用于氣象雷達接收系統(tǒng)低噪聲放大器的設計與實現(xiàn)

崔倩 傅超 鄭鐘堯

摘? 要：氣象雷達作為現(xiàn)階段進行氣象觀測過程中廣泛運用的一種設備，不僅可以有效提高氣象觀測效率，提升氣象觀測的準確率，對工農業(yè)生產也具有重要的指導作用。噪聲放大器作為現(xiàn)階段雷達工作系統(tǒng)中的重要部分，現(xiàn)階段采用的設計手段耗費較高、效果較差。因此對現(xiàn)階段氣象雷達接收系統(tǒng)的噪聲放大器進行設計改進成為研究的重要方面。

關鍵詞：氣象雷達;接收系統(tǒng);低噪聲放大器;設計與實現(xiàn)

中圖分類號：TP279? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? DOI：10.11974/nyyjs.20181233212

近年來，科技的發(fā)展對氣象雷達接收系統(tǒng)起到了極大的促進作用。對氣象服務質量要求的提高使得對氣象雷達接收系統(tǒng)低噪聲放大器的各項要求都有了很大提升。因此，必須設計一種經濟高效的放大器以滿足現(xiàn)階段發(fā)展的要求。本文將就新型的氣象雷達接收系統(tǒng)低噪聲放大器的設計與實現(xiàn)進行研究。

1? ? ?現(xiàn)階段寬帶放大器種類簡介

1.1? ? ?負反饋型寬頻放大器

負反饋性放大器是現(xiàn)階段應用最為廣泛的放大器種類之一，工作原理是通過在可以產生場效應的管道中的漏極和柵極之間加入一種負反饋機制進行調節(jié)，可以使接收到的信號在頻帶中通過來回的進行反饋獲得多次增益，以實現(xiàn)其放大的目的。通過這種負反饋式的放大形式所獲得的增益較為平緩，使得頻帶較為明顯，有效實現(xiàn)輸入頻率與輸出頻率匹配，使得由于產生音域回波造成的損耗較低，獲得的放大信號效果較好。

1.2? ? ?有損耗性的寬頻放大器

這種寬頻放大器的主要特點是在接受信號以后，通過有效增益可以獲得較好的放大信號波形。譜帶中的增益平緩性較好，在對輸入信號和輸出信號進行匹配過程中也可以獲得較好的效果。這種信號放大器最初在進行設計時為了獲得較好的增益后，使譜帶平緩度，但是在實際工作中發(fā)現(xiàn)由于對低噪音的增益性能不夠好使得噪音系數(shù)較高。因此應用范圍受到一定的限制。

1.3? ? ?有源匹配式寬頻放大器

這種寬頻低噪聲放大器在設計時對原始的低噪聲放大器進行了一定的改進，通過對內部結構以及元器件進行相應的替換，實現(xiàn)輸入輸出信號匹配性能的提高。內部設計摒棄了原始的微帶線，采用電容、電感作為電路元件，通過這種改進可以有效提高其輸入輸出信號的匹配情況。提高了放大器的集成，減小了放大器的體積。

1.4? ? ?分布式寬頻放大器

這種放大器在進行設計過程中加入了簡單的電路拓撲結構，通過進行簡單的拓撲計算可以有效對較寬頻域的譜帶信號進行接受，獲得較高增益，使得噪聲系數(shù)提高，已經成為現(xiàn)階段進行氣象雷達信號接收系統(tǒng)中較為熱門的放大器種類。

1.5? ? ?平衡式寬頻放大器

平衡和寬頻放大器的主要特點是輸入輸出配型性較好，可以有效滿足低噪聲放大器對增益平坦度的要求，對接收信號的增益程度高，產生的噪聲較小。但是，這種放大器的集成性較低，一般具有較大的體積。內部電路較為復雜，在進行實際制造過程中難度較大。但是由于其優(yōu)良的性能因此本文在進行新型放大器設計時選用的總體設計思路是平衡式放大器的設計思路，通過進行相應的優(yōu)化以克服其原有的缺點，保留其優(yōu)良性能，實現(xiàn)其體積及制造工藝的簡化。

2? ? ?新型低噪聲放大器的設計與實現(xiàn)

2.1? ? ?選擇合適的晶體管

低噪聲放大器由于需要接收的音域頻率較寬，因此對晶體管的要求較高。依據(jù)氣象雷達在信息接收過程中的特點以及不同晶體管的性能可以發(fā)現(xiàn)，MGF4941AL型晶體管所能測定的頻率在12Hz左右，噪聲系數(shù)較小，只有0.4左右，但是增益效果較好，可以達到13左右。因此，這種晶體管完全可以滿足氣象監(jiān)測過程中的需求，只需要進行一次信號放大就可以進行監(jiān)測，因此較為合適。

2.2? ? ?耦合器的設計

在該放大器中，選擇采用3dB耦合器。在整個放大器設計過程中，耦合器作為中心部分，是設計的難點也是設計的重點。設計要求耦合器可以很好地在信號響應以后的范圍內實現(xiàn)相等份額的分配任務，產生的相位差相應的要準確達到90°。由于設計以后實際應用過程中的要求較高，原有的雙枝放大器已經無法滿足需求，因此在本次設計中選擇采用多枝節(jié)耦合器以實現(xiàn)平衡放大。通過嘗試以及對獲得的結果進行分析可以發(fā)現(xiàn)四枝節(jié)耦合器不論是在功率上還是相位差值上都可以滿足氣象雷達接收系統(tǒng)的需求。

3? ? ?總結

本文通過對現(xiàn)階段氣象雷達信號接收系統(tǒng)中較為常見的低噪聲放大器的種類及其特點進行介紹，對新型低噪音放大器的設計要點進行介紹可知，傳統(tǒng)氣象雷達的各種性能已經無法滿足現(xiàn)階段進行氣象觀測過程中的各種需求，只有通過不斷改進技術，提高設備性能，改善觀測條件，才能真正實現(xiàn)氣象雷達對氣象信息的接收處理能力。

參考文獻

[1]何川，孫玉發(fā)，賈世紅，XKu波段寬帶低噪聲放大器的設計[J].合肥工業(yè)大學學報（自然科學版），2014（10）：1510-1513.

[2]何川.微波寬帶低噪聲放大器的研究與設計[D].合肥：安徽大學，2015.