Эквивалентная шумовая температура антенны ЗС ССС может быть представлена в виде составляющих :

где слагаемые обусловлены следующими факторами:

Приемом космического радиоизлучения с учетом - угла места ДН антенны Земной станции;

Излучением атмосферы с учетом дождя и ;

Приемом излучения Земной поверхности через боковые лепестки ДН антенны, где s=0,05÷0,4, а Т з =290К для суши.

На рисунке 1 представлена частотная зависимость шумовой температуры Галактики, Солнца и атмосферы Земли (без дождя) . Из графика видно что шум Галактики в диапазоне частот выше 6 ГГц практически можно не учитывать. На частотах ниже 6 ГГц значение полученное из графика на рис.1 следует брать для выражения (1) с коэффициентом равным 0,5. Это объясняется тем, что излучение Галактики имеет сплошной спектр и слабо поляризовано, поэтому при приеме его на антенну с любым видом поляризации можно считать, что принимаемое излучение будет половинной интенсивности. Солнце является самым мощным источником радиоизлучения и может полностью нарушить связь, попав на главный лепесток ДН антенны. Однако такую ситуацию обычно преднамеренно исключают.

Рис.1. Частотная зависимость шумовой температуры Галактики, Солнца и атмосферы Земли (без дождя).

Шумовое радиоизлучение земной атмосферы имеет тепловой характер и в полной мере обусловлено поглощением сигналов в атмосфере (с учетом дождя). В силу термодинамического равновесия атмосфера излучает такое же количество энергии на данной частоте, которое поглощает, следовательно,

, (2)

где: =260К – средняя термодинамическая температура атмосферы, L а и L д

ослабление сигнала в атмосфере и в дожде, которые можно найти по графикам на рис. 2 и 3, соответственно . Частотная зависимость шумовой температуры атмосферы (с учетом дождя) приведены на рис. 4(а) и рис. 4(б) .

Рис. 2. Частотная зависимость поглощения радиоволн в спокойной
атмосфере (без дождя) при различных углах места.

Рис. 3. Зависимости поглощения сигнала в дожде от частоты при
различных углах места для Европейской территории СССР в различных
полосах частот, превышаемое не более 1% (сплошные линии)
и 0,1% (штриховые линии) времени любого месяца.

Шумовая температура антенны. Коэффициент шума пассивного устройства.

Рассмотрим понятие шумовой температуры, распространяющейся на характеристику приемных антенн, в частности для характеристики приема шумового излучения из космоса и атмосферы.

Шумовой температурой антенны называется такая абсолютная температура, до которой требуется нагреть полное сопротивление антенны , чтобы мощность шума источника сигнала с данным внутренним сопротивлением было равно на выходе антенны в реальности.

В общем случае на выходе антенны определяется не только мощностью принимаемого шумового излучения, но и мощностью потерь в антенне.

Потери в антенне характеризуются сопротивлением потерь .

шумовая температура антенны.

Коэффициент шума пассивного устройства.

Определим коэффициент шума пассивного устройства в режиме согласования.

В дальнейшем анализ шумовых свойств будем проводить в режиме согласования.

Пассивный четырехполюсник .

Так как эквивалентная схема для расчета на выходе такая же как и эквивалентная схема для расчета на входе, то и мощность шума на выходе:

,

, где - коэффициент передачи по мощности.

Коэффициент шума пассивного устройства обратно пропорционален его коэффициенту передачи по мощности.

Определим коэффициент шума пассивного устройства, когда температура источника сигнала и температура пассивного устройство не равны.

12. Коэффициент шума последовательности шумящих четырехполюсников.

Часто возникает задача, где известны характеристики нескольких шумящих 4х полюсников. Необходимо определить коэффициент шума последовательности этих 4х полюсников.

Для уменьшения Кш ЛТ необходимо обеспечить достаточно большой коэффициент передачи по мощности УРЧ, малые потери в пассивном устройстве и малые значения собственного шума УРЧ. При таких условиях шум всех каскадов стоящих после УРЧ сказывается мало на Кш ЛТ. Если фидер имеет очень большое затухание, то установкой антенного усилителя можно исключить его влияние на чувствительность приемного устройства, при этом Кш ЛТ определяется лишь Кш антенного устройства.

13.Чувствительность приемного устройства.

Чувствительность характеризует способность приемника принимать слабый сигнал на фоне внутриполосных помех. Часто чувствительность приемника задается минимальным уровнем ЭДС сигнала в антенне, при котором качество сигнала на выходе приемника удовлетворяет минимальным требованиям.

Рассмотрим связь чувствительности приемника с параметрами линейного тракта и антенны.

Зададим отношение сигнал-шум на выходе линейного тракта

Считаем, что антенна согласована с приемником и все шумы, созданные антенной, характеризуются шумовой температурой Т А.

Считаем, что Е А соответствует чувствительности приемника. Найдем:

Шумовая температура линейного тракта.

