微波接收机的设计

微波接收机的设计

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摘要：

微波接收机通过接收被观测场景辐射的微波能量来探测目标的特性，其合理设计是微波遥感探测定量化应用的基础。本文对微波接收机的设计方案和步骤进行了论述，简要设计了一个全功率超外差型微波接收机系统。

关键词：微波接收机增益

微波接收机的基本功能就是从天线接收到的随机信号中提取出比接收机部噪声低很多的表征背景目标特性的微波辐射信号。微波接收机必须保证系统的频率、带宽、测温灵敏度、积分时间、线性相关系数和增益稳定度等参数，因此接收机的精心设计和研制是保证整机性能指标实现的一大关键。

接收机的功能有：

①把从天线传入的微弱信号放大转换为A/D采样器所需的电平。

②把目标信号从噪声和干扰信号中滤出。

③将天线接收的射频信号下变频，降低A/D的采样频率。

④AGC控制。

一、接收机关键参数的确定

1.接收机量化噪声、量化信噪比及最大最小增益的计算

接收机的输入信号有很大的动态围，确定接收机的放大倍数时，通常会

放大接收机的增益，将最小的输入信号也能足够放大，而在大信号输入时，利用可变衰减器可以降低增益。接收机的最大增益取决于最小输入信号，等效噪声输入功率和A/D的量化噪声性能。

对于一个幅度与最大电平匹配的正弦波，电压在负载上的时间平均功率是，也就是A/D的最大允许输入功率，即放大器的最大输出功率。

量化噪声是实际信号值和量化噪声值之间的误差，是一个分层电平之间随机的值，平均量化噪声功率为：

其中，为A/D的分辨率。

假定输入A/D的信号中没有噪声，最大信号是，这时的量化信噪比最大，可表示为

用分贝表示为

可见量化信噪比可以通过提高来改善。对于位的A/D量化信噪比约为。

当输入信号小时，量化信噪比也相应减小，对于最小信号输入的情况，量化信噪比也最小，可表示为

因为有

因此可以确定接收机最大增益了。可分两种情况来确定：

情况一：接收机输入端最小信号（）小于等效输入噪声（）这种情况下，如果为了提高A/D的量化信噪比而提高接收机增益，就会使接收机的输出噪声功率增大，超过A/D的动态围。所以，确定接收机最大增益的原则是：接收机的噪声输出电平（）比A/D的最大允许输入电平小3，这样就可以得到

写成分贝的形式就有

对最小输入信号，接收机的输出就是，若按计算的量化信噪比达不到，就需要加大A/D的位数来减小量化电平，提高量化信噪比。

情况二：接收机输入端最小信号（）大于等效输入噪声的情况。这种情况下，可以大一些以保证信号经过A/D之后有足够高的量化信噪比，一般达到就可以了。根据式可得

确定接收机最小增益的原则就是将接收机的最大输入信号放大到A/D的最大允许输入电平，写成分贝的形式就是

2.接收机的一般结构

接收机的一般结构如图1所示。可主要分为三级：

①LNA（低噪声放大器）级：决定系统的噪声性能。

②MIX（混频器）级：数控衰减器的作用是在大信号输入时进行衰

减，降低系统的增益，防止后级饱和。

③IF（中频）级：二次变频的作用是防止在同一频率上增益太高，

放大器可能自激，导致系统不能稳定工作，当系统总增益小于时，一次变频就可以了。

图1 接收机的一般结构

3.滤波器的考虑

①射频滤波可以放在LNA的前面，主要作用是滤除杂波和干扰信号。一般

来说滤波带宽比信号带宽宽得多，这样也容易研制。

②紧跟在LNA后面的滤波器主要是滤除镜像频率，一般带宽也可以比信号

带宽宽很多，利于研制。

③中频频率也就是混频器以后的滤波器的作用是抑制混频器产生的多种不

需要的变频频率分量。频带比较窄，与信号的频带相匹配，因此也滤除

了信号频带外的噪声。系统噪声带宽由它决定。

4.接收机噪声系数和噪声温度

噪声系数是表征一个部件（如放大器、混频器、传输线或整个接收机）部噪声大小的一个物理量。当一个噪声通过一个部件或系统时，由于该部件或系统本身存在噪声，使得该部件输出端口的信噪比相对输入端口有所下降，部件的噪声系数定义为输入端口的信噪比与输出端口信噪比之比：

一个有噪声的部件可以等效为一个无噪声的部件，并把它的噪声折合到输入端，其等效的输入噪声温度为，可以推出部件的噪声系数的大小与信号的功率无关，即。

由于的定义与有关，这样就不能唯一地表示部件的噪声特性，所以一般规定。

和都是表征部件噪声特性的量，二者是等效的。

5.频率综合器

晶振和频率综合器包括一个高稳定的晶体振荡器，其频率稳定度由系统的性能能要求决定，还包括一系列的倍频和分频电路，产生收、发系统所需的各种频率成分，这些频率都是相干的。它们都来自一个源头，即高稳晶振，

都有相同的频率稳定度。这样的接收机也称为相干接收机。

6.I/O正交解调器

信息调制在载波上是为了信号传播的需要。载波并不含有信息量，所以可以通过相干混频器把信号的载波频率混掉。相当于把信号频率的中心频率搬到零频，这样信号的频带就缩小一半，就降低了对A/D的要求。但信号的频谱就出现了负频率，必须用I/O正交解调器来解调这个信号。

如果一个窄带信号可表示为：

中包含了信号的全部信息量。

通过低通滤波器取出，滤出高次项，从而得到：

实现正交解调的条件是本地要有一个相干信号。正交解调也可直接将中频信号采样后，在数字域进行。

二、接收机设计步骤

①根据系统参数计算接收机的最大输入信号功率，最小输入信号功率

，等效噪声输入功率。

②根据A/D的最大允许输入电平计算接收机的最小总增益：