射頻噪聲理論和工程應用

射頻噪聲本質上為高頻率的電子噪聲, 廣泛存在於射頻鏈路的各個 環節內, 在器件、 電路和系統等通 信系統的各個層次中均有體現。射頻噪聲水平是電子器件、 模塊、 系統的重要參數指標, 直接決定了電路 能夠識別和處理的最小信號水平, 進而決定了系統的最遠通信距離、 雷達的極限探測能力以及遙感的探測 分辨率等關鍵指標。 本書是作者基於多年工程設計與科研工作中積累的大量讀書筆記而寫成, 全書共 1 0章, 內容從基本 噪聲理論開始, 系統地論述半 導 體 噪 聲、 器 件 噪 聲、 系 統 噪 聲 以 及 天 線 噪 聲 的 理 論 和 數 學 推 導, 並 就 噪 聲 源、 噪聲測試以及噪聲在射頻工程中的應用展開詳細的介紹。本書可作 為通信、 雷達、 遙感等技術領域的 科研人員、 工程技術人員的培訓教材或工程設計參考書。

 

 

 

 

 

 

目錄

第1章噪聲理論基礎

 

1．1隨機變量

 

1．1．1事件概率

 

1．1．2概率分佈和概率密度

 

1．1．3隨機變量的特徵參數

 

1．1．4高斯分佈

 

1．2隨機過程

 

1．2．1隨機過程集分佈和時間分佈

 

1．2．2隨機過程的相關函數

 

1．3功率譜函數

 

1．3．1自相關函數與協方差函數

 

1．3．2周期函數的功率

 

1．3．3自相關函數和功率譜密度函數

 

1．3．4互相關函數、互協方差函數和互功率譜密度

 

1．3．5線性系統

 

1．4信號調制

 

1．4．1正弦波調制

 

1．4．2擴頻信號調制

 

1．5電噪聲

 

1．6分貝

 

1．6．1分貝計算的優點

 

1．6．2分貝的快速計算技巧

 

1．7本章小結

 

第2章射頻噪聲

 

2．1電噪聲概述

 

2．1．1電噪聲分類

 

2．1．2噪聲的來源

 

2．1．3噪聲的時域和頻域描述

 

2．1．4通信環境中的電噪聲

 

2．1．5電磁波譜

 

2．2熱噪聲

 

2．2．1熱輻射

 

2．2．2布朗運動

 

2．2．3導體中的熱噪聲

 

2．3半導體噪聲

 

2．3．1半導體中的熱噪聲

 

2．3．2場效應管的溝道熱噪聲

 

2．3．3柵極感應噪聲

 

2．3．4雙極性晶體管的熱噪聲

 

2．3．5散粒噪聲

 

2．3．6短溝道場效應管的溝道噪聲

 

2．3．7襯底噪聲

 

2．3．8產生復合噪聲(GR噪聲)

 

2．3．9隨機電報噪聲

 

2．3．10半導體的閃爍噪聲

 

2．4本章小結

 

第3章器件噪聲

 

3．1電阻

 

3．1．1電阻熱噪聲

 

3．1．2電阻的閃爍噪聲

 

3．1．3電流噪聲系數的測試

 

3．1．4電阻工藝和材料對電流噪聲系數的影響

 

3．1．5電阻的高頻等效電路

 

3．1．6電阻的噪聲模型

 

3．2電容

 

3．2．1電容形式

 

3．2．2電容的高頻等效模型和噪聲模型

 

3．3電感

 

3．3．1電感形式

 

3．3．2電感的高頻等效電路和噪聲模型

 

3．4其他無源器件

 

3．4．1天線

 

3．4．2濾波器

 

3．5二極管

 

3．5．1肖特基二極管

 

3．5．2PN結二極管

 

3．5．3雪崩二極管

 

3．6雙極性晶體管

 

3．6．1雙極性晶體管的結構

 

3．6．2雙極性晶體管的噪聲等效電路

 

3．6．3異質結晶體管

 

3．7場效應晶體管

 

3．7．1場效應管概述

 

3．7．2場效應管的基本參數

 

