Сазонов Д.М. Антенны и устройства СВЧ (1988) (1095425), страница 47
Текст из файла (страница 47)
Превалирующее значение обычно имеют внешние шумы, принимаемые антенной из окружающего пространства и порождаемые индустриальными помехами и грозовыми разрядами, шумовым радиоизлучением внеземных (космических) источников, тепловым излучением земной поверхности, тропосферы и ионосферы.
Как правило, меньшее значение имеют внутренние шумы, порождаемые тепловым движением электронов в неидеальных проводниках и диэлектриках антенны и тракта СВЧ. Поскольку внешние и внутренние шумы по спектральному составу и по мешающему действию вполне эквивалентны, принято оценивать их суммарное действие с помощью единого параметра Тх, называемого шумовой температурой антенны и выражаемого в кельвинах.
Шумовая температура приписывается внутреннему сопротивлению антенны и позволяет находить подводимую к согласованному приемнику мощность шумов антенны Р~л, приходящуюся иа полосу частот Л~, по следующей основной формуле: „= йТ„АТ', где А=1,38.10 —" Вт/(Гц-К) — постоянная Больцмана. Тем самым осуществляется эквивалентная замена всех шумов (как принимаемых, так и создаваемых антенной) тепловыми шумами ее входного сопротивления при гйпотетической температуре Тл. Это вполне аналогично тому, когда в радиоприемных устройствах внутренние шумы различного происхождения заменяются эквивалентным шумом входного сопротивления, которому приписывается эквивалентная шумовая температура приемника Т„„м= =То(Жпрм 1), где То=-288 К вЂ” стандартная температура окружающей среды в земных условиях; Ф„р~ — фактор шума приемника.
Отличие состоит в том, что в приемнике все шумы эквивалеит- но выносятся на вход, а в антенне — на выход. Это упрощает расчет соотношения мощностей сигнала и шума при совместной работе антенны с приемником. Г1олная мощность шума радиоприемной системы на входе приемника оказывается равной Р =Р л+~', =йдТ(ТА+Тпр). Мощность сигнала на входе согласованного с антенной приемника выражается произведением вектора Пойнтинга П, сигнала на эффективную поверхность антенны и ее КПД.
Отношение сигнал-шум (м9К) при согласовании поляризаций и сопротивлений 8 ., и( ~фЧ пшл + ~шпрм ««Т ~ ТА + Тпрм ) причем отношение З,фри/(Тл+Т,р ) иногда называют чувствительностью присиной антенной системы (и'/К). Полная шумовая температура антенны представляется суммой двух составляющих: вклада за счет флуктуационных тепловых шумов Тл ф и приема шумового излучения внешних источников Тл*.' ТА=ТА ф+Тлп. Вклад в шумовую температуру антенны из-за тепловых флуктуаций в неидеальных проводниках и диэлектриках находится следующим образом.
Согласно теореме Найквиста, нормированная шумовая ЭДС на выходе антенны, обусловленная тепловыми флуктуациямн, где гп„=гл — г,— активная часть входного сопротивления антенны, учитывающая омические потери; Ть=288 К. Этой ЭДС соответствует мощность шума на входе согласованного приемника (с входным сопротивлением г„=гл — 1хл) =йд ТТ, ( '~=ЩТ,(1 — ), Я' „( гл — г,1 (А А) А где р1=гп/гл — КПД антенны. Отсюда для вклада в шумовую температуру антенны из-за омнческих потерь получаем простую формулу Тлф=ТО(1 т1). (8.14р Перейдем теперь к нахождению вклада Тл„обусловленного приемом внешних шумов.
Предположим, что эти шумы эквивалентны тепловому излучению охватывающей антенну абсолютно черной поверхности, например в виде сферы с радиусом, превышающим расстояние до границы дальней зоны антенны. Если поверхность черной сферы равномерно нагрета до яркостной температуры Т., плотность потока излученной электромагнитной мощности на длине волны Х в полосе частот Ь|, приходящаяся на единицу телесного угла, на основании закона Рэлея — Джинса составит с1П /6()= =2яТ„Л//)о.
Применимость закона Рэлея — Джинса обусловлена тем, что на радиочастотах энергия кванта электромагнитного поля (т. е. фотона) значительно меньше яТ. В нагрузке согласованной приемной антенны, находящейся в центре сферы, выделяется шумовая мощность /» =0,5 ф — 5 чР'(6, ф) Ы, О 4к где коэффициент 0,5 учитывает, что при приеме хаотически поляризованного поля теряется половина плотности потока мощности на поляризации, ортогональной собственной поляризации антенны.
Учитывая соотношение 5,о=),4Р/(4п) и формулу для КНД (7.18), получаем Р »=ЙТ„Л/41 и Т„»=4)Т„. Таким образом, при равномерном распределении яркостной температуры по большой сфере шумовая температура антенны не зависит от формы ДН антенны н определяется только яркостной температурой н КПД антенны. Вслн же поверхность сферы нагрета неравномерно и характеризуется распределением яркостной температуры Т. (6, ф), то формула для вклада в шумовую температуру за счет приема теплового радиоизлучения принимает вид Т л о 4 ~ Т ( 6 < р ) Р ~ ( 6 ф ) б Я О 4к (8.15) где Рт! — коэффициент усиления антенны; г'(6, ф) — ДН по мощности; Т„(6, ф) — угловое распределение яркостной температуры по сфере, окружающей антенну.
