靶场毫米波信号高灵敏度接收与测试新方法❋

陈曦，许建中，吴礼，杨健

（1.南京理工大学电子工程与光电技术学院，南京210094；2.解放军73691部队，南京210014）

靶场毫米波信号高灵敏度接收与测试新方法❋

陈曦1，❋❋，许建中1，吴礼1，杨健2

（1.南京理工大学电子工程与光电技术学院，南京210094；2.解放军73691部队，南京210014）

基于靶场毫米波测试中微弱信号（低至－128 dBm）检测的实际需求，通过信噪比分析，采用外差式宽带多通道快速扫频复合信道化技术，在W频段实现了－128 dBm接收灵敏度的测试系统。同时，设计了毫米波信标源并利用空间衰减理论，提出了一种W频段高灵敏度（－128 dBm）测试的新方法。理论分析表明，测试距离为290m、相应的衰减值约为－121.5 dB时，可提供一个功率最小达到－128 dBm的W频段毫米波信号源。利用标定后的毫米波信号源进行外场实际测量，证明了该测试方法的可行性。

靶场测试；高灵敏度；毫米波源；空间衰减；微弱信号检测；W频段；信噪改善比

1 引言

毫米波武器的飞速发展大力推动了靶场毫米波测试设备和技术的研究，实现靶场毫米波信号监测和武器系统的定型试验［1－2］。由于靶场测试中被测目标通常处于运动状态中，并且有被测弹载毫米波系统工作在被动状态，获得的毫米波信号非常微弱，因此对测试系统的接收机灵敏度要求很高。目前国际上先进水平为W频段测试系统可达到－128 dBm接收灵敏度［3］，但由于西方国家在高端研究领域对我国实行技术封锁与设备禁运，国内靶场的毫米波测试技术与国外相比还存在很大差距，如文献［4］中实现了灵敏度指标为－120 dBm的W频段高灵敏度接收机系统。同时，由于国内毫米波频段（特别是W频段）测试仪器匮乏，且尚无40 GHz以上系统整体性能的测试标准和条件［5］，因此对灵敏度指标苛刻的W频段测试系统性能的检测和标校存在空白。

为了实现国内在W频段该测试领域的突破，本文采取外差式宽带多通道快速扫频复合信道化的微弱信号检测技术并采用国际上W频段噪声系数指标领先的低噪声放大器，研制了接收机灵敏度达到－128 dBm的W频段测试系统。同时，采用毫米波信标源和空间衰减相结合的方法，提供了一个功率最小达到－128 dBm的W频段毫米波微弱信号源，实现对系统整机接收灵敏度的检测和标校。

2 毫米波微弱信号检测

2.1 检测方法

对微弱信号的检测关键在于抑制噪声，提高信号检测的灵敏度，即提高检测系统的信噪改善比（Signal to Noise Interference Ratio，SNIR）。

噪声是限制接收机灵敏度的根本原因，对于接收机噪声系数，第一级设计至关重要。为了有效提高整机接收灵敏度，在接收前端加入前置低噪声放大器（Low Noise Amplifier，LNA）。根据目前毫米波部件水平，接收前端的W频段单级毫米波LNA的噪声系数为6～9 dB，增益为20 dB；W频段混频器的噪声系数为6～8 dB［6］。考虑两级级联及第一级混频后的总噪声系数为［7］

式中，F1为射频传输损耗产生的噪声系数（取2dB），G1为传输线射频损耗引起的增益（取－5dB），F2为第一级LNA的噪声系数（取7dB），G2为第一级LNA的增益（取20dB），F3为第二级LNA的噪声系数（取8dB），G3为第二级LNA的增益（取20dB），F4为第一级混频器的噪声系数（取7dB），故可得总的噪声系数为F＝11.6 dB。

由式（1）可知，对系统噪声系数影响最大的主要是前端的射频传输损耗和毫米波LNA，因此为了保证有效降低系统噪声系数，本文采用了目前国际上W频段噪声系数指标领先的低噪声放大器部件。

灵敏度的概念源于雷达方程中的最小可检测信号功率，即信噪比等于1时的最小输入信号功率。接收机灵敏度越高，表明接收微弱信号的能力越强。接收机系统灵敏度可用下式进行计算［8］：

