射频噪声理论和工程应用（清华开发者书库）

射频噪声本质上为高频率的电子噪声，广泛存在于射频链路的各个环节内，在器件、电路和系统等通信系统的各个层次中均有体现。射频噪声水平是电子器件、模块、系统的重要参数指标，直接决定了电路 能够识别和处理的最小信号水平，进而决定了系统的最远通信距离、雷达的极限探测能力以及遥感的探测分辨率等关键指标。本书是作者基于多年工程设计与科研工作中积累的大量读书笔记而写成，全书共10章，内容从基本噪声理论开始，系统地论述半导体噪声、器件噪声、系统噪声以及天线噪声的理论和数学推导，并就噪声源、噪声测试以及噪声在射频工程中的应用展开详细的介绍。本书可作为通信、雷达、遥感等技术领域的科研人员、工程技术人员的培训教材或工程设计参考书。

卜景鹏 辽宁丹东人，青年军事通信专家、半导体技术专家、微波测试专家。2008年毕业于中国科学院电子学研究所，硕士。长期从事军事通信设备和航空航天电子设备的研发与技术攻关工作，曾任某军企业射频室主任、微波室主任、副总工程师、总工程师等职务，现任中山香山微波科技有限公司首席科学家，主要负责无线通信、卫星遥感、雷达探测等领域的产品和测试系统的研发。累计领导和参加国家军体系10余项重大专项的技术攻关，研发出国内先进的UHF和VHF高性能军用战术电台、S-X波段火控雷达、S-X波段卫星地面站、X-Ku波段陆军侦察雷达、X-Ku波段机载数据链系统、Ka波段射频侦察系统及全自动毫米波设备测试系统等，团队累计申请并获授权专利100余项。

噪声定义为叠加在有用信号上、影响有用信号接收与检测的不期望扰动。噪声是自然界中普遍存在的现象，任何物理量，无论在什么环境中，无论采用多么精密的测试仪器，观测到的信号中都伴随有噪声。现代科学技术应用中，各种物理量大多转换为电信号进行观测和研究，各种信号伴随的噪声也转换为电子噪声，因此可通过研究电子噪声来探查各种物理量的噪声。本书所介绍的射频噪声实质上为高频电子噪声，是电子噪声的一种，射频噪声主要存在于高频和射频电路中，在通信、雷达、遥感和导航等领域的研究中具有重要地位，射频系统的噪声水平直接影响系统的功能极限。

一般来说，噪声是有害的，较高幅度的噪声会限制接收设备检测微弱信号的能力，降低信号的检测质量，严重时还会淹没有用信号，导致信号无法识别。工程实践和科学研究中各种物理量的检测和信息接收常常由于远距离、高衰减等原因，接收到的有用信号强度很弱，若有用信号功率与噪声功率之比低于一定阈值，系统将无法识别信号，导致检测失灵或通信失败。对于通信和雷达应用来说，一部分系统噪声来自环境，通过天线的接收进入射频电路，同射频电路自身的噪声叠加，共同决定了系统的噪声功率水平。系统电噪声的功率水平决定了系统可检测的最小信号幅度，决定了通信和雷达等系统的最远可用距离。当系统的噪声功率较大、信噪比较低时，为了实现微弱有用信号的检测，不能单纯地依靠幅度放大提高信噪比，而需要采取抑制噪声功率措施，提高信号与噪声功率的比值，才能实现信号的检测和信息提取。

在通信和雷达应用中射频噪声是有害的，但在电子对抗、微波遥感以及射电天文等领域，射频噪声却是有用信号。例如在电子对抗领域，可以利用大功率噪声实现对目标信号的干扰，使得对方的雷达、侦测和其他通信设备不能正常工作，保护己方军事力量。微波遥感和射电天文则是通过接收和识别目标辐射的热噪声，反演获取目标的物性特征。

