射頻噪聲本質(zhì)上為高頻率的電子噪聲, 廣泛存在于射頻鏈路的各個(gè) 環(huán)節(jié)內(nèi), 在器件、 電路和系統(tǒng)等通 信系統(tǒng)的各個(gè)層次中均有體現(xiàn)。射頻噪聲水平是電子器件、 模塊、 系統(tǒng)的重要參數(shù)指標(biāo), 直接決定了電路 能夠識別和處理的最小信號水平, 進(jìn)而決定了系統(tǒng)的最遠(yuǎn)通信距離、 雷達(dá)的極限探測能力以及遙感的探測 分辨率等關(guān)鍵指標(biāo)。 本書是作者基于多年工程設(shè)計(jì)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(nèi)容從基本 噪聲理論開始, 系統(tǒng)地論述半 導(dǎo) 體 噪 聲、 器 件 噪 聲、 系 統(tǒng) 噪 聲 以 及 天 線 噪 聲 的 理 論 和 數(shù) 學(xué) 推 導(dǎo), 并 就 噪 聲 源、 噪聲測試以及噪聲在射頻工程中的應(yīng)用展開詳細(xì)的介紹。本書可作 為通信、 雷達(dá)、 遙感等技術(shù)領(lǐng)域的 科研人員、 工程技術(shù)人員的培訓(xùn)教材或工程設(shè)計(jì)參考書。

本書主要介紹電子噪聲和射頻噪聲的種類、來源、理論分析方法及在通信和雷達(dá)系統(tǒng)中的應(yīng)用等內(nèi)容。全書共分10章，從基本噪聲理論開始，系統(tǒng)地介紹了半導(dǎo)體噪聲、器件噪聲、系統(tǒng)噪聲及天線噪聲的理論和數(shù)學(xué)推導(dǎo)，并就噪聲源、噪聲測試及噪聲在射頻工程中的應(yīng)用展開詳細(xì)討論。本書可作為通信、雷達(dá)、遙感等技術(shù)領(lǐng)域的科研人員、工程技術(shù)人員的培訓(xùn)教材或工程設(shè)計(jì)參考書。本書呈現(xiàn)了以下理論、技術(shù)與應(yīng)用：
? 噪聲的數(shù)學(xué)理論和表征方法；
? 射頻噪聲的基本分類；
? 射頻噪聲的基本來源；
? 電子器件的射頻噪聲；
? 噪聲系數(shù)與噪聲溫度；
? 噪聲等效電路和噪聲微波網(wǎng)絡(luò)；
? 天線噪聲；
? 信號檢測與射頻接收機(jī)技術(shù)；
? 噪聲源理論與設(shè)計(jì)方法；
? 噪聲測試方法；
? 噪聲在微波工程中的應(yīng)用；
? 噪聲和干擾的抑制方法。

