Орлов А.Г., Севастьянов Н.Н. Бортовой ретрансляционный комплекс (БРК) спутника связи. Принципы работы, построение, параметры (2014) (1152061), страница 11

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 11)

Шумовые характеристики двухполюсникови четырехполюсниковИз статической радиотехники и физики [8] известно, что любое сопротивление, любая поглощающая диссипативная среда, находящаяся при температуреT, будет отдавать в согласованную нагрузку мощность шума со спектральнойплотностью kT, где T – абсолютная температура, а k – постоянная Больцмана,равная 1,3810–23 Вт/Гц. В полосе f мощность шумового сигнала Pш = kT f .Таким образом, температура Т является энергетической мерой спектральноймощности шума. Если на выходе двухполюсника шум создается другими сторонними источниками, например дробовым шумом или группой тепловых источников с другими температурами Тi, то суммарный шум двухполюсникаможно охарактеризовать температурой Тд так, чтобы максимальная мощностьшума реального двухполюсника была равна kТд. Следует отметить, что Тд, вообще говоря, является функцией частоты (f).57Рассмотренный подход можно распространить на линейные четырехполюсники, представляющие, с точки зрения СВЧ, 2-портовое устройство.Рис.

3.1. К определению параметров шумящего четырехполюсникаНа рис. 3.1 представлен 2-портовый шумящий четырехполюсник, нагруженный по входу сопротивлением R с температурой Т = 0, по выходу – на согласованную нагрузку. На выходе четырехполюсника мощность шума составит начастоте f Pвых(f). Представим теперь, что все внутренние источники четырехполюсника обнулились, при этом передаточные характеристики остались прежними. Температуру входного сопротивления поднимем до такой величины, чтобы тепловой шум от него, равный kТи, после прохождения четырехполюсникабыл равен Pвых. Температура Ти(f) и принимается мерой шума четырехполюсника. Иногда в качестве опорного шума для четырехполюсника берут тепловойшум источника с температурой Т0 = 300 К.Далее, считая такой четырехполюсник нешумящим, поднимем температуруисточника до такой величины, чтобы получить на выходе ту же шумовую мощность Pш.

Относительное увеличение температуры источника в этом случае даетдругую меру шума четырехполюсника – коэффициент шума F. Он может выражаться в дБ. Показано, чтоT   F 1  T0 .(3.1)Рис. 3.2. К определению шумовой температуры каскадного четырехполюсникаЕсли имеется каскадное соединение из четырехполюсников (рис. 3.2), тосуммарная Тс выражается формулойTс  T1 T3TkT2 ,M 1 M 1M 2M 1....M К 158(3.2)где Т1…Тk – шумовые температуры составляющих четырехполюсников, отнесенные к выходному сопротивлению предыдущего четырехполюсника;М1…МК–1 – коэффициенты усиления по номинальной мощности четырехполюсников.В СВЧ каскадных четырехполюсников обычно междупортовые соединенияосуществляются линиями передачи с волновыми сопротивлениями Z0. При этомкак показано в [4] шумы СВЧ двухполюсника и выходные шумы четырехполюсника можно выразить через параметры рассогласования с линией передачи(например, через коэффициент отражения i ).

В практических условиях согласования величины Т и М можно относить к волновым сопротивлениям соединительных линий.Пусть четырехполюсник имеет такую структуру, что в ней можно выделитьдиссипативную диэлектрическую среду с температурой Т1 и другую среду стемпературой T2. Исходя из двух фундаментальных физических законов –принципа взаимности (закон электродинамики) и закона Кирхгофа о равенствекоэффициентов излучения и поглощения, – можно показать, что выходная спектральная мощность шума кTвых будет равнакTвых =  1T1   2 T 2 ,(3.3)где  1 и  2 – относительные коэффициенты поглощения мощности соответственно в средах 1 и 2, полученные путем возбуждения четырехполюсника свыходного порта сторонним источником.Формула (3.3) позволяет рассчитывать шумовую температуру сложных четырехполюсников, соответствующих принципу взаимности (элементы матрицырассеяния S12 = S21).Как показано в [9], она может быть применена к четырехполюсникам с гиротропной магнитоэлектрической средой, не удовлетворяющим принципу взаимности, т.е.

S12 ≠ S21. В этом случае можно определить собственные шумы четырехполюсника по относительному коэффициенту поглощения мощности вспомогательного источника на выходе в транспонируемой по отношению к исход-~ной среде, для которой справедливо соотношение S21 = S12 , где знак  означаетоперацию транспонирования [9].

Физически транспонирование среды (и, соответственно, матрицы рассеяния) можно реализовать путем изменения внешнегостатического магнитного поля на противоположное.3.2. Шумовые характеристики СВЧ многополюсниковВ технической практике БРК встречается много СВЧ устройств, относящихся к классу многопортовых многополюсников (например, ферритовые СВЧциркуляторы – это пример невзаимного 3-портового шестиполюсника; гибридные устройства – примеры 3- и 4-портовых взаимных многополюсников).