Т.е. чувствительность приемника определяется сумой шумовых температур антенны и линейного тракта.

Для СВЧ приемников чувствительность удобнее характеризовать не минимально возможной ЭДС в антенне, а минимально допустимой мощностью, выделяемой на входе приемника:

Если приемники имеют переменную полосу пропускания, то чувствительность удобно характеризовать минимально допустимой удельной мощностью сигнала на входе приемника:

Где Т 0 – паспортное значение шумовой температуры, - относительная шумовая температура, кТ 0 =4*10 -21 Вт/Гц.

Чувствительность часто задается в единицах кТ 0 (например, чувствительность равна 4кТ 0 =16*10 -21 В/Гц).

14.Основные нелинейные эффекты в линейном тракте.

Мощные внеполосные помехи создают ряд нелинейных эффектов: блокирование сигнала, перекрёстная модуляция и интермодуляция. Блокирование сигнала проявляется в виде снижения коэффициента передачи полезного сигнала в тракте при воздействии мощных внеполосных помех. Существует несколько механизмов воздействия мощной помехи на коэффициент передачи линейного тракта. Рассмотрим наиболее наглядный механизм, который проявляется в схеме усилителя с транзистором, включенным по схеме с общим эмиттером. Наличие мощной помехи увеличивает постоянную составляющую тока коллектора. За счет обратной связи по постоянному току через резистор эмиттера происходит подзапирание транзистора, рабочая точка смещается в область меньших токов, а следовательно в область меньшей крутизны транзистора. Если одновременно с помехой присутствует полезный сигнал, то для него происходит уменьшение коэффициента передачи каскада за счет снижения крутизны транзистора.

Перекрестная модуляция.

При перекрестной модуляции происходит перенос закона амплитудной модуляции помехи на сигнал – сигнал приобретает модуляцию помехи. Если помеха амплитудно модулирована, то рабочая точка УРЧ скользит по переходной характеристике транзистора в соответствии с законом модуляции помехой. По такому же закону меняется крутизна транзистора, а следовательно коэффициент передачи УРЧ. Полезный сигнал, проходя через усилитель с переменным во времени коэффициентом передачи, приобретает амплитудную модуляцию помехи.

Интермодуляция.

Явление интермодуляции состоит в том, что сумма 2х и более гармонических внеполосных помех за счет нелинейности амплитудной характеристики функционального узла, создает составляющие в полосе пропускания приемника.

Если сумму 2х гармонических сигналов подставить в выражение для степенного ряда, то можно показать, что на выходе нелинейного элемента присутствует сумма гармоник колебаний. где m и n=0,1,2,… .

Наиболее мощными являются колебания гармоник с малыми значениями m и n. Рассмотрим самую мощную: m=1, n=2, . Пусть имеет место воздействие 2х гармонических помех, которые на частотной оси расположены по 1 сторону от сигнала и находятся на равном расстоянии.

При данной помеховой ситуации происходит прохождение колебаний в полосу пропускания приемника.

Методы борьбы с нелинейными эффектами.

1. Использование усилительных приборов с широким динамическим диапазоном.

2. Повышение избирательности фильтров, стоящих до усилительных приборов.

3. Установка аттенюатора на входе приемника. Данный метод применим, если имеется запас по мощности сигнала.

15.Частотная избирательность приемного устройства. Полоса пропускания.

Избирательность характеризует способность приемника выделять полезный сигнал из окружения мощных внеполосных помех.

Величина избирательности показывает, во сколько раз помеха может превышать оговоренный уровень сигнала на входе приемника, чтобы качество сигнала выходе приемника соответствовало минимальным требованиям.

Где - напряжение помехи, отстроенной от сигнала на величину Δf, - напряжение полезного сигнала.

Так как внеполосные помехи могут быть мощными, возникает задача способности приемника принимать полезные сигналы при одновременном воздействии внеполосных помех, которые вызывают нелинейные эффекты в линейном тракте.

С этой целью оценку избирательности приемника производят имитируя помеховую обстановку в реальности. Т.к. в реальности источников помех должно быть несколько, то при измерении избирательности используют столько генераторов, сколько источников помех ожидается в реальности.

С целью сокращения затрат на измерения используют 2 или 3 генератора. Один из них имитирует сигнал, другой имитирует зеркальную, либо соседние помехи. Если используется 2 помеховых генератора, то исследуется явление интермодуляции. Если уровень внеполосных помех таков, что нелинейные эффекты в линейном тракте незначительны, и ими можно пренебречь, то оценку избирательности приемника можно упростить, используя односигнальную методику измерения. В этом случае один генератор поочередно настраивается на частоту полезного сигнала и на частоты всех помех. В данном случае справедлив метод суперпозиции.

16.Автоматическая подстройка частоты гетеродина. Линейный режим.

Радикальным средством повышения стабильности частоты гетеродина является использование синтезатора частоты. Однако в ряде случаев включение синтезатора в состав приемника настолько повышает его стоимость, что теряется целесообразность его использования. В этом случае целесообразно использовать систему АПЧГ. Рассмотрим обобщенную структуру АПЧГ.