式中，k为波尔兹曼常量（1.38×10－23J/K），To为接收机工作温度（取290 K），BRI为接收机线性部分的通频带（接收机高、中频部分的总通频带）。

由式（2）可知，若被测信号电平非常微弱，需要降低接收机的通频带带宽以提高系统接收灵敏度，因此要满足接收最小信号－128 dBm的要求，计算可得接收机通频带带宽要小于3 kHz。

在W频段实际接收的信号通频带为6 GHz，因此为了提高系统接收机灵敏度，本文采取信道化处理技术，考虑到余量，设计信道化接收机的最小分辨带宽为1 kHz。但直接把6 GHz的通道转化成1 kHz

的通道需要6×106个信道，工程实现困难。考虑到被测信号有一定的驻留时间，因此采取时间换空间的办法，即首先采用外差方法把宽带信号搬移到带宽相对较小的中频带宽，再利用扫频频综与待测信号进行混频，在时间上把大带宽划分成小带宽的子带，通过两级的处理从而达到1 kHz的信道带宽，这样可以大大减少信道数。

同时，由于动态测试速度要求和信号散布带宽较大，本文采用直接数字频率合成（Direct Digital Frequency Synthesizer，DDS）扫频结合信道化接收的处理方法。具体实现方法为将待测信号1 GHz的散布带宽利用扫频频综划分为200 MHz的子带分时处理，每个200 MHz的子带再利用信道化技术划分为10个并行的20 MHz通道，每个通道采用锁相频率合成（Phase-Locked Loop，PLL）频综进行扫频，步进1 MHz，并行完成20点/通道的扫频任务。为进一步提高信道化的处理速度，对于每个1MHz频点采用DDS进行快速扫频检测，检测带宽1 kHz/step，利用晶体滤波器组完成精细窄带滤波，将中频接收机带宽减小到1 kHz，保证了检测灵敏度，同时利用DDS快速的特点，使得1MHz内每1 kHz的扫频时间小于1μs，保证整个信道化接收机的响应速度优于50ms/200MHz。

2.2 信噪改善比分析

微弱信号检测系统的信噪改善比等效于输入噪声带宽与系统的噪声等效带宽之比，SNIR越大，表示处理噪声的能力越强，对微弱信号检测的水平越高。

当天线的辐射电阻与接收机的输入电阻匹配时，根据功率与温度的对应关系，输入端总噪声功率可计算为

式中，Te＝（F－1）To为等效噪声温度。最小输入信号电平取Pin＝－128 dBm，故接收机输入端信噪比为

考虑到后端信号处理（如被动监测时射频频率的测量），取ISNR－out＝4 dB，则由定义可知整个系统的信噪比改善因子应满足ISNIR≥67.4 dB。

由2.1小节分析可知，设接收机噪声服从正态分布（高斯白噪声），输入噪声带宽近似视为射频带宽B＝6 GHz，而信道化接收机最小分辨率带宽Δfmin为1 kHz，则信道化接收机可提供的最大信噪比改善因子SNIR可表示为

由式（5）可知，本文采取的外差式宽带多通道快速扫频复合信道化的微弱信号检测方法可以提高信噪比67.8 dB，从而实现对W频段微弱信号（－128 dBm）可靠地检测并解调出相应的参数。

3 系统灵敏度测试方法

3.1 测试原理

系统接收机灵敏度是一个综合性指标，检验系统整机满足接收机灵敏度指标要求则隐含了该系统的其他指标也满足指标要求。目前对系统灵敏度的测试方法是在实验室环境下采用已知的标准功率信号源，经过精密衰减后加到接收机输入端进行检测［9］。但在W频段，缺乏高精度的衰减器和性能良好的隔离器，信号源的泄漏功率较大，与经过衰减器输出的能量相接近甚至更强；且根据室内测量结果经验可得，当衰减值大于90 dB时，其衰减作用明显减弱，即毫米波信号将不再随衰减值增大而减弱。因此，对于W频段测试系统接收机灵敏度为－128 dBm的指标进行检测，关键是提供一个功率最小达到－128 dBm的W频段毫米波微弱信号源。

本文在设计并研制了一个毫米波信标源的基础上，根据空间衰减原理，利用现有条件设计了接收机灵敏度测试实验方案，测试原理如图1所示。该方法将毫米波信标源通过空间距离衰减，并辅以一定衰减值的吸波材料，共同实现毫米波信号监测系统测量要求所需的－128 dBm微弱毫米波功率信号。

