Электродинамика и распространение радиоволн

Представление шумов приемника и внешних шумов, поступающих с антенны, через один параметр — шумовую температуру — позволяет проводить их сравнение и определять полную мощность шумов на его входе. Перечислим типы внешних шумов с обозначением их шумовой температуры:

1)атмосферные помехи, вызванные разрядами молний, — Татм;

2)промышленные помехи, созданные излучением промышленных и бытовых электрических установок, — Тпром;

3)космические помехи, вызванные излучением космических

объектов — галактик, звезд, планет, Солнца, Луны и т.п., — Ткосм; 4) шумы, вызванные радиоизлучением нагретой поверхности

Земли и газов атмосферы, — Ттепл .

Кроме того, антенна и фидер, обладая собственным активным сопротивлением, являются источником тепловых шумов, шумовая температура которых определяется по формуле

где первое слагаемое определяет собственные шумы фидера; второе — собственные шумы антенны; ηф и ηа — коэффициенты по-

лезного действия фидера и антенны.

Таким образом, полная шумовая температура на входе приемника равна

Уровень внешних помех, а следовательно, их шумовая температура зависит от параметров приемной антенны и от направления ее диаграммы направленности. Объективной характеристикой источников внешних помех является их яркостная температура Tя.

Яркостной температурой источника помехи (шума) называется температура абсолютно черного тела, создающего такую же спектральную плотность излучения (плотность потока мощности в полосе 1 Гц), как и реальный источник. Шумовая температура

391

определяется через яркостную температуру и параметры антенны соотношением

где Ω — телесный (объемный) угол в пространстве в направлении на точку наблюдения, измеряемый в стерадианах; G — коэффициент усиления антенны; F(Ω) — диаграмма направленности антенны; Tя(Ω) — распределение яркостной температуры источников

шума в пространстве; 4π — область интегрирования, охватывающая всю сферу вокруг антенны.

Для остронаправленных антенн интеграл в (17.6) можно приближенно оценить, если считать яркостную температуру источников шума постоянной в пределах главного (Tя.гл) и боковых лепест-

ков диаграммы направленности (ДН). В этом случае формула (17.6) может быть преобразована к виду

где i — номер бокового лепестка ДН; Ωгл и Ωi — телесные углы

главного и i-го бокового лепестка; Fi — уровень i-го бокового лепестка ДН; уровень главного лепестка принят равным единице.

Во многих других случаях помеха приходит на антенну практически постоянной со всех направлений и Tя(Ω) является величи-

ной, не зависящей от направления Ω. Можно показать [20], что в этих случаях

На частотах ниже 100 МГц уровень ненаправленных помех обычно оценивается не шумовой температурой, а напряженностью поля помех Еп в полосе частот 1 кГц.

При известной действующей длине антенны lд напряжение

помехи на входе согласованного приемника определяется выражением

392

а шумовая температура внешних шумов —

где k — постоянная Больцмана.

Рассмотрим подробнее методы расчета уровня перечисленных помех и шумов. В большинстве своем они используют результаты экспериментальных исследований и представлены в виде графиков. Поскольку помехи являются случайными сигналами и описываются статистическими методами, то на графиках приводятся значения, соответствующие медианным уровням напряженности поля помехи. Напомним, что медианный уровень превосходится сигналом в течение 50 % времени наблюдения. В отдельные моменты времени реальные значения уровня помех могут значительно отличаться от медианного значения.

17.2. Атмосферные помехи

Как уже отмечалось, атмосферные помехи создаются при грозовых разрядах молний. Основной уровень таких помех приходится на звуковые частоты 300–10000 Гц и убывает с ростом частоты как 1/f.

Эти помехи, постоянно возникающие в тропических районах Земли, отражаясь от ионосферы, распространяются в средние широты и создают постоянный уровень атмосферных помех, который может быть определен по графику рис. 17.2.

393

17.3. Промышленные помехи

Уровень промышленных помех особенно велик в крупных промышленных центрах. Напряженность электрического поля помехи может быть определена по графикам на рис. 17.2, где приведены значения напряженности поля помех (Еп) в полосе частот 1 кГц. Промышленные помехи имеют, как правило, вертикальную поляризацию.