Если под воздействие дестабилизирующих факторов меняется частота гетеродина (ГУН), то на эту же величину меняется f ПЧ. Это отклонение фиксируется дискриминатором, на выходе которого формируется напряжение, знак и величина которого соответствуют отклонению частоты. После фильтрации в ФНЧ напряжение воздействует на управляющий элемент (часто варикап), который компенсирует отклонение частоты ГУН.

Если дискриминатор является частотным, то имеет место ЧАП, если отклонение частоты фиксируется с точностью до фазы и дискриминатор фазовый, то это ФАПЧ, и в этом случае в состав системы входит кварцевый генератор.

Проанализируем простейший вариант в виде ЧАП. Различают 2 режима работы ЧАП- линейный и нелинейный. Если отклонение частоты гетеродина от требуемого значения мало и нелинейные свойства частотного дискриминатора проявляются слабо, то имеет место линейный режим, в противном случае – нелинейный.

Линейный режим.

Пусть под воздействием дестабилизирующих факторов f г отклонилась на Δf гетеродина. С целью упрощения f ПЧ =f Г - f С – т.е. верхняя настройка гетеродина. За счет действия системы АПЧ расстройка гетеродина уменьшается.

Δf Гост. =Δf ПЧост. – отклонение ПЧ от требуемого значения.

Δf Гост. = Δf Г - Δf Грег. , где Δf Гост. – регулирующее воздействие с выхода управляющего элемента.

Δf Гост ≈S упр. U дискр. , где S упр. – крутизна управляющего элемента (считаем характеристику управляющего элемента линейной), . U дискр ≈ S д Δf ост. , S д крутизна дискриминатора.

где - коэффициент частотной автоподстройки (К ЧАП).

К ЧАП показывает, во сколько раз уменьшается отклонение частоты гетеродина при использовании ЧАП. Увеличение К ЧАП приводит к снижению устойчивости системы АПЧ. Для её повышения увеличивают постоянную времени ФНЧ – растёт инерционность системы. Система не успевает отрабатывать быстрые изменения частоты гетеродина, поэтому К ЧАП, также как постоянная времени ФНЧ выбирают исходя из условий компромисса между противоречивыми требованиями: увеличение точности и быстродействия.

Обычно в расчетах К ЧАП не более 20-25. Если рассматривать воздействие дестабилизирующих факторов как некое возмущение, прикладываемое ко входу ГУН, то относительно этого возмущения система ведёт себя как ФНЧ, то есть НЧ возмущения подавляются, а ВЧ проходят на выход системы без изменений.

Этот параметр вводят только для приемных антенн. Причем его значение яв­ля­ется во многом определяющем, если антенна использу­ется в сочетании с высокочувствительным радиоприемным устройст­вом. В этом случае антенна, по отношению к последнему, выступает не только как генератор сигналов, но и как ис­точ­ник шума (пассив­ных помех). Под воздействием переменных полей про­мыш­ленных элек­тро и радиоустановок, грозовых разрядов в атмосфере, а также теп­­лового излучения Земли и источников космического излучения в ан­тенне бу­дет наводится ЭДС, зависящая от мощности всех внешних по­мех и их пространст­вен­ного распределения относительно антенны.

По аналогии с законом, связывающим мощность шумов и полосу пропуска­ния (формула Найквиста):

P Ш = k T Э Df ,

где k - постоянная Больцмана;

Т Э - эффективная шумовая температура, К О,

мощность шумов в приемной антенне примет вид:

P Ш = k T А Df .

Здесь Т А - шумовая температура антенны.

Она определяется следующим образом:

и зависит от:

КНД антенны в данном направлении;

Т Я (q,j) - распределения яркостной температуры в пространстве, характери­зующего распределение интенсивности внешних помех.

Таким образом, шумовую температуру приемной антенны в зна­чительной сте­пени определяет расположение ДН антенны по отношению к источникам шу­мов (излучений). Как правило, тепловое излучение Земли и, в значительной сте­пе­ни, атмосферы воздействует по боко­вым лепесткам ДН. Если главный лепесток ДН направлен в сторону источников космического излучения (например, в систе­мах космичес­кой связи, ионосферной радиосвязи), то шумовая температура ан­тен­­ны значительно увеличивается. Помимо направления, распределение яркост­ной температуры зависит еще и от диапазона рабочих частот. Определяется яр­кост­ная температура по специальным графикам. В общем случае собственные шу­мы антенны определяются сопротивлением потерь антенны, температуру которо­го нужно считать равной температуре окружа­ющей среды. При этом можно счи­тать, что если в "поле зрения" ан­тенны нет мощных дискретных источников кос­ми­ческого радиоизлуче­ния, то составляющая шумовой температуры за счет кос­ми­ческого шума равна примерно 5 К О, за счет шумов атмосферы - приблизи­тельно 15 К О, и за счет приема теплового радиоизлучения Земли по боковым и зад­ним лепесткам ДН - примерно 3 К О.

