陣列系統(tǒng)中多端口網(wǎng)絡(luò)噪聲系數(shù)測(cè)試分析

郭文剛,郗洪杰

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所,河北石家莊050081)

0 引言

現(xiàn)代陣列系統(tǒng)中波束合成一般都會(huì)用到多端口網(wǎng)絡(luò),而對(duì)其噪聲系數(shù)的測(cè)試就成為系統(tǒng)設(shè)計(jì)必須要考慮的一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題。文獻(xiàn)[1,2]給出了幾種基于Y因子法的多端口網(wǎng)絡(luò)的測(cè)試方法,但是其推導(dǎo)過(guò)程復(fù)雜,工程實(shí)現(xiàn)困難。因此簡(jiǎn)單準(zhǔn)確的對(duì)陣列系統(tǒng)中多端口網(wǎng)絡(luò)的噪聲系數(shù)進(jìn)行測(cè)試有著重要的工程意義。

1 等效模型

陣列系統(tǒng)的波束合成一般都會(huì)用多端口的合路器來(lái)實(shí)現(xiàn)。同時(shí)為了對(duì)天線接收的信號(hào)進(jìn)行濾波放大,在合路器的各輸入端口前會(huì)接一有源的濾波放大雙端口網(wǎng)絡(luò),整個(gè)網(wǎng)絡(luò)如圖1所示。

設(shè)合路器有n個(gè)輸入端口和1個(gè)輸出端口,其損耗為L(zhǎng)。第m個(gè)有源雙端口網(wǎng)絡(luò)等效噪聲溫度和增益為T(mén)em、Gm,系統(tǒng)的帶寬為B。

為了正確分析此多端口網(wǎng)絡(luò)的噪聲特性,將合路器等效成圖2虛線框內(nèi)的模型。每條支路由有耗和無(wú)耗2個(gè)二端口網(wǎng)絡(luò)組成,其損耗分別為L(zhǎng),1/n。n條支路后接一理想加法器輸出。陣列系統(tǒng)中的多端口網(wǎng)絡(luò)模型如圖2所示。

圖1 多端口網(wǎng)絡(luò)示意圖

圖2 多端口網(wǎng)絡(luò)模型

2 噪聲系數(shù)測(cè)試分析

2.1 n-1個(gè)輸入端接負(fù)載且n個(gè)有源網(wǎng)絡(luò)工作

對(duì)于圖2所示的多端口網(wǎng)絡(luò),將n-1個(gè)輸入端口接匹配負(fù)載,只留第m個(gè)輸入端口作為輸入,此時(shí)多端口網(wǎng)絡(luò)就變成雙端口網(wǎng)絡(luò)。令n個(gè)有源雙端口網(wǎng)絡(luò)全部工作。

設(shè)輸入信號(hào)為Si,則輸出信號(hào)功率為So=SiGm/(nL)。計(jì)算噪聲功率時(shí)設(shè)輸入端口接一溫度為T(mén)0的匹配噪聲電阻,即網(wǎng)絡(luò)輸入噪聲功率為Ni=kT0B。第m條支路在加法器輸入端的噪聲功率由3部分構(gòu)成:

①輸入端口的匹配負(fù)載產(chǎn)生并到達(dá)加法器輸入端的噪聲功率為:

②由有源雙端口網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生到達(dá)加法器的噪聲功率為:

③由合路器支路的有功損耗L產(chǎn)生的噪聲功率為:

則第m條支路在加法器輸入端的噪聲功率為Nom=Nom1+Nom2+Nom3。由于各支路噪聲是無(wú)關(guān)的,加法器輸出總噪聲功率為各支路噪聲功率的直接相加[3],

噪聲系數(shù)為:

若有源雙端口網(wǎng)絡(luò)增益和等效噪聲溫度均相等,即Gm=G1,Tem=Te1,式(5)可簡(jiǎn)化為:

這大概是服務(wù)性質(zhì)工作的悲哀吧，在自己的工作并無(wú)錯(cuò)漏的情況下，常常接受各種無(wú)理質(zhì)疑；被人發(fā)泄情緒，自己的情緒卻無(wú)處發(fā)泄。

中括號(hào)中即為圖2所示多端口網(wǎng)絡(luò)的噪聲系數(shù)[4],其中NF1為有源雙端口網(wǎng)絡(luò)噪聲系數(shù)。當(dāng)G1＞＞L時(shí),NF≈NF1,即當(dāng)有源雙端口網(wǎng)絡(luò)的增益遠(yuǎn)大于合路器損耗時(shí),待測(cè)多端口網(wǎng)絡(luò)和有源雙端口網(wǎng)絡(luò)的噪聲系數(shù)近似相等。

2.2 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

同樣是將n-1個(gè)輸入端口接匹配負(fù)載,只留第m個(gè)輸入端口作為輸入端,不同的是只有第m個(gè)有源雙端口網(wǎng)絡(luò)工作,其余均不工作。此時(shí)輸入輸出的信號(hào)功率不變,但輸出噪聲功率中由n-1個(gè)有源雙端口網(wǎng)絡(luò)貢獻(xiàn)的噪聲功率應(yīng)減去:

噪聲系數(shù)為:

若有源雙端口網(wǎng)絡(luò)增益和等效噪聲溫度均相等,即Gm=G1,Tem=Te1,式(8)可簡(jiǎn)化為:

應(yīng)當(dāng)注意的是:當(dāng)G1＞＞nL時(shí),以上2種測(cè)試方法的測(cè)試結(jié)果基本相同,都有NF≈NF1。當(dāng)以上條件不成立時(shí),第2種方法的測(cè)試結(jié)果需要通過(guò)換算才能得到真實(shí)的噪聲系數(shù)。

