sazonov_d_m__antenny_i_ustroistva_svch_1 988 (561328), страница 46
Текст из файла (страница 46)
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+Тн ). 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 разрядами. 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.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
