射頻仿真系統饋電網絡基底噪聲分析與控制?

傅亦源 康躍然 肖本龍 牛鳳梁

（中國洛陽電子裝備試驗中心 洛陽 471003）

1 引言

射頻仿真技術具有真實、經濟、方便、用途廣等優點，在電子裝備的研制、鑒定中得到越來越廣泛的應用［1～3］。系統中的饋電網絡是其重要組成部分［4］，主要用于將射頻仿真系統模擬產生的各類射頻模擬信號通過電子開關傳輸到相應的天線陣列輻射單元，并用I/Q器件和程控衰減器對信號相位和幅度進行精確控制，從而實現在特定角度下將各類射頻模擬信號輻射到被試裝備。為了保證射頻仿真系統能夠適應不同的被試裝備，一般要求饋電網絡具有高增益、寬頻帶的特點。

射頻仿真系統饋電網絡一般由大量的功率放大器、程控衰減器、IQ器件、射頻電纜和電子開關組等射頻器件組成。根據噪聲理論可知任何電子設備都會產生基底噪聲，其噪聲功率大小與工作溫度、工作帶寬、噪聲系數以及器件級數密切相關。當饋電網絡產生的基底噪聲過高時，會造成被試裝備信號處理機飽和，妨礙了對目標信號的檢測［5］，從而無法開展仿真試驗。因此需要對射頻仿真系統饋電網絡的基底噪聲進行分析，并采取相應的措施，確保饋電網絡產生的基底噪聲低于被試裝備接收機靈敏度。

2 饋電網絡基底噪聲理論

按照噪聲理論，射頻仿真系統饋電網絡的基底噪聲功率可以通過以下公式計算得到：

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

射頻仿真系統工作帶寬一般都比較寬，在其工作的全頻段上都會產生基底噪聲。但是在計算饋電網絡的基底噪聲功率時，不能采用通道本身的工作帶寬作為噪聲帶寬，而是應該采用被試裝備瞬時工作帶寬作為噪聲帶寬［6～7］。這是因為雖然饋電網絡在全頻段內都有基底噪聲，但是只有處于被試裝備接收機瞬時帶內的噪聲信號才會進入被試裝備接收機內，對其信號處理產生影響，而被試裝備接收機瞬時帶寬外的基底噪聲，無法通過接收機中的濾波器［8］進入到被試裝備信號處理中。

對于多級器件級聯的射頻通道，其通道總增益為通道中各器件增益的總和：

式中，G1、G2、…Gn為各級器件的增益。

噪聲系數是饋電網絡輸入端信號噪聲比與輸出端信號噪聲比的比值。根據定義，噪聲系數可用下式表示［8］：

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

射頻仿真系統饋電網絡中所用器件一般要求工作于線性區，因此其噪聲系數可以采用級聯電路噪聲系數計算公式進行推導計算。對于n級電路級聯時接收機總噪聲系數為

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

3 饋電網絡基底噪聲分析

射頻仿真系統饋電網絡一般由功率放大器、精控單元、粗控單元以及射頻電纜組成［9］，其結構一般如圖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，用于控制射頻信號的幅度和相位；粗控單元主要由程控電子開關組成，用于實現信號在不同輻射單元之間的切換；通道中的各級功率放大器主要用于信號功率的補償。

圖1 饋電網絡結構示意圖

饋電網絡中的IQ器件、程控衰減器、功分器以及程控電子開關的傳輸損耗在不同頻率下變化不大，分析時可以認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，增益平坦度可以控制在3dB以內，其噪聲系數在不同頻率上差別不大，分析時可以采用固定值。

現代射頻仿真系統天線陣列規模較大［10］，在饋電網絡中需要較長的射頻電纜。為了準確計算射頻饋電網絡的增益以及噪聲系數，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為相對介電常數，k1、k2分別為內、外導體結構材料系數，d、D分別為內、外導體的等效直徑，tgδ為絕緣的介質損耗角正切。

圖2 射頻電纜傳輸損耗與頻率的關系圖

由式（5）可知，射頻電纜的傳輸損耗與信號頻率有關。圖2給出了某段射頻電纜傳輸損耗理論計算結果與實測結果。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。

根據各級射頻器件的增益和噪聲系數，利用式（1）、（2）、（4）可以計算得到通道的總增益、噪聲系數以及基底噪聲功率，計算結果如表1所示。從表1中可以看出，饋電網絡在2GHz頻點上的總增益比8GHz頻點上大19.1dB，而不同頻點的噪聲系數相差不大。其主要原因是，通道中使用了大量的射頻電纜，導致高頻點上的傳輸損耗高于低頻點；同時功率放大器在低頻點的增益大于高頻點的增益。而通道的噪聲系數主要取決于射頻鏈路中的前面幾級器件特性，因此射頻電纜的特性對噪聲系數的影響較小。射頻網絡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 饋電網絡基底噪聲功率計算結果

4 饋電網絡基底噪聲控制方法

從上述分析計算結果中可以看出，射頻仿真系統饋電網絡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饋電網絡基底噪聲對被試裝備的影響，設計時，需要重點降低饋電網絡低頻段的基底噪聲功率。

圖3 均衡器幅度特性實測結果

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

在饋電網絡上增益均衡器后，再此計算饋電網絡的總增益、噪聲系數以及通道噪聲功率，結果如表2所示。

表2 改造后饋電網絡基底噪聲功率計算結果

從表2中可以看出，饋電網絡總增益一致性有較大的提高，從而確?；自肼暪β室恢滦暂^好，不同頻點基底噪聲功率差異控制在6dB以內。

進一步采取試驗測試的方法獲得饋電網絡基底噪聲功率，其結果如圖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，從而可以確保整個通道基底噪聲不高于被試裝備的接收機靈敏度。

圖4 饋電網絡基底噪聲實測結果

同時，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，該損耗同樣也會降低高頻點的通道總增益，從而減小了整個射頻仿真系統最大輸出功率。因此在饋電網絡設計時需要綜合考慮，使功率放大器的增益留有余量，用于補償均衡器高頻點的插入損耗。

5 結語

本文根據噪聲理論確定了影響射頻仿真系統饋電網絡基底噪聲的三個主要因素，并提出通過增加均衡器的方法以降低基底噪聲。測試結果表明，由于射頻器件幅度特性的影響，導致饋電網絡基底噪聲功率在低頻段比高頻段高23.5dB；而通過增加均衡器，可以使射頻仿真系統饋電網絡基底噪聲功率最多降低25.8dB，并且不同頻點基底噪聲功率的差異也可以控制在6dB左右。