噪聲定義為疊加在有用信號上、影響有用信號接收與檢測的不期望擾動(dòng)。噪聲是自然界中普遍存在的現(xiàn)象，任何物理量，無論在什么環(huán)境中，無論采用多么精密的測試儀器，觀測到的信號中都伴隨有噪聲�，F(xiàn)代科學(xué)技術(shù)應(yīng)用中，各種物理量大多轉(zhuǎn)換為電信號進(jìn)行觀測和研究，各種信號伴隨的噪聲也轉(zhuǎn)換為電子噪聲，因此可通過研究電子噪聲來探查各種物理量的噪聲。本書所介紹的射頻噪聲實(shí)質(zhì)上為高頻電子噪聲，是電子噪聲的一種，射頻噪聲主要存在于高頻和射頻電路中，在通信、雷達(dá)、遙感和導(dǎo)航等領(lǐng)域的研究中具有重要地位，射頻系統(tǒng)的噪聲水平直接影響系統(tǒng)的功能極限。
一般來說，噪聲是有害的，較高幅度的噪聲會限制接收設(shè)備檢測微弱信號的能力，降低信號的檢測質(zhì)量，嚴(yán)重時(shí)還會淹沒有用信號，導(dǎo)致信號無法識別。工程實(shí)踐和科學(xué)研究中各種物理量的檢測和信息接收常常由于遠(yuǎn)距離、高衰減等原因，接收到的有用信號強(qiáng)度很弱，若有用信號功率與噪聲功率之比低于一定閾值，系統(tǒng)將無法識別信號，導(dǎo)致檢測失靈或通信失敗。對于通信和雷達(dá)應(yīng)用來說，一部分系統(tǒng)噪聲來自環(huán)境，通過天線的接收進(jìn)入射頻電路，同射頻電路自身的噪聲疊加，共同決定了系統(tǒng)的噪聲功率水平。系統(tǒng)電噪聲的功率水平?jīng)Q定了系統(tǒng)可檢測的最小信號幅度，決定了通信和雷達(dá)等系統(tǒng)的最遠(yuǎn)可用距離。當(dāng)系統(tǒng)的噪聲功率較大、信噪比較低時(shí)，為了實(shí)現(xiàn)微弱有用信號的檢測，不能單純地依靠幅度放大提高信噪比，而需要采取抑制噪聲功率措施，提高信號與噪聲功率的比值，才能實(shí)現(xiàn)信號的檢測和信息提取。
在通信和雷達(dá)應(yīng)用中射頻噪聲是有害的，但在電子對抗、微波遙感以及射電天文等領(lǐng)域，射頻噪聲卻是有用信號。例如在電子對抗領(lǐng)域，可以利用大功率噪聲實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)信號的干擾，使得對方的雷達(dá)、偵測和其他通信設(shè)備不能正常工作，保護(hù)己方軍事力量。微波遙感和射電天文則是通過接收和識別目標(biāo)輻射的熱噪聲，反演獲取目標(biāo)的物性特征。
噪聲是一種隨時(shí)間變化的物理量，但沒有明確的數(shù)學(xué)表達(dá)式，其數(shù)學(xué)本質(zhì)是一種隨機(jī)過程，因此只有使用統(tǒng)計(jì)學(xué)的一些概念才能夠準(zhǔn)確地描述噪聲的性質(zhì)和參數(shù)。本書共10章。第1章簡要地介紹概率、隨機(jī)變量、隨機(jī)過程以及統(tǒng)計(jì)和功率譜等相關(guān)理論，希望讀者在閱讀其他章節(jié)前能夠?qū)υ肼暤幕�本理論有所了解。射頻噪聲主要存在于射頻電路以及射頻系統(tǒng)中，為高頻或射頻頻段的電子噪聲，主要表現(xiàn)為電壓噪聲、電流噪聲、射頻波或功率波等形式。第2章系統(tǒng)地介紹熱噪聲、散粒噪聲、閃爍噪聲等射頻噪聲種類，分析了其來源以及噪聲功率譜等重要參數(shù)的計(jì)算公式。第3章講述射頻電路基本電子器件的噪聲特性，包含無源器件和有源器件，重點(diǎn)介紹電阻和半導(dǎo)體的噪聲表現(xiàn)。第4章主要介紹用于衡量噪聲強(qiáng)度的兩個(gè)概念，即等效噪聲溫度和噪聲系數(shù)，推導(dǎo)兩者的級聯(lián)公式，簡要介紹兩者相互換算關(guān)系以及兩者各自的應(yīng)用局限性。第5章將噪聲源引入微波網(wǎng)絡(luò)，將電子器件特別是有源電路的內(nèi)部噪聲抽象為噪聲電壓源和噪聲電流源，然后將該噪聲源作為基本器件納入電路分析模型，從而能夠結(jié)合微波網(wǎng)絡(luò)和線性電路模型對復(fù)雜有源電路網(wǎng)絡(luò)的噪聲性能進(jìn)行分析和計(jì)算，本章后半部分則基于微波網(wǎng)絡(luò)介紹射頻放大器的基本分析和設(shè)計(jì)方法。射頻系統(tǒng)的噪聲功率水平除了電路的噪聲貢獻(xiàn)以外，還包含天線的輸入噪聲，兩者之和決定了系統(tǒng)的信噪比。第6章系統(tǒng)地介紹天線噪聲的來源和功率譜的理論計(jì)算。第7章介紹噪聲背景下有用信號的檢測方法，并介紹射頻接收機(jī)的基本理論。第8章介紹人工噪聲源和噪聲測試?yán)碚摷皽y試方法。第9章介紹噪聲理論在通信、雷達(dá)、電子對抗、衛(wèi)星遙感等領(lǐng)域中的應(yīng)用，對于通信和雷達(dá)而言，噪聲是有害的，而對于電子對抗和衛(wèi)星遙感來說，噪聲卻是有益的，在實(shí)際工程應(yīng)用中應(yīng)充分掌握射頻噪聲這門學(xué)科，趨利避害，合理利用噪聲、實(shí)現(xiàn)工程設(shè)計(jì)目標(biāo)。第10章簡要地介紹電磁兼容理論，分析電磁干擾機(jī)理，并提出降低干擾的若干措施。
在時(shí)間碎片化、精力分散、信息爆炸、風(fēng)氣浮躁的時(shí)期，能夠安坐于書房，研讀一些書，深耕一門學(xué)科，并將所學(xué)所悟變成文稿實(shí)在是一件有趣且上癮的事情，若該文稿還能對讀者有所裨益，那實(shí)在是作者的榮幸。本書基于作者工程設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)和讀書筆記歷時(shí)三年寫成，在此特別感謝Z�瞝ibrary、知網(wǎng)以及Alexandra Elbakyan女士。同時(shí)特別感謝中山香山微波科技有限公司總經(jīng)理東君偉博士，正是在他的大力支持和鼓勵(lì)下，才有本書的誕生。特別感謝我的夫人馬向華女士，作為本書的第一位讀者，她提出許多寫作建議和意見，并承擔(dān)了本書文字校對、排版和制圖等工作。同時(shí)為了支持本書寫作，她還獨(dú)自承擔(dān)全部的家務(wù)和子女撫養(yǎng)的重?fù)?dān)。特別感謝我的母親李業(yè)紅女士，感謝她多年來對全家的付出和犧牲。另外還要再次感謝繆旻教授、秦三團(tuán)博士對于本書的貢獻(xiàn)。
限于作者的水平，本書內(nèi)容難免有疏漏和不妥之處，懇請專家和讀者批評指正。
作者
2022年4月于廣東中山