噪声是一种随时间变化的物理量，但没有明确的数学表达式，其数学本质是一种随机过程，因此只有使用统计学的一些概念才能够准确地描述噪声的性质和参数。本书共10章。第1章简要地介绍概率、随机变量、随机过程以及统计和功率谱等相关理论，希望读者在阅读其他章节前能够对噪声的基本理论有所了解。射频噪声主要存在于射频电路以及射频系统中，为高频或射频频段的电子噪声，主要表现为电压噪声、电流噪声、射频波或功率波等形式。第2章系统地介绍热噪声、散粒噪声、闪烁噪声等射频噪声种类，分析了其来源以及噪声功率谱等重要参数的计算公式。第3章讲述射频电路基本电子器件的噪声特性，包含无源器件和有源器件，重点介绍电阻和半导体的噪声表现。第4章主要介绍用于衡量噪声强度的两个概念，即等效噪声温度和噪声系数，推导两者的级联公式，简要介绍两者相互换算关系以及两者各自的应用局限性。第5章将噪声源引入微波网络，将电子器件特别是有源电路的内部噪声抽象为噪声电压源和噪声电流源，然后将该噪声源作为基本器件纳入电路分析模型，从而能够结合微波网络和线性电路模型对复杂有源电路网络的噪声性能进行分析和计算，本章后半部分则基于微波网络介绍射频放大器的基本分析和设计方法。射频系统的噪声功率水平除了电路的噪声贡献以外，还包含天线的输入噪声，两者之和决定了系统的信噪比。第6章系统地介绍天线噪声的来源和功率谱的理论计算。第7章介绍噪声背景下有用信号的检测方法，并介绍射频接收机的基本理论。第8章介绍人工噪声源和噪声测试理论及测试方法。第9章介绍噪声理论在通信、雷达、电子对抗、卫星遥感等领域中的应用，对于通信和雷达而言，噪声是有害的，而对于电子对抗和卫星遥感来说，噪声却是有益的，在实际工程应用中应充分掌握射频噪声这门学科，趋利避害，合理利用噪声、实现工程设计目标。第10章简要地介绍电磁兼容理论，分析电磁干扰机理，并提出降低干扰的若干措施。

在时间碎片化、精力分散、信息爆炸、风气浮躁的时期，能够安坐于书房，研读一些书，深耕一门学科，并将所学所悟变成文稿实在是一件有趣且上瘾的事情，若该文稿还能对读者有所裨益，那实在是作者的荣幸。本书基于作者工程设计经验和读书笔记历时三年写成，在此特别感谢Zlibrary、知网以及Alexandra Elbakyan女士。同时特别感谢中山香山微波科技有限公司总经理东君伟博士，正是在他的大力支持和鼓励下，才有本书的诞生。特别感谢我的夫人马向华女士，作为本书的第一位读者，她提出许多写作建议和意见，并承担了本书文字校对、排版和制图等工作。同时为了支持本书写作，她还独自承担全部的家务和子女抚养的重担。特别感谢我的母亲李业红女士，感谢她多年来对全家的付出和牺牲。另外还要再次感谢缪旻教授、秦三团博士对于本书的贡献。

限于作者的水平，本书内容难免有疏漏和不妥之处，恳请专家和读者批评指正。

作者

2022年4月于广东中山

第1章噪声理论基础

1．1随机变量

1．1．1事件概率

1．1．2概率分布和概率密度

1．1．3随机变量的特征参数

1．1．4高斯分布

1．2随机过程

1．2．1随机过程集分布和时间分布

1．2．2随机过程的相关函数

1．3功率谱函数

1．3．1自相关函数与协方差函数

1．3．2周期函数的功率

1．3．3自相关函数和功率谱密度函数

1．3．4互相关函数、互协方差函数和互功率谱密度

1．3．5线性系统

1．4信号调制

1．4．1正弦波调制

1．4．2扩频信号调制

1．5电噪声

1．6分贝

1．6．1分贝计算的优点

1．6．2分贝的快速计算技巧

1．7本章小结

第2章射频噪声

2．1电噪声概述

2．1．1电噪声分类

2．1．2噪声的来源

2．1．3噪声的时域和频域描述

2．1．4通信环境中的电噪声

2．1．5电磁波谱

2．2热噪声

2．2．1热辐射

2．2．2布朗运动

2．2．3导体中的热噪声

2．3半导体噪声

2．3．1半导体中的热噪声

2．3．2场效应管的沟道热噪声

2．3．3栅极感应噪声

2．3．4双极性晶体管的热噪声

2．3．5散粒噪声

2．3．6短沟道场效应管的沟道噪声

2．3．7衬底噪声

2．3．8产生-复合噪声(G-R噪声)

