6. Рабочая полоса частот и предельная мощность антенны

Введенные параметры антенны ха­рактеризуют ее при монохроматических колебаниях, т. е. на одной частоте. Однако в любой реальной радиосистеме используется час­тотный спектр и часто предусматривается возможность смены час­тот. Поэтому важнейшим параметром антенны является рабочая полоса частот, в пределах которой другие ее параметры не выходят за пределы допусков, установленных техническим заданием. Обычно границы рабочей полосы частот определяются наибо­лее зависящим от частоты параметром. Например, очень часто ра­бочая полоса частот ограничивается ухудшением согласования входа, т. е. падением КБВ ниже допустимого значения. В других случаях ограничение полосы частот может быть обусловлено изме­нением положения максимума ДН, расширением луча и падением КНД и т. д. Наблюдаются случаи, когда верхняя и нижняя грани­цы полосы частот ограничиваются разными факторами, например со стороны нижних частот — качеством согласования, а со стороны верхних частот — искажением формы ДН. Полностью судить о по­лосе частот антенны удается после завершения расчетов и экспе­риментального исследования опытного образца.

Условно принято считать узкополосными антенны с рабочей по­лосой частот меньше 10% номинальной частоты. Широкополосные антенны могут иметь полосу частот 10—50%. Антенны с более ши­рокой рабочей полосой частот (до нескольких октав) называют диа­пазонными. И наконец, если отношение верхней и нижней границ рабочей полосы частот достигает 5:1 и более, можно считать ан­тенну частотно-независимой.

Еще одним важным параметром передающих антенн является предельная рабочая мощность. Предельная мощность обычно огра­ничивается электрической прочностью диэлектриков антенны, а так­же электрической прочностью окружающей антенну среды (осо­бенно это касается бортовых антенн, работающих в разреженных слоях тропосферы и ионосферы). Кроме того, в антеннах с боль­шой подводимой ко входу мощностью существует опасность так называемого теплового пробоя из-за перегрева диэлектриков и проводников проходящей высокочастотной мощностью. Расчеты электрической и тепловой прочности антенн составляют весьма спе­цифическую область теории и в данной книге не рассматриваются.

7. Шумовая температура приемной антенны

Для оценки возможности приема слабого сигнала необходимо сопоставлять его мощность с полной мощностью различных шумов на входе приемника. Одна часть шумов связана с антенной, дру­гая — образуется в приемнике. Создаваемые антенной шумы по своей природе могут быть разделены на внешние и внутренние. 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 ТА, называемого шумовой температурой антенны и выражаемого в Кельвинах. Шумовая температура приписывается внутреннему со­противлению антенны и позволяет находить подводимую к согла­сованному приемнику мощность шумов антенны , приходящую­ся на полосу частот , по следующей основной формуле:

(43)

где — постоянная Больцмана.

Тем самым осуществляется эквивалентная замена всех шумов (как принимаемых, так и создаваемых антенной) тепловыми шу­мами ее входного сопротивления при гипотетической температуре Та. Это вполне аналогично тому, когда в радиоприемных устройст­вах внутренние шумы различного происхождения заменяются эк­вивалентным шумом входного сопротивления, которому приписы­вается эквивалентная шумовая температура приемника , где — стандартная температура окру­жающей среды в земных условиях; — фактор шума приемника. Отличие состоит в том, что в приемнике все шумы эквивалентно выносятся на вход, а в антенне — на выход. Это упрощает расчет соотношения мощностей сигнала и шума при совместной работе антенны с приемником. Полная мощность шума радиопри­емной системы на входе приемника оказывается равной

(44)

Мощность сигнала на входе согласованного с антенной прием­ника выражается произведением вектора Пойнтинга сигнала на эффективную поверхность антенны и ее КПД. Отношение сиг­нал-шум при согласовании поляризаций и сопротивлений

(45)

причем отношение иногда называют чувствитель­ностью приемной антенной системы .

Полная шумовая температура антенны представляется суммой двух составляющих: вклада за счет флуктуационных тепловых шумов и приема шумового излучения внешних источников : .

Вклад в шумовую температуру антенны из-за тепловых флук­туации в неидеальных проводниках и диэлектриках находится следующим образом. Согласно теореме Найквиста, нормированная шумовая ЭДС на выходе антенны, обусловленная тепловыми флуктуациями,

(46)

где — активная часть входного сопротивления антен­ны, учитывающая омические потери; . Этой ЭДС соответ­ствует мощность шума на входе согласованного приемника (с входным сопротивлением )

(47)

где — КПД антенны. Отсюда для вклада в шумовую тем­пературу антенны из-за омических потерь получаем простую фор­мулу:

(48)

Перейдем теперь к нахождению вклада , 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 , плотность потока излученной электромагнитной мощности на длине волны в полосе частот , приходящаяся на единицу телесного угла, на основании закона Рэлея — Джинса составит . Применимость закона Рэлея — Джинса обусловлена тем, что на радиочастотах энергия кванта электромагнитного поля (т. е. фотона) значительно меньше кТ.

В нагрузке согласованной приемной антенны, находящейся в центре сферы, выделяется шумовая мощность:

(49)

где коэффициент 0,5 учитывает, что при приеме хаотически поля­ризованного поля теряется половина плотности потока мощно­сти на поляризации, ортогональной собственной поляризации ан­тенны.

Учитывая соотношение и формулу для КНД, получаем и . Таким образом, при равномерном распределении яркостной температуры по большой сфере шумовая температура антенны не зависит от формы ДН антенны и определяется только яркостной температурой и КПД антенны.

Если же поверхность сферы нагрета неравномерно и характери­зуется распределением яркостной температуры , то форму­ла для вклада в шумовую температуру за счет приема теплового радиоизлучения принимает вид:

(50)

где — коэффициент усиления антенны; — ДН по мощности; — 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

, (51)

где — двумерная дельта функция; — направление главного максимума.

Тогда, со­гласно (50), шумовая температура антенны

(52)

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 оставляют предмет специальной науки — радиоастрономии.

С другой стороны, анализ формулы (50) подсказывает возможность использования космических «точечных» (дискретных) источников шумового радиоизлучения для измерений ДН остронаправленных наземных антенн. В этом случае распределение 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 заменяется на величину:

(53)

где — полный коэффициент прохождения по мощности пло­ских радиоволн через все поглощающие слои атмосферы; — усредненная физическая температура поглощающих слоев, К.

Пер­вое слагаемое показывает, что поглощение уменьшает шумовую мощность от источников, расположенных за поглощающими слоя­ми. Второе слагаемое соответствует собственным флуктуационным шумам поглощающих слоев и по структуре аналогично фор­муле (48) [7].