口網(wǎng)絡的增益，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)。在求解過程中，充分考慮了有源二端口網(wǎng)絡前后的無源二端口網(wǎng)絡引入的系統(tǒng)噪聲?；诰W(wǎng)絡等效的思想，采用在接收網(wǎng)絡前加功分器的辦法，直接測量系統(tǒng)的噪聲系數(shù)。為了說明本文所提方法的有效性，給出了一個四端口接收網(wǎng)絡的仿真模型和測量實例。

1 噪聲系數(shù)推導及特性分析

考慮一個相控陣接收系統(tǒng)的信號合成網(wǎng)絡通用模型，如圖1所示。網(wǎng)絡的每一個接收通道包含了環(huán)行器、限幅器、低噪聲放大器(LNA)、可調衰減器、數(shù)字移相器以及濾波器等。為了簡化問題，對相控陣天線接收系統(tǒng)進行合并處理，因天線陣列單元接收到的遠場回波信號是平面波，對于陣列天線，其每個陣列單元一般都具有相同的增益。因此，每個接收通道接收到的信號功率大小相等。通常所說的雷達接收機應不包括天線，所以可以將圖1a)所示的系統(tǒng)簡化為圖1b)。將LNA前的損耗統(tǒng)稱為輸入損耗，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，即波束形成時每個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)均認作為不小于1的參數(shù)，進行推導計算時取其真值。

圖1 相控陣雷達接收系統(tǒng)框圖

基于噪聲系數(shù)的原始定義，為了計算如圖1b)所示接收系統(tǒng)這樣的多端口網(wǎng)絡的噪聲系數(shù)，辦法之一是將網(wǎng)絡等效為一個二端口網(wǎng)絡。根據(jù)相控陣的特點，入射到陣面的具有一定相位差的信號經(jīng)過移相器的調整之后，到達合路器時是同相的，這里不考慮通道不一致性和相位加權等導致的相位誤差。

噪聲系數(shù)定義如下

(1)

式中：Sin為圖1b)接收系統(tǒng)輸入端總信號功率；Sout為接收系統(tǒng)輸出端信號功率；Nin=kT0B為網(wǎng)絡的輸入噪聲，對于多通道的接收系統(tǒng)，其單支路的輸入噪聲與整個接收系統(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)絡的等效接收增益。

假設系統(tǒng)有n條支路，則Sin=nP0，對于n路的合路器，其每個輸入端口的信號功率只有1/n到達其輸出端口。因此,第m條支路的信號到達合路器輸出口的信號功率為

Som=P0Gm/(nLs)

(2)

式中：Gm為第m條支路的增益，有

Gm=GA/(L1·L2·L3m)

(3)

對于有用信號，加法器的輸出為各支路信號功率轉化成場疊加后再計算的總功率，因相控陣每一支路的信號經(jīng)過移相器的作用到達合路器輸入口時的相位相同，則合路器輸出信號功率為

(4)

將式(2)和式(3)代入式(4)，進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為單個接收支路的噪聲系數(shù)，由多級接收系統(tǒng)的噪聲系數(shù)級聯(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)過合成網(wǎng)絡產(chǎn)生的噪聲功率到達合路器的輸出口時為Nom/nLs，則合成網(wǎng)絡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)簡化為圖1c)，該二端口網(wǎng)絡的增益為Gr,噪聲系數(shù)為Nf。

2 噪聲系數(shù)測量

通常噪聲系數(shù)表征的是一個二端口網(wǎng)絡的特性，對于噪聲系數(shù)的直接測量，文獻[13-14]提到在n-1個輸入端接負載且n個有源網(wǎng)絡工作時情況與n-1個輸入端接負載且只有1個有源網(wǎng)絡工作情況下進行測量，文中的分析均沒有考慮有源二端口網(wǎng)絡后接衰減器的情況。實際上，對于多端口網(wǎng)絡的噪聲分析，有源二端口網(wǎng)絡和合路器之間的可變衰減量，對于系統(tǒng)輸出的噪聲有很大影響。因此，對于噪聲系數(shù)的測量，將系統(tǒng)等效為一個二端口網(wǎng)絡將會更加直觀。根據(jù)上面的分析，可以將多端口合成網(wǎng)絡等效成一個二端口網(wǎng)絡，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)前端加一個功分器，將其變成圖2a)的系統(tǒng)，即本文的測量系統(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)的信號形式保持一致，固有損耗里不再包含移相器的貢獻，因為實際相控陣接收系統(tǒng)各支路不同相位的入射信號經(jīng)過移相器的作用到達合路器輸入口時是同相的。圖1c)與圖2b)的差別在于圖2b)多了一個大小為Lg的固有插損。根據(jù)噪聲系數(shù)的級聯(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)測量系統(tǒng)的噪聲系數(shù)計算結果的差異(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量系統(tǒng)的噪聲系數(shù)要比實際相控陣雷達的噪聲系數(shù)大LgdB。如果是理想功分器，即其歐姆損耗為Lg=0 dB,那么求圖1b)與圖2a)所示系統(tǒng)的噪聲系數(shù)應該相等。

