(中國西南電子技術(shù)研究所,成都 610036)

1 引 言

在檢測微弱信號時(shí)，為了提高系統(tǒng)的接收靈敏度，往往在接收機(jī)前端加低噪聲放大器以減小整個(gè)系統(tǒng)的噪聲系數(shù)，尤其是接收靈敏度較高的接收系統(tǒng)，對前級的噪聲系數(shù)要求更高。目前，多路合成式接收機(jī)已越來越多地應(yīng)用于雷達(dá)和導(dǎo)彈系統(tǒng)中[1]，在各路輸入端陣列天線的性能及接收到的信號幅度一致情況下，影響系統(tǒng)噪聲系數(shù)的因素在文獻(xiàn)[1]中已進(jìn)行了定性分析。在某設(shè)備的應(yīng)用中，為了在不同的姿態(tài)中均能接收到信號，在其頭、尾部均裝有相差45°角的兩接收天線，工作時(shí)兩天線接收到的信號幅度差別大，主通路為天線信號強(qiáng)的一路，此時(shí)得出的結(jié)論是不一樣的。同時(shí)，前期設(shè)計(jì)出來的產(chǎn)品在進(jìn)行噪聲系數(shù)測試時(shí)發(fā)現(xiàn)，即使是完全對稱的設(shè)計(jì)，同一套兩端的噪聲系數(shù)大小不同，甚至有時(shí)無法體現(xiàn)噪聲系數(shù)的特性；不同套間的噪聲大小也有差異。本文針對應(yīng)用于某設(shè)備中的兩路合成式低噪聲放大器，分析討論了兩路放大器的增益不一致性以及輸入兩端信號幅度不一致時(shí)對噪聲系數(shù)的影響。

2 增益對噪聲系數(shù)影響的理論分析

兩路低噪聲放大器合成式系統(tǒng)，其噪聲系數(shù)的計(jì)算公式為[2]

(1)

式中，ΔNi為放大器內(nèi)部噪聲，Gi為放大器的增益，Si為輸入信號功率，So為輸出信號功率，Ni為輸入噪聲功率。

式(1)表明，合成后的噪聲與兩路放大器的輸入信號功率、輸入噪聲功率、放大器的增益及放大器的內(nèi)部噪聲有關(guān)。一般情況下，兩路放大器的器件是同一型號的，為方便計(jì)算，視ΔN=ΔN1=ΔN2。

2.1 增益不一致對噪聲系數(shù)測試的影響

以第二支路輸入端接負(fù)載到地，測試第一支路輸出噪聲系數(shù)為例，此時(shí)的輸入端信噪比只有Si1/Ni1一項(xiàng)，式(1)可寫成：

(2)

令G2=αG1，則式(2)可表示為

F=1+α+2ΔN/NiG1

(3)

再令α=1+Δ，χ=ΔN/NiG1，則式(3)可寫成

F=2(1+χ)+Δ

(4)

當(dāng)Δ=0，式(3)可寫為

F=2(1+χ)=3+10 lg (1+χ)(dB)

(5)

式(5)表示第一支路噪聲系數(shù)比單路放大器噪聲系數(shù)大3 dB，10 lgF-3，即為第一支路的輸出噪聲系數(shù)。

以0.5 dB的單路放大器的噪聲系數(shù)為例，當(dāng)測試出來的噪聲系數(shù)惡化±0.1 dB時(shí)，代入式(4)，計(jì)算出Δ≈±0.05，即第二路增益在第一路增益基礎(chǔ)上變化±5%時(shí)，噪聲系數(shù)惡化±0.1 dB。

2.2 輸入端均接天線時(shí)，增益不一致對噪聲系數(shù)的影響

為方便分析，視兩天線的性能完全一致，即Ni=Ni1=Ni2，令G2=αG1,Si2=βSi1，代入式(1)得：

(6)

當(dāng)α=1時(shí)，代入式(6)，此時(shí)噪聲系數(shù)與輸入信號幅度無關(guān)。

當(dāng)α≠1時(shí)，式(6)可寫成

(7)

合成輸出噪聲系數(shù)大小與α、β相關(guān)。

同樣，以0.5 dB的單路放大器的噪聲系數(shù)為例計(jì)算。當(dāng)β=1，即兩支路輸入端天線接收到的信號幅度一致時(shí)，可計(jì)算出±0.1 dB噪聲系數(shù)偏差時(shí)第二路增益在第一路增益基礎(chǔ)上變化±52%左右，也就是說此時(shí)噪聲系數(shù)對兩路增益的一致性要求不高，可高達(dá)3 dB的偏差；當(dāng)β=0.01，即第二支路天線接收到的信號幅度比第一支路天線接收到的信號幅度小20 dB時(shí)，可計(jì)算出±0.1 dB噪聲系數(shù)偏差時(shí)，第二路增益在第一路增益基礎(chǔ)上變化±5%左右，即表明信號幅度差20 dB以上時(shí)，噪聲系數(shù)等效2.1節(jié)的分析。