卜景鵬 遼寧丹東人，青年軍事通信專家、半導(dǎo)體技術(shù)專家、微波測試專家。2008年畢業(yè)于中國科學(xué)院電子學(xué)研究所，碩士。長期從事軍事通信設(shè)備和航空航天電子設(shè)備的研發(fā)與技術(shù)攻關(guān)工作，曾任某軍工企業(yè)射頻室主任、微波室主任、副總工程師、總工程師等職務(wù)，現(xiàn)任中山香山微波科技有限公司首席科學(xué)家，主要負(fù)責(zé)無線通信、衛(wèi)星遙感、雷達(dá)探測等領(lǐng)域的產(chǎn)品和測試系統(tǒng)的研發(fā)。累計(jì)領(lǐng)導(dǎo)和參加國家軍工體系10余項(xiàng)重大專項(xiàng)的技術(shù)攻關(guān)，研發(fā)出國內(nèi)先進(jìn)的UHF和VHF高性能軍用戰(zhàn)術(shù)電臺、S-X波段火控雷達(dá)、S-X波段衛(wèi)星地面站、X-Ku波段陸軍偵察雷達(dá)、X-Ku波段機(jī)載數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)、Ka波段射頻偵察系統(tǒng)及全自動(dòng)毫米波設(shè)備測試系統(tǒng)等，團(tuán)隊(duì)累計(jì)申請并獲授權(quán)專利100余項(xiàng)。

第1章噪聲理論基礎(chǔ)

1．1隨機(jī)變量

1．1．1事件概率

1．1．2概率分布和概率密度

1．1．3隨機(jī)變量的特征參數(shù)

1．1．4高斯分布

1．2隨機(jī)過程

1．2．1隨機(jī)過程集分布和時(shí)間分布

1．2．2隨機(jī)過程的相關(guān)函數(shù)

