用于微波传输的低温低噪信号接收系统及使用方法与流程

本发明涉及微波传输，尤其涉及一种微波信号接收系统及其使用方法。

背景技术：

1、微波传输是一种最灵活、适应性最强的通信手段，广泛应用在通信、雷达、电子战等多个行业。现有微波信号接收系统架构如图1所示，空间辐射信号由天线（接收孔径）接收，转为电信号，经过带通滤波后，由低噪放（lna）进行第一次放大，系统灵敏度、噪声系数、动态范围等主要性能基本上就已确定；经过低噪放第一级放大的信号，再经过一级带通滤波，通过下变频和再一级低频带通滤波，射频信号下变为中频信号；中频信号再次经过放大，由adc采集，模拟信号变为数字信号，再由信号处理模块进行数字信号处理，信号检测灵活度较高。

2、图1 现有微波信号接收系统示意图

3、灵敏度是微波信号接收系统的关键指标，而第一级放大噪声系数和环境温度会直接影响系统灵敏度。灵敏度pr的典型计算公式为：

4、       ②

5、其中k=1.380649 ×10-23j/k为玻尔兹曼常数，b为系统带宽，t为系统温度，gr为天线增益，f为系统噪声系数，l为处理损失，gs为信号处理增益，csnr为检测信噪比。

6、 系统噪声系数f主要由第一级放大器决定，即图1中的低噪放（lna），f计算公式为：

7、      ③

8、其中，f1为第一级放大噪声系数，g1为第一级放大增益；fn为第n级放大噪声系数，gn为第n级放大增益。

9、由以上两个式子可以看出，第一级放大噪声系数和环境温度会直接影响系统灵敏度。噪声放大器的放大噪声系数计算公式为：

10、f=t/t0+1   ④

技术实现思路

1、接收灵敏度是指接收系统在满足规定ber（例如0.1%）指标要求的条件下，天线口能够接收到的最小接收信号电平。在微波传输过程中，接收系统的灵敏度pr值越小，代表接收系统的灵敏性越高，接收性能越好，根据灵敏度pr的计算公式②可以看出，系统温度越低，越有利于提高接收系统的接收性能。

2、为达到上述目的，本发明专利针对射频波段0.03~40ghz，提出用于微波传输的低温低噪信号接收系统，采用了低温低噪前端放大阵列提高了微波信号接收机的灵敏性。具体的技术方案如下：

3、用于微波传输的低温低噪信号接收系统，包括天线、下变频器、中频放大器、中频滤波器、模拟数字转换器、信号处理器，还包括低温低噪前端放大阵列、低温环控系统、校正模块，所述低温低噪前端放大阵列包括一个或多个高灵敏性放大通道，所述高灵敏性放大通道包括限幅器、带通滤波器、低温低噪声放大器、隔热射频头；

4、所述限幅器、带通滤波器、低温低噪声放大器处于所述低温环控系统中，所述隔热射频头位于所述低温环控系统内外交界处，用于信号的输入和输出；

5、所述校正模块用于在所述信号处理器将模拟信号转换为数字信号后，对所述信号接收系统的噪声系数进行校正。

6、根据现有技术，一个传统的微波接收系统包括天线、带通滤波器、低噪声放大器、下变频器、中频放大器、中频滤波器、模拟数字转换器、信号处理器。为了提高接收系统的灵敏性，本发明采用低温环控系统为微波接收系统前端创造一个超低温的环境，在这个超低温环境中，设置了高灵敏性放大通道，每个高灵敏性放大通道包括限幅器、带通滤波器、低温低噪声放大器、隔热射频头，限幅器、带通滤波器、低温低噪声放大器、隔热射频头在这种超低温的环境中能够发挥出更好的放大性能。其中，设置限幅器的作用是为了防止大信号烧毁通道，采用的带通滤波器与低温低噪放响应频段一致。

7、根据系统需求不同，本发明高灵敏性放大通道可以为多个，这些通道可以是多个频段相同或频段不同的高灵敏性放大通道，共同组成低温低噪前端放大阵列，满足系统不同需求。还可作为相控阵等阵列型天线的前端放大使用，从而提升接收灵敏度。