3 兩路合成式噪聲系數(shù)的ADS分析

上面理論分析了增益對測試及實(shí)際使用對輸出噪聲系數(shù)的影響。為了和理論計(jì)算進(jìn)行比較，仿真時(shí)所選用的器件均視為理想狀態(tài)。下面只通過ADS仿真軟件驗(yàn)證在測試試驗(yàn)情況下兩路放大器的增益變化對輸出噪聲系數(shù)的影響。

采用兩路增益為26 dB、噪聲系數(shù)為0.5 dB、輸入輸出駐波為理想狀態(tài)下的放大器(LNA1和LNA2)及理想狀態(tài)下的兩路等功分器組成的電路模型，通過改變輸入端的狀態(tài)及放大器部分參數(shù)，利用ADS仿真軟件，觀察其對噪聲系數(shù)的影響，具體結(jié)果如圖1和圖2所示。

圖1 一路接負(fù)載時(shí)的噪聲系數(shù)仿真結(jié)果Fig.1 Simulation result of the noise figure when a channel is connected with load

LNA1接源、LNA2接負(fù)載到地，得到第一支路輸出噪聲系數(shù)大小如圖1(a)所示，噪聲系數(shù)為3.56 dB，即表示第一支路輸出噪聲系數(shù)為0.56 dB。把LNA2的增益減小到24 dB，其它條件不變，得到第一支路輸出噪聲系數(shù)如圖1(b)所示，噪聲系數(shù)為2.66 dB，小于3，表示此情況下第一支路的輸出噪聲系數(shù)為-0.34 dB，結(jié)果為負(fù)數(shù)，已經(jīng)不能準(zhǔn)確反應(yīng)第一支路的實(shí)際輸出噪聲系數(shù)。把LNA2的增益增加到28 dB，其它條件不變，仿真得到第一支路的輸出噪聲系數(shù)如圖1(c)所示，噪聲系數(shù)增大到4.56 dB，第一支路輸出噪聲系數(shù)為1.56 dB，而此值也不能準(zhǔn)確地反應(yīng)第一支路的實(shí)際輸出噪聲系數(shù)值。

圖2 改變第二支路的增益和輸出駐波對噪聲系數(shù)的影響Fig.2 The effect of changing the second channel’s gain and output standing wave on the noise figure

如果第一支路放大器增益不變，第二支路放大器的增益變?yōu)?5.8 dB，結(jié)果如圖2(a)所示、合成后輸出噪聲系數(shù)為3.46 dB；如果第一支路放大器增益不變，第二支路放大器的增益變?yōu)?6.2 dB，結(jié)果如圖2(b)所示，合成后輸出噪聲系數(shù)為3.66 dB；如果兩支路放大器的增益均不變，把第二支路的輸出駐波由1改為1.5，則結(jié)果如圖2(c)所示，合成后輸出噪聲系數(shù)為3.66 dB。以上3種情況下，輸出噪聲系數(shù)均惡化0.1 dB，所以，兩路放大器的增益不一致性控制在±0.2 dB(5%)左右，兩路放大器的輸出駐波差別較小時(shí)，可以將合成后的輸出噪聲系數(shù)誤差控制在±0.1 dB以內(nèi)。

4 工程應(yīng)用設(shè)計(jì)

某設(shè)備中要求設(shè)計(jì)兩路合成式低噪聲放大器，其技術(shù)指標(biāo)要求：增益為(23±2)dB；噪聲系數(shù)小于2 dB；輸入輸出駐波小于2。

圖3 電路圖與仿真實(shí)測結(jié)果Fig.3 Circuit diagram and the simulation measurement results

電路實(shí)現(xiàn)：低噪聲放大器選用的是WANTCOM公司的WHM14-3020AE，其噪聲系數(shù)為0.5 dB，增益為31 dB，駐波為1.22；等功率合成器采用微帶結(jié)構(gòu)。微帶片選用的是介電常數(shù)為9.2、厚度為1 mm的軟基片TMM10。電路布局應(yīng)考慮：功率合成器前的兩路放大器電路成對稱結(jié)構(gòu)，在放大器與功率合成器間加π型衰減網(wǎng)絡(luò)以減弱兩者間的相互影響，改善放大器的輸出駐波并且調(diào)整兩路放大器輸出增益的不一致。在功率合成器之后加π型衰減網(wǎng)絡(luò)改善輸出駐波。圖3為第一支路接源，第二支路接負(fù)載到地情況下的仿真與實(shí)測結(jié)果，實(shí)線為仿真值，虛線為實(shí)測值。噪聲系數(shù)采用安捷倫公司的噪聲測試儀N9875A及噪聲源N4000A測試得到，而輸入輸出駐波及增益利用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀MS4623B測試得到。由圖可見，實(shí)測結(jié)果與仿真值相吻合。

5 結(jié) 論

結(jié)合理論分析計(jì)算與ADS分析仿真[3]，確定了兩路放大器的增益誤差控制在±5%左右，對測試或接兩路天線接收信號幅度差20 dB以上時(shí)的噪聲系數(shù)誤差可控制在±0.1 dB以內(nèi)，并得以驗(yàn)證，可為系統(tǒng)確定合成式低噪聲放大器的技術(shù)指標(biāo)的具體要求提供指導(dǎo)。

參考文獻(xiàn)：

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