射频仿真系统馈电网络基底噪声分析与控制∗

傅亦源 康跃然 肖本龙 牛凤梁

（中国洛阳电子装备试验中心 洛阳 471003）

1 引言

射频仿真技术具有真实、经济、方便、用途广等优点，在电子装备的研制、鉴定中得到越来越广泛的应用［1～3］。系统中的馈电网络是其重要组成部分［4］，主要用于将射频仿真系统模拟产生的各类射频模拟信号通过电子开关传输到相应的天线阵列辐射单元，并用I/Q器件和程控衰减器对信号相位和幅度进行精确控制，从而实现在特定角度下将各类射频模拟信号辐射到被试装备。为了保证射频仿真系统能够适应不同的被试装备，一般要求馈电网络具有高增益、宽频带的特点。

射频仿真系统馈电网络一般由大量的功率放大器、程控衰减器、IQ器件、射频电缆和电子开关组等射频器件组成。根据噪声理论可知任何电子设备都会产生基底噪声，其噪声功率大小与工作温度、工作带宽、噪声系数以及器件级数密切相关。当馈电网络产生的基底噪声过高时，会造成被试装备信号处理机饱和，妨碍了对目标信号的检测［5］，从而无法开展仿真试验。因此需要对射频仿真系统馈电网络的基底噪声进行分析，并采取相应的措施，确保馈电网络产生的基底噪声低于被试装备接收机灵敏度。

2 馈电网络基底噪声理论

按照噪声理论，射频仿真系统馈电网络的基底噪声功率可以通过以下公式计算得到：

式中，k为波耳茨曼常数，k≈1.38×10-23J/K；T0为室温（17°C）下的热力学温度，T0=290K；Bn为噪声带宽；Fa为馈电网络噪声系数；Ga为馈电网络总增益。为了准确计算出馈电网络的基底噪声功率，需要确定系统的噪声带宽，并计算馈电网络噪声系数以及通道总增益。

射频仿真系统工作带宽一般都比较宽，在其工作的全频段上都会产生基底噪声。但是在计算馈电网络的基底噪声功率时，不能采用通道本身的工作带宽作为噪声带宽，而是应该采用被试装备瞬时工作带宽作为噪声带宽［6～7］。这是因为虽然馈电网络在全频段内都有基底噪声，但是只有处于被试装备接收机瞬时带内的噪声信号才会进入被试装备接收机内，对其信号处理产生影响，而被试装备接收机瞬时带宽外的基底噪声，无法通过接收机中的滤波器［8］进入到被试装备信号处理中。

对于多级器件级联的射频通道，其通道总增益为通道中各器件增益的总和：

式中，G1、G2、…Gn为各级器件的增益。

噪声系数是馈电网络输入端信号噪声比与输出端信号噪声比的比值。根据定义，噪声系数可用下式表示［8］：

其中，Si为输入端信号功率，Ni为输入端噪声功率；So为输出端信号功率；No为输出端噪声功率。

射频仿真系统馈电网络中所用器件一般要求工作于线性区，因此其噪声系数可以采用级联电路噪声系数计算公式进行推导计算。对于n级电路级联时接收机总噪声系数为

式中，G1、G2、…Gn为各级器件的增益；F1、F2、…Fn为各级器件的噪声系数。

3 馈电网络基底噪声分析

射频仿真系统馈电网络一般由功率放大器、精控单元、粗控单元以及射频电缆组成［9］，其结构一般如图1所示。其中，精控单元主要由功分器、I/Q器件和程控衰减器组成，用于控制射频信号的幅度和相位；粗控单元主要由程控电子开关组成，用于实现信号在不同辐射单元之间的切换；通道中的各级功率放大器主要用于信号功率的补偿。

图1 馈电网络结构示意图

馈电网络中的IQ器件、程控衰减器、功分器以及程控电子开关的传输损耗在不同频率下变化不大，分析时可以认为其传输损耗为固定值。功率放大器的增益具有低频段高，高频段低的特点，增益平坦度可以控制在3dB以内，其噪声系数在不同频率上差别不大，分析时可以采用固定值。

