微波接收机的设计

2H10673
当正向压降大于
，检波管进入线性区，因此要使检波器工作在平方律范围，
必须保证正向压降小于
。
总结
微波接收机是各种微波遥感系统的核心组成部分。微波探测仪器能否获取高精度 的探测资料，得到定量化的应用，主要取决于微波接收机的设计是否合理。在设 计微波接收机时，应根据实际的需求分析，选择好技术输入条件，通过对关键项 目的分析论证，保证接收机系统能够实现预期的目标，提高探测精度，从而满足
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。
的中频频率应和信号的带宽相适应。采用正交解调方式时本振频率和信号的载波
频率完全相同（相干）。
画系统框图，计算链路中各级放大器的输入、输出电平，确定各级放大器的动态
范围。如果要求放大器的动态范围太大，则应重新分配链路增益。
超外差式接收机设计
超外差式接收机电路上实现方便，增益稳定，具有抗干扰性。本方案选用全功率 超外差型接收机。采用加置低噪声放大器、共本振单边带方式，可以降低噪声系 数，消除本振及其谐波对另一极化接受通道的干扰。设置步进增益控制，当接收 机输出超过某一设定的范围时，改变增益控制电压，调整接收机输出，从而保证 接收机在长期工作时的输出电压不会超出要求的范围。 系统把从天线馈源进入的信号，经接收机输入端的低噪声放大器放大，与本振进 行混频，获得带宽为 、增益为 的检波前部分，其输出电压和输入功率成比例 的平方律检波器和低放积分器部分。输出电压可以与带宽 上经在积分时间 内进 行平均的输出功率建立相应关系。
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：
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）内部噪声 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
由于接收机的动态范围为 在 的环境中，所以
，可取 ，此时：
；除天线外，整个通道恒温
接收机的灵敏度计算公式：
式中：
——接收机的中频带宽；
——接收机的积分时间。
表 1 给出了接收机的噪声系数和传输线损耗及相应的各级等效噪声温度。
表 1 接收机技术参数
(常温)
(高温)
传输线损耗
增益稳定度
增益估算 接收机检波前总增益的计算公式为：
，这时的量化信噪比最大，
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 的动态范围。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
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图 1 接收机的一般结构
滤波器的考虑
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。 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。 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。
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 频信号采样后，在数字域进行。
。正交解调也可直接将中
接收机设计步骤
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 。 根据 A/D 的最大允许输入电平计算接收机的最小总增益：
图 4 反馈型 DRO 电路原理图
图 4 所示的电路中，微波功率入射到 FET 栅极，被放大的微波功率由漏极输出， 其中一部分由漏极微带线、栅极微带线和介质谐振器组成的反馈网络反馈到栅极 构成正反馈形成振荡，振荡频率取决于反馈网络的选频特性，也即介质谐振器的 谐振频率，故频率稳定度也决定于介质谐振器的频率稳定度，从而得到稳频的效 果。
中放组件的设计
根据中放频率和带宽，中频放大器选用超高频宽带集成放大器，输出滤波器采用 设计软件设计后，集成在腔体内，减少了高频滤波器的体积，其电路示意图如图 5 所示。
图 5 中放组件示意图
对中放电路中的衰减器进行增益控制，当输出电压超出要求的范围时改变接收机 增益，使输出电压调整到要求的范围内。
平方律检波器的设计
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。
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。
式中，
， 是玻尔兹曼常数，单边带时 ，双边带 。
增益计算结果见表 2。
表 2 接收机增益计算结果
900
增益分配
根据表 2 的计算结果，接收机各级增益分配见表 3。
表 3 接收机各级增益分配 20
振荡器
采用反馈型，介质谐振器放在栅极和漏极传输线之间，调试简单，一致性好，频 带宽，输出功率大，单电源供电。其电路拓扑如图 4 所示。
如果接收机输入的最小功率大于等效输入噪声功率，则由下式计算最小输入 A/D 的信号电平：
计算接收机的最大总增益
如果接收机输入的最小功率小于等效输入噪声功率，则按下式确定接收机最大增 益：
计算接收机的最小输出信号并计算最小信号经 A/D 后的量化信噪比：
如果
就可以了，如果
，则需要提高 来增加 。
根据接收机的最大总增益确定接收机的结构。如果最大总增益大于 ，则应
微波遥感的定量化应用需求。本文首先总体上对一般微波接收机系统的设计方案 进行论证分析，随后从具体实例出发，设计了一个全功率超外差型微波接收机系 统，通过前面已有论述和具体应用确定了有关器件参数范围，使得该微波接收机 系统在实际中具有较强的可行性。
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内部噪 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： 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。 把目标信号从噪声和干扰信号中滤出。 将天线接收的射频信号下变频，降低 A/D 的采样频率。 AGC 控制。
采用二次变频方案，如果最大总增益小于 ，则采用一次变频方案。
确定增益控制范围，按下式计算
增益控制一般采用数控衰减器，控制精度 ，控制信号由数据处理器提供。
放大链路的增益分配
低噪放的增益一般为
之间，其余增益在混频器以后的第一中放和第二
中放提供，数控衰减器放在第一混频以后的中间，衰减最小时接收机的增益最大，
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
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： LNA（低噪声放大器）级：决定系统的噪声性能。 MIX（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。 IF（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。
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 可表示为
平方律检波器是把功率转换成电压的关键电路，平方律的实现主要取决于检波管
本身的性能和工作范围的选取。采用低势垒肖特基检波二极管作核心器件，辅以
外围电路构成平方律检波器。检波二极管在零偏置条件下具有很好的平方律特性
和检波灵敏度，其典型参数见表 4。
表 4 检波二极管典型参数
检波二极管 最大正向压降 正切灵敏度 电压灵敏度 烧毁功率
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
接收机关键参数的确定
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范围，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。
当输入信号增大时，衰减器起控，增益降低，使接收机输出不饱和，也不会超过
A/D 的最大允许输入电平。
确定各级滤波器的特性，射频滤波器频带较宽，主要功能是滤除杂波和镜像频率，
中频滤波器频带由信号带宽确定，滤除信号以外的噪声和混频器产生的杂波。
确定本振频率，一般接收机的本振频率应和发射机的上变频频率相对应。混频后
技术指标分析计算
辐射计等效表示如图 2 所示。
图 2 辐射计等效表示图
天线噪声温度：
式中： ——天线效率； ——无损天线观察到的场景的天线辐射温度；
——天线的物理温度。 传输线和接收机组合的输入噪声温度如图 3 所示：
图3
的图示
式中： ——传输线损耗因子； ——传输线物理温度；
——接收机等效噪声输入温度。则系统噪声温度：