2．3．9随机电报噪声

2．3．10半导体的闪烁噪声

2．4本章小结

第3章器件噪声

3．1电阻

3．1．1电阻热噪声

3．1．2电阻的闪烁噪声

3．1．3电流噪声系数的测试

3．1．4电阻工艺和材料对电流噪声系数的影响

3．1．5电阻的高频等效电路

3．1．6电阻的噪声模型

3．2电容

3．2．1电容形式

3．2．2电容的高频等效模型和噪声模型

3．3电感

3．3．1电感形式

3．3．2电感的高频等效电路和噪声模型

3．4其他无源器件

3．4．1天线

3．4．2滤波器

3．5二极管

3．5．1肖特基二极管

3．5．2PN结二极管

3．5．3雪崩二极管

3．6双极性晶体管

3．6．1双极性晶体管的结构

3．6．2双极性晶体管的噪声等效电路

3．6．3异质结晶体管

3．7场效应晶体管

3．7．1场效应管概述

3．7．2场效应管的基本参数

3．7．3场效应管的小信号模型

3．7．4场效应管的噪声模型

3．8本章小结

第4章噪声温度和噪声系数

4．1噪声温度

4．1．1单端口网络的等效噪声温度

4．1．2双端口网络的等效噪声温度

4．1．3系统的工作噪声温度

4．1．4级联网络的噪声温度计算

4．1．5信噪比

4．1．6数模转换器的输出噪声

4．2噪声系数

4．2．1噪声系数定义

4．2．2噪声系数与噪声温度

4．2．3级联电路的噪声系数计算

4．2．4端口不匹配时的噪声系数

4．2．5负阻抗情形下的噪声系数

4．2．6宽带噪声系数

4．2．7平均噪声系数

4．2．8包含基带的噪声系数

4．3功分器与合路器的噪声分析

4．3．1功分器和合路器噪声性能

4．3．2信号非平衡输入时的合路情况

4．3．3噪声非平衡输入的合路

4．4本章小结

第5章多端口电路噪声

5．1单端口网络

5．1．1电阻网络

5．1．2电抗网络

5．1．3线性网络

5．1．4不等温的线性网络

5．2二端口网络

5．2．1微波网络

5．2．2端口噪声功率

5．2．3噪声等效网络和噪声相关矩阵

5．2．4噪声波理论

5．2．5噪声相关矩阵

5．2．6噪声相关矩阵的计算

5．2．7噪声波相关矩阵参数计算

5．3线性器件的网络噪声分析

5．3．1晶体管的噪声等效电路分析

5．3．2单输入多通道系统的噪声分析

5．3．3多输入射频系统的噪声分析

5．4有源二端口器件的网络噪声分析

5．4．1噪声模型的等效推导

5．4．2有源二端口网络的噪声等效电路

5．5低噪声放大器

5．5．1射频放大器信号流图分析

5．5．2放大器增益

5．5．3晶体管低噪声放大电路设计

5．5．4场效应管放大器电路

5．5．5典型放大器电路的噪声分析

5．5．6宽带放大器设计

5．6本章小结

第6章天线噪声温度

6．1宇宙背景辐射的基本理论

6．1．1黑体辐射

6．1．2天线噪声

6．1．3宇宙背景噪声功率谱

6．2大气衰减和大气噪声

6．2．1大气结构和成分

6．2．2大气吸收和散射

6．2．3大气衰减

6．2．4雾的衰减

6．2．5云和雨衰减

6．2．6大气厚度和输出亮温

6．2．7近空和深空通信环境

6．3天线视在噪声

6．3．1灰体

6．3．2视在温度

6．3．3天线损耗

6．4本章小结

第7章信号检测与射频接收机

7．1信号检波

7．1．1肖特基二极管的检波性能

7．1．2二极管检波理论分析

7．1．3二极管包络检波器

7．1．4均值检波电路

7．1．5峰值检波电路

