2.7. Шумовая температура приемной антенны

Как известно из теории РТС, качество радиоприема (например, разбочивость речи в системах радиотелефонной связи, вероятность ошибочного приема двоичных символов в цифровых системах передачи информации и т.д.) определяется не абсолютной величиной полезного сигнала, принятого антенной, а отношением напряжения, создаваемого на входе приемника полезным сигналом, к напряжению, создаваемому различными помехами. Величина этого отношения существенно зависит от направленных свойств приемной антенны. Поэтому в ряде случаев к направленным свойствам приемных антенн предъявляются более жесткие требования (в частности, по УБЛ ДН), чем к передающим. Помехи при радиоприеме можно разделить на внешние и внутренние [2, 3, 10].

К внешним помехам относятся:

1) атмосферные, возникающие, например, из-за электрических разрядов в атмосфере;

2) индустриальные (промышленные), создаваемые различными электрическими установками;

3) интерференционные, создаваемые излучением антенн различных РТС;

4) космические, обусловленные радиоизлучением источников, находящихся за пределами земной атмосферы (солнца, звезд, отдаленных галактик и т.д.);

5) помехи (шумы), возникающие вследствие теплового излучения Земли и атмосферных газов;

6) помехи (шумы), обусловленные наличием осадков.

Помехи первых трех видов имеют место в основном в диапазонах НЧ—ВЧ. В диапазонах ОВЧ—КВЧ доминирующую роль играют помехи (4—6).

Внутренние помехи обусловлены тепловым движением электронов в различных элементах приемника (шумы флуктуационного происхождения), а также в антенне и в элементах ее тракта питания.

Если полезный и мешающий радиосигналы приходят с различных фиксированных направлений, то при приеме на направленную антенну и при правильной ориентации ее ДН можно значительно ослабить величину ЭДС, наводимую в антенне мешающим сигналом, и увеличить отношение мощности полезного сигнала к мощности помехи на входе приемника, т.е. увеличить выигрыш, даваемый антенной. Если направления прихода полезного сигнала и помехи совпадают или мало различаются, то применение направленной антенны не дает выигрыша. В случае направленных помех могут быть эффективны антенны с управляемой формой ДН, позволяющие совмещать направление нулевого (минимального) приема с направлением прихода помехи и почти полностью ее подавлять.

В ряде случаев помехи не имеют направленного характера или поступают из широкого углового сектора пространства. Эти помехи создаются так называемыми протяженными источниками, например галактикой, Землей, атмосферой Земли (источник называется протяженным, если область пространства, в пределах которой концентрируется его излучение, больше сечения ДН приемной антенны). Кроме того, помехи грозового характера, интерференционные помехи и другие часто меняют направление и могут приходить одновременно с разных направлений. В этих случаях условия работы приемной антенны близки к условиям, создающимся при приходе помех с произвольными амплитудами и фазами одновременно со всех направлений (ненаправленные помехи). Поэтому важно рассмотреть вопрос о том, будет ли давать выигрыш направленная антенна по сравнению с ненаправленной при приеме в условиях воздействия ненаправленных помех.

Ненаправленные помехи, приходящие с главного или близких к нему направлений, усиливаются антенной, помехи же, приходящие с направлений минимального приема, ослабляются. В результате действие помех усредняется и эффект на входе приемника получается таким же, как при приеме на изотропную антенну. Применение направленных антенн в этом случае не уменьшает среднюю мощность помех на входе приемника. Независимость величины средней мощности, выделяемой на входе приемника при приеме ненаправленных помех, от ДН антенны может быть доказано вполне строго. Покажем, однако, что и в данном случае целесообразно применение направленных антенн, так как увеличивает отношение мощности полезного сигнала к мощности помех.

Качество приема определяется отношением сигнал/помеха (сигнал/шум) [1, 10]

(2.50)

где Р_с — мощность полезного сигнала на входе приемника; Р_п — мощность внешних помех на входе приемника; Р_ш — мощность внутренних шумов приемника (включая и шумы самой антенны).

Различают три режима приема: 1) мощность внешних помех значительно превышает мощность внутренних шумов, т.е. ; 2) мощность внутренних шумов значительно превышает мощность внешних помех, т.е. ; 3) величины Р_п и Р_ш соизмеримы.

Режим 1. Пренебрегая величиной Р_ш по сравнению с , запишем формулу (2.50) в виде . Мощность ненаправленных помех в нагрузке приемной антенны может быть определена по формуле (2.37).

