阵列系统中多端口网络噪声系数测试分析

2011-06-13郭文刚郗洪杰

无线电工程 2011年3期

郭文刚,郗洪杰

(中国电子科技集团公司第五十四研究所,河北石家庄050081)

0 引言

现代阵列系统中波束合成一般都会用到多端口网络,而对其噪声系数的测试就成为系统设计必须要考虑的一个关键问题。文献[1,2]给出了几种基于Y因子法的多端口网络的测试方法,但是其推导过程复杂,工程实现困难。因此简单准确的对阵列系统中多端口网络的噪声系数进行测试有着重要的工程意义。

1 等效模型

阵列系统的波束合成一般都会用多端口的合路器来实现。同时为了对天线接收的信号进行滤波放大,在合路器的各输入端口前会接一有源的滤波放大双端口网络,整个网络如图1所示。

设合路器有n个输入端口和1个输出端口,其损耗为L。第m个有源双端口网络等效噪声温度和增益为Tem、Gm,系统的带宽为B。

为了正确分析此多端口网络的噪声特性,将合路器等效成图2虚线框内的模型。每条支路由有耗和无耗2个二端口网络组成,其损耗分别为L,1/n。n条支路后接一理想加法器输出。阵列系统中的多端口网络模型如图2所示。

图1 多端口网络示意图

图2 多端口网络模型

2 噪声系数测试分析

2.1 n-1个输入端接负载且n个有源网络工作

对于图2所示的多端口网络,将n-1个输入端口接匹配负载,只留第m个输入端口作为输入,此时多端口网络就变成双端口网络。令n个有源双端口网络全部工作。

设输入信号为Si,则输出信号功率为So=SiGm/(nL)。计算噪声功率时设输入端口接一温度为T0的匹配噪声电阻,即网络输入噪声功率为Ni=kT0B。第m条支路在加法器输入端的噪声功率由3部分构成:

①输入端口的匹配负载产生并到达加法器输入端的噪声功率为:

②由有源双端口网络产生到达加法器的噪声功率为:

③由合路器支路的有功损耗L产生的噪声功率为:

则第m条支路在加法器输入端的噪声功率为Nom=Nom1+Nom2+Nom3。由于各支路噪声是无关的,加法器输出总噪声功率为各支路噪声功率的直接相加[3],

噪声系数为:

若有源双端口网络增益和等效噪声温度均相等,即Gm=G1,Tem=Te1,式(5)可简化为:

这大概是服务性质工作的悲哀吧，在自己的工作并无错漏的情况下，常常接受各种无理质疑；被人发泄情绪，自己的情绪却无处发泄。

中括号中即为图2所示多端口网络的噪声系数[4],其中NF1为有源双端口网络噪声系数。当G1＞＞L时,NF≈NF1,即当有源双端口网络的增益远大于合路器损耗时,待测多端口网络和有源双端口网络的噪声系数近似相等。

2.2 n-1个输入端接负载且只有1个有源网络工作

同样是将n-1个输入端口接匹配负载,只留第m个输入端口作为输入端,不同的是只有第m个有源双端口网络工作,其余均不工作。此时输入输出的信号功率不变,但输出噪声功率中由n-1个有源双端口网络贡献的噪声功率应减去:

噪声系数为:

若有源双端口网络增益和等效噪声温度均相等,即Gm=G1,Tem=Te1,式(8)可简化为:

应当注意的是:当G1＞＞nL时,以上2种测试方法的测试结果基本相同,都有NF≈NF1。当以上条件不成立时,第2种方法的测试结果需要通过换算才能得到真实的噪声系数。

2.3 待测网络前接—n分路器的噪声测试

在待测多端口网络前接一n分路器,设其损耗为L′,测试框图如图3所示。

图3 接n分路器的多端口网络测试框图

设输入信号为Si,到达分路器第m个输出口的信号功率为Sim=Si/(nL′)。第m条支路到达加法器输入口的信号功率为:

对于确知信号,加法器的输出为各支路信号功率转化成电压叠加后再计算总功率,则加法器输出信号功率为:

设分路器输入口接一温度为T0的匹配噪声电阻,则网络输入噪声功率为Ni=kT0B。计算总输出噪声功率时,可将噪声分成2个部分计算:第1部分为相关噪声,即由匹配噪声电阻产生的噪声功率,它通过整个网络的效果与信号相同。由它在合路器输出端产生的噪声功率为:

另一部分为无关噪声,其主要有3个来源:第1个来源为分路器各支路有功损耗L′产生的噪声,

第2个来源为有源双端口网络在其输入端等效的噪声功率,

第3个来源为合路器各支路有功损耗L产生的噪声,

加法器第m个输入端的无关噪声功率为:

对于各支路无关的噪声功率,加法器的输出为各支路噪声功率直接相加,即

网络的总输出噪声功率为:

噪声系数为:

若有源双端口网络增益和等效噪声温度均相等,即Gm=G1,Tem=Te1,则式(17)可简化为:

用这种方法测试出噪声系数后,只要减去分路器的损耗即是待测多端口网络噪声系数。

3 噪声系数测试结果及分析

3.1 噪声系数测试结果

为了验证上述测试方法的正确性,利用方法1和方法3分别对某20通道阵列接收网络的噪声系数进行了测试,各支路的增益和损耗近似相等。有源双端口网络的增益约为35 dB,合路器的有功损耗为2.6 dB。测试结果如表1所示。

表1 20端口网络噪声系数测试结果

3.2 测试结果分析

从测试数据可以看出,2种方法的测试效果基本相同,其细微差别应该来自各支路增益和损耗的不完全一致性。同时也对接收网络中的有源双端口网络进行了测试。测试结果如表1所示。由上节可知,当有源双端口网络的增益远远大于合路器损耗时,多端口网络的噪声系数近似等于有源双端口网络的噪声系数,这一点也可在测试结果中得到并进一步验证了以上测试方法的正确性。