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理解:雷达接收机的噪声系数和噪声温度

发布时间:2022-08-14 09:21:42 来源:乐动体育官方 作者:乐动app下载

  接收机是雷达系统中必不可少的的一部分,而接收机性能也关系到雷达的正作。接收机根据其系统架构可以分成:超外差接收机、宽带中频接收机、零中频接收机、数字中频接收机等。接收机也朝着高集成度、低功耗、射频前端的软件化、数字化发展。

  雷达接收机的射频前端主要进行的是滤波、放大、频率转换等信号处理,而固有噪声存在于整个接收机前端系统,从而对接收的雷达信号产生影响,降低了输入射频信号的信噪比。

  我们都知道,信噪比(SNR)是信号与噪声的功率比值(S/N),对于一个“理想接收机”它的输出信噪比是等于输入信噪比的。可是,现实情况并不会这么“理想”,输入信噪比(SNRin)总是要大于输出信噪比(SNRout),信噪比损失的越多,该接收机性能越差。

  对,没错,用来衡量接收机前后信噪比变化的就是今天要介绍的关键词:噪声系数。这个过程中你可能还会遇到噪声因子、噪声温度等名词。

  系统的噪声系数决定了最小可检测有用信号或者接收机的灵敏度。噪声系数的线性描述-噪声因子,是一个无单位的量,它是接收机所有的输出噪声(包括输入信号引入的噪声和接收器本身产生的噪声)和仅有输入噪声产生的输出噪声之比。

  式中,SNRin是接收机输入信噪比,SNRout是接收机输出信噪比。前面介绍说输出信噪比总是要低于输入信噪比,那么F>

  1就是“现实”,F=1这种“理想接收机”并不会出现。

  噪声系数常用dB表示,也就是求10lg(F),当你用低噪声放大器(LNA)使雷达接收机噪声系数提高1dB,这就让你的系统性能提高了10倍左右。

  假设G是接收机的额定功率增益,那么Ni*G则是“理想接收机”在输出端的额定噪声功率,实际接收机输出的噪声功率可以理解成一部分是Ni*G,另一部分则是接收机内部噪声在输出端呈现的额定噪声功率 N,那么F还可以写成:

  上面式子用到了无源二端网络输出的额定噪声功率为kT0Bn其中k为玻尔兹曼常数,T0=290K是室温下的电阻的热力学温度,Bn为设备的通带。

  假如把内部噪声看成天线电阻在温度Te时产生的热噪声,即 N=kTeBnG,这里的Te称为“等效噪声温度”或“噪声温度”,这时的接收机可以看出没有内部噪声的“理想接收机”,噪声系数可以写成:

  级联系统的噪声系数可由如下公式表征。假设在一系列放大器链路中,第一级放大器的增益是G1、噪声系数为F1,第二级放大器的的增益是G2、噪声系数为F2,第三级放大器的增益是G3、噪声系数为F3,以此类推,那么总的噪声系数F如下式所示:

  如果G1值很高,那么除了F1之外,其他项的贡献都可以忽略不计,这是一个良好设计系统追求的目标。因此,系统噪声系数很大程度上取决于接收机链路的第一级。

  顾名思义,低噪声放大器是指噪声系数很低的放大器。那么,到底有多低呢?先来看一个噪声系数和等效噪声温度的对照表:

  从该对照表可以看出F=1对应的等效温度是绝对零度,所以是“理想接收机”,等效噪声温度是常温对应的噪声系数是3.01dB。

  现代的低噪声放大器大多采用晶体管、场效应晶体管;砷化镓(GaAs)场效应晶体管低噪声微波放大器的应用已日益广泛,其噪声系数可低于2分贝。下面看两个例子:

  MAAL-011078具有高动态范围,采用的是GaAs工艺,单级LNA,频率范围在700MHz~6GHz,它在2.6 GHz时具有仅0.5 dB的超低噪声系数。常温下到6GHz噪声温度也不到1dB。

  噪声系数会随温度升高而增加,这种性能是LNA的典型特征。设计人员需要在最坏情况下对信号链性能进行建模和仿真时考虑这些变化。

  当然,做任何事情都是需要代价的,避免失真也是至关重要的,因此低噪声放大器具有线性是至关重要的。一个非常高的增益器件(大的G1)往往缺乏线性度,因此,在线性度和噪声系数之间进行权衡是接收机设计的一个重要方面。

  在有源电子扫描阵列(AESA)雷达中,通常在阵列的每个发射/接收模块中包含一个低噪声放大器,这减少或消除了在后续接收机的输入端接入低噪声放大器的需求。任何给定的阵列都有许多低噪放,在典型的机载AESA雷达中可能有1000个或更多。

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