5.3. Шумы атмосферы, антенн и приемных систем.

Шумы и помехи - фундаментальные неустранимые явления в технике телекоммуникаций. Именно они ограничивают дальность связи, определяют требуемые мощности радиопередатчика и размеры антенн в радиосвязи. Источниками шумовых излучений являются: тепловые шумы приемных устройств, дробовые шумы усилителей, генераторов, детекторов, промышленные помехи, а также шумовые излучения атмосферы и космического пространства, которые мы и рассмотрим подробнее.

При расчете энергетики спутниковых радиолиний является важным опреде­ление полной мощности шумов, создаваемых на входе приемного устройства спутника и земной станции различными источниками.

Мощность шума на входе приемника можно описать выражением

, (5.9)

где эквивалентная (энергетическая) шумовая полоса приемника

Полная эквивалентная шумовая температура приемной системы, состоящей из антенны, волноводного тракта и собственно приемника (пересчитанная к облучателю антенны),

, (5.10)

где T_A — эквивалентная шумовая температура антенны, Т₀ — абсолютная тем­пература среды (290 К), T_пр — эквивалентная шумовая температура приемни­ка, обусловленная его внутренними шумами; _в — коэффициент передачи волноводного тракта.

Эквивалентная шумовая температура антенны может быть представлена в виде составляющих

, (5.11)

которые обусловлены различными факторами: T_k — приемом космического ра­диоизлучения, Т_a — излучением атмосферы с учетом гидрометеоров, Т_з — из­лучением земной поверхности через боковые лепестки антенны; T_а.з — приемом излучения атмосферы, отраженного от Земли, T_ш.А — собственными шумами антенны из-за наличия потерь в ее элементах, Т_об — влиянием обтекателя ан­тенны (если он имеется). Общая методика определения этих составляющих ос­нована на том, что антенна, находящаяся в бесконечном объеме поглощающей среды с неоднородной кинетической температурой, при термодинамическом рав­новесии поглощает и переизлучает мощность, равную мощности излучения.

Для земной антенны

,

где с — коэффициент, учитывающий интегральный уровень энергии боковых лепестков.

В зависимости от формы облучения поверхности зеркала антенны с= =0,2... 0. Первая составляющая шумовой температуры антен­ны определяется яркостной температурой космического пространства. Основу его составляет радиоизлучение Галактики и точечных радиоисточников (Солнца, Луны, планет и некоторых звезд).

Частотная характеристика усредненных по небесной сфере значений Т_я.к показывает 1, что космическое излучение сущест­венно на частотах ниже 4… 6 ГГц, максимальное значение на данной частоте отличается от минимального в 20 ... 30 раз, что обусловлено большой неравно­мерностью излучения различных участков неба, наибольшая яркость наблюда­ется в центре Галактики, имеется также ряд локальных максимумов. Следует отметить, что излучение Галактики имеет сплошной спектр и слабо поляризова­но, поэтому при приеме его на поляризованную антенну (с любым видом поля­ризации) можно с достаточной степенью точности считать, что принимаемое излучение будет половинной интенсивности. Солнце является самым мощным источником ра­диоизлучения и может полностью нарушить связь, попав в главный лепесток ДН антенны. Однако вероятность такого попадания мала.

Следующий по мощности радиоисточник - Луна - практически уже не может нарушить связь, так как ее эквивалентная температура — не более 220 К. Остальные источники (планеты и радиозвезды) дают существенно мень­ший вклад, вероятность встречи антенны с этими источниками меньше, чем с Солнцем, так как угловые размеры их малы.

Радиоизлучение земной атмосферы имеет тепловой характер и в полной ме­ре обусловлено рассмотренным ранее поглощением сигналов в атмосфере. В си­лу термодинамического равновесия среда (атмосфера) излучает такое же коли­чество энергии на данной частоте, которое поглощает, соответственно

Как указывают расчеты, проведенные для описанной выше модели атмосфе­ры, средняя термодинамическая температура атмосферы для углов места А  5° в рассматриваемых диапазонах частот

Яркостную температуру спокойной атмосферы (без дождя) на разных ча­стотах при различных углах места можно найти в 1.

Влияние осадков принципиально можно учесть по той же методике, т.е. определить Т_я.а через потери в дожде L_Д. Хотя непосредственная корреляция между дождем и температурой неба мала, тем не менее, корреляция с многолетней статистикой дождя имеется.

Раздельное вычисление температуры спокойного неба и температуры дождя с последующим их суммированием приводит к ошибке (примерно удвоит ре­зультат), поэтому вычисление следует проводить по формуле

. (5.12)

Результаты вычислений представлены по этой формуле показывают, что максимальная температура шумов неба не превышает 260 К и начинает играть сущест­венную роль на частотах выше 5 ГГц.

Приведенная выше оценка температуры атмосферы по существу относится к тропосфере; радиоизлучением ионосферы на частотах выше 1 ГГц можно пре­небречь. Яркостная температура Земли определяется ее кинетической температурой Т_0з=290 К и коэффициентом отражения электромагнитной энергии от поверх­ности Земли 11. Компонента, определяемая ки­нетической температурой Земли равна 290 К.