8、另外，如上所述，限幅器、带通滤波器、低温低噪声放大器、隔热射频头在这种超低温的环境中能够发挥出更好的放大性能。但是，低温低噪声放大器、射频线缆、滤波器等射频器件在不同温度下物理特性有所不同，会带来通道噪声系数、增益的变化，并且带内不同频段的通道噪声系数和增益也有不同。本发明采用低温环控系统中，这些器件，尤其是低温低噪声放大器的具体摆放位置不同，所处的环境温度可能就会不同，所对应的噪声系数和增益是有差异的，因此本发明在信号处理器之后设置校正模块，对通道的噪声进行噪底校正。尤其是当所述低温低噪前端放大阵列包括多个高灵敏性放大通道时，为了实现多通道噪声系数的一致性，本发明在信号处理器之后设置校正模块，用于对整个接收系统的噪声系数进行校正。

9、对于多个高灵敏性放大通道而言，校正模块可以是在所有通道的信号处理器后设置一个总的校正模块，也可以是在每个通道的各自的信号处理器之后各自设置一个校正模块，根据实际需求灵活设置。

10、进一步地，所述低温环控系统内部分为多个温度区，所述温度区之间可设置隔热或绝热部件，尽量减少热传递，最好绝热，至少一个所述温度区的温度为5k-30k，所述低温低噪声放大器处于温度为5k-30k的温度区。

11、如果整个环控系统采用单一温控的模式，从外界常温到内部低噪声放大器所需的5k-30k的温度，温差较大，需要消耗的能量也多，而且外界与低噪声放大器所在的环境只有一壳之隔，如果系统某处存在漏热，会直接影响整个不利于系统保温，维修频率高且会影响接收系统的使用效率。因此需要将温控系统内部进行分隔。

12、本发明的低温环控系统采用分区温控的思路，将整个环控系统分隔成不同温度的温度区，从外界常温到低噪声放大器所在的环境温度，需要经过多个温度区，这样有利于保证低噪声放大器所在的环境的温度恒定在所需的5k-30k。

13、进一步地，本发明还公开了上述低温环控系统的具体设计，包括冷头、真空绝热罩、冷源、绝热部件、温度控制器，所述冷源为多个，位于不同的温度区；

14、所述温度控制器设在冷头内，用于控制所述冷源的温度，进而控制冷源所在所述温度区的温度。

15、采用多个冷源，实现多个温度区温度不同，多个冷源的温度通过温度控制器来控制，温度控制器可以是一个可用来控制多个冷源的控制器，也可以是多个单独的温度控制器，各自控制对应的冷源的温度。

16、进一步地，为了减少低温环控系统中各温度区之间发生热传递，低温同轴电缆在所述冷源处以sma转接作为冷沉，直流电源线采用磷青铜线，在所述冷源处设置绕线柱转接作为冷沉，以减小漏热。

17、sma转接采用的sma 型射频同轴连接器，它是bendix公司和omni-spectra公司在上世纪50年代末期作为osm连接器设计的，是当时最常用的射频/微波连接器之一。

18、进一步地，所述低温环控系统内低温同轴电缆和传输器件采用分段布置。接收系统内的各器件可选择性的放置在所需的温度区，以适应不同的接收需求。比如限幅器、带通滤波器可以放在常温，也可放在稍低于常温的环境，也可以和低噪声放大器一起放在5k-30k的环境中，只是不同的布置方式，系统的灵敏性不同。

19、所述高灵敏性放大通道的频段相同或不同。不同频段的通道组合成阵列，除了可满足系统不同频段的需求外，还可作为相控阵等阵列型天线的前端放大使用，从而提升接收灵敏度。

20、进一步地，所述低温低噪声放大器采用集成化和低功耗低温低噪放芯片。阵列设计中，受限于制冷冷量、冷源面积和成本等限制，低温低噪放体积和功耗是低温前端面临的一大技术难题，需采取集成化和低功耗低温低噪放芯片设计，从而实现低温低噪放阵列。