1．3功率譜函數(shù)

1．3．1自相關(guān)函數(shù)與協(xié)方差函數(shù)

1．3．2周期函數(shù)的功率

1．3．3自相關(guān)函數(shù)和功率譜密度函數(shù)

1．3．4互相關(guān)函數(shù)、互協(xié)方差函數(shù)和互功率譜密度

1．3．5線性系統(tǒng)

1．4信號調(diào)制

1．4．1正弦波調(diào)制

1．4．2擴(kuò)頻信號調(diào)制

1．5電噪聲

1．6分貝

1．6．1分貝計(jì)算的優(yōu)點(diǎn)

1．6．2分貝的快速計(jì)算技巧

1．7本章小結(jié)

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(shí)域和頻域描述

2．1．4通信環(huán)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(yùn)動(dòng)

2．2．3導(dǎo)體中的熱噪聲

2．3半導(dǎo)體噪聲

2．3．1半導(dǎo)體中的熱噪聲

2．3．2場效應(yīng)管的溝道熱噪聲

2．3．3柵極感應(yīng)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(yīng)管的溝道噪聲

2．3．7襯底噪聲

2．3．8產(chǎn)生�矎�(fù)合噪聲(G�睷噪聲)

2．3．9隨機(jī)電報(bào)噪聲

2．3．10半導(dǎo)體的閃爍噪聲

2．4本章小結(jié)

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(shù)的測試

3．1．4電阻工藝和材料對電流噪聲系數(shù)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(jié)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(jié)構(gòu)

3．6．2雙極性晶體管的噪聲等效電路

3．6．3異質(zhì)結(jié)晶體管

3．7場效應(yīng)晶體管

3．7．1場效應(yīng)管概述

3．7．2場效應(yīng)管的基本參數(shù)

3．7．3場效應(yīng)管的小信號模型

3．7．4場效應(yīng)管的噪聲模型

3．8本章小結(jié)

第4章噪聲溫度和噪聲系數(shù)

4．1噪聲溫度

4．1．1單端口網(wǎng)絡(luò)的等效噪聲溫度

4．1．2雙端口網(wǎng)絡(luò)的等效噪聲溫度

4．1．3系統(tǒng)的工作噪聲溫度

4．1．4級聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的噪聲溫度計(jì)算

4．1．5信噪比

4．1．6數(shù)模轉(zhuǎn)換器的輸出噪聲

4．2噪聲系數(shù)

4．2．1噪聲系數(shù)定義

4．2．2噪聲系數(shù)與噪聲溫度

4．2．3級聯(lián)電路的噪聲系數(shù)計(jì)算

4．2．4端口不匹配時(shí)的噪聲系數(shù)

4．2．5負(fù)阻抗情形下的噪聲系數(shù)

4．2．6寬帶噪聲系數(shù)

4．2．7平均噪聲系數(shù)

4．2．8包含基帶的噪聲系數(shù)

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(shí)的合路情況

4．3．3噪聲非平衡輸入的合路

4．4本章小結(jié)

第5章多端口電路噪聲

5．1單端口網(wǎng)絡(luò)

5．1．1電阻網(wǎng)絡(luò)

5．1．2電抗網(wǎng)絡(luò)

5．1．3線性網(wǎng)絡(luò)

5．1．4不等溫的線性網(wǎng)絡(luò)

5．2二端口網(wǎng)絡(luò)

5．2．1微波網(wǎng)絡(luò)

5．2．2端口噪聲功率

5．2．3噪聲等效網(wǎng)絡(luò)和噪聲相關(guān)矩陣

5．2．4噪聲波理論

5．2．5噪聲相關(guān)矩陣

5．2．6噪聲相關(guān)矩陣的計(jì)算

5．2．7噪聲波相關(guān)矩陣參數(shù)計(jì)算

5．3線性器件的網(wǎng)絡(luò)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(tǒng)的噪聲分析

5．3．3多輸入射頻系統(tǒng)的噪聲分析

5．4有源二端口器件的網(wǎng)絡(luò)噪聲分析

5．4．1噪聲模型的等效推導(dǎo)

