Эквивалентная шумовая температура и коэффициент усиления антенны. Большая энциклопедия нефти и газа

11.Шумовая температура антенны. Коэффициент шума пассивного устройства.

Рассмотрим понятие шумовой температуры, распространяющейся на характеристику приемных антенн, в частности для характеристики приема шумового излучения из космоса и атмосферы.

Шумовой температурой антенны называется такая абсолютная температура, до которой требуется нагреть полное сопротивление антенны , чтобы мощность шума источника сигнала с данным внутренним сопротивлением было равно
на выходе антенны в реальности.

В общем случае
на выходе антенны определяется не только мощностью принимаемого шумового излучения, но и мощностью потерь в антенне.

Потери в антенне характеризуются сопротивлением потерь
.

шумовая температура антенны.

Коэффициент шума пассивного устройства.

Определим коэффициент шума пассивного устройства в режиме согласования.

В дальнейшем анализ шумовых свойств будем проводить в режиме согласования.

Пассивный четырехполюсник .

Так как эквивалентная схема для расчета
на выходе такая же как и эквивалентная схема для расчета
на входе, то и мощность шума на выходе:

,

, где
- коэффициент передачи по мощности.

Коэффициент шума пассивного устройства обратно пропорционален его коэффициенту передачи по мощности.

Определим коэффициент шума пассивного устройства, когда температура источника сигнала и температура пассивного устройство не равны.

12. Коэффициент шума последовательности шумящих четырехполюсников.

Часто возникает задача, где известны характеристики нескольких шумящих 4х полюсников. Необходимо определить коэффициент шума последовательности этих 4х полюсников.

Для уменьшения Кш ЛТ необходимо обеспечить достаточно большой коэффициент передачи по мощности УРЧ, малые потери в пассивном устройстве и малые значения собственного шума УРЧ. При таких условиях шум всех каскадов стоящих после УРЧ сказывается мало на Кш ЛТ. Если фидер имеет очень большое затухание, то установкой антенного усилителя можно исключить его влияние на чувствительность приемного устройства, при этом Кш ЛТ определяется лишь Кш антенного устройства.

13.Чувствительность приемного устройства.

Чувствительность характеризует способность приемника принимать слабый сигнал на фоне внутриполосных помех. Часто чувствительность приемника задается минимальным уровнем ЭДС сигнала в антенне, при котором качество сигнала на выходе приемника удовлетворяет минимальным требованиям.

Рассмотрим связь чувствительности приемника с параметрами линейного тракта и антенны.

Зададим отношение сигнал-шум на выходе линейного тракта

Считаем, что антенна согласована с приемником и все шумы, созданные антенной, характеризуются шумовой температурой Т А.

Считаем, что Е А соответствует чувствительности приемника. Найдем:

Шумовая температура линейного тракта.

Т.е. чувствительность приемника определяется сумой шумовых температур антенны и линейного тракта.

Для СВЧ приемников чувствительность удобнее характеризовать не минимально возможной ЭДС в антенне, а минимально допустимой мощностью, выделяемой на входе приемника:

Если приемники имеют переменную полосу пропускания, то чувствительность удобно характеризовать минимально допустимой удельной мощностью сигнала на входе приемника:

где Т 0 – паспортное значение шумовой температуры,
- относительная шумовая температура, кТ 0 =4*10 -21 Вт/Гц.

Чувствительность часто задается в единицах кТ 0 (например, чувствительность равна 4кТ 0 =16*10 -21 В/Гц).

Cтраница 3

В литературе опубликованы многочисленные сообщения о разработках охлаждаемых параметрических усилителей. В частности, в работах приводятся результаты изучения влияния охлаждения диодов на эффективную шумовую температуру усилителя. На рис. 11.4 приведены полученные экспериментально зависимости шумовой температуры усилителя от температуры диодов из германия, кремния и арсенида галлия.  

Наряду с этим известно много случаев, когда фактические шумы значительно превышают шумы, вычисленные по этим формулам. Для того чтобы избежать несоответствия между опытом и расчетом, вводят понятия об эффективной шумовой температуре или об эффективном сопротивлении (проводимости) взамен соответствующих реальных величин. Такие представления являются неудачными и даже вредными, так как хотя и дают возможность численно свести опыт с расчетом, но не соответствуют существу дела, а поэтому и не указывают на правильные пути борьбы с шумами.  