圖2 等效測量系統(tǒng)

3 實驗結果分析

以下為該接收系統(tǒng)的噪聲系數(shù)計算和測量的仿真與實驗驗證，其中，ADS仿真實驗如圖3所示，實驗測量系統(tǒng)如圖4所示。

圖3 實驗ADS仿真框圖

圖4 實驗測量系統(tǒng)

為了說明實驗系統(tǒng)圖2a)與實際接收系統(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)計算得到的增益以及噪聲系數(shù)與在ADS里仿真的結果進行比較。

表1 圖2a)計算結果與圖1b)(Lg=0)仿真結果對比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Lg=0 dB時，在衰減量為0(即不加衰減)，衰減量相同和不同情況下，實驗系統(tǒng)圖2a)與實際接收系統(tǒng)圖1b)是完全等效的。為了進一步說明此結論，接下來取Lg=0.4 dB,即實驗系統(tǒng)的功分器具有固有插損，實際上，也不可能將功分器做到完全沒有固有插損，系統(tǒng)的其他參數(shù)不變。首先計算在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，實際接收系統(tǒng)圖1b)的噪聲系數(shù)與增益；然后，在ADS里仿真圖2a)實驗系統(tǒng)；最后，搭建實驗系統(tǒng)進行測量。仿真原理圖如圖3所示。

在圖3中，因為實際相控陣接收系統(tǒng)圖1b)每條支路接收到的信號相位不同，經(jīng)過移相器的調整之后，各支路信號到達合路器輸入口時是同相的，在圖2a)實驗系統(tǒng)中，信號經(jīng)過功分器之后是同相的，因為為了和圖1b)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為實驗測量系統(tǒng),采用噪聲系數(shù)測量儀直接進行二端口網(wǎng)絡的測量。

表2 噪聲系數(shù)計算圖1b)與測量結果圖2a) dB

衰減量L3m噪聲系數(shù)計算仿真測量增益計算仿真測量[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

對圖1b)的計算以及對圖2a)的仿真與測量結果如表2所示。從表2可以看出，噪聲系數(shù)的仿真結果比計算結果大0.4 dB，而增益卻比計算結果小0.4 dB，這是因為仿真系統(tǒng)前接有歐姆損耗為0.4 dB的功分器，而實際相控陣接收網(wǎng)絡的噪聲系數(shù)和增益計算是不含有功分器的。對于測量結果，基本與仿真結果吻合，但是也有些許差異，那是因為噪聲系數(shù)測量儀測量時本身存在0.15 dB～0.2 dB的誤差。由此，我們可以得出，本文對于噪聲系數(shù)的計算與測量方法是可行的。

4 結束語

對于相控陣雷達接收系統(tǒng)，本文提出用等效的辦法將多端口網(wǎng)絡轉化成一個二端口網(wǎng)絡，求得網(wǎng)絡的等效增益，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，進而求得多端口接收系統(tǒng)的噪聲系數(shù)。同時提出用仿真和實驗對相控陣接收系統(tǒng)進行等效驗證測量的辦法，仿真和實驗結果表明本文所提出的噪聲系數(shù)計算與測量方法是正確可行的。

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李維梅 女，1986年生，博士。研究方向為GEO SAR射頻收發(fā)系統(tǒng)關鍵技術。

劉 波 男，1963年生，研究員，博士生導師。研究方向為衛(wèi)星有效載荷系統(tǒng)。

王旭艷 女，1979年生，博士。研究方向為合成孔徑聲納信號處理。

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·

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