5．4．2有源二端口網(wǎng)絡(luò)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(shè)計(jì)

5．5．4場效應(yīng)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(shè)計(jì)

5．6本章小結(jié)

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(jié)構(gòu)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云和雨衰減

6．2．6大氣厚度和輸出亮溫

6．2．7近空和深空通信環(huán)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(jié)

第7章信號檢測與射頻接收機(jī)

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(luò)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(diào)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(shù)字鎖定放大器

7．2．8鎖定放大器在微波測試中的應(yīng)用

7．3射頻接收機(jī)

7．3．1靈敏度和噪聲系數(shù)

7．3．2接收機(jī)的非線性模型

7．3．3三階交調(diào)截點(diǎn)

7．3．4接收機(jī)的動(dòng)態(tài)范圍

7．3．5模數(shù)轉(zhuǎn)換和量化噪聲

7．4射頻檢測儀器

7．5本章小結(jié)

第8章噪聲源和噪聲測試

8．1數(shù)字噪聲源

8．2模擬噪聲源

8．3恒溫噪聲源

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(dǎo)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(dǎo)體冷噪聲源

8．7噪聲源計(jì)量

8．7．1噪聲源的標(biāo)定系統(tǒng)

8．7．2噪聲計(jì)量

8．7．3噪聲計(jì)量的準(zhǔn)確度

8．8噪聲系數(shù)測試方法

8．8．1增益法噪聲測試

8．8．2Y系數(shù)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(dòng)增益控制電路的噪聲測試

8．8．7毫米波波段噪聲系數(shù)測試

8．8．8噪聲系數(shù)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(wèi)星信標(biāo)法

8．9．3近場測試法

8．10本章小結(jié)

第9章射頻噪聲的工程應(yīng)用

9．1通信系統(tǒng)

9．1．1微波通信系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)

9．1．2射頻鏈路計(jì)算

9．1．3射頻電路與模數(shù)轉(zhuǎn)換

9．2移動(dòng)通信

9．3無線電臺

9．3．1發(fā)射機(jī)寬帶噪聲

9．3．2大動(dòng)態(tài)范圍接收機(jī)設(shè)計(jì)

9．3．3多電臺合路

9．3．4短波電臺前端衰減網(wǎng)絡(luò)

9．4衛(wèi)星通信

9．4．1衛(wèi)星通信環(huán)境

9．4．2衛(wèi)星中繼轉(zhuǎn)發(fā)

9．4．3衛(wèi)星鏈路計(jì)算

9．4．4載噪比

9．4．5中繼系統(tǒng)的載噪比

9．4．6衛(wèi)星通信鏈路余量設(shè)計(jì)

9．5深空通信

9．5．1深空通信電磁環(huán)境

9．5．2深空通信的技術(shù)難點(diǎn)

9．5．3深空通信系統(tǒng)

9．5．4載波捕獲技術(shù)

9．5．5深空信號的距離和速度提取

9．6雷達(dá)

9．6．1雷達(dá)接收機(jī)結(jié)構(gòu)

9．6．2相控陣?yán)走_(dá)接收機(jī)

9．6．3無源饋電相控陣?yán)走_(dá)接收系統(tǒng)噪聲分析

9．6．4有源相控陣?yán)走_(dá)接收系統(tǒng)噪聲分析

9．7電子對抗

9．7．1電子干擾理論

9．7．2低截獲信號設(shè)計(jì)

9．7．3干擾機(jī)的工作原理

9．8微波遙感

9．8．1高度計(jì)

9．8．2散射計(jì)

9．8．3微波遙感和輻射計(jì)

9．8．4輻射計(jì)定標(biāo)

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雙路信號的相干接收

9．9．4合成孔徑和長基線相干接收

9．10射電天文學(xué)

9．10．1射電天文方法

9．10．2射電天文觀測設(shè)備

9．10．3相控陣饋源技術(shù)

9．11本章小結(jié)

第10章電路降噪

10．1電磁干擾和電磁防護(hù)

10．1．1電磁干擾

10．1．2電磁防護(hù)

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串行接地和并行接地

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(jié)

參考文獻(xiàn)