（西安电子工程研究所 陕西西安 710100）
摘要：雷达接收机除了接收到有用信号外，还接收着杂乱的噪声信号，这些噪声信号严重影响雷达接收机的灵敏度。由雷达方程可知，要提高雷达的探测距离，提高雷达接收机灵敏度是一个重要捷径，但雷达接收机的极限值是受噪声功率所限制的，要想提高接收机的灵敏度，增大雷达的作用距离，就必须研究怎样降低噪声。基于此，本文主要对降低雷达接收机中噪声的几种方法进行分析探讨。
关键词：雷达接收机；噪声降低；几种方法
1、前言
雷达接收机的主要任务是将天线收到的微弱回波信号从噪声中选择出来，经过放大和解调之后传输给信号处理等设备。如果没有噪声，那么无论信号如何微弱，只要充分加以放大，信号总是可以被检测出来的。但在实际应用中不可避免的会存在噪声，它与我们所需的信号一起被放大或衰减，妨碍对信号的辨别，这些噪声信号严重影响雷达接收机的灵敏度。
2、接收机的噪声
雷达接收的噪声来源是多方面的，主要可以分为两种，即内部噪声和外部噪声。内部噪声主要由接收机中的馈线、电路中的电阻元器件、放大器、混频器等产生；外部噪声是通过天线引入的，有各种人为干扰、天线热噪声、天电干扰、宇宙干扰和工业干扰等。在一般情况下，雷达接收机噪声的主要来源于电阻热噪声、天线热噪声和接收系统的噪声。
2.1电阻热噪声
电阻热噪声是由于导体中自由电子做无规则热运动形成的。一个有一定电阻的导体，只要它的温度不是热力学绝对零度，那么有效噪声功率为Pn=kTB（1）
可以看出热噪声功率只与电阻温度和接收机的带宽有关。
2.2天线噪声
天线噪声是接收机外部进来的噪声，它包括的天线的热噪声和宇宙噪声。天线的热噪声是由天线为介质热运动产生的电磁辐射，宇宙噪声是由太阳系产生的噪声。这些噪声被雷达接收机的天线接收进入接收机后性至与电阻的热噪声相似，其电压均方值可以表示为eA=4kTARAB（2）
式（2）中TA为天线的噪声温度，RA为天线的辐射电阻。当天线的辐射电阻和接收机输入电阻匹配时，天线的有效噪声功率为PA=kTAB（3）
2.3接收机内部噪声
雷达接收机内部网络可以看成一个内阻抗为Z的无源二端传输网络，如图1所示。当这个接收机的输入阻抗Z*与噪声源内阻抗Z匹配时即Z*与Z共轭，设Pr为接收机内部噪声折合到输入端的等效噪声功率，则Pr表示可以为Pr=kTrB（4）
式（4）中，Tr为接收机内部噪声等效到输入端的噪声温度，可以看出Pr只与接收机等效噪声温度和接收机带宽有关。
3、降低接收机内部噪声的措施
通常我们用“噪声系数”来衡量内部噪声对输出信噪比的影响程度，噪声系数是接收机输入端信号噪声功率比与其输出端信号噪声功率比的比值，数学表达式为:
式中，Psi、Pni分别为接收机输入端的信号功率和噪声功率;Pso、Pno分别为接收机输出端的信号功率和噪声功率。如果接收机内部不产生噪声，那么接收机信噪比通过接收机后是不会变化的，因此F=1。由于实际接收机是存在内部噪声的，那么输入信噪比通过接收机后将要变坏，因此F>1，且F值越大，表示接收机内部噪声的影响越大。
一般雷达接收机中都有高频放大器，而且高频放大器的额定功率增益总是很大的，因而我们在考虑接收机的总噪声系数时一般只考虑高频放大器以前各级的噪声系数，而忽略其后各级噪声对总噪声系数的影响。因此，为了降低总噪声系数，一般可以采用以下的措施:
(1)高频馈线及部件。厘米波雷达的高频馈线及高频和差系统是比较复杂的，一般包括低功率极化器、数个移相器、双T和差网络、放电管、波导同轴变换器等微波器件。由于这些无源网络的额定功率传输系数都小于1，必然要产生一定的损耗，将使接收机的噪声系数增大。因此，要尽量采用损耗低的高频馈线及高频元器件，同时它们与电路的连接、匹配均应十分良好。