3．7．3場效應管的小信號模型

 

3．7．4場效應管的噪聲模型

 

3．8本章小結

 

第4章噪聲溫度和噪聲系數

 

4．1噪聲溫度

 

4．1．1單埠網絡的等效噪聲溫度 

 

4．1．2雙埠網絡的等效噪聲溫度

 

4．1．3系統的工作噪聲溫度

 

4．1．4級聯網絡的噪聲溫度計算

 

4．1．5信噪比

 

4．1．6數模轉換器的輸出噪聲

 

4．2噪聲系數

 

4．2．1噪聲系數定義

 

4．2．2噪聲系數與噪聲溫度

 

4．2．3級聯電路的噪聲系數計算

 

4．2．4埠不匹配時的噪聲系數

 

4．2．5負阻抗情形下的噪聲系數

 

4．2．6寬帶噪聲系數

 

4．2．7平均噪聲系數

 

4．2．8包含基帶的噪聲系數

 

4．3功分器與合路器的噪聲分析

 

4．3．1功分器和合路器噪聲性能

 

4．3．2信號非平衡輸入時的合路情況

 

4．3．3噪聲非平衡輸入的合路

 

4．4本章小結

 

第5章多埠電路噪聲

 

5．1單埠網絡

 

5．1．1電阻網絡

 

5．1．2電抗網絡

 

5．1．3線性網絡

 

5．1．4不等溫的線性網絡

 

5．2二埠網絡

 

5．2．1微波網絡

 

5．2．2埠噪聲功率

 

5．2．3噪聲等效網絡和噪聲相關矩陣

 

5．2．4噪聲波理論

 

5．2．5噪聲相關矩陣

 

5．2．6噪聲相關矩陣的計算

 

5．2．7噪聲波相關矩陣參數計算

 

5．3線性器件的網絡噪聲分析

 

5．3．1晶體管的噪聲等效電路分析

 

5．3．2單輸入多通道系統的噪聲分析

 

5．3．3多輸入射頻系統的噪聲分析

 

5．4有源二埠器件的網絡噪聲分析

 

5．4．1噪聲模型的等效推導

 

5．4．2有源二埠網絡的噪聲等效電路

 

5．5低噪聲放大器

 

5．5．1射頻放大器信號流圖分析

 

5．5．2放大器增益

 

5．5．3晶體管低噪聲放大電路設計

 

5．5．4場效應管放大器電路

 

5．5．5典型放大器電路的噪聲分析

 

5．5．6寬帶放大器設計

 

5．6本章小結

 

第6章天線噪聲溫度

 

6．1宇宙背景輻射的基本理論

 

6．1．1黑體輻射

 

6．1．2天線噪聲

 

6．1．3宇宙背景噪聲功率譜

 

6．2大氣衰減和大氣噪聲

 

6．2．1大氣結構和成分

 

6．2．2大氣吸收和散射

 

6．2．3大氣衰減

 

6．2．4霧的衰減

 

6．2．5雲和雨衰減

 

6．2．6大氣厚度和輸出亮溫

 

6．2．7近空和深空通信環境

 

6．3天線視在噪聲

 

6．3．1灰體

 

6．3．2視在溫度

 

6．3．3天線損耗

 

6．4本章小結

 

第7章信號檢測與射頻接收機

 

7．1信號檢波

 

7．1．1肖特基二極管的檢波性能

 

7．1．2二極管檢波理論分析

 

7．1．3二極管包絡檢波器

 

7．1．4均值檢波電路

 

7．1．5峰值檢波電路

 

7．1．6均方值檢波電路

 

7．2微弱信號檢測

 

7．2．1提高信噪比的方法

 

7．2．2鎖定放大器

 

7．2．3信號調制電路

 

7．2．4鎖定放大的理論分析

 

7．2．5矢量輸出的鎖定放大器

 

7．2．6變頻式鎖定放大器

 

7．2．7數字鎖定放大器

 

7．2．8鎖定放大器在微波測試中的應用

 

7．3射頻接收機

 

7．3．1靈敏度和噪聲系數

 

