发射有源阵列与接收有源阵列之间的Nosie干扰分析

吴瑞荣 王烁 李景峰 龙永刚

摘 要：本文将相控阵之间的近场耦合等价于元素远场耦合的叠加。提出了发射相控阵与接收相控阵耦合的噪声功率计算方法。该方法也适用于发射信号的耦合。仿真计算由Matlab进行计算。

关键词：相控阵、Nosie干扰、分析模型

Analysis of Nosie Interference Between Transmit Active Array And Receive Active Array

WU Rui-rong WANG Shuo LI Jing-feng LONG Yong-gang

(No. 38 Research Institute of China Electronic Technology Corporation, Hefei 230088)

Abstract：In this paper, near-field coupling between phased arrays is equivalent to the superposition of the element far-field coupling. Noise power calculation method of coupling form the transmitting phased array to the receiving phased array is proposed. This method is also applicable to the coupling of the transmitting signals. The simulation calculation is conducted by Matlab.

Key word：phase array; Nosie Interference; Analysis model

1 概述

对于通信系统，收发阵列通常同时双工工作，需要收发有源阵列之间的兼容性设计。接收和发射的兼容设计主要包括发射信号对接收的干扰、发射频带外噪声对接收的干扰、发射频带外互调对接收的干扰等。发射信号、带外互调为相干信号[1~8]，如研究许多文章的影响，主要通过通用商业软件FKO、CST、ANSOFT建模。然而，对噪声影响的分析很少，特别是分析模型的构建。

本文提出了接收发射阵列分离且接收发射同时工作下发射带外噪声对接收链路的影响分析模型。

2 分析模型

由于发射和接收阵列处于彼此的近场中，因此传统的远场分析不适用于该系统。为了评估发射相控阵进入接收相控阵的带外噪声功率水平，以及对发射相控阵带外滤波的要求，提出了一个简单的分析模型，并进行了仿真。利用Matlab进行建模模拟，计算接收相控阵接收发射相控阵带外噪声功率电平。图1显示了发射和接收相控阵的自由空间耦合。

图1 发射和接收有源相控阵列

本文提出了一个简单的分析模型。发射和接收相控阵由多个独立的阵元组成，每个接收和发射相控阵元都位于彼此的远场中，根据远场定律来计算阵元间耦合系数，再合成为阵列间的空间耦合。详情如下：

假设发射相控阵有M个阵列元件，接收相控阵有N个阵列元件，收发任意阵元间的耦合系数为C_mn，则有：

其中：G_{t_m}是第m个发射阵元的增益；

G_{r_n}是第n个接收阵元的增益；

d_mn是第m个发射阵元和第n个接收阵元之间的距离

λ 是接收阵元的工作波长。

图2给出了每个接收阵元从发射阵元接收噪声的空间路径。可见每个接收阵元均可收到M个发射阵元发射的噪声，最终在合成网络内，将各接收阵元收到的噪声功率合成输出。

图2 发射和接收有源相控阵元之间的自由空间耦合

发射阵元噪声是由其各自放大器产生的，故每个接收阵元收到的M个发射噪声彼此不相关，N个接收阵元间收到相同发射阵元的噪声相互关联。若准确计算阵列间的噪声空间耦合，需根据相关特性分别计算。

为简化计算过程，本模型首先计算在N个接收阵元收到任意发射阵元m发射的噪声在阵列总口合成后的功率，其满足如下关系。

其中：C_mn是第m个发射与第n个接收阵元间的耦合系数；

P_m是第m个发射阵元的输出噪声功率；

Δφ是在不同扫描角度下接收相控阵的补偿相位。

随后，即可计算在接收阵列总口处的所有发射阵元到接收阵列的总噪声功率，满足如下关系。

3 仿真结果

根据上述分析模型，本系统采用Matlab仿真软件，通过应用于GEO卫星的接收和发射相控阵，仿真计算在接收相控阵总口收到所有发射阵元发射噪声总合成功率，如图3所示。其中发射频率为20GHz，接收频率为30GHz，每个发射阵元在带外30GHz处辐射噪声为-70dBm/MHz，此时接收阵列收到的总噪声功率仿真结果如图3（b）所示。从图中可以看出接收阵列收到的发射阵列总噪声功率远大于接收阵列的底噪即-114dbm /MHz。而外来噪声应低于接收底噪15dB以下才不会对接收系统造成恶化，因此需要在每个发射阵元的发射机输出端增加滤波措施，使其对接收频率的抑制度达到59dB以上。

（a）收发阵列空间位置 （b）接收阵列收到的总噪声功率

图3 接收相控阵收到发射相控阵带外噪声总功率仿真

4 结论

本文将收发有源阵列间的近场耦合转化为阵元之间远场耦合的叠加，并给出了发射阵列噪声耦合至接收阵列的计算模型。该方法即除可用于收发有源阵列间噪声耦合，也可应用于发射信号耦合至接收阵列的场景。 利用Matlab对收发有源阵列建模仿真，发射阵列的带外噪声耦合至接收阵列远大于接收阵列底噪-114dbm /MHz，需在每个发射阵元的发射机输出端增加滤波措施，使其对接收频率的抑制度达到59dB以上。

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