7. Частотная, пространственная и поляризационная со­гла­­сованность передающей и приемной антенн.

Под частотной согласованностью антенн понимают их способ­ность рабо­тать в одинаковом частотном диапазоне. Если антенны ра­ботают в разных частот­ных диапазонах, то частотная согласован­ность при этом не обеспечивается. Хотя в приемной антенне под воздействием электромагнитного поля с другой частотой (яв­ля­ющего­ся помеховым) наводится ЭДС, но мощность данного сигнала на вхо­де приемного устройства будет намного меньше из-за плохого согласо­вания ан­тен­ны с фидерным трактом.

Под пространственной согласованностью антенн понимают их взаимное рас­по­ло­жение в пространстве, при котором их ДН направле­ны навстречу друг дру­гу и обеспечивают максимально выигрышную пе­редачу энергии ЭМВ. При этом подразумевается, что одна антенна - передающая, другая - приемная. Оче­вид­но, что при узконаправленных антеннах требование к взаимному располо­же­нию антенн должно быть жестким.

Рассматривая вопрос поляризационной согласованности антенн, следует иметь в виду, что, исходя из принципа взаимности, поляри­зационные свойства при­емной антенны полностью определяются поля­ризационными параметрами этой же антенны в режиме передачи. Отсю­да следует вывод о том, что если взять две одинаковые антенны, одну в качестве приемной, а другую как передающую и рас­положить их идентично в пространстве, то поляризационная согласованность этих антенн будет достигнута автоматически. Это позволяет сформу­лировать сле­дую­щие условия полной поляризационной согласованности:

Коэффициенты эллиптичности пере­да­ю­щей и приемной антенн должны быть равны по модулю;

Углы наклона поля­ри­за­ционных эллипсов передающей и прием­ной антенн должны быть равны;

Нап­равления вращения векторов поля должны быть встречными, если оба эл­лип­са поляризации рассматрива­ются со стороны какой-либо одной антенны.

На рисунке показаны различные варианты расположения поляризационных эллипсов передающей (1) и приемной (2) антенн при условии их поляризационной согласованности.

Для оценки эффективности приема волн любой поляризации вво­дится коэф­фициент поляризационной эффективности:

где К Э 1 и К Э 2 - коэффициенты эллиптичности антенн;

Dg- разностный угол наклона эллипсов.

В случае полной поляризационной согласованности, при прочих равных ус­ло­виях, в приемной линейной антенне ЭМВ будет наводить максимальную ЭДС, а в антенне апертурного типа будет максимальной выходная мощность. И наоборот, подбирая поляризационные свойства антенны под струк­туру поляри­за­ции помеховой ЭМВ, можно существенно ослабить ее воздействие на прием­ную антенну. Если ЭДС в приемной линейной ан­тенне будет равна 0 (или в антен­не апертурного типа - выходная мощность), то говорят о полной поляризационной раз­вязке. На рисунке показаны различные варианты расположения поляризационных эллипсов передающей (1) и приемной (2) антенн при условии их поляризационной рассогласованности.

Так как шумы более широкополосны, чем приемное устройство, то в дальнейшем будем считать, что на входе идеального приемника имеет место шумовое напряжение, идеализируемое белым шумом. Тогда единственной характеристикой, которая потребуется в последующих главах, является спектральная плотность этого эквивалентного шума, пересчитанного ко входу приемника. Чтобы найти эту характеристику, рассмотрим причины возникновения шумов и количественные характеристики шума. Прежде всего заметим, что если бы даже само приемное устройство было идеально нешумящим, на входе приемника имело бы место шумовое напряжение. Причины возникновения этих входных шумов мы укажем несколько ниже. Так как само приемное устройство неидеально и создает добавочные шумы, то шумовое напряжение на выходе приемника будет определяться как входными шумами, так и собственными. Если приемник не содержит малошумящих усилителей высокой частоты, то шумовое напряжение на выходе будет определяться собственными шумами.

Чтобы количественно оценить, насколько реальный приемник отличается от идеального нешумящего, обычно вводится понятие о коэффициенте шума приемного устройства.

Коэффициентом шума некоторого линейного четырехполюсника называется число, показывающее, во сколько раз отношение сигнала к шуму по мощности на

его входе больше соответствующего отношения сигнала к шуму на выходе,

где отношение мощности сигнала к мощности шума на входе в полосе пропускания четырехполюсника; отношение мощности сигнала к мощности шума на выходе.

Из соотношения (2.2.1) видно, что для идеального нешумящего четырехполюсника коэффициент шума равен единице, а для любого реального

Представим приемное устройство в виде последовательно включенных четырехполюсников, которые имеют соответственно коэффициенты шума: Если нагрузки четырехполюсников согласованы, то для коэффициента шума приемного устройства нетрудно получить следующее соотношение:

где коэффициенты усиления четырехполюсников по мощности.