21、进一步地，所述校正模块内置校正程序，对所述低温环控系统中不同高灵敏性放大通道的噪声系数差异进行校正。

22、另外，本发明还提供基于前述用于微波传输的低温低噪信号接收系统的使用方法，外部信号通过隔热射频头输入，进入到低温环控系统中，在高灵敏性放大通道中依次经过限幅器、带通滤波器、低温低噪声放大器，然后通过输出隔热射频头输出信号，依次经过所述下变频器、中频滤波器、中频放大器、模拟数字转换器传输给所述信号处理器，在所述信号处理器将模拟信号转换为数字信号后，由所述校正模块对所述信号接收系统的噪声系数进行校正。

23、进一步地，所述校正模块对所述低温环控系统中不同高灵敏性放大通道的噪声系数差异进行校正的方法为：

24、s1：建立校准表

25、所述低温低噪前端放大阵列和所述低温环控系统搭建完成后，进行系统标校，多次测量取平均值，测量不同温度下不同频段的信道的噪声系数与增益，形成校准表；

26、s2：校正计算

27、根据具体使用场景，在进行多通道信号处理时，设置初始低温系统温度并实时监测温度变化以及低温低噪放环境温度，结合信号频段读取所述校准表，在接收信号数字化后，进行数值修正，确保低温前端系统中多通道的一致性，其中一个通道噪声系数计算公式：

28、         ①

29、其中，ni,j为温度为i，频段为j的状态下对应的噪声系数，gi,j为温度为i，频段为j的状态下对应的增益，ni,j和gi,j通过查校准表取值，nord为低温低噪前端放大阵列之后常温系统的噪声系数，n为整个接收系统的噪声系数，不同通道n值不同，用于信号处理噪底校正。当所述低温低噪前端放大阵列包括多个高灵敏性放大通道时，通过步骤s2中校正计算的公式①计算出不同通道的n值，然后对所有通道的n值进行校平，实现信号处理噪底校正。

30、在低温环控系统中，虽然采用了分区温控，但是对于某个温度区内，主要是依靠该温度区内的冷源对整个温度区进行降温，靠近冷源的区域温度低，离冷源远的地方温度高，比如在5k-30k的温度区内，每个地方温度有差异，每个信道的低温低噪声放大器所放置的位置可能不同，不能保证每个低温低噪声放大器都处于4k或者10k等某一固定温度的地方，所以需要通过校正模块来消除放置位置不同带来的噪声温度的差异，以保证多个信道的前端噪声系数一致。

31、进一步地，所述低温环控系统控制低温环境的方法为：所述低温环控系统内部分为多个温度区，所述温度区之间可设置隔热或绝热部件，尽量减少热传递，最好绝热；通过温度控制器控制不同温度区冷源的温度，进而控制冷源所在的温度区的温度，至少一个所述温度区的温度为5k-30k，将所述低温低噪声放大器置于温度为5k-30k的温度区，实现高灵敏性。

32、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

33、本发明提供的用于微波传输的低温低噪信号接收系统及其使用方法，通过低温环控系统制造低温环境，并通过多条高灵敏性放大通道构成阵列架构，可满足系统不同频段的需求，还可作为相控阵等阵列型天线的前端放大使用，从而提升接收灵敏度。本发明为解决阵列设计中，受限于制冷冷量、冷源面积和成本等限制带来的低温低噪放体积和功耗难题，需采取集成化和低功耗低温低噪放芯片设计，从而实现低温低噪放阵列。

34、另外，本发明通过校正模块的设置，消除了系统在实际运行过程中，同一通道内低温低噪声放大器摆放位置带来的噪声系数和增益带来的差异，通过校正模块实现对通道的噪声进行噪底校正。尤其是当所述低温低噪前端放大阵列包括多个高灵敏性放大通道时，消除了低温环控系统中不同频段的通道中低温低噪声放大器所处位置不同导致的环境温度不同带来的各通道间噪声系数的差异，使得各通道的噪声系数一致。