2.3 待測(cè)網(wǎng)絡(luò)前接—n分路器的噪聲測(cè)試

在待測(cè)多端口網(wǎng)絡(luò)前接一n分路器,設(shè)其損耗為L(zhǎng)′,測(cè)試框圖如圖3所示。

圖3 接n分路器的多端口網(wǎng)絡(luò)測(cè)試框圖

設(shè)輸入信號(hào)為Si,到達(dá)分路器第m個(gè)輸出口的信號(hào)功率為Sim=Si/(nL′)。第m條支路到達(dá)加法器輸入口的信號(hào)功率為:

對(duì)于確知信號(hào),加法器的輸出為各支路信號(hào)功率轉(zhuǎn)化成電壓疊加后再計(jì)算總功率,則加法器輸出信號(hào)功率為:

設(shè)分路器輸入口接一溫度為T(mén)0的匹配噪聲電阻,則網(wǎng)絡(luò)輸入噪聲功率為Ni=kT0B。計(jì)算總輸出噪聲功率時(shí),可將噪聲分成2個(gè)部分計(jì)算:第1部分為相關(guān)噪聲,即由匹配噪聲電阻產(chǎn)生的噪聲功率,它通過(guò)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的效果與信號(hào)相同。由它在合路器輸出端產(chǎn)生的噪聲功率為:

另一部分為無(wú)關(guān)噪聲,其主要有3個(gè)來(lái)源:第1個(gè)來(lái)源為分路器各支路有功損耗L′產(chǎn)生的噪聲,

第2個(gè)來(lái)源為有源雙端口網(wǎng)絡(luò)在其輸入端等效的噪聲功率,

第3個(gè)來(lái)源為合路器各支路有功損耗L產(chǎn)生的噪聲,

加法器第m個(gè)輸入端的無(wú)關(guān)噪聲功率為:

對(duì)于各支路無(wú)關(guān)的噪聲功率,加法器的輸出為各支路噪聲功率直接相加,即

網(wǎng)絡(luò)的總輸出噪聲功率為:

噪聲系數(shù)為:

若有源雙端口網(wǎng)絡(luò)增益和等效噪聲溫度均相等,即Gm=G1,Tem=Te1,則式(17)可簡(jiǎn)化為:

用這種方法測(cè)試出噪聲系數(shù)后,只要減去分路器的損耗即是待測(cè)多端口網(wǎng)絡(luò)噪聲系數(shù)。

3 噪聲系數(shù)測(cè)試結(jié)果及分析

3.1 噪聲系數(shù)測(cè)試結(jié)果

為了驗(yàn)證上述測(cè)試方法的正確性,利用方法1和方法3分別對(duì)某20通道陣列接收網(wǎng)絡(luò)的噪聲系數(shù)進(jìn)行了測(cè)試,各支路的增益和損耗近似相等。有源雙端口網(wǎng)絡(luò)的增益約為35 dB,合路器的有功損耗為2.6 dB。測(cè)試結(jié)果如表1所示。

表1 20端口網(wǎng)絡(luò)噪聲系數(shù)測(cè)試結(jié)果

3.2 測(cè)試結(jié)果分析

從測(cè)試數(shù)據(jù)可以看出,2種方法的測(cè)試效果基本相同,其細(xì)微差別應(yīng)該來(lái)自各支路增益和損耗的不完全一致性。同時(shí)也對(duì)接收網(wǎng)絡(luò)中的有源雙端口網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了測(cè)試。測(cè)試結(jié)果如表1所示。由上節(jié)可知,當(dāng)有源雙端口網(wǎng)絡(luò)的增益遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于合路器損耗時(shí),多端口網(wǎng)絡(luò)的噪聲系數(shù)近似等于有源雙端口網(wǎng)絡(luò)的噪聲系數(shù),這一點(diǎn)也可在測(cè)試結(jié)果中得到并進(jìn)一步驗(yàn)證了以上測(cè)試方法的正確性。

4 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)陣列系統(tǒng)中多端口網(wǎng)絡(luò)噪聲系數(shù)的測(cè)試問(wèn)題,研究了3種噪聲系數(shù)測(cè)試方法?；舅枷胧菍⒍喽丝诰W(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)化成雙端口網(wǎng)絡(luò),通過(guò)對(duì)信號(hào)功率、噪聲功率細(xì)致的推導(dǎo)和計(jì)算,得到多端口網(wǎng)絡(luò)噪聲系數(shù)的測(cè)試公式。最后通過(guò)試驗(yàn)測(cè)試和測(cè)試結(jié)果比較分析,驗(yàn)證了測(cè)試方法的的正確性。

[1]黃川東.相控陣?yán)走_(dá)接收系統(tǒng)有效噪聲溫度的測(cè)試[C].全國(guó)微波測(cè)量會(huì)議,2000:55-59.

[2]顧墨琳,林守遠(yuǎn).有源相控陣接收系統(tǒng)的噪聲測(cè)試[J].現(xiàn)代雷達(dá),2004,26(3):54-57.

[3]羅鵬飛,張文明.隨機(jī)信號(hào)分析與處理[M].北京:清華大學(xué)出版社,2006.

[4]於洪標(biāo).相控陣?yán)走_(dá)中多端口網(wǎng)絡(luò)的噪聲特性分析[J].微波學(xué)報(bào),2009,25(2):58-61.

[5]何其洪,藺占中.一種組合饋線的設(shè)計(jì)[J].無(wú)線電工程,2009,39(12):40-42.