Из полученного выражения видно, что если приемник имеет усилитель высокой частоты с большим коэффициентом усиления, то его коэффициент шума будет в основном определяться собственными шумами этого усилителя и входных цепей.

Однако часто приемники сантиметрового диапазона усилителей на высокой частоте не имеют. В таких приемниках первым интенсивно шумящим элементом будет смеситель, вторым - усилитель промежуточной частоты. Шумы смесителя складываются из собственных шумов кристаллического детектора и шумов гетеродина. Обычно шумовые свойства смесителя принято характеризовать относительной шумовой температурой

Эффективна шумовая температура смесителя; абсолютная температура элементов приемного устройства; коэффициент передачи по мощности и коэффициент шума смесителя.

Тогда коэффициент шума приемника запишется в виде

Здесь коэффициент шума УПЧ.

Таким образом, коэффициент шума приемника в основном определяется шумами усилителя промежуточной частоты и шумами смесителя. Причин возникновения шумов УПЧ много. Можно указать, например, на такие источники шума, как тепловые шумы сопротивлений, шумы, возникающие за счет дробового эффекта в электронных лампах, и др.

Как следует из формулы (2.2.2), коэффициент шума всего усилителя промежуточной частоты определяется в основном коэффициентами шума первых его каскадов. Поэтому при проектировании приемных устройств особенное внимание уделяется шумовым свойствам входной цепи и первых каскадов УПЧ. Не останавливаясь подробно на этих вопросах, укажем, что коэффициент шума для приемников сантиметрового диапазона, в которых нет усиления на высокой частоте, обычно бывает порядка 10-16 дб

Если приемное устройство имеет усилитель высокой частоты, в качестве которого используется лампа бегущей волны то коэффициент шума такого приемника имеет порядок 3-б дб .

Зная величину коэффициента шума, можно легко подсчитать мощность шума на выходе УПЧ. Из форму получаем

где коэффициент усиления по мощности тракта приемного устройства до второго детектора.

Мощность шумов на входе в полосе пропускания УПЧ можно подсчитать по известной формуле

Где эквивалентная шумовая температура на входе, выраженная в абсолютных единицах; эффективная полоса пропускания УПЧ; k - постоянная Больцмана.

Тогда мощность шума на выходе УПЧ будет равна

где эффективная шумовая температура приемного устройства.

Следует отметить, что коэффициент шума входящий в эти формулы, есть коэффициент шума, замеренный при эффективной шумовой температуре на входе которая может отличаться от стандартной температуры Тогда можно использовать следующее соотношение между коэффициентом шума, измеренным при температуре и стандартным коэффициентом шума, измеренным при температуре

Шумы приемника ограничивают реальную чувствительность приемного устройства, а значит, и предельную дальность действия радиолокационной станции. Кроме того, за счет наличия шумов имеют место дополнительные флюктуационные ошибки измерения координат цели. В связи с этим важнейшей задачей проектирования приемных устройств радиолокационных станций является снижение уровня шумов.

За последнее время на этом пути удалось добиться существенных успехов главным образом за счет применения параметрических и молекулярных усилителей. Их собственные шумы оказываются сравнимыми или меньшими, чем уровень входных шумов.

При этом входными шумами будем называть шумы, возникающие до первого малошумящего усилителя. По причинам возникновения их можно разделить на две группы. К первой группе относятся шумы, возникающие за счет излучения небесного фона (космические шумы), вторичного излучения поглощающей среды (атмосферные шумы), теплового излучения земли, воспринимаемого боковыми лепестками диаграммы направленности антенны. Ко второй группе относятся шумы, которые

возникают в антенне и элементах приемного тракта предшествующих усилителю. К ним относятся шумы, возникающие за. счет конечной проводимости поверхности металлической антенны, потерь в волноводном тракте от антенны до малошумящего усилителя, прямых потерь в антенном переключателе и т. п.

Если на составляющие шумов антенны, возникающие за счет нагретой земли, мы можем влиять снижением уровня боковых лепестков за счет улучшения конструкции антенны, то более сложной проблемой является снижение уровня шумового излучения неба, принимаемого станцией с направления главного лепестка диаграммы направленности антенны. Этот шум состоит из составляющих, обусловленных рассеянием и поглощением в атмосфере, а также из шумового излучения, приходящего из пространства, расположенного за пределами ионосферы (космический шум). Хотя вопрос о зависимости уровня шумов от рабочей частоты станции еще недостаточно исследован, имеются сведения, дающие возможность судить -о том, что уровень космического шума обратно пропорционален частоте. Это иллюстрируется рис. 2.1, заимствованным из На рисунке показана зависимость эффективной шумовой температуры идеальных антенн от частоты. На более высоких частотах (свыше начинают сильно сказываться атмосферные шумы, которые увеличиваются с увеличением рабочей частоты станции. Отсюда, в частности, видно, что существует некоторый оптимальный диапазон рабочих частот, на котором шумовая температура антенны минимальна. Кроме того, приведенный график дает возможность оценить величину шумовой температуры антенны

Шумы элементов приемного тракта до малошумящего усилителя легко можно оценить. Если имеется некоторый источник с эквивалентной шумовой температурой и нам нужно вычислить эффективную шумовую температуру на выходе пассивного четырехполюсника с коэффициентом передачи по мощности то можно воспользоваться следующей формулой:

где абсолютная температура пассивного четырехполюсника.

