陳曦，許建中，吳禮，楊健

（1.南京理工大學電子工程與光電技術學院，南京210094；2.解放軍73691部隊，南京210014）

靶場毫米波信號高靈敏度接收與測試新方法?

陳曦1，??，許建中1，吳禮1，楊健2

（1.南京理工大學電子工程與光電技術學院，南京210094；2.解放軍73691部隊，南京210014）

基于靶場毫米波測試中微弱信號（低至－128 dBm）檢測的實際需求，通過信噪比分析，采用外差式寬帶多通道快速掃頻復合信道化技術，在W頻段實現了－128 dBm接收靈敏度的測試系統。同時，設計了毫米波信標源并利用空間衰減理論，提出了一種W頻段高靈敏度（－128 dBm）測試的新方法。理論分析表明，測試距離為290m、相應的衰減值約為－121.5 dB時，可提供一個功率最小達到－128 dBm的W頻段毫米波信號源。利用標定后的毫米波信號源進行外場實際測量，證明了該測試方法的可行性。

靶場測試；高靈敏度；毫米波源；空間衰減；微弱信號檢測；W頻段；信噪改善比

1 引言

毫米波武器的飛速發(fā)展大力推動了靶場毫米波測試設備和技術的研究，實現靶場毫米波信號監(jiān)測和武器系統的定型試驗［1－2］。由于靶場測試中被測目標通常處于運動狀態(tài)中，并且有被測彈載毫米波系統工作在被動狀態(tài)，獲得的毫米波信號非常微弱，因此對測試系統的接收機靈敏度要求很高。目前國際上先進水平為W頻段測試系統可達到－128 dBm接收靈敏度［3］，但由于西方國家在高端研究領域對我國實行技術封鎖與設備禁運，國內靶場的毫米波測試技術與國外相比還存在很大差距，如文獻［4］中實現了靈敏度指標為－120 dBm的W頻段高靈敏度接收機系統。同時，由于國內毫米波頻段（特別是W頻段）測試儀器匱乏，且尚無40 GHz以上系統整體性能的測試標準和條件［5］，因此對靈敏度指標苛刻的W頻段測試系統性能的檢測和標校存在空白。

為了實現國內在W頻段該測試領域的突破，本文采取外差式寬帶多通道快速掃頻復合信道化的微弱信號檢測技術并采用國際上W頻段噪聲系數指標領先的低噪聲放大器，研制了接收機靈敏度達到－128 dBm的W頻段測試系統。同時，采用毫米波信標源和空間衰減相結合的方法，提供了一個功率最小達到－128 dBm的W頻段毫米波微弱信號源，實現對系統整機接收靈敏度的檢測和標校。

2 毫米波微弱信號檢測

2.1 檢測方法

對微弱信號的檢測關鍵在于抑制噪聲，提高信號檢測的靈敏度，即提高檢測系統的信噪改善比（Signal to Noise Interference Ratio，SNIR）。

噪聲是限制接收機靈敏度的根本原因，對于接收機噪聲系數，第一級設計至關重要。為了有效提高整機接收靈敏度，在接收前端加入前置低噪聲放大器（Low Noise Amplifier，LNA）。根據目前毫米波部件水平，接收前端的W頻段單級毫米波LNA的噪聲系數為6～9 dB，增益為20 dB；W頻段混頻器的噪聲系數為6～8 dB［6］?？紤]兩級級聯及第一級混頻后的總噪聲系數為［7］

式中，F1為射頻傳輸損耗產生的噪聲系數（取2dB），G1為傳輸線射頻損耗引起的增益（?。?dB），F2為第一級LNA的噪聲系數（取7dB），G2為第一級LNA的增益（取20dB），F3為第二級LNA的噪聲系數（取8dB），G3為第二級LNA的增益（取20dB），F4為第一級混頻器的噪聲系數（取7dB），故可得總的噪聲系數為F＝11.6 dB。