В уравнении (5.26) понятие коэффициента шума использовано для описания шумовых характеристик усилителя. Уравнение (5.28) - это альтернативная (и при этом эквивалентная) характеристика, именуемая эффективной шумовой температурой. Напомним, что шум-фактор - это измерение относительно эталона. Шумовая температура такого ограничения не имеет.  

Такое разделение просто осуществляется с помощью циркулятора, как показано на рис. 17.23, а. При этом достигается еще и то преимущество, что шумы нагрузки приемника с комнатной температурой не проходят непосредственно в мазер. Помимо собственной шумовой температуры мазера TNM в эффективную шумовую температуру входят слагаемые: TNR / gp, учитывающее шумы приемника; TLA, учитывающее шумы согласованной нагрузки, отраженные от антенны; TLM, обусловленное шумами, проходящими между плечами 2 и 4 циркулятора; TRM, обусловленное щуками приемника, проходящими между плечами 3 и 2 аТ0, определяемое диссипативными потерями в фидере между антенной и мазером.  

Отличия между сетями усилителей и сетями с потерями в линии можно рассматривать в контексте механизмов потерь и шумов, описанных ранее. Впрочем, и в этом случае ухудшение будет выражено через увеличение коэффициента шума или эффективной шумовой температуры.  

Например, теория Петритца ведет к закону вида v - 1 с отклонениями 3 56 почти в пятидекадном диапазоне частот. Были проведены некоторые измерения шума мерцания ; Никол обнаружил, что на частоте 45 Мгц этот шум может оказаться больше дробового и быть значительным на частотах до 1 Ггц. Эти дополнительные источники шума должны учитываться при анализе характеристик диодов с точечным контактом, относя такие шумы к эффективной шумовой температуре.  

Параметрические усилители чаще всего используются в аппаратуре ТРРЛ. Они представляют собой устройства, в которых нсдользуется переменный реактивный элемент, в качестве которого применяется параметрический диод, обладающий свойствами нелинейной емкости и изменяющий свое реактивное сопротивление за счет внешних источников энергии. Так как чисто реактивные элементы не обладают собственными шумами, то ПУ обеспечивают низкие уровни шумов, позволяя уменьшить эффективную шумовую температуру приемника до требуемого значения 100 - 150 К. В них для накапливания энергии используется емкость р-й-иерехода диода, а изменение этой емкости осуществляется за счет подачи от генератора накачки (ГН) переменного напряжения, частота которого выше частоты усиливаемого сигнала.  

Для криогенно охлаждаемых приемников миллиметровых и субмиллиметровых волн приближение Рэлея-Джинса может давать значительную ошибку. Для определения эффективной шумовой температуры теплового источника в случае, когда нужно учитывать квантовые эффекты, используются две формулы.  

Принимая эффективную температуру газа равной 500 К, для Ne n доп-плеровски уширенной линии (9.9) получаем, что полоса усилителя равна 315 Мгц, а по формуле (9.20) находим полную выходную мощность шумов на моду 12 3 10 - 9 вт. Формула (9.6) дает, что эффективная шумовая температура в этом случае равна 8550 К, тогда как идеальное значение этой величины равно 6120 К.  

Диапазон температур для коммерческих систем обычно находится между 30 и 150 К. Недостатком использования шум-факторов для подобных малошумящих сетей является то, что все получаемые значения близки к единице (0 5 - 1 5 дБ), что создает определенные затруднения при сравнении устройств. Для приложений космической связи эталонная температура в 290 К не является настолько подходящей, как для наземных приложений. Эффективная входная шумовая температура просто сравнивается с эффективной шумовой температурой источника. Вообще, приложения, в которых фигурируют малошумящие устройства, лучше описывать с помощью эффективной температуры, а не шум-фактора.  