блияние добавочных четырехполюсных элементов легко может быть оценено последовательным применением выражений этого типа.

В случае применения параметрических или молекулярных усилителей более удобной характеристикой шумовых свойств приемника является эффективная шумовая температура

Рис. 2.1. Эффективные шумовые температуры идеальных антенн, молекулярных и параметрических усилителей: 1 - идеальная горизонтально направленная на галактический центр антенна; 2 - идеальная вертикально направленная на галактический полюс антенна; 5 - молекулярный усилитель; 4 - параметрические усилители.

Она будет складываться из шумовой температуры на входе и температуры собственных шумов усилителя:

В результате получим, что эффективную шумовую температуру приемного устройства можно оценить по формуле

где эквивалентная шумовая температура антенны; абсолютная температура волноводного тракта; коэффициент передачи по мощности этого тракта; шумовая температура усилителя высокой частоты

По рис. 2.1 можно оценить эффективную шумовую температуру молекулярного и параметрического усилителей и ее зависимость от рабочей частоты. Как видно из графика, особенно низкой (несколько градусов оказывается шумовая температура молекулярного усилителя, поэтому в (приемные устройствах с такими усилителями очень большую роль начинают играть входные шумы. В связи с этим серьезной проблемой является уменьшение шумов на входе. Это можно сделать улучшением конструкции антенны, выбором рабочей частоты станции, охлаждением элементов, антенно-волноводного тракта до малошумящего усилителя и уменьшением потерь в этих элементах.

В дальнейшем мы всюду будем оперировать со спектральной плотностью шума которую нетрудно получить из приведенных выше соотношений:

Внутренними шумами являются шум активного сопротивления потерь антенны Tlos (loss - потери) и шум активного сопротивления потерь фидера Тф. Их уровень зависит от частоты в той мере, в которой зависят от нее активные потери в антенне и фидере.

тепловой шум фидера Тф

Зная потери фидера в дБ, его несложно расчитать по формуле Тф = То (1 - КПД), где То температура среды (фидера) в гр. Кельвина. Для чего известные потери фидера надо перевести из дБ в КПД и сделать расчет. Например при потерях фидера 1 дБ его КПД 0,89. При 17°С этот фидер будет иметь шумовую температуру Тф = 290 (1 - 0,89) = 32°.

тепловой шум антенны Tlos

Его величину также можно расчитать из известных потерь в материале антенны. Антенна из идеального материала не шумит. Из реального- шумит в той мере, в которой ее сопротивление потерь составляет часть от сопротивления ИЗЛУЧЕНИЯ антенны. Выбором точки питания и устройства согласования вместе с R излуч. и R потерь также приводится к ВХОДНОМУ сопротивлению антенны.
Потери в дб в антенне из реального материала можно определить по разности усиления антенны из идеального и реального материала. Переведя дб в отношение величин и вычтя из единицы получим долю R потерь в R излуч. или R входн. Умножив долю R потерь на температуру окружающей среды в °Кельвина получим Т шума R потерь или T loss с точностью более, чем достаточной для нормальных УКВ антенн.
Например антенна 50 ом из идеального материала имеет усиление 13 дб, из алюминия 12.81 дб. Разность 0,19 дб соответствует отношению U или R 0,9783. 1,0 - 0,9783 = 0,0217 есть доля потерь. При R вх 50 ом приведенное к входному сопротивление потерь составит 0,0217 х 50=1,085 ома. Если температура среды принята 290°Кельвина, то T loss составит: 290°К х Rпотерь привед. / Rвх. В нашем случае это составит 290 х 1,085/50=6,3°К.
С достаточной точностью можно расчитать проще. По таблице децибел находим численное значение разности усилений, вычитаем 1 и умножаем на 290°. В нашем примере 0.19 дб=1.022. При этом Tlos будет равно 290(1,022-1)=6,4°. В таблице ниже сделан расчет Tlos для обычно имеющихся потерь в антеннах ВК из чистого алюминия, сделанный в MMANA. C учетом потерь в фидере эффективная температура Tlos на входе приемника будет равна Tlos x КПД фидера.

