微波接收机系统的主要性能指标分析

袁 洋 孟 清

（中国电子科技集团公司第十四研究所 江苏·南京 210000）

微波接收机是在发射机将载有信息的信号调制到射频载波后，再通过解调经过调制的信号，在充满噪声的空中信道中将非常微弱的接收信号提取出来，保证信号具有足够信噪比的同时，确保高速、精准。微波接收机，本质上是一个完整的系统，系统设计过程中，设计师既要兼顾总体性能，针对各电路模块的线性度、功耗、噪音系数以及增益等进行系统的考虑，又要协调好各个电路模块，不断地修正和完善微波接收机系统的原理与结构，从而有效地发挥微波遥感的作用，在充满噪声的空中信道中快速、精准地传输信息。想要有效地接收信号、快速精准地处理信号，微波接收机的性能就格外重要，其中信号带宽以及频谱会直接影响射频收发模块的结构与电路模块，系统设计时，必须要保证微波接收机具有优良的线性度、较高的灵敏度、功率控制达标。

1 微波接收机系统的性能指标分析价值

微波接收机是在无线传输换环境之中接收微弱的信号，所接收到的都是经过调制的信号。无论是接收环境，还是信号处理，都对微波接收机的各项性能有着较高的要求，既要保证有足够的信噪比，又要具有较高的灵敏度，能将微弱的微波信号从无线传输环境中提取出来。从接收机系统原理框图来看，微波信号机是一个完整的系统，其功能是接收信号后，对信号进行调制，整个系统主要由射频滤波器、低噪声放大器以及中频滤波器、本振滤波器、混频器、基带组成，信号调制过程中，信号带宽以及频谱会直接影响射频收发模块的结构和电路模块的设计，信号的损耗、衰弱以及信号幅度起伏，与微波接收机的线性度、灵敏度密切相关。由于微波接收机具有多径效应、路径损耗、时变性等特点，导致噪声和干扰无处不在。基于无线传输环境的特殊性，在射频收发模块的结构和电路模块设计过程中，既要考虑到信号带宽和频谱，修正与完善微波接收机系统，又要兼顾微波接收机的性能，针对微波接收机的总体性能协调好各级电路模块以及射频收发模块，以保证微波接收机的线性度、灵敏度、功耗、噪音系数以及增益等性能达标，使得信号幅度能在大范围内起伏，有足够的信噪比。

鉴于此，对微波接收机的主要性能指标展开分析，其目的在于围绕这些性能指标，建立起微波接收机系统模型，对微波信号接收、调解处理进行分析，包括了括线性度、灵敏度等，将各个性能指标与实际应用下的技术要求进行对比，从而不断地修正、完善微波接收机系统，并将研究成果作为技术储备，为微波接收机系统设计工程师提供参考。

2 对微波接收机主要性能指标的分析

微波接收机的性能指标，包含了噪声系数、灵敏度、动态范围、通频带、最大增益、选择性，对这些性能指标展开分析，是针对这些指标对微波接收机系统的信号接收、信号调解的影响，探究如何确保微波接收机的各项性能达到指标要求。以下是对噪声系数、灵敏度、动态范围、通频带、最大增益、选择性，这六个主要性能指标的具体分析内容：

（1）噪音系数。噪音对于任何电子系统而言，都具有较大的影响，特别是噪声与干扰。微波接收机的噪音会掩盖微弱的信号，从而影响微波接收机对微弱信号的侦测能力，也就是会影响微波接收机的极限灵敏度。大体上，微波接收机的噪音主要来源于两个方面：一是外部噪音，指的是无线信号传输的背景噪音，包含了天空噪音、地球噪音以及人工噪音等；二是微波接收机自身产生的噪音，如放大器、滤波器以及检波器等各种元件产生的噪音。内部的噪音会直接影响微波接收机检测的最小信号，意味着微波接收机只能检测到大于内部噪声强度的信号，这也是衡量微波接收机信号接收性能好坏的关键指标——信噪比。信噪比，指的是信号功率与噪声功率之比，信噪比越大则越容易检测好信号。在二端口网络研究中，明确通过网络传输信号上的噪声数量，尤为重要，而代表这种特性的重要参数是噪声系数，是定量描述一个元件或是系统所产生噪声程度的指数。微波接收机系统的噪声系数受多种因素的影响，常见的有电路损耗、放大倍数以及偏压，其公式为：

NF=输入端信噪功率比/输出端信噪功率比，其常用单位为分贝（dB），想要降低整个微波接收系统的噪声系数，就要先从第一级网络的噪声系数与增益入手，第一级的噪声系数越小、增益越高，则后面的噪音系数对整个系统就不会产生太大的影响。

