用于气象雷达接收系统低噪声放大器的设计与实现

崔倩 傅超 郑钟尧

摘  要：气象雷达作为现阶段进行气象观测过程中广泛运用的一种设备，不仅可以有效提高气象观测效率，提升气象观测的准确率，对工农业生产也具有重要的指导作用。噪声放大器作为现阶段雷达工作系统中的重要部分，现阶段采用的设计手段耗费较高、效果较差。因此对现阶段气象雷达接收系统的噪声放大器进行设计改进成为研究的重要方面。

关键词：气象雷达;接收系统;低噪声放大器;设计与实现

中图分类号：TP279                                          文献标识码：A                                              DOI：10.11974/nyyjs.20181233212

近年来，科技的发展对气象雷达接收系统起到了极大的促进作用。对气象服务质量要求的提高使得对气象雷达接收系统低噪声放大器的各项要求都有了很大提升。因此，必须设计一种经济高效的放大器以满足现阶段发展的要求。本文将就新型的气象雷达接收系统低噪声放大器的设计与实现进行研究。

1     现阶段宽带放大器种类简介

1.1     负反馈型宽频放大器

负反馈性放大器是现阶段应用最为广泛的放大器种类之一，工作原理是通过在可以产生场效应的管道中的漏极和栅极之间加入一种负反馈机制进行调节，可以使接收到的信号在频带中通过来回的进行反馈获得多次增益，以实现其放大的目的。通过这种负反馈式的放大形式所获得的增益较为平缓，使得频带较为明显，有效实现输入频率与输出频率匹配，使得由于产生音域回波造成的损耗较低，获得的放大信号效果较好。

1.2     有损耗性的宽频放大器

这种宽频放大器的主要特点是在接受信号以后，通过有效增益可以获得较好的放大信号波形。谱带中的增益平缓性较好，在对输入信号和输出信号进行匹配过程中也可以获得较好的效果。这种信号放大器最初在进行设计时为了获得较好的增益后，使谱带平缓度，但是在实际工作中发现由于对低噪音的增益性能不够好使得噪音系数较高。因此应用范围受到一定的限制。

1.3     有源匹配式宽频放大器

这种宽频低噪声放大器在设计时对原始的低噪声放大器进行了一定的改进，通过对内部结构以及元器件进行相应的替换，实现输入输出信号匹配性能的提高。内部设计摒弃了原始的微带线，采用电容、电感作为电路元件，通过这种改进可以有效提高其输入输出信号的匹配情况。提高了放大器的集成，减小了放大器的体积。

1.4     分布式宽频放大器

这种放大器在进行设计过程中加入了简单的电路拓扑结构，通过进行简单的拓扑计算可以有效对较宽频域的谱带信号进行接受，获得较高增益，使得噪声系数提高，已经成为现阶段进行气象雷达信号接收系统中较为热门的放大器种类。

1.5     平衡式宽频放大器

平衡和宽频放大器的主要特点是输入输出配型性较好，可以有效满足低噪声放大器对增益平坦度的要求，对接收信号的增益程度高，产生的噪声较小。但是，这种放大器的集成性较低，一般具有较大的体积。内部电路較为复杂，在进行实际制造过程中难度较大。但是由于其优良的性能因此本文在进行新型放大器设计时选用的总体设计思路是平衡式放大器的设计思路，通过进行相应的优化以克服其原有的缺点，保留其优良性能，实现其体积及制造工艺的简化。

2     新型低噪声放大器的设计与实现

2.1     选择合适的晶体管

低噪声放大器由于需要接收的音域频率较宽，因此对晶体管的要求较高。依据气象雷达在信息接收过程中的特点以及不同晶体管的性能可以发现，MGF4941AL型晶体管所能测定的频率在12Hz左右，噪声系数较小，只有0.4左右，但是增益效果较好，可以达到13左右。因此，这种晶体管完全可以满足气象监测过程中的需求，只需要进行一次信号放大就可以进行监测，因此较为合适。

2.2     耦合器的设计

在该放大器中，选择采用3dB耦合器。在整个放大器设计过程中，耦合器作为中心部分，是设计的难点也是设计的重点。设计要求耦合器可以很好地在信号响应以后的范围内实现相等份额的分配任务，产生的相位差相应的要准确达到90°。由于设计以后实际应用过程中的要求较高，原有的双枝放大器已经无法满足需求，因此在本次设计中选择采用多枝节耦合器以实现平衡放大。通过尝试以及对获得的结果进行分析可以发现四枝节耦合器不论是在功率上还是相位差值上都可以满足气象雷达接收系统的需求。

3     总结

本文通过对现阶段气象雷达信号接收系统中较为常见的低噪声放大器的种类及其特点进行介绍，对新型低噪音放大器的设计要点进行介绍可知，传统气象雷达的各种性能已经无法满足现阶段进行气象观测过程中的各种需求，只有通过不断改进技术，提高设备性能，改善观测条件，才能真正实现气象雷达对气象信息的接收处理能力。

参考文献

[1]何川，孙玉发，贾世红，XKu波段宽带低噪声放大器的设计[J].合肥工业大学学报（自然科学版），2014（10）：1510-1513.

[2]何川.微波宽带低噪声放大器的研究与设计[D].合肥：安徽大学，2015.