Неко59торые из них имеют внутренние потери, другие не имеют потерь и, по существу,распределяют шумы подключенных к ним двухполюсников. Как показано в работе [4] для определения шумовых характеристик многополюсника нагруженного шумящими двухполюсниками, достаточно знания его матрицы рассеяния S.Рассмотрим многополюсник, показанный на рис. 3.3.Рис. 3.3. К расчету шумов многополюсникаВ общем случае он может быть невзаимным. Пусть многополюсник не имеетвнутренних потерь, а источниками шумов являются нагружающие его портыдвухполюсники D с температурой шума Тi. Матрица рассеяния многополюсника S, коэффициенты отражения двухполюсников  i .Схеме рис.

3.3 поставим в соответствие волновой граф, показанный нарис. 3.4. Выделим в этом графе два опорных порта – входной о и выходной n.Шумовую температуру Т многополюсника можно вычислить из этого графапо соотношениюTToibi 2nibnoo2,(3.4)где bn , bn – амплитуды отраженных шумовых волн напряжения на выходеграфа, возбужденных двухполюсниками Di с температурой Тi, температуравходного порта принята равной 300 К.60Рис. 3.4. Волновой граф для расчета шумов СВЧ многополюсникаКак показано в [10], для расчета температуры Т можно использовать методкоэффициентов поглощения в транспонированном многополюснике. При этомТ можно представить в следующем виде:T   iTi ,(3.5)~ 22Tin (1  i )~имеют физический смысл относительныхгде величины  i  ~ 22Ton (1  o )коэффициентов поглощения мощности двухполюсниками Di, соответствующих инверсному графу (при инверсии графа направления всех ветвей исходного графа меняются на противоположные).

Инверсия графа равносильнатранспонированию матрицы рассеяния, т.е. такому преобразованию, при ко-~тором SiK = S Ki .3.3. Шумовые характеристики приемных антеннШумы, выносимые приемной антенной БРК, добавляются к шумам ретранслятора и определяют в итоге системную шумовую температуру БРК, необходимую для определения его важнейшей характеристики – добротности на прием.61Для определения шумов приемной антенны можно применить метод относительных коэффициентов поглощения, т.е. подать мощность от вспомогательногоисточника со входа и определить относительные коэффициенты поглощения(активные потери) мощности этого источника в составных частях АФУ.

Очевидно, в соответствии с формулами (3.3)–(3.5), если активные потери (коэффициентпоглощения) АФУ составляют  , то они создадут на выходе шумовую температуру  Т1, где Т1 – физическая температура потерь. Если оставшаяся частьвспомогательного источника (1–) будет поглощена в дальней зоне средой стемпературой Т2, то она создаст на выходе шумовую температуру (1–)Т2.Если Т1 = Т2 = Т0, то суммарная температура шума на выходе антенны будет Т0.Подобная ситуация имеет место для БРК с приемной антенной, имеющейДН в зоне Земли. Обычно среднюю яркостную температуру Земли принимаютравной 300 К, температуру потерь принимают близкой к нормальной, и тогдашум антенны будет составлять ≈300 К.Если излучение антенны попадает на среду, состоящую из нескольких зон сосвоими яркостными температурами Тi, то общая температура будет равна суммевкладов от каждого источника со своим весовым коэффициентом.

В итоге мыпридем к следующему выражению для температуры приемной антенны от излучения:TA 14 T ( , )G( , ) ,(3.6)  4где T  ,   – угловое распределение яркостной температуры среды,G  ,   – коэффициент усиления антенны по мощности, распределенный в телесном угле , в соответствии с ДН. Нетрудно видеть, что в формуле (3.6)G ,  dпредставляет не что иное, как дифференциальный коэффициент4поглощения.3.4. Примеры применения расчетных методов шумовк ферритовым СВЧ устройствамВ технике БРК, особенно РТР, ферритовые устройства СВЧ, такие как ферритовые циркуляторы и ферритовые вентили, широко используются для улучшения согласования трактов и как развязывающие устройства.Типичный пример развязывающего устройства на базе ферритового циркулятора с поглощающей нагрузкой приведен на рис.

3.5.Сам по себе ферритовый циркулятор представляет невзаимный трехпортовый СВЧ многополюсник, в идеальном случае имеющий матрицу рассеянияследующего вида:620 0 1S1 0 0.0 1 0βγ  S     α12ρн3ПоглощающаянагрузкаРис. 3.5. Реализация развязывающего устройства на базе ферритового циркулятораИз вида матрицы следует, что в идеальном циркуляторе входной КСВН состороны портов i ( sii  0 ), развязки в направлении, обратном направлениюциркуляции ∞ (20lgS12, S23, S31). Для реализации вентильных свойств (например,передачи сигнала от порта 1 к порту 2), порт 3 нагружают на согласованнуюнагрузку с достаточно высоким уровнем согласования ( н  0 ).

Характеристики

Список файлов книги