Для осуществления одноплечего варианта усилителя использован циркулятор. В усилителях такого рода применяются диоды с резкими, плавными и точечно-контактными переходами. Выходные мощности равны 5 - 500 мет, выше этих значений наступает насыщение; внутри этого диапазона мощностей произведение коэффициента усиления на полосу пропускания возрастает. Эффективная шумовая температура обычно не превышает 300 К; в известных пределах шумовую температуру можно снизить за счет использования более высокой мощности накачки.  

На рис. 4.11 изображен график, позволяющий сравнить шумовые свойства различных типов усилителей. Из графика следует, что шумовая температура кристаллических смесителей весьма быстро растет с увеличением частоты и при / 300 МГц превышает 1000 К. Схемы усилителей высокой частоты на триодах обладают более низкой шумовой температурой. Однако с увеличением частоты усиливаемых колебаний она также очень быстро возрастает. Эффективная шумовая температура усилителей на туннельных диодах остается практически постоянной (Тэ 800 К) до частоты / 6000 МГц. Параметрические усилители (ПУ) обладают шумовой температурой, близкой к 100 К. На рисунке для сравнения указана шумовая температура некоторых источников шумов.  

Как отмечалось, выходной шум приемника складывается из усиленного шума ис­точника сигнала и собственного шума приемника, т. е.

С учетом этого получим:

.

Из выражения следует, что всегда
. Лишь у идеального приемника когда
тогда
.

Отношение
можно рассматривать условно как собственный шум при­емника, пересчитанный на вход приемника или приведенный к входу приемника. Обозначим:

,

.

Отсюда приведенный шум равен:

Номинальная мощность шума, поступающего на вход приемника от выходного сопротивления источника сигнала при температуре, равна

,

где величину
определяют по формуле
.

Эта величина называется стандартным входным шумом. Тогда приведенный шум выразится так

Шумовая температура приемника

Введем в последнюю формулу обозначение:

.

Эту величину называют шумовой температурой приемника. С учетом этого по­лу­чим

.

Определим физический смысл шумовой температуры. Выразим из последней формулы шум на выходе реального приемника следующим образом:

Теперь выразим шум на выходе идеального приемника:

Сравнивая оба выражения, можно придать следующий физический смысл по­нятию «шумовая температура приемника». Шумовая температура приемника - это тем­пература, на которую надо увеличить температуру выходного сопротивления ис­точника сигнала
, чтобы шум на выходе идеального приемника стал бы ра­вен шу­му на выходе реального приемника.

Выразим коэффициент шума через шумовую температуру, для этого разделим выражение (2.2) на (2.3), получим:

.

Величину
называютотносительной шумовой температурой приемни­ка. С учетом этого обозначения окончательно получим

.

2.3 Коэффициент шума последовательно соединенных четырехполюсников

Для анализа влияния шумов отдельных каскадов приемника на его результирующий коэффициент шума удобно приемник представить последовательным со­еди­нением четырехполюсников (рисунок 2.2), т.е.

Рисунок 2.2

Предположим, приемник состоит из трех каскадов, каждый из которых имеет свой коэффициент передачи
и свой коэффициент шума
. Воспользуемся вы­ражением (2.1)

.

Для выходного шума трехкаскадного приемника запишем

Аналогично для идеального приемника имеем:

Подставив числитель и знаменатель в выражение для
и учитывая, что

; ,

Аналогично можно получить выражения для любого числа каскадов. Выводы:

1) Коэффициент шума приемника определяется в основном шумом его первых каскадов.

2) На входе приемника следует располагать усилитель с малым собственным шумом и большим коэффициентом усиления.

3) Чем больше коэффициент усиления первого каскада, тем меньше влияют после­дующие каскады на результирующий коэффициент шума приемника.

Кроме того, математически можно показать, что для пассивного четырехполюсника, у которого
, коэффициент шума равен

.

2.4 Чувствительность рпу и ее связь с коэффициентом шума

Различают предельную (или пороговую) и реальную чувствительность РП Р У.

Предельная чувствительность - это минимальный сигнал на входе приемника, при котором на выходе приемника отношение
равно единице.

Реальная чувствительность (или чувствительность, ограниченная шумами) - это минимальный сигнал на входе приемника, при котором на выходе приемника, обеспечивается заданный уровень полезного сигнала, при заданном отношении
.