由式（1）可知，對系統噪聲系數影響最大的主要是前端的射頻傳輸損耗和毫米波LNA，因此為了保證有效降低系統噪聲系數，本文采用了目前國際上W頻段噪聲系數指標領先的低噪聲放大器部件。

靈敏度的概念源于雷達方程中的最小可檢測信號功率，即信噪比等于1時的最小輸入信號功率。接收機靈敏度越高，表明接收微弱信號的能力越強。接收機系統靈敏度可用下式進行計算［8］：

式中，k為波爾茲曼常量（1.38×10－23J/K），To為接收機工作溫度（取290 K），BRI為接收機線性部分的通頻帶（接收機高、中頻部分的總通頻帶）。

由式（2）可知，若被測信號電平非常微弱，需要降低接收機的通頻帶帶寬以提高系統接收靈敏度，因此要滿足接收最小信號－128 dBm的要求，計算可得接收機通頻帶帶寬要小于3 kHz。

在W頻段實際接收的信號通頻帶為6 GHz，因此為了提高系統接收機靈敏度，本文采取信道化處理技術，考慮到余量，設計信道化接收機的最小分辨帶寬為1 kHz。但直接把6 GHz的通道轉化成1 kHz

的通道需要6×106個信道，工程實現困難?？紤]到被測信號有一定的駐留時間，因此采取時間換空間的辦法，即首先采用外差方法把寬帶信號搬移到帶寬相對較小的中頻帶寬，再利用掃頻頻綜與待測信號進行混頻，在時間上把大帶寬劃分成小帶寬的子帶，通過兩級的處理從而達到1 kHz的信道帶寬，這樣可以大大減少信道數。

同時，由于動態(tài)測試速度要求和信號散布帶寬較大，本文采用直接數字頻率合成（Direct Digital Frequency Synthesizer，DDS）掃頻結合信道化接收的處理方法。具體實現方法為將待測信號1 GHz的散布帶寬利用掃頻頻綜劃分為200 MHz的子帶分時處理，每個200 MHz的子帶再利用信道化技術劃分為10個并行的20 MHz通道，每個通道采用鎖相頻率合成（Phase-Locked Loop，PLL）頻綜進行掃頻，步進1 MHz，并行完成20點/通道的掃頻任務。為進一步提高信道化的處理速度，對于每個1MHz頻點采用DDS進行快速掃頻檢測，檢測帶寬1 kHz/step，利用晶體濾波器組完成精細窄帶濾波，將中頻接收機帶寬減小到1 kHz，保證了檢測靈敏度，同時利用DDS快速的特點，使得1MHz內每1 kHz的掃頻時間小于1μs，保證整個信道化接收機的響應速度優(yōu)于50ms/200MHz。

2.2 信噪改善比分析

微弱信號檢測系統的信噪改善比等效于輸入噪聲帶寬與系統的噪聲等效帶寬之比，SNIR越大，表示處理噪聲的能力越強，對微弱信號檢測的水平越高。

當天線的輻射電阻與接收機的輸入電阻匹配時，根據功率與溫度的對應關系，輸入端總噪聲功率可計算為

式中，Te＝（F－1）To為等效噪聲溫度。最小輸入信號電平取Pin＝－128 dBm，故接收機輸入端信噪比為

考慮到后端信號處理（如被動監(jiān)測時射頻頻率的測量），取ISNR－out＝4 dB，則由定義可知整個系統的信噪比改善因子應滿足ISNIR≥67.4 dB。

由2.1小節(jié)分析可知，設接收機噪聲服從正態(tài)分布（高斯白噪聲），輸入噪聲帶寬近似視為射頻帶寬B＝6 GHz，而信道化接收機最小分辨率帶寬Δfmin為1 kHz，則信道化接收機可提供的最大信噪比改善因子SNIR可表示為