Таблица перевода разности усилений антенны, расчитанных для идеального материала и чистого алюминия в Tlos

ВНЕШНИЕ ШУМЫ АФС

Внешние шумы - это шумы, принятые антенной от источников шумов внешнего пространства таким же образом, как и полезный сигнал. Такими источниками являются тепловой шум земли Тз или Tearth (earth - земля), техногенный шум Тт и космический шум (шум неба) Тк или Tsky (sky - небо) . Очевидно, что суммарный внешний шум АФС будет зависеть и от шумовой температуры этих источников и от диаграммы и положения антенны относительно этих источников и уже поэтому он не может быть нормализован. тепловой шум земли T earth

Сторого говоря шумовая температура земли Tearth равна ее физческой температуре Т, умноженной на 1 - Ф, где Ф - коэффициент отражения земной поверхности, который в свою очередь зависит от угла наклона, электрических свойств земной поверхности и поляризации антенны. Но на УКВ диапазонах как правило выполняется условие Рэлея, поверхность земли считается шероховатой, отражение от нее - диффузным, Ф стремится к 0, а Tearth - к физической температуре земли, которую в расчетах обычно принимают 290°К. Уровень теплового шума земли от частоты зависит мало.

техногенный шум Тт

Шум электрических аппаратов, от бытовых приборов, компьютерных сетей до ЛЭП, электротранспорта и пром. предприятий. Уровень может быть весьма различен, от 0 °К в безлюдной местности без рельсовых, трубопроводных и электрокоммуникаций в радиусе 100 км, до тысяч и десятков тысяч градусов в деловых центрах городов и промзонах. Или просто при наличии у соседа включенного в сеть китайского зарядника или БП компьютера без фильтра помех. С ростом частоты интенсивность техногенного шума падает, но не так быстро, как хотелось бы.

шум неба Тsky

Как видно на карте Tsky неба для частоты 136 МГц, различные его области имеют весьма различную шумовую температуру Tsky, от 200° до 3000°К. На частоте 430 МГц шумовая температура тех же областей меньше в среднем в 15 раз. Шумовая температура Tsky непостоянна во времени, она зависит от солнечной активности. Кроме того в Tsky входят и шум диска Солнца, Луны, планет, также непостоянные и весьма различные во времени.

ОЦЕНКА ШУМОВОЙ ТЕМПЕРАТУРЫ АФС

Методика оценки хорошо описана DJ9BV и F6HYE в журнале“DUBUS”-3/1992г. Перевод этой статьи Оценка качества ЕМЕ-системы можно прочитать на УКВ портале. Автор перевода Николай Мясников, UA3DJG.

ОБЩАЯ ШУМОВАЯ ТЕМПЕРАТУРА АФС

Шумовая температура антенны Та на входе в фидер есть арифметическая сумма шумовых температур внутренних и внешних источников шумов. Шумовая температура АФС на входе приемника это также арифметическая сумма шумовой температуры антенны Та с учетом ее потерь в фидере и шумовой температуры самого фидера Тф. Тафс = Та х КПД + Тф. Тф конкретного фидера заранее может быть расчитана по его затуханию и в расчетах ниже не участвует, далее рассматривается только Ta антенны или антенной системы (стека).