Предельная чувствительность равна сумме приведенного шума приемника и шу­ма, поступающего на вход из антенны, т.е.

,

где - шумовая температура антенны;

- относительная шумовая температуры антенны.

Однако для нормальной работы оконечного устройства необходимо, чтобы
было бы намного больше единицы. Поэтому реальная чувствительность оп­ределяется выражением

,
,

где - коэффициент различимости.

Для оценки чувствительности собственно приемника (без антенны) использу­ется формула при
, т.е.

;
.

Во всех случаях, чем больше
, тем больше и тем меньше (хуже) чувстви­тельность приемника.

Эквивалентная шумовая температура антенны ЗС ССС может быть представлена в виде составляющих :

где слагаемые обусловлены следующими факторами:

Приемом космического радиоизлучения с учетом - угла места ДН антенны Земной станции;

Излучением атмосферы с учетом дождя и ;

Приемом излучения Земной поверхности через боковые лепестки ДН антенны, где s=0,05÷0,4, а Т з =290К для суши.

На рисунке 1 представлена частотная зависимость шумовой температуры Галактики, Солнца и атмосферы Земли (без дождя) . Из графика видно что шум Галактики в диапазоне частот выше 6 ГГц практически можно не учитывать. На частотах ниже 6 ГГц значение полученное из графика на рис.1 следует брать для выражения (1) с коэффициентом равным 0,5. Это объясняется тем, что излучение Галактики имеет сплошной спектр и слабо поляризовано, поэтому при приеме его на антенну с любым видом поляризации можно считать, что принимаемое излучение будет половинной интенсивности. Солнце является самым мощным источником радиоизлучения и может полностью нарушить связь, попав на главный лепесток ДН антенны. Однако такую ситуацию обычно преднамеренно исключают.

Рис.1. Частотная зависимость шумовой температуры Галактики, Солнца и атмосферы Земли (без дождя).

Шумовое радиоизлучение земной атмосферы имеет тепловой характер и в полной мере обусловлено поглощением сигналов в атмосфере (с учетом дождя). В силу термодинамического равновесия атмосфера излучает такое же количество энергии на данной частоте, которое поглощает, следовательно,

, (2)

где: =260К – средняя термодинамическая температура атмосферы, L а и L д

ослабление сигнала в атмосфере и в дожде, которые можно найти по графикам на рис. 2 и 3, соответственно . Частотная зависимость шумовой температуры атмосферы (с учетом дождя) приведены на рис. 4(а) и рис. 4(б) .

Рис. 2. Частотная зависимость поглощения радиоволн в спокойной
атмосфере (без дождя) при различных углах места.

Рис. 3. Зависимости поглощения сигнала в дожде от частоты при
различных углах места для Европейской территории СССР в различных
полосах частот, превышаемое не более 1% (сплошные линии)
и 0,1% (штриховые линии) времени любого месяца.

Расчетно-графическая работа

Вариант №25

Подготовил:

студент ИЭБ-405

Кныш И. В.

Проверил:

Сундучков К.С.

Расчетно-графическая работа

«Определение максимально допустимой мощности входного сигнала при котором схема работает в линейном режиме»

I. Вводная часть лабораторной работы.

Цель работы.

Углубить теоретические знания по данному разделу. Научится максимально допустимые мощности входного сигнала при котором схема работает в линейном режиме.

Задание на выполнение лабораторной работы.

2.1 НАЙТИ:

Такое сочетание параметров элементов, при котором:

1. Нет элементов в режиме насыщения;

2. На вход приемника – декодера поступает максимально допустимая мощность сигнала.

2.2 ОФОРМИТЬ

1.На первом листе должны быть указаны: - ВУЗ, группа, Ф.И.О., дата, наименование темы курсовой работы, номер варианта.

2.Привести все исходные данные для вашего варианта из раздела "ДАНО".

3.По каждому вопросу из раздела "НАЙТИ" привести содержание вопроса, формулу по которой будет произведен расчёт, значения параметров в формуле для вашего варианта, ответ, размерность.

4.Все расчеты выполнить на персональном компьютере (ПК)

5.Отчёт предоставить в виде распечатанном на формате А4 и в электронном виде, позволяющем изменять исходные значения и вести расчёт заново.