由式（5）可知，本文采取的外差式寬帶多通道快速掃頻復合信道化的微弱信號檢測方法可以提高信噪比67.8 dB，從而實現對W頻段微弱信號（－128 dBm）可靠地檢測并解調出相應的參數。

3 系統靈敏度測試方法

3.1 測試原理

系統接收機靈敏度是一個綜合性指標，檢驗系統整機滿足接收機靈敏度指標要求則隱含了該系統的其他指標也滿足指標要求。目前對系統靈敏度的測試方法是在實驗室環(huán)境下采用已知的標準功率信號源，經過精密衰減后加到接收機輸入端進行檢測［9］。但在W頻段，缺乏高精度的衰減器和性能良好的隔離器，信號源的泄漏功率較大，與經過衰減器輸出的能量相接近甚至更強；且根據室內測量結果經驗可得，當衰減值大于90 dB時，其衰減作用明顯減弱，即毫米波信號將不再隨衰減值增大而減弱。因此，對于W頻段測試系統接收機靈敏度為－128 dBm的指標進行檢測，關鍵是提供一個功率最小達到－128 dBm的W頻段毫米波微弱信號源。

本文在設計并研制了一個毫米波信標源的基礎上，根據空間衰減原理，利用現有條件設計了接收機靈敏度測試實驗方案，測試原理如圖1所示。該方法將毫米波信標源通過空間距離衰減，并輔以一定衰減值的吸波材料，共同實現毫米波信號監(jiān)測系統測量要求所需的－128 dBm微弱毫米波功率信號。

圖1 靈敏度測試原理Fig.1 Sensitivity testing principle

設發(fā)射源功率為Pt，天線增益為Gt，則沿其波束軸離發(fā)射源距離為R處的功率密度（單位W/m2）為

利用各向同性天線進行接收時，天線有效口徑面積為Ae＝λ2/4π（m2），則接收到的功率（單位W）為

式中，λ為工作波長。

可見，由距離R引起的空間衰減LR為

當工作波長λ＝3 mm（W頻段）時，忽略大氣衰減影響，其空間距離衰減LR與距離R對應的關系如圖2所示。

圖2 空間衰減與距離關系曲線圖Fig.2 Relationship between spatial attenuation and distance

由圖2可以看出，當距離范圍在150～350m內時，W頻段對應的空間距離衰減LR值大致范圍為－116～－123 dB，滿足遠小于－90 dB的條件。

3.2 毫米波信標源

信標源由毫米波功率源、標準天線、固定衰減器、多層吸波材料及電源等組成，其簡化的結構示意圖如圖3所示。毫米波功率源采用進口W頻段標準源，其工作頻率選擇在被測毫米波信號監(jiān)測系統接收機頻帶中間，功率Pt的量級為0～20 dBm。毫米波天線采用標準喇叭天線，增益一般選Gt≈20 dB。固定衰減器采用標準寬帶固定衰減器，衰減值一般選LD＝30～40 dB。毫米波功率源信號通過天線輻射后，再經吸波材料及距離衰減到達毫米波信號監(jiān)測系統接收機天線口面，其中采用平板吸波材料，通過增減平板吸波材料層數或厚度，可調整衰減值LM，以滿足被測系統的測試靈敏度要求。

圖3 毫米波信標源結構示意圖Fig.3 Structure diagram of themillimeter-wave calibration source

4 實驗與結果

采用上述測試方法對毫米波信號監(jiān)測系統整機的接收靈敏度進行測量的具體步驟如下所述。

（1）首先，在實驗室環(huán)境對毫米波信標源進行標定。具體為采用毫米波頻率計和功率計分別對毫米波功率源的頻率f0和功率Pt進行測定。吸波材料衰減值LM標定采用實際功率源、功率計等在電波暗室中測定。毫米波標準天線增益Gt、固定衰減器衰減量LD由供貨廠商提供，并根據實際工作頻率確定。經過一次標定后信標源各參數如表1所示。