（2）灵敏度。此指标，主要是衡量微波接收机接收与检测微弱信号的能力，通常情况下，微波接收机的灵敏度越高，则检测出微弱信号的能力就越强，这项技术指标的定义是，在给定要求的输出信噪比条件下，接收机在多微弱的信号功率点评下能工作的情况，即检测到的最低输入信号电平。这也意味着，当接收到的信号能达到一个最小的信号电平，微波接收机就能正常工作，并进行预期的输出。然而，微波接收机的灵敏度并不是基本量，有着给定噪声功率的前提，在衡量微波接收机信号检测能力时，需要依赖其他参数才能确定，如信纳比、中频带宽、信号调制，以下是描述灵敏度与这些参数关系的公式：

图1：微波接收机系统框架图

其中，S是灵敏度，NF是噪音系数，B是中频带宽，Ksn是信纳比，Km是调制函数。根据公式可以发现，想要提高灵敏度，就要降低噪音系数以及减小中频带宽。不过，由于在宽带微波接收机中，灵敏度是频率的函数，并不是一个常数，正常情况下会有最高灵敏度与最低灵敏度连个指标，但两个指标不能相差太多，否则过高的频带内灵敏度欺负也会影响微波接收机的整体性能。

（3）动态范围。微波接收机的动态范围，是可检测的最小信号与失真允许下接收到最大信号之间的范围。一般情况下，微波接收机的动态范围下限，也就是最小信号，会受限于噪音系数，与整个系统的要求与状态也有一定关系，而动态范围的上限，即最大信号，则与器件的非线性指标和自动增益放大器控制范围有关，一旦输入信号过大就会出现信号失真，此时信噪比会下降。因此，当输入功率小于动态范围下限，则噪声会占据主导地位，当输入功率超过动态范围的上限，则输出就会达到饱和状态。设计射频与微波电路时，微波接收机的动态范围是主要依据，正常情况下，会将动态范围定义为最小检测信号的MDS到1dB压缩点之间的功率范围，而1dB压缩点则指的是输出功率与线性时相比较小了1dB，或是转换时损耗增加了1dB的点，如此一来就能得到动态范围的表达式，如下：

（4）通频带。微波接收机接收到的已调波，本质上是一个频带信号。正是由于已调波频谱中的主要成分中带宽占据一定比例，想要使得频带信号能在信号无失真的情况下，通过微波接收机并进行调制，就要保证微波接收机具有足够的工作频带宽度，而这个工作频带宽度就是通频带。正常情况下，若是通频带过宽，信号的主要频谱成分，就能在无失真的情况下通过接收机，只是会出现较多的噪声，若是频带宽过窄，噪声就会降低，但也会损失有用的信号频谱成分。这就意味着，在设计微波接收机系统时，设计师需基于通带的幅频衰减特性以及微波接收机所接收的已调波频带宽度，合理地选择频带宽。

（5）最大增益。微波遥感技术中，微波信号的发送与接收，与微波信号经馈线以及分路系统有关。一般情况下，天线收到的微波信号会通过微波信号经馈线和分路系统，输送到微波接收机。由于信号的衰变，接收机的输入电平处于持续变动的状态，随时随地都在变化，要保证解调器正常用作，就要确保微波接收机的输入电平能达到放输出应达到的要求。然而，由于微波接收机的输入端信号比较微弱，接收机输入与输出电平就会产生一定差距，这个差距指的就是最大增益。设计微波接收机系统时，设计师要保证整个增益值，也就是输出与输入的电平差会合理地分配到微波接收机的低噪声放大器以及前置中放和主中放等各级放大器中，均衡增益的分布，以确保接收机的主中放与前置中放输出都能达到所要求的电平。

（6）选择性。接收机的选择性，是每个波道在接收信号的过程中，倾向于接收本波道的信号，体现在其对邻近波道的干扰与本波道的收、发干扰的抑制作用上。微波接收机的选择性，与增益、频率有关，用增益—频率特征表示选择性，既要求通频带内的增益足够大，也要求通频带外的衰减越大越好，尽可能地降低通带与阻带之间的过渡区宽度。

3 结语

微波接收机是微波遥感的信号接收仪器，学者们一直以来都在不断地完善与修正其原理与结构，尤其是近些年来随着遥感技术的快速发展、广泛应用，提高微波接收机的性能、优化其结构，对微波通信信号的接收与处理具有关键性的影响。针对微波接收机中常见的性能指标展开分析，有助于系统设计师对微波接收机的功能、结构、电路模块做出明确的判断与调整，以确保微波接收机具有优良的线性度以及较高的灵敏度。结合对性能指标的分析结果，系统设计师在系统完善与修正过程中，既要对各级电路的工作频率进行系统性的考量，也要针对微波接收机的总体性能，控制功耗以及线性度、增益等，协调好各个电路模块，以保证性能指标达到预期要求。