Так как в данном случае направленная антенна ведет себя как абсолютно ненаправленная (D = 1), то формула (2.37) принимает вид [10]

,

где η — КПД антенны и тракта питания; — напряженность поля помехи. Поскольку полезный сигнал приходит с определенного направления, совмещаемого обычно с главным направлением приема, то мощность полезного сигнала в нагрузке приемной антенны [10]

где D — КНД антенны в главном направлении; — напряженность поля полезного сигнала. Отсюда . Таким образом, при ненаправленных помехах в первом режиме приема величина отношения мощности полезного сигнала к мощности помех на входе приемника пропорциональна КНД антенны и не зависит от ее КПД. Заметим, что КНД приемной антенны характеризует ее пространственную избирательность, определяющую возможность выделения принимаемого сигнала на фоне помех, создаваемых радиосигналами, идущими с разных направлений и порождаемых различными источниками. Первый режим работы характерен для средних и длинных волн. Иногда этот режим имеет место на СВЧ при наличии малошумящих приемных устройств.

Режим 2. Пренебрегая величиной Р_п по сравнению с Р_ш, получаем [10]

.

Так как Р_ш не зависит от параметров антенны, то величина отношения мощности полезного сигнала к мощности помех на входе приемника в данном случае пропорциональна произведению Dη, т. е. коэффициенту усиления антенны. Таким образом, для получения высокого отношения сигнал/помеха в этом случае необходимо, чтобы антенна обладала высокими КНД и КПД. Второй режим работы характерен для приемников СВЧ и КВЧ.

Режим 3 имеет место в ВЧ — КВЧ диапазонах при использовании малошумящих приемников. Для увеличения отношения сигнал/помеха в данном случае необходимо выполнять те же условия, что и в предыдущем.

Режим работы при прочих равных условиях зависит от величины КУ антенны. При больших коэффициентах усиления имеет место первый режим; при малых КУ — второй режим.

Рассматривая перечисленные выше виды помех радиоприему в диапазонах СВЧ и КВЧ, следует выделить помехи, создаваемые источниками внеземного происхождения. Известно, что их абсолютный уровень невелик, поэтому целесообразно снижать уровень собственных шумов приемников. Поскольку чувствительность приемника СВЧ может иметь порядок 10^-18—10^-20 Вт, существенное значение приобретают помехи в виде внутренних шумов антенно-фидерного тракта. Так как внешние и внутренние помехи оказывают одинаковое негативное действие, его принято оценивать шумовой температурой антенны Т_А , называемой также антенной температурой [3—5, 10, 11], выражаемой в Кельвинах (К). Шумовую температуру относят к активной компоненте входного сопротивления антенны R_вх, что позволяет оценить мощность шумов Р_шА на входе согласованного с антенной приемника в определенной полосе частот Δf с помощью следующего выражения [3—5, 10, 11]:

Р_шА=kT_AΔf, (2.51)

где k=1,38·10^-23 Вт/(Гц·К) — постоянная Больцмана. Таким образом, воздействие всех шумов заменяется эквивалентным воздействием тепловых шумов внутреннего сопротивления антенны.

Шумовую температуру антенны T_a можно представить в виде [3, 5]

T_a = T_at + T_aς , (2.52)

где Т_ат — температура за счет флуктуационных тепловых шумов; Τ_ας — температура шумового излучения внешних источников. Для Т_ат известна простая формула [3, 5]

T_at = Т₀ (1−η), (2.53)

где Т_о — температура окружающей среды в Кельвинах. Следовательно, шумовая температура антенны Т_ат зависит от КПД антенно-фидерного тракта, температуры окружающей среды и не зависит от характе­ристик излучения антенны. С ростом КПД мощность этих шумов уменьшается.

Для Τ_{А ς} известно выражение [3, 5, 10]

Т_АΣ(θ,φ)=η Т_Я (θ,φ), (2.54)

где Τ_Я — яркостная температура источников шумов, не связанных с антен­ной.

Ощутимый вклад в Т_Я могут вносить источники внеземного происхо­ждения. Как правило, яркостная температура определяется радиоастрономическими методами для различных геофизических условий (географических ко­ординат положения антенны на поверхности Земли, времен года и суток, состояния солнеч­ной активности).

Для уменьшения Τ_{А ς} стремятся уменьшить тепловые потери в антенне, снизить уровень задних и боковых лепестков ДН.

Более подробно задача определения шумовой температуры антенны освещена в [5, 10].