7．3．2接收機的非線性模型

 

7．3．3三階交調截點

 

7．3．4接收機的動態範圍

 

7．3．5模數轉換和量化噪聲

 

7．4射頻檢測儀器

 

7．5本章小結

 

第8章噪聲源和噪聲測試

 

8．1數字噪聲源

 

8．2模擬噪聲源

 

8．3恆溫噪聲源

 

8．3．1自然噪聲源

 

8．3．2人造噪聲源

 

8．4氣體放電管噪聲源

 

8．5半導體噪聲源

 

8．5．1二極管雪崩擊穿的噪聲譜分析

 

8．5．2二極管噪聲源電路

 

8．6半導體冷噪聲源

 

8．7噪聲源計量

 

8．7．1噪聲源的標定系統

 

8．7．2噪聲計量

 

8．7．3噪聲計量的準確度

 

8．8噪聲系數測試方法

 

8．8．1增益法噪聲測試

 

8．8．2Y系數法噪聲測試

 

8．8．3功率倍增法

 

8．8．4末端衰減法

 

8．8．5儀器測試法

 

8．8．6自動增益控制電路的噪聲測試

 

8．8．7毫米波波段噪聲系數測試

 

8．8．8噪聲系數測試的不確定性

 

8．9有源天線的G/T值測試

 

8．9．1射電源法

 

8．9．2衛星信標法

 

8．9．3近場測試法

 

8．10本章小結

 

第9章射頻噪聲的工程應用

 

9．1通信系統

 

9．1．1微波通信系統基本結構

 

9．1．2射頻鏈路計算

 

9．1．3射頻電路與模數轉換

 

9．2移動通信

 

9．3無線電台

 

9．3．1發射機寬帶噪聲

 

9．3．2大動態範圍接收機設計

 

9．3．3多電台合路

 

9．3．4短波電台前端衰減網絡

 

9．4衛星通信

 

9．4．1衛星通信環境

 

9．4．2衛星中繼轉發

 

9．4．3衛星鏈路計算

 

9．4．4載噪比

 

9．4．5中繼系統的載噪比

 

9．4．6衛星通信鏈路餘量設計

 

9．5深空通信

 

9．5．1深空通信電磁環境

 

9．5．2深空通信的技術難點

 

9．5．3深空通信系統

 

9．5．4載波捕獲技術

 

9．5．5深空信號的距離和速度提取

 

9．6雷達

 

9．6．1雷達接收機結構

 

9．6．2相控陣雷達接收機

 

9．6．3無源饋電相控陣雷達接收系統噪聲分析

 

9．6．4有源相控陣雷達接收系統噪聲分析

 

9．7電子對抗

 

9．7．1電子乾擾理論

 

9．7．2低截獲信號設計

 

9．7．3乾擾機的工作原理

 

9．8微波遙感

 

9．8．1高度計

 

9．8．2散射計

 

9．8．3微波遙感和輻射計

 

9．8．4輻射計定標

 

9．9大口徑天線、天線陣列以及長基線接收

 

9．9．1大口徑天線

 

9．9．2陣列天線

 

9．9．3雙路信號的相乾接收

 

9．9．4合成孔徑和長基線相乾接收

 

9．10射電天文學

 

9．10．1射電天文方法

 

9．10．2射電天文觀測設備

 

9．10．3相控陣饋源技術

 

9．11本章小結

 

第10章電路降噪

 

10．1電磁乾擾和電磁防護

 

10．1．1電磁乾擾

 

10．1．2電磁防護

 

10．2電磁耦合原理

 

10．2．1電場耦合

 

10．2．2磁場耦合

 

10．2．3電磁場耦合

 

10．2．4靜電放電

 

10．3平衡電路

 

10．4接地

 

10．4．1接地阻抗

 

10．4．2串行接地和並行接地

 

10．4．3接地過孔

 

10．5電源

 

10．6屏蔽

 

10．6．1靜電場屏蔽

 

10．6．2靜磁場屏蔽

 

10．6．3高頻電磁場屏蔽

 

10．7本章小結

 

參考文獻