К промышленным помехам можно условно отнести сигналы от других радиостанций, работающих в данном частотном диапазоне. Уровень этих помех определяется конкретной обстановкой и может быть определен так же, как и уровень полезного сигнала. Исключение составляют короткие волны, которые могут распространяться на большие расстояния с малым ослаблением. Поэтому в точку приема приходят сигналы от многих станций земного шара. Их уровень на коротких волнах во многих случаях даже превосходит уровень атмосферных помех.

394

17.4. Космические помехи

Космические помехи создаются в основном радиоизлучением Галактики. Она создает шум с непрерывным частотным спектром. Яркостную температуру космического шума можно определить по графику рис. 17.3.

Рис. 17.3. Зависимость яркостной температуры космических шумов и шумов атмосферы от частоты

Отдельные космические объекты также являются источником помех. Основным из них является Солнце, яркостная температура которого приведена на рис. 17.4. Телесный угол для Солнца составляет 0,03 ст.

17.5. Шумы, созданные тепловым излучением Земли

Шумы, созданные тепловым излучением Земли, зависят от температуры ее поверхности и от того, какая часть диаграммы направленности антенны обращена в сторону Земли. Поэтому для уменьшения этих помех у остронаправленных антенн стараются

395

уменьшить уровень боковых и заднего лепестков диаграммы направленности.

Расчет шумовой температуры для этого случая ведут по формуле (17.7). Нагретые газы атмосферы (в основном тропосферы) создают шумы, яркостная температура которых определяется по графику на рис. 17.3. Уровень таких шумов зависит от наклона главного лепестка антенны к горизонту (угла места ), поскольку при уменьшении угла места увеличивается путь радиоволны в атмосфере.

Tя, К

Годы

максимума

Годы

104 минимума

Солнце

103 Юпитер

Венера

Луна

102

Рис. 17.4. Зависимость яркостной температуры Солнца, Луны и планет от частоты

В качестве примера рассмотрим вычисление шумовой температуры телевизионной антенны.

Пример. Определить мощность шумов на входе телевизионного приемника, если частота 100 МГц, полоса частот 6 МГц (примерно третий телевизионный канал), приемная антенна — симметричный полуволновой вибратор. Принять ηа = 1, ηф= 0,9.

396

Решение

1.Собственные шумы приемника для частоты 100 МГц определяются по графику рис. 17.1 (транзисторная входная цепь) и составляют Тпр = 250 К.

2.Атмосферными помехами на этой частоте можно пренебречь (см. рис. 17.2).

3.Промышленные помехи определяются по графику рис. 17.2.

данные характеризуют в основном вертикальную компоненту электрического поля. Поскольку выделить горизонтальную составляющую помехи не представляется возможным, в дальнейшем ее учитывать не будем.

4. Космические шумы характеризуются яркостной температурой Tя = 700 К (см. рис. 17.3, средний уровень). Поскольку косми-

ческие шумы приходят практически со всех направлений, то согласно формуле (17.8)

Tш.косм = ηфTя = 700 К.

Шумовую температуру Солнца можно было бы определить по формуле (17.7), ограничиваясь интегрированием по телесному углу для Солнца:

Tш.С = 1,644π Тя.СΩС,

где 1,64 — КНД полуволнового вибратора (без учета влияния Земли). Однако данных по яркостной температуре Солнца на таких частотах в литературе нет. Поэтому шум Солнца учитывать не будем.

5. Шумы, созданные тепловым излучением Земли и нагретой атмосферы, определим по формуле (17.7), распространив ее на телесный угол 2π, под которым видна Земля из точки расположения антенны. Яркостная температура Земли зависит от угла падения волны и определяется по формуле

Tя =T0 (1− R 2 ),

397

где R — коэффициент отражения от поверхности Земли, зависящий от угла падения, поляризации волны и свойств почвы.

Оценим приближенно интеграл в формуле (17.6) по теореме о среднем значении. Для среднего угла падения, равного 45°, получим:

Здесь приняты значения: R = 0,7 (горизонтальная поляризация, сухая почва, угол падения 45°); F(45°) = 0,7 в плоскости вектора E (проходящей через ось вибратора); F(45°) = 1 в плоскости вектора H (перпендикулярной оси вибратора); телесный угол для полусферы составляет 2π.

6. Собственные шумы антенны и фидера определяются по формуле (17.3):

Tш.соб =Т0 ((1−ηф) + ηф(1−ηа))= 300(1−0,9) = 30 К.