图1 灵敏度测试原理Fig.1 Sensitivity testing principle

设发射源功率为Pt，天线增益为Gt，则沿其波束轴离发射源距离为R处的功率密度（单位W/m2）为

利用各向同性天线进行接收时，天线有效口径面积为Ae＝λ2/4π（m2），则接收到的功率（单位W）为

式中，λ为工作波长。

可见，由距离R引起的空间衰减LR为

当工作波长λ＝3 mm（W频段）时，忽略大气衰减影响，其空间距离衰减LR与距离R对应的关系如图2所示。

图2 空间衰减与距离关系曲线图Fig.2 Relationship between spatial attenuation and distance

由图2可以看出，当距离范围在150～350m内时，W频段对应的空间距离衰减LR值大致范围为－116～－123 dB，满足远小于－90 dB的条件。

3.2 毫米波信标源

信标源由毫米波功率源、标准天线、固定衰减器、多层吸波材料及电源等组成，其简化的结构示意图如图3所示。毫米波功率源采用进口W频段标准源，其工作频率选择在被测毫米波信号监测系统接收机频带中间，功率Pt的量级为0～20 dBm。毫米波天线采用标准喇叭天线，增益一般选Gt≈20 dB。固定衰减器采用标准宽带固定衰减器，衰减值一般选LD＝30～40 dB。毫米波功率源信号通过天线辐射后，再经吸波材料及距离衰减到达毫米波信号监测系统接收机天线口面，其中采用平板吸波材料，通过增减平板吸波材料层数或厚度，可调整衰减值LM，以满足被测系统的测试灵敏度要求。

图3 毫米波信标源结构示意图Fig.3 Structure diagram of themillimeter-wave calibration source

4 实验与结果

采用上述测试方法对毫米波信号监测系统整机的接收灵敏度进行测量的具体步骤如下所述。

（1）首先，在实验室环境对毫米波信标源进行标定。具体为采用毫米波频率计和功率计分别对毫米波功率源的频率f0和功率Pt进行测定。吸波材料衰减值LM标定采用实际功率源、功率计等在电波暗室中测定。毫米波标准天线增益Gt、固定衰减器衰减量LD由供货厂商提供，并根据实际工作频率确定。经过一次标定后信标源各参数如表1所示。

表1 毫米波信标源各参数Table 1 Parameters of themillimeter-wave cali bration source

（2）基于毫米波信标源的参数标定值，可对外场实验时测试距离的选择进行分析计算。已知接收机接收功率（单位dBm）等效为

式中，接收天线增益Gr＝26 dB（实测数据平均值）。为了使到达被测毫米波信号监测系统天线口面的毫米波信号功率的灵敏度满足－128 dBm的要求，将表1中具体参数代入式（9），结合式（8）或图2结果计算可得，测试距离为290m时，W频段的空间距离衰减值LR约为－121.5 dB，此时接收机接收功率为－128.9 dBm。

（3）进行自由空间测试场的布设。根据步骤（2）可知，被测毫米波信号监测系统与毫米波信标源应安放在相距290m位置上，实际测试场地选为在南京理工大学田径场进行，布站示意图如图4所示。其中被测毫米波信号监测系统放置在二楼平台上，毫米波信标源放置在对面垂直高度相近的圆坛上，或反之。测试距离根据实测和卫星照片测距来调整。为了保证标校精度，测试时天气为晴朗无风，环境温度约为20°，在测试距离范围内及两边距离30m范围内，没有高出场地平面的金属物、建筑物和树木等障碍物。

图4 系统灵敏度测试布站示意图Fig.4 Station diagram of system sensitivity test

（4）根据步骤（1）～（3），在满足测试条件下，对系统灵敏度进行多次测量，表2给出了部分实际测试数据。实测结果表明，到达接收机天线口面处的场强平均值为－128 dBm。

表2 W频段系统灵敏度测试数据Table 2 Test data ofW-band system sensitivity

5 结论

本文基于国家靶场毫米波武器测试系统的实际需求，研究了毫米波微弱信号（低至－128 dBm）的接收与灵敏度测试方法。在信噪比分析的基础上，采用外差式宽带多通道快速扫频复合信道化技术，研制了接收机灵敏度达到－128 dBm的W频段测试系统。该技术指标的实现突破了国内在W频段现有的测试手段，从而可对靶场毫米波微弱信号进行可靠地检测并解调出相应的参数。