现代射频仿真系统天线阵列规模较大［10］，在馈电网络中需要较长的射频电缆。为了准确计算射频馈电网络的增益以及噪声系数，需要确定射频电缆在不同频率上的传输损耗。射频电缆的传输损耗可以用式（5）表示：

式中，α为电缆衰减（dB/1000m），f为工作频率（MHz），ε为相对介电常数，k1、k2分别为内、外导体结构材料系数，d、D分别为内、外导体的等效直径，tgδ为绝缘的介质损耗角正切。

图2 射频电缆传输损耗与频率的关系图

由式（5）可知，射频电缆的传输损耗与信号频率有关。图2给出了某段射频电缆传输损耗理论计算结果与实测结果。从图2中可以看出射频电缆的传输损耗随频率的升高而增大。

根据各级射频器件的增益和噪声系数，利用式（1）、（2）、（4）可以计算得到通道的总增益、噪声系数以及基底噪声功率，计算结果如表1所示。从表1中可以看出，馈电网络在2GHz频点上的总增益比8GHz频点上大19.1dB，而不同频点的噪声系数相差不大。其主要原因是，通道中使用了大量的射频电缆，导致高频点上的传输损耗高于低频点；同时功率放大器在低频点的增益大于高频点的增益。而通道的噪声系数主要取决于射频链路中的前面几级器件特性，因此射频电缆的特性对噪声系数的影响较小。射频网络基底噪声功率主要受通道总增益的影响，不同频率下基底噪声功率差异为19.0dB。

表1 馈电网络基底噪声功率计算结果

4 馈电网络基底噪声控制方法

从上述分析计算结果中可以看出，射频仿真系统馈电网络的基底噪声在低频段明显高于高频段。为了仅可能降低射频仿真系统馈电网络基底噪声对被试装备的影响，设计时，需要重点降低馈电网络低频段的基底噪声功率。

图3 均衡器幅度特性实测结果

可采用的改造方法是根据馈电网络基底噪声曲线定制均衡器［11～12］，并加到馈电网络合适的位置，以减小高低频段上馈电网络基底噪声功率差异。图3是定制均衡器的幅度特性曲线测量结果，从图中可以看出均衡器传输损耗在低频段高，在高频段低。

在馈电网络上增益均衡器后，再此计算馈电网络的总增益、噪声系数以及通道噪声功率，结果如表2所示。

表2 改造后馈电网络基底噪声功率计算结果

从表2中可以看出，馈电网络总增益一致性有较大的提高，从而确保基底噪声功率一致性较好，不同频点基底噪声功率差异控制在6dB以内。

进一步采取试验测试的方法获得馈电网络基底噪声功率，其结果如图4所示。

从图4中可以看出，不同频率下的基底噪声功率差异由改造前的23.5dB减小到6.1dB。低频段的基底噪声功率明显降低了，从而可以确保整个通道基底噪声不高于被试装备的接收机灵敏度。

图4 馈电网络基底噪声实测结果

同时，从图3中可以看出，均衡器在高频段也是有固定的插入损耗，该损耗同样也会降低高频点的通道总增益，从而减小了整个射频仿真系统最大输出功率。因此在馈电网络设计时需要综合考虑，使功率放大器的增益留有余量，用于补偿均衡器高频点的插入损耗。

5 结语

本文根据噪声理论确定了影响射频仿真系统馈电网络基底噪声的三个主要因素，并提出通过增加均衡器的方法以降低基底噪声。测试结果表明，由于射频器件幅度特性的影响，导致馈电网络基底噪声功率在低频段比高频段高23.5dB；而通过增加均衡器，可以使射频仿真系统馈电网络基底噪声功率最多降低25.8dB，并且不同频点基底噪声功率的差异也可以控制在6dB左右。