РАСЧЕТ ШУМОВОЙ ТЕМПЕРАТУРЫ АНТЕНН

Существует несколько методик расчета Та. Например в приведена одна из них:
В целом ряде случаев оказывается удобным определять шумовую температуру антенны через коэффициенты рассеяния β i . Под коэффициентом рассеяния в режиме передачи понимается отношение доли мощности, заключенной в пределах данного телесного угла, ко всей мощности, излученной антенной. Обычно выделяют полный и дифференциальные коэффициенты рассеяния. Полный коэффициент рассеяния представляет отношение всей мощности, излученной антенной в боковые и задние лепестки диаграммы направленности, к полной излученной мощности. Естественно, что полный коэффициент рассеяния является суммой дифференциальных коэффициентов β i .
Если, например, пространство, окружающее антенну, разбить на три области: 1) область главного лепестка, .2) область, занятую лепестками переднего полупространства (по отношению к раскрыву антенны), 3) область заднего полупространства, то эффективная шумовая температура антенны, без учета омических потерь, может быть определена через коэффициенты рассеяния из выражения Та = Т 1 (1 - β) + Т 2 β 2 + Т 3 β 3 , где Т 1 - усредненная яркостная температура среды в пределах главного лепестка диаграммы; Т 2 - усредненная яркостная температура шумового излучения, принимаемого боковыми лепестками в области переднего относительно раскрыва антенны полупространства; Т 3 средняя яркостная температура шумового излучения в области заднего полупространства; β - общий коэффициент рассеяния антенны за пределы главного лепестка диаграммы; β 2 , β 3 - коэффициенты рассеяния, соответственно, в передней и задней полусферах β 1 = β 2 + β 3 Общая шумовая температура антенны с учетом омических потерь в линии передачи равна: Та у = Та η + Ty = Т 1 (1 - β)η + T 2 β 2 η + T 3 β 3 η + T 0 (1 - η). Таким образом, шумовая температура антенны зависит не только от собственных характеристик антенны (β, η), но и от температуры внешнего шумового излучения (Т 1 , T 2 , T 3). Поэтому в зависимости от ориентации антенны ее шумовая температура будет изменяться.
В приведенной методике нет определенного параметра или их комплекса, по которому можно сравнить антенны между собой и сделать выбор. Причина в непостоянстве шумовой температуры внешних источников и ее зависимости от положения антенны относительно них. Об этом же пишет И. Гончаренко DL2KQ на своем форуме.
Вопрос:
Есть ли формулы для вычисления Ta, G/Ta , T los. Почему эти данные вычисляет только YA324, а MMANAGAL нет?
Ответ:
Шумовая температура антенны (она же Ta) пришла к нам из радиоастрономии. Ta вычисляется как произведение плотности шума пространства (solar flux unit, sfu) S (1S = 10-22 W s/m2) на эффективную площадь раскрыва антенны A, деленное на две постоянных Больцмана 2 k (где k=1.380662 10-23). Заменив площадь раскрыва через формулу, связывающую её с Ga (см. например, п.3.1.7 во второй части "КВ и УКВ") получим и упростив- вычислив степени и константы получим: Ta = S G λ²/3.47, где: S - sfu безразмерная, сегодняшннее значение (см. например, Геофизические оповещения); G - в разах (не в дБ);λ - в метрах.
Как Вы понимаете, имея вычисленное в программе G (и максимальное, и текущее, в произвольном направлении по вектору) посчитать Ta, G/Ta, Tlos не составляет труда. Сделаем в GAL-ANA. Почему не сделали в MMANA-GAL? Потому что бесплатная MMANA-GAL делалась нами под наше персональное (и возможно ошибочное) представление о понятном и удобным в антенных расчетах. По упомянутому мнению использование температур фидера и антенны – вещь неудобная. Посмотрите сами: в формулу Tlos входит непостоянная температура окружающего пространства To, а в формулу Ta- непостоянный, зависящий от Солнца, solar flux unit.В результате Tlos и Ta гуляют от погоды. Удобно ли пользоваться такими плавающими параметрами? Конечно можно ввести некие стандартно- средние To и S. Но это пока не стандартизовано, отчего в разных публикациях кто в лес, кто по дрова. ответ написан 24.1.2007 года, в 8:11

У радиолюбителей принята методика расчета шумовых свойств антенны как отношение G/T, где G - усиление антенны и Та - её шумовая температура. Усиление G вполне определенно, а уровень шума Та определен только для Т los, остальные компоненты зависят от непостоянных внешних источников шума и ориентации антенны относительно них, поэтому они должны быть оговорены заранее.
Ориентация антенны или стека из них относительно земли принята как положение антенны в горизонтальной поляризации с углом наклона максимума относительно горизонта (элевацией) 30°
Внешние условия, Т шума неба и Т шума земли, приняты равномерно распределенными по верхней и нижней полусферам вокруг антенны. За Т шума неба на диапазоне 144 МГц принята температура 200°, на диапазоне 432 МГц 15°. Тшума земли на обоих диапазонах принята 1000°.
Результаты расчета G/T антенн в стеках 2 х 2 представлены в таблице VE7BQH .

КОНТАКТНЫЕ ШУМЫ

Есть еще источник шума, о котором программы не знают, а радиолюбители иногда забывают- контактный шум. Контактный шум прямо пропорционален величине тока, плотность мощности падает с ростом частоты (1/f), но в определенных условиях на УКВ может достигать величины, мешающей даже местным связям. Это шум переменных точек контакта в антеннах с механическим соединением элементов, траверсы, крепежных деталей из металла между собой. Резьбовое соединение, запрессовка, обжим хомутом, тугая посадка трубки в трубку, ВЧ разьем,- везде гальванический контакт не по всей поверхности а в нескольких точках. Несмотря на их множество, любое самое незначительное воздействие разрывает одни точки контакта и образует другие. Под воздействием подразумевается смещение от ветра, изменение размеров при изменении температуры, процесс корозии поверхностей, пробой ВЧ напряжением окисной пленки и ее восстановление при приеме, "блуждающие токи" электросети и электростатики и т.п. В результате при надежных с точки зрения электрика ЖЭУ контактах непрерывно меняется путь тока и геометрия антенны. Шорохи и треск, возникающие при этом, обычно списывают на внешние помехи. Болтовое соединение между вибратором и кабелем из разнородных металлов и в полной мере обладает этими недостатками. В антеннах ВК, у которых вибратор и гамма-согласователь скреплены обжимом полосы, эти же причины на 145 мгц возможно, а на 1296 мгц неизбежно приведут к нестабильности и ухудшению параметров антенны.

Литература (и они же - ссылки сайты, где их можно скачать):
1 - Современные проблемы антенно-волноводной техники Сборник статей АН СССР
2 - Справочник радиолюбителя - коротковолновика С. Г. Бунин, Л. П. Яйленко
3 - Методы подавления шумов и помех в электронных системах Г. Отт
4 - Справочник по радиорелейной связи ред. Бородич С. В.
5 - Элементарная радиоастрономия Каплан
6 - Радиоастрономия Дж. Краус