同时，针对目前国内不具备该灵敏度指标苛刻的W频段系统整机灵敏度测试条件的问题，提出了一种高灵敏度测试新方法。其核心是利用空间衰减理论并采用自行研制的毫米波信标源，提供一个功率最小达到－128 dBm的W频段毫米波标准信号源。通过在自由空间测试场的实际测量，证明了该方法的可行性，为我国靶场测试设备和技术提供了新的手段。

但是为了易于高灵敏度接收的实现，本文中接收机前端关键的低噪声放大器模块仍采用国外进口器件，不利于工程实现成本，后续将进一步研究W频段宽带低噪声放大器的设计问题。

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陈曦（1984—），女，江苏徐州人，2007年于中北大学获通信工程专业学士学位，现为博士研究生，主要研究方向为靶场毫米波测试技术及信号处理；

CHEN Xi was born in Xuzhou，Jiangsu Province，in 1984.She received the B.S.degree in Communication Engineering from North University of China，in 2007.She is currently working toward the Ph.D. degree.Her research concernsmillimeter-wave testing technology of range and signal processing.

Email：10cx14＠163.com

许建中（1958—），男，江苏无锡人，1982年于南京理工大学获学士学位，现为教授，主要研究方向为毫米波探测与目标识别技术；

XU Jian-zhongwas born in Wuxi，Jiangsu Province，in1958. He received the B.S.degree from Nanjing University of Science and Technology in 1982.He is now a professor.His research interests involvemillimeter－wave detection and target recognition.

吴礼（1981—），男，江西宜春人，2008年于南京理工大学获博士学位，现为讲师，主要研究方向为毫米波主、被动探测技术及信号处理；

WU Liwas born in Yichun，JiangxiProvince，in1981.He received the Ph.D.degree from Nanjing University of Scienceand Technology in 2008.He isnow a lecturer.His research concernsmillimeter-wave active/passive detection technology and signal processing.

杨健（1984—），男，安徽铜陵人，2010年于南京理工大学获硕士学位，现为助理工程师，主要研究方向为电磁频谱管理、信号监测与测量识别。

YANG Jian was born in Tongling，Anhui Province，in 1984.He received theM.S.degree from Nanjing University of Science and Technology，in 2010.He isnow an assistantengineer.His research concerns electromagnetic spectrum management，signalmonitoringmeasurement and identification，millimeter wave signal processing.

A Novel Approach of High Sensitivity Receiving and Testing for Range M illimeter-W ave Signal

CHEN Xi1，XU Jian-zhong1，WU Li1，YANG Jian2
（1.School of Electronic Engineering and Optoelectronic Technology，Nanjing University of Science and Technology，Nanjing 210094，China；2.Unit73691of PLA，Nanjing 210014，China）

According to the actual demand ofweak signal（as low as－128 dBm）detection in millimeter-wave range test，through the analysis of signal-to-noise ratio（SNR），the W-band receiver system with－128 dBm sensitivity is realized by using the technology of super-heterodyne broadbandmulti-channel fast swept-frequency composite channelization.Meanwhile，themillimeter－wave calibration source is designed，and combined with the spatialattenuation theory，a new testmethod of the high sensitivity（－128 dBm）inW-band is put forward. Theoretical analysis shows that theminimum power of themillimeter-wave signal source can reach－128 dBm in W-band when the test distance is 290 m and the corresponding attenuation value is about－121.5 dB.The practicalmeasurements using the calibratedmillimeter-wave signal source demonstrate the feasibility of the proposed testmethod.

range test；high sensitivity；millimeter-wave source；spatial attenuation；weak signal detection；W-band；signal to noise interference ratio

TN06；TN850.7

A

1001－893X（2013）02－0209－05

10.3969/j.issn.1001－893x.2013.02.019

2012－08－24；

2012－10－16 Received date：2012－08－24；Revised date：2012－10－16

中国博士后科学基金资助项目（20100481151）

Foundation Item：China Postdoctoral Science Foundation（20100481151）

❋❋通讯作者：10cx14＠163.com Corresponding author：10cx14＠163.com