(2)高频放大器。采用额定功率增益大、噪声系数低的高频放大器，对雷达接收机获得低噪声性能具有决定性的意义。下面介绍一下各种类型的高频放大器：①真空管放大器。真空管放大器的工作极限频率一般为1000MHz，当频率低于500MHz时，通常采用指形超高频真空管放大器，并采用集中参数谐振电路。当频率为500～1000MHz时，一般采用塔形三极管，并改用分布参数的同轴线谐振电路。②低噪声非致冷参数放大器和隧道二极管放大器。参量放大器是利用非线性电抗器件（一般指变容二极管）的参量变化而使电抗呈负阻特性，从而使高频信号得以放大。对于致冷参数，在微波和毫米波段范围内，当致冷温度为20K时，可以得到的等效噪声温度Te为10～50K，但设备相当复杂、调整困难、成本昂贵。
隧道二极管放大器的工作原理基于隧道二极管的隧道效应，它的伏安特性有一个负阻区，当工作在负阻区时，负阻提供能源，是微波信号得到放大。隧道二极管放大器的优点是体积小、重量轻、耗电小、结构简单；缺点是抗烧毁能力差，稳定性也不大好。
③低噪声晶体管放大器。近年来，在3GHz以下的频率范围，普遍采用微波双极型晶体场效应放大器，其噪声系数为0.8～4.0dB，单级增益为10～20dB。由于它具有低噪声和高增益性能，而且体积小、重量轻、耗电省等优点，目前在广泛应用中。但在3GHz以上，由于特性频率有限使其性能下降很快。当前，微波砷化镓场效应低噪声放大器（GaAsFETA）已被广泛应用在各种雷达接收机中。GaAsFETA具有低噪声、大动态范围和稳定好的优点。近年来采用成熟的网络理论进行匹配网络设计以及采用先进的CAD技术以后，使GaAsFETA已实现在20%相对带宽稳定工作，甚至在倍频程、多倍频程带宽也能获得优良的性能。由于场效应管（FET）特别适合在GaAs衬底上实现单片集成电路（MMIC），GaAsFETA也被广泛应用于相控阵雷达的标准化T/R模块中。现在普遍认为，现代雷达接收机的低噪声和高增益问题由于GaAsFET和HEMT的出现已基本解决。
(3)混频器。在采用了高频放大器以后，不等于说对微波混频器的噪声性能就可以降低要求。特别是在无高频放大器的雷达接收机中，混频器噪声的影响就更为重要，必须采用相应的措施减小混频器的噪声。要降低混频器的噪声，应选用噪声性能良好的混频二极管，比如采用面积接触型的微波晶体混频二极管;正确选择混频器的工作状态;广泛采用平衡、双平衡及三平衡混频器，以大大减小本地振荡器噪声的影响；使用镜频回收和镜频抑制技术来减少混频器的变频损耗，降低混频器输出的中频噪声，从而提高混频器输出端的信噪比等。
(4)前置中频放大器。对于厘米波雷达接收机，由于结构等方面的原因，通常把中频放大器分成前置中放和主中放两部分，且前置中放离接收机的高频部分很近。其目的是将混频器输出的微弱中频信号预先进行功率放大，然后再用较长的中频电缆送到主中放去，这样就可以把电缆和主中放的噪声影响减小到最低程度。采用低噪声的前置中放对于直接混频的雷达需要2～3级。为了使电路具有低噪声、高额定功率增益、高的工作稳定性，对于晶体管雷达接收机，第一级通常采用共射共基极级联电路；对于电子管雷达接收机，第一级广泛采用高频五极管接成三极管用的共阴共栅极级联电路。
4、结语
噪声对雷达接收机的影响是不可避免也是不容忽视的，但是当我们知道了噪声产生的原因和特征后，总可以采用有效的措施来减小噪声的影响。通过以上几种方法对雷达接收机的内部噪声和外部干扰进行消减后，雷达接收机的噪声系数和灵敏度都有了很大的改善，对提高雷达接收机的性能有很大的帮助。
参考文献：
[1]王德纯．精密跟踪测量雷达技术[M]．北京：电子工业出版社，2006.3.
[2]弋稳．雷达接收机技术[M]．北京：电子工业出版社，2005.4.
论文作者:刘文涛,张焘,刘豫
论文发表刊物:《电力设备》2018年第2期
论文发表时间:2018/5/31
标签：噪声论文; 接收机论文; 放大器论文; 混频器论文; 功率论文; 天线论文; 信号论文; 《电力设备》2018年第2期论文;