6.В конце отчёта поставить личную подпись.

2.3 ДАНО:

1. Таблица вариантов

2. Исходные данные для варианта №25

1. Мощность насыщения СМ

2. Мощность приемника-декодера = 10 -1 Вт

3. Коэффициентпередачи СВЧ тракта = 0,9 раз

4. Коэфициент ПУПЧ = 4

5. Коэффициентусиления - = 2

6. Коэффициентусиления - = 2

Мощность сигнала на входе плоскости АА изменяется от Вт .

II.Теоретическая часть.

Введение.

Обозначения параметров элементов структурных схем приемного тракта Земной станции ССС:

Коэффициент усиления антенны;

Диаметр зеркала приемной антенны;

Эквивалентная шумовая температура;

Коэффициент усиления МШУ;

Эквивалентная шумовая температура входа МШУ;

Коэффициент передачи СВЧ тракта снижения;

Физическая температура окружающей среды;

Эквивалентная шумовая температура входа кнвертора;

Коэффициент передачи ПЧ - тракта снижения;

Эквивалентная шумовая температура на входе линейного тракта ЗС ССС;

Эквивалентная шумовая температура входа приемника;

Центральная частота принимаемого сигнала;

Центральная частота сигнала ПЧ;

Коэффициент, учитывающий уровень энергии, попадающей в антенну через боковые лепестки диаграммы наравленности антенны от теплового излучения поверхности Земли;

Добротность Земной станции ССС.

Эквивалентная шумовая температура и коэффициент усиления антенны.

Эквивалентная шумовая температура антенны ЗС ССС может быть представлена в виде составляющих :

где слагаемые обусловлены следующими факторами:

Приемом космического радиоизлучения с учетом - угла места ДН антенны Земной станции;

Излучением атмосферы с учетом дождя и ;

Приемом излучения Земной поверхности через боковые лепестки ДН антенны, где s=0,05÷0,4, а Т з =290К для суши.

На рисунке 1 представлена частотная зависимость шумовой температуры Галактики, Солнца и атмосферы Земли (без дождя) . Из графика видно что шум Галактики в диапазоне частот выше 6 ГГц практически можно не учитывать. На частотах ниже 6 ГГц значение полученное из графика на рис.1 следует брать для выражения (1) с коэффициентом равным 0,5. Это объясняется тем, что излучение Галактики имеет сплошной спектр и слабо поляризовано, поэтому при приеме его на антенну с любым видом поляризации можно считать, что принимаемое излучение будет половинной интенсивности. Солнце является самым мощным источником радиоизлучения и может полностью нарушить связь, попав на главный лепесток ДН антенны. Однако такую ситуацию обычно преднамеренно исключают.

Рис.1. Частотная зависимость шумовой температуры Галактики, Солнца и атмосферы Земли (без дождя).

Шумовое радиоизлучение земной атмосферы имеет тепловой характер и в полной мере обусловлено поглощением сигналов в атмосфере (с учетом дождя). В силу термодинамического равновесия атмосфера излучает такое же количество энергии на данной частоте, которое поглощает, следовательно,

, (2)

где: =260К – средняя термодинамическая температура атмосферы, L а и L д

ослабление сигнала в атмосфере и в дожде, которые можно найти по графикам на рис. 2 и 3, соответственно . Частотная зависимость шумовой температуры атмосферы (с учетом дождя) приведены на рис. 4(а) и рис. 4(б) .

Рис. 2. Частотная зависимость поглощения радиоволн в спокойной
атмосфере (без дождя) при различных углах места.

Рис. 3. Зависимости поглощения сигнала в дожде от частоты при
различных углах места для Европейской территории СССР в различных
полосах частот, превышаемое не более 1% (сплошные линии)
и 0,1% (штриховые линии) времени любого месяца.

Рис. 4. Частотная зависимость шумовой температуры атмосферы
Земли (с учетом дождя): а) при Т д =1%; б) при Т д =0,1%.

Влияние дождя, облаков, тумана и других видов осадков является статической характеристикой и зависит от толщины поглощающего слоя, времени суток, времени года и подлежит специальному изучению для каждой конкретной местности .