如何设计具有最大灵敏度的天线系统？

来源：www.aktuellum.com

作者：aktuellum

压缩点

天线系统具有接收器、传输线，通常还有一个或多个放大器。接收器和放大器都有各自独立的压缩点。只有其中一个组件的压缩点最终会成为系统压缩点的决定因素。

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示例：下面显示的天线系统的系统 1 dB 压缩点（参考输入）是多少？

解决方案：在这种情况下，随着进入系统的功率电平增加，第一个进入压缩的组件是接收器。当接收器处于其 1 dB 压缩点时，输入为

P i = 0dBm - 20dB = -20dBm

因此系统压缩点（参考其输入）为 -20 dBm。

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示例：下面显示的天线系统的系统 1 dB 压缩点（参考输入）是多少？

解：这次传输线有8dB的衰减。我们需要确定哪个组件先饱和，是放大器还是接收器。当放大器输出处于 5 dBm 的压缩点时，接收器输入将减少 8 dB，即 -3 dBm。所以前置放大器在接收器之前压缩，系统 1 dB 压缩点（参考输入）是

CP i = 5dBm - 19dB = -14dBm

噪声系数

我们首先研究了压缩点，以确定接收系统可以处理的最大信号。接下来，我们检查噪声以了解系统可以检测到的最小信号功率。某物产生的噪音通常与其绝对温度成正比。绝对温度以开尔文为单位测量。开尔文、摄氏和华氏之间的转换通过以下公式进行：

o K = 273 + o C
o C = ( o F - 32)(5 / 9)

从电阻传递到匹配负载的噪声等于：

N i = kTB

其中，N i 的单位 是瓦特，T 是电阻器的开尔文温度，B 是赫兹的带宽，k=1.38x10 -23 是玻尔兹曼常数。

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练习：传送到此接收器的噪声功率是多少？

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定义：天线的噪声温度是温度 T a，因此从天线端子出来的噪声是 kT a B。天线噪声温度是天线方向上物体温度的函数指出其天线方向图、频率和天线的辐射效率。

在微波频率下，对于起飞角大约为 0 度仰角的天线，天线视场的一半包括地球和另一半天空。地球的温度大约是 290 开尔文，但它只占波束宽度的一半。结果是天线噪声温度T a大约为150K。地球站天线看到较低的温度，因为它们仰望寒冷的天空。由于 HF 大气噪声主要由世界各地的雷暴产生，因此 HF 天线具有较高的天线噪声温度。

定义：该噪声系数是描述在接收器中，放大器，传输线，天线系统，或其它部件产生的噪声的量的一种方式。组件或系统的噪声系数定义为输入端的信噪比除以输出端的信噪比，其中输入噪声等于匹配电阻在一定温度下的可用噪声T 0 =290 开尔文。

F = (S i / N i )/(S o / N o ) 其中 N i = kT 0 B
F[dB] = 10 log F

术语噪声因子通常用于描述噪声系数的线性形式。换句话说，输入与输出 SNR 的比率被描述为噪声因数，而噪声系数是以 dB 为单位测量的噪声因数。

组件或系统的噪声系数（或噪声温度）越高，它添加到信号中的噪声就越多。出于这个原因，需要具有低噪声系数（或噪声温度）的组件和系统。制造商的数据表中规定了接收器和放大器的噪声系数（或噪声温度）。噪声系数也可以用噪声系数计测量。组件内部会产生噪声，这会通过向信号添加噪声来降低通过它的信号的 SNR。一个组件可以被建模为一个增益为 G 的无噪声放大器，在完美放大器之前的求和点中将噪声添加到信号中，如下所示。

噪声温度与噪声系数的关系如下：

F[dB] = 10 log (1 + T/T 0 )
T = (F - 1)T 0

系统灵敏度

定义：该最小可辨别信号（MDS）是给出0分贝（其中信号功率等于噪声功率）的输出信噪比的输入。

MDS[瓦特] = kT 0 BF

其中 F 是组件或系统的噪声系数。以 dB 为单位，这是

MDS[dB] = 10 log (kT 0 ) + 10 log B + F[dB]
MDS[dBm] = -174 + 10 log B + F[dB]

或者，在噪声温度方面

MDS[瓦特] = kTB

其中 T 是以开尔文为单位的组件或系统的噪声温度。以 dB 为单位，这将是

MDS[dBm] = -199 + 10 log T + 10 log B

定义：该灵敏度是我们可以把获得规定的最低SNR出来的系统或组件的最小信号。系统或组件内部产生的噪声限制了灵敏度。下图显示了灵敏度（对于 10 dB SNR）为 -90 dBm 的接收器的响应。

接收器的带宽越宽，传递到其输出端的噪声就越多，因此灵敏度取决于带宽。灵敏度和噪声系数之间的关系是

灵敏度[dBm] = MDS[dBm] + (S/N) min [dB]

通常希望在距天线一定距离处操作接收器，因此需要传输线。这将降低整个系统的灵敏度。传输线中的损耗相当于其噪声系数，可以与接收器噪声系数合并计算，而不是单独考虑：

F[dB] = A o [dB] + F rx [dB]

这会降低系统灵敏度并增加所需的天线增益。如果前置放大器的噪声系数足够低且增益选择正确，则前置放大器将降低系统的噪声系数。这将降低系统灵敏度并允许我们使用较低增益的天线或使用相同的天线为我们提供更好的 SNR。

级联系统（包括放大器、传输线和接收器）的噪声系数是单个组件的噪声系数和增益的函数，可以从噪声系数定义推导出

F sys = F 1 + (F 2 -1)/G 1 + (F 3 -1)/(G 1 G 2 ) +...+ (F n -1)/(G 1 G 2 ...G n-1 )

其中 F 1 和 G 1 是第一个组件（离接收器最远的组件）的（线性）噪声系数和增益，第 n 个组件是接收器。

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示例：以下系统的噪声系数（以 dB 为单位）是多少？

解决方案：首先，我们将所有噪声系数和增益转换为线性值。

F 1 = 10 4/10 = 2.51
G 1 = 10 15/10 = 31.6
F 2 [dB] = A o [dB] + F rx [dB] = 26 dB
F 2 [dB] = 10 26/10 = 398
F sys = F 1 + (F 2 -1)/G 1 = 15.1
F sys = 11.8 dB

为最大灵敏度而设计

从系统噪声系数方程可以明显看出，如果增益足够大，那么与第一项相比，所有项都将无关紧要。因此，系统噪声系数将近似等于第一个组件的噪声系数。F sys = F 1 近似正确，只要 (F 2 -1)/G 1 << F 1 和 (F 3 -1)/(G 1 G 2 ) << F 1 等等。如果我们忽略 -1在分子中并将第一个条件转换为 dB，则变为

F 2 [dB] - G 1 [dB] << F 1 [dB]

根据经验，通常认为 10 dB 相当于“远大于”，因此

G 1 [dB] = 10 + F 2 - F 1 [dB]

第二个条件的类似过程导致

G 2 [dB] = 10 + F 3 [dB] - F 1 [dB] - G 1 [dB]

10 dB 因子称为放大器的超额增益。选择足够大的放大器增益以使系统噪声系数近似等于前置放大器（最靠近天线的放大器）的噪声系数的策略称为最大灵敏度设计。该策略将允许系统检测最弱的信号。