Таким образом, шумовая температура внешних помех определяется в основном космическими шумами (Tш.косм = 700 К) и тепло-

выми шумами Земли (Tш.З= 86 К). Согласно формуле (17.4) полная шумовая температура помех на входе приемника будет

Тш =Тш.пр +Тш.соб + ηфТш.вн = 250 +30 + 786 0,9 ≈ 987 К.

Для сравнения приведем данные по шумовой температуре приемных телевизионных антенн: 1-й канал — 15000 К; 2-й, 3-й кана-

лы — 3000 К; , 4-й канал — 300 К.

Расхождение в определении шумовой температуры проведенных расчетов и литературных данных объясняется тем, что в расчете не учитывались промышленные помехи, которые могут быть сравнимы с уровнем остальных помех.

В заключение оценим действующее значение напряжения шумов Uш на входе приемника через мощность шумов Pш и входное

сопротивление приемника Rпр :

398

Таким образом, рассчитанное напряжение шумов на входе приемника гораздо меньше чувствительности типичного телевизионного приемника, составляющей 50–200 мкВ.

Контрольные вопросы

1. Назовите основные виды помех и причины их возникнове-

ния.

2.Какой смысл имеет термин «шумовая температура антен-

ны»?

3.Какие виды помех являются преобладающими в различных частотных диапазонах?

4.Что является источником атмосферных помех? Укажите частотный спектр атмосферных помех.

5.Что такое яркостная температура источника помехи? Чему она равна для Земли, Солнца, космического пространства?

6.Сформулируйте определение шумовой температуры антенны по известным яркостным температурам источников помех.

399

Литература

1.Никольский В.В. Электродинамика и распространение радиоволн : учеб. пособие / В.В. Никольский, Т.И. Никольская. – 4-е

изд. – М. : Либроком, 2010. – 544 с.

2.Электродинамика и распространение радиоволн : учеб. / В.А. Неганов [и др.] ; под ред. В.А. Неганова и С.Б. Раевского. – 4-е изд., доп. и перераб. – М. : Радиотехника, 2009. – 744 с.

3.Морозов А.В. Электродинамика и распространение радиоволн / А.В. Морозов, А.Н. Нырцов, Н.П. Шмаков. – М. : Радиотех-

ника, 2007. – 408 с.

4.Нефедов Е.И. Техническая электродинамика : учеб. пособие для студентов высших учеб. заведений / Е.И. Нефедов. – М. : Ака-

демия, 2008. – 416 с.

5.Петров Б.М. Электродинамика и распространение радиоволн

/Б.М. Петров. – М. : Горячая линия-Телеком, 2007. − 558 с.

6.Пименов Ю.В. Техническая электродинамика : учеб. пособие для вузов / Ю.В. Пименов, В.И. Вольман, А.Д. Муравцов ; под ред. Ю.В. Пименова. – М. : Радио и связь, 2002. – 536 с.

7.Крамм М.Н. Сборник задач по основам электродинамики : учеб. пособие для вузов / М.Н. Крамм. – СПб. : Лань, 2011. – 248 с.

8.Боков Л.А. Электромагнитные поля и волны : учеб. пособие / Л.А. Боков. – Томск : Томск. гос. ун-т систем упр. и радиоэлектро-

ники, 2003. – 214 с.

9.Сомов А.М. Распространение радиоволн : учеб. пособие для студентов, обучающихся по специальностям в области информационной безопасности / А.М. Сомов, В.В. Старостин. – М. : Гелиос АРВ, 2010. – 264 с.

10.Электромагнитные поля и волны : учеб. пособие / В.А. Замотринский [и др.]. – Томск : Томск. гос. ун-т систем упр. и радиоэлектроники, 2006. – 175 с.

11.Мандель А.Е. Распространение радиоволн : учеб. пособие / А.Е. Мандель, В.А. Замотринский. – Томск : Томск. гос. ун-т систем упр. и радиоэлектроники, 2006. – 164 с.

12.Антенно-фидерные устройства и распространение радиоволн : учеб. для вузов / Г.А. Ерохин [и др.] ; под ред. Г.А. Ерохина.

– 2-е изд. – М. : Горячая линия-Телеком, 2004. – 491 с.

400