用于氣象雷達(dá)接收系統(tǒng)低噪聲放大器的設(shè)計(jì)與實(shí)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(cè)過(guò)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(cè)效率，提升氣象觀測(cè)的準(zhǔn)確率，對(duì)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(jì)手段耗費(fèi)較高、效果較差。因此對(duì)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(jì)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(jì)與實(shí)現(xiàn)

中圖分類(lèi)號(hào)：TP279? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? DOI：10.11974/nyyjs.20181233212

近年來(lái)，科技的發(fā)展對(duì)氣象雷達(dá)接收系統(tǒng)起到了極大的促進(jìn)作用。對(duì)氣象服務(wù)質(zhì)量要求的提高使得對(duì)氣象雷達(dá)接收系統(tǒng)低噪聲放大器的各項(xiàng)要求都有了很大提升。因此，必須設(shè)計(jì)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(jì)與實(shí)現(xiàn)進(jìn)行研究。

1? ? ?現(xiàn)階段寬帶放大器種類(lèi)簡(jiǎn)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(lèi)之一，工作原理是通過(guò)在可以產(chǎn)生場(chǎng)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(hào)在頻帶中通過(guò)來(lái)回的進(jìn)行反饋獲得多次增益，以實(shí)現(xiàn)其放大的目的。通過(guò)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(shí)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(hào)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(diǎn)是在接受信號(hào)以后，通過(guò)有效增益可以獲得較好的放大信號(hào)波形。譜帶中的增益平緩性較好，在對(duì)輸入信號(hào)和輸出信號(hào)進(jìn)行匹配過(guò)程中也可以獲得較好的效果。這種信號(hào)放大器最初在進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)為了獲得較好的增益后，使譜帶平緩度，但是在實(shí)際工作中發(fā)現(xiàn)由于對(duì)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(jì)時(shí)對(duì)原始的低噪聲放大器進(jìn)行了一定的改進(jìn)，通過(guò)對(duì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)以及元器件進(jìn)行相應(yīng)的替換，實(shí)現(xiàn)輸入輸出信號(hào)匹配性能的提高。內(nèi)部設(shè)計(jì)摒棄了原始的微帶線，采用電容、電感作為電路元件，通過(guò)這種改進(jìn)可以有效提高其輸入輸出信號(hào)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(jì)過(guò)程中加入了簡(jiǎn)單的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，通過(guò)進(jìn)行簡(jiǎn)單的拓?fù)溆?jì)算可以有效對(duì)較寬頻域的譜帶信號(hào)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(hào)接收系統(tǒng)中較為熱門(mén)的放大器種類(lèi)。

1.5? ? ?平衡式寬頻放大器

平衡和寬頻放大器的主要特點(diǎn)是輸入輸出配型性較好，可以有效滿足低噪聲放大器對(duì)增益平坦度的要求，對(duì)接收信號(hào)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(shí)際制造過(guò)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(jì)時(shí)選用的總體設(shè)計(jì)思路是平衡式放大器的設(shè)計(jì)思路，通過(guò)進(jìn)行相應(yīng)的優(yōu)化以克服其原有的缺點(diǎn)，保留其優(yōu)良性能，實(shí)現(xiàn)其體積及制造工藝的簡(jiǎn)化。

2? ? ?新型低噪聲放大器的設(shè)計(jì)與實(shí)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(duì)晶體管的要求較高。依據(jù)氣象雷達(dá)在信息接收過(guò)程中的特點(diǎn)以及不同晶體管的性能可以發(fā)現(xiàn)，MGF4941AL型晶體管所能測(cè)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(cè)過(guò)程中的需求，只需要進(jìn)行一次信號(hào)放大就可以進(jìn)行監(jiān)測(cè)，因此較為合適。

2.2? ? ?耦合器的設(shè)計(jì)

在該放大器中，選擇采用3dB耦合器。在整個(gè)放大器設(shè)計(jì)過(guò)程中，耦合器作為中心部分，是設(shè)計(jì)的難點(diǎn)也是設(shè)計(jì)的重點(diǎn)。設(shè)計(jì)要求耦合器可以很好地在信號(hào)響應(yīng)以后的范圍內(nèi)實(shí)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(jì)以后實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中的要求較高，原有的雙枝放大器已經(jīng)無(wú)法滿足需求，因此在本次設(shè)計(jì)中選擇采用多枝節(jié)耦合器以實(shí)現(xiàn)平衡放大。通過(guò)嘗試以及對(duì)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(guò)對(duì)現(xiàn)階段氣象雷達(dá)信號(hào)接收系統(tǒng)中較為常見(jiàn)的低噪聲放大器的種類(lèi)及其特點(diǎn)進(jìn)行介紹，對(duì)新型低噪音放大器的設(shè)計(jì)要點(diǎn)進(jìn)行介紹可知，傳統(tǒng)氣象雷達(dá)的各種性能已經(jīng)無(wú)法滿足現(xiàn)階段進(jìn)行氣象觀測(cè)過(guò)程中的各種需求，只有通過(guò)不斷改進(jìn)技術(shù)，提高設(shè)備性能，改善觀測(cè)條件，才能真正實(shí)現(xiàn)氣象雷達(dá)對(duì)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(jì)[J].合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2014（10）：1510-1513.

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