表1 毫米波信標源各參數Table 1 Parameters of themillimeter-wave cali bration source

（2）基于毫米波信標源的參數標定值，可對外場實驗時測試距離的選擇進行分析計算。已知接收機接收功率（單位dBm）等效為

式中，接收天線增益Gr＝26 dB（實測數據平均值）。為了使到達被測毫米波信號監(jiān)測系統天線口面的毫米波信號功率的靈敏度滿足－128 dBm的要求，將表1中具體參數代入式（9），結合式（8）或圖2結果計算可得，測試距離為290m時，W頻段的空間距離衰減值LR約為－121.5 dB，此時接收機接收功率為－128.9 dBm。

（3）進行自由空間測試場的布設。根據步驟（2）可知，被測毫米波信號監(jiān)測系統與毫米波信標源應安放在相距290m位置上，實際測試場地選為在南京理工大學田徑場進行，布站示意圖如圖4所示。其中被測毫米波信號監(jiān)測系統放置在二樓平臺上，毫米波信標源放置在對面垂直高度相近的圓壇上，或反之。測試距離根據實測和衛(wèi)星照片測距來調整。為了保證標校精度，測試時天氣為晴朗無風，環(huán)境溫度約為20°，在測試距離范圍內及兩邊距離30m范圍內，沒有高出場地平面的金屬物、建筑物和樹木等障礙物。

圖4 系統靈敏度測試布站示意圖Fig.4 Station diagram of system sensitivity test

（4）根據步驟（1）～（3），在滿足測試條件下，對系統靈敏度進行多次測量，表2給出了部分實際測試數據。實測結果表明，到達接收機天線口面處的場強平均值為－128 dBm。

表2 W頻段系統靈敏度測試數據Table 2 Test data ofW-band system sensitivity

5 結論

本文基于國家靶場毫米波武器測試系統的實際需求，研究了毫米波微弱信號（低至－128 dBm）的接收與靈敏度測試方法。在信噪比分析的基礎上，采用外差式寬帶多通道快速掃頻復合信道化技術，研制了接收機靈敏度達到－128 dBm的W頻段測試系統。該技術指標的實現突破了國內在W頻段現有的測試手段，從而可對靶場毫米波微弱信號進行可靠地檢測并解調出相應的參數。

同時，針對目前國內不具備該靈敏度指標苛刻的W頻段系統整機靈敏度測試條件的問題，提出了一種高靈敏度測試新方法。其核心是利用空間衰減理論并采用自行研制的毫米波信標源，提供一個功率最小達到－128 dBm的W頻段毫米波標準信號源。通過在自由空間測試場的實際測量，證明了該方法的可行性，為我國靶場測試設備和技術提供了新的手段。

但是為了易于高靈敏度接收的實現，本文中接收機前端關鍵的低噪聲放大器模塊仍采用國外進口器件，不利于工程實現成本，后續(xù)將進一步研究W頻段寬帶低噪聲放大器的設計問題。

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陳曦（1984—），女，江蘇徐州人，2007年于中北大學獲通信工程專業(yè)學士學位，現為博士研究生，主要研究方向為靶場毫米波測試技術及信號處理；

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

許建中（1958—），男，江蘇無錫人，1982年于南京理工大學獲學士學位，現為教授，主要研究方向為毫米波探測與目標識別技術；

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.

吳禮（1981—），男，江西宜春人，2008年于南京理工大學獲博士學位，現為講師，主要研究方向為毫米波主、被動探測技術及信號處理；

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.

楊?。?984—），男，安徽銅陵人，2010年于南京理工大學獲碩士學位，現為助理工程師，主要研究方向為電磁頻譜管理、信號監(jiān)測與測量識別。

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

中國博士后科學基金資助項目（20100481151）

Foundation Item：China Postdoctoral Science Foundation（20100481151）

??通訊作者：10cx14＠163.com Corresponding author：10cx14＠163.com