7．1．6均方值检波电路

7．2微弱信号检测

7．2．1提高信噪比的方法

7．2．2锁定放大器

7．2．3信号调制电路

7．2．4锁定放大的理论分析

7．2．5矢量输出的锁定放大器

7．2．6变频式锁定放大器

7．2．7数字锁定放大器

7．2．8锁定放大器在微波测试中的应用

7．3射频接收机

7．3．1灵敏度和噪声系数

7．3．2接收机的非线性模型

7．3．3三阶交调截点

7．3．4接收机的动态范围

7．3．5模数转换和量化噪声

7．4射频检测仪器

7．5本章小结

第8章噪声源和噪声测试

8．1数字噪声源

8．2模拟噪声源

8．3恒温噪声源

8．3．1自然噪声源

8．3．2人造噪声源

8．4气体放电管噪声源

8．5半导体噪声源

8．5．1二极管雪崩击穿的噪声谱分析

8．5．2二极管噪声源电路

8．6半导体冷噪声源

8．7噪声源计量

8．7．1噪声源的标定系统

8．7．2噪声计量

8．7．3噪声计量的准确度

8．8噪声系数测试方法

8．8．1增益法噪声测试

8．8．2Y系数法噪声测试

8．8．3功率倍增法

8．8．4末端衰减法

8．8．5仪器测试法

8．8．6自动增益控制电路的噪声测试

8．8．7毫米波波段噪声系数测试

8．8．8噪声系数测试的不确定性

8．9有源天线的G/T值测试

8．9．1射电源法

8．9．2卫星信标法

8．9．3近场测试法

8．10本章小结

第9章射频噪声的工程应用

9．1通信系统

9．1．1微波通信系统基本结构

9．1．2射频链路计算

9．1．3射频电路与模数转换

9．2移动通信

9．3无线电台

9．3．1发射机宽带噪声

9．3．2大动态范围接收机设计

9．3．3多电台合路

9．3．4短波电台前端衰减网络

9．4卫星通信

9．4．1卫星通信环境

9．4．2卫星中继转发

9．4．3卫星链路计算

9．4．4载噪比

9．4．5中继系统的载噪比

9．4．6卫星通信链路余量设计

9．5深空通信

9．5．1深空通信电磁环境

9．5．2深空通信的技术难点

9．5．3深空通信系统

9．5．4载波捕获技术

9．5．5深空信号的距离和速度提取

9．6雷达

9．6．1雷达接收机结构

9．6．2相控阵雷达接收机

9．6．3无源馈电相控阵雷达接收系统噪声分析

9．6．4有源相控阵雷达接收系统噪声分析

9．7电子对抗

9．7．1电子干扰理论

9．7．2低截获信号设计

9．7．3干扰机的工作原理

9．8微波遥感

9．8．1高度计

9．8．2散射计

9．8．3微波遥感和辐射计

9．8．4辐射计定标

9．9大口径天线、天线阵列以及长基线接收

9．9．1大口径天线

9．9．2阵列天线

9．9．3双路信号的相干接收

9．9．4合成孔径和长基线相干接收

9．10射电天文学

9．10．1射电天文方法

9．10．2射电天文观测设备

9．10．3相控阵馈源技术

9．11本章小结

第10章电路降噪

10．1电磁干扰和电磁防护

10．1．1电磁干扰

10．1．2电磁防护

10．2电磁耦合原理

10．2．1电场耦合

10．2．2磁场耦合

10．2．3电磁场耦合

10．2．4静电放电

10．3平衡电路

10．4接地

10．4．1接地阻抗

10．4．2串行接地和并行接地

10．4．3接地过孔

10．5电源

10．6屏蔽

10．6．1静电场屏蔽

10．6．2静磁场屏蔽

10．6．3高频电磁场屏蔽

10．7本章小结

参考文献