Теперь шумовая температура антенны существенно зависит от ее ДН и ориентации в пространстве. Предположим, что антенна имеет очень узкий главный лепесток ДН при пренебрежимо малом боковом излучении, т. е. в пределе 11ш(г'(О, ф)]=4пб(6 — Оо, ф уо)/Р, где б(х, у) — двумерная дельта-функция; Оофо — направление главного максимума. Тогда, согласно (8.!5), шумовая температура антенны Тля= 6 ф Т„(6, ф)6(6 — 6о, ф — 64) бИ=ЧТ,(64, фо). О 4к Таким образом, угловое распределение яркостной температуры может быть измерено путем последовательного обзора окружающего пространства остронаправленной антенной. Такие исследования проводятся регулярно в различных диапазонах длин волн и составляют предмет специальной науки — радиоастрономии.
С другой стороны, анализ формулы (8.15) подсказывает возможность использования космических «точечных» (дискретных) источников шумового радиоизлучения для измерений ДН остро. направленных наземных антенн. В этом случае распределение Т„(8, чр) в окрестности дискретного источника может быть аппроксимировано дельта-функцией и запись шумовой мощности на выходе приемника (радиометра) при прохождении дискретного источника через направление максимума излучения антенны повторяет форму ДН антенны. Такие измерения ДН антенн по внеземным источникам радиоизлучения возможны в дециметровом и сантиметровом диапазонах длин волн, где нет заметного поглощения радиоволн в тропосфере и ионосфере. Вообще же влияние поглощения радиоволн на шумовую температуру антенны учитывается следующим образом.
Радиояркость внеземных источников Т (8, ф) заменяется на величину Т„(В, !О=Т (8, ~) )(Е„р)+Т„„(! — О(В, у)), где т)(8, <р) — гюлный коэффициент прохождения по могцности плоских радиоволн через все поглощающие слои атмосферы; Т»ть— усредненная физическая температура поглощающих слоев, К.
Первое слагаемое показывает, что поглощение уменьшает шумовую мощность от источников, расположенных за поглощающими слоими. Второе слагаемое соответствует собственным флуктуационным шумам поглощающих слоев и по структуре аналогично формуле (8.!4). Сведения о шумовых источниках. На длинных, средних н коротких волнах нреобладаюшую роль играют импульсные помехи, порождаемые грозовыми и индустриальными электрическими раэрядамн.
Спектральная плотность токов коротких электрических импульсов обратно пропорциональна частоте, поэтому соответствующая шумовая мощность и шумовая температура убывают обратно пропорционально квадрату частоты. Спектральная плотность мошиости помех отдальиих гроз в месте приема характеризуется более сложной частотной зависимостью с учетом возможных отражений от ионосферы. Кроме того, интенсивность помех от дальних гроз подвержена суточным и сезонным изменениям.
Для определения уровня атмосферных помех в конкретной местности составляют специальные географические карты для четырех времен года и шести отрезков времени суток. На картах наносят линни постоянной шумовой температуры короткой вертикальной антенны иа стандартной частоте 1 МГц. Для перехода к рабочей частоте реальной радиосистемы служат дополнительные частотные графики. В средней полосе СССР иа частоте 1 МГц шумавая температура за счет атмосферных помех достигает 60 дБ по отношению к 288 К, т.
е. около 3-10э К. На частоте 30 МГц эта величина уменьшается до 300 К и прн дальнейшем повышении частоты стремится к нулю. Пространственное распределение источников грозовых помех в первом приближении можно считать равномерным, что означает независимость шумовой температуры от формы ДН антенны. Из-за нысоких значений внешней шумовой температуры иа длинных н срелних волнах влияние КПД антенны на чувствительность приемника может оказаться- пренебрежимо малым. Действительно, отношение сигнал-шум имеет внд 5 Псах »!О йГ 4пйй| ~ Та(1 — ч) +'1Т»+ Т, 1 где Пы — коэффициент усиления антенны; Т» — определяемая по картам яркостиая температура атмосферных помех; Т„,ы — шумовая температура приемника.
Если выполняется условие ЧТ»»Т»(1 — Ч)+Т»р„, то отношение сигнал-шум оказывается пропорциональным О/Т„и не зависит от КПД антенны. Отсюда следует возможность уверенного радиоприема на средних и длинных волнах иа малогабаритные рамочные и проволочные антенны с КПД порядка 10-» и менее. Ма- лость напряжения полезного сигнала на выхоле такой «неэффективной» антенны легко компенсируется увеличением коэффициента усиления приемника. На частотах выше 30 Мгц уровень атмосферных помех резко снижается, так как создаваемое очагами грозовой леятельности шумовое радиоизлучение ие может распространяться путем отраженна от ионосферы. С другой стороны, из-за прозрачности ионосферы иа этих частотах начкнают проявляться космические шумы.
Радиоастро. номами составлены подробные карты яркостной Г»У температуры космических источников, наибольшие значениЯ котоРой наблюДаютсЯ вблизи галактн- гбг ческого центра и галактических полюсов. Частотную зависимость интенсивности космического излучения принято характеризовать с помощью гдг частотной зависимости усредненной шумовой температуры иэотропиой антенны в свободном пространстве, вычисляемой на основании карт радио- гр~ нркостн небесного свода (сплошная линия на рис. 8.3).
Штриховой и штрихпунктирвой линиями на рис. 8.3 показаны средине значения ярко- Н« сгной температуры, относящиеся соответственно к участкам «горячего» и «холодного» неба. Пря сравнении наземных антенн по присущей м ' им шумозон температуре принято ориентировать антенну так, чтобы главный лепесток ДН был направлен а «холодный» участок неба, обычно в эе- гб инт. При этом наиболее существенный вклад в йгг б мГц шумояую температуру вносит прием теплового радиоизлучения Земли н излучения космических ис- Рис. 8.3 Ярко«гкап температочннков задними и боковыми лепестками виген- тура небесного свода иа ны. Поэтому для снижения шумовой температу- различных частотах ры остронаправленных антенн дециметровых и сантиметровых воли надо уменьшать заднее н боновое излучение.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
