Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Электродинамика и распространение радиоволн. Учебное пособие
.pdf
Представление шумов приемника и внешних шумов, поступа-
я
ющих 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:
Т
1) атмосферные помехи, вызванные разрядами молний, —
атм
;
2) промышленные помехи, созданные излучением промыш-
ленных и бытовых электрических установок, —
Т
пром
;
3) космические помехи, вызванные излучением космических
Т
объектов — галактик, звезд, планет, Солнца, Луны и т.п., —
косм
;
4) шумы, вызванные радиоизлучением нагретой поверхности
Земли и газов атмосферы, —
Т
тепл
.
Кроме того, антенна и фидер, обладая собственным активным
сопротивлением, являются источником тепловых шумов, шумовая
температура которых определяется по формуле
ш.соб 0 ф ф а
(1 ) (1 ) ,T Т (17.3)
где первое слагаемое определяет собственные шумы фидера; второе — собственные шумы антенны;
ф
и
— коэффициенты по-
а
лезного действия фидера и антенны.
Таким образом, полная шумовая температура на входе приемника равна
ш ш.пр ш.соб ф ш.вн
,TT T T (17.4)
где
ш.вн ш.атмш.космш.промш.тепл
.ТТ Т Т Т (17.5)
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
T.
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
я
соотношением
G
ТТFd
ш.вн я
4
() () ,
4
2
(17.6)
где — телесный (объемный) угол в пространстве в направлении
на точку наблюдения, измеряемый в стерадианах;
ент усиления антенны;
ны;
()T — распределение яркостной температуры источников
я
F() — диаграмма направленности антен-
G — коэффици-
шума в пространстве; 4 — 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 (
T ) и боковых лепест-
.гл
ков диаграммы направленности (ДН). В этом случае формула (17.6)
может быть преобразована к виду
TT TF
ш.вн я.гл гл я
4
i
iii
G
2
,
(17.7)
i — номер бокового лепестка ДН;
где
главного и
i-го бокового лепестка; F
— уровень i-го бокового ле-
i
гл
и
— телесные углы
i
пестка ДН; уровень главного лепестка принят равным единице.
Во многих других случаях помеха приходит на антенну прак-
()T
тически постоянной со всех направлений и
ной, не зависящей от направления
. Можно показать [20], что в
я
является величи-
этих случаях
ш.вн а я
(17.8)
.ТТ
На частотах ниже 100 МГц уровень ненаправленных помех
обычно оценивается не шумовой температурой, а напряженностью
Е
поля помех
При известной действующей длине антенны
в полосе частот 1 кГц.
п
l напряжение
д
помехи на входе согласованного приемника определяется выражением
392
0,5 ,UElf (17.9)
ппд
а шумовая температура внешних шумов —
22
k — постоянная Больцмана.
где
T
вн
Е
паф
960
2
(17.10)
,
k
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/
Земли, отражаясь от ионосферы, распространяются в средние широты и создают постоянный уровень атмосферных помех, который
может быть определен по графику рис. 17.2.
f.
Эти помехи, постоянно возникающие в тропических районах
393
Eп,дБ
.
30
20
10
0
-10
-20
-30
0,1
Промышленные помехи
Ночь
День
Атмосферные
помехи
Рис. 17.2. Зависимости от частоты напряженности поля
атмосферных и промышленных помех в полосе частот
1 кГц в децибелах относительно уровня 1 мкВ/м
17.3 Промышленные помехи
Город
Пригород
f,М Г ц110100
Уровень промышленных помех особенно велик в крупных
промышленных центрах. Напряженность электрического поля помехи может быть определена по графикам на рис. 17.2, где приве-
Е
дены значения напряженности поля помех (
) в полосе частот
п
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.
T
, К
я
1000
Космический
фон
Радиоизлучение
атмосферы
100
Мин
10
1
0,1
Макс
с
1 10 100
0
5
10
30
90
f, ГГц
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
f
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.
T
, К
я
Годы
максимума
Годы
104
103
минимума
Солнце
Юпитер
Венера
Луна
102
3 4 6 8 10
20
4030
, ГГц
Рис. 17.4. Зависимость яркостной температуры
Солнца, Луны и планет от частоты
В качестве примера рассмотрим вычисление шумовой темпера-
туры телевизионной антенны.
Пример. Определить мощность шумов на входе телевизион-
ного приемника, если частота 100 МГц, полоса частот 6 МГц (примерно третий телевизионный канал), приемная антенна — симметричный полуволновой вибратор. Принять
= 1,
а
= 0,9.
ф
396
Решение
я
1. Собственные шумы приемника для частоты 100 МГц определяются по графику рис. 17.1 (транзисторная входная цепь) и составляют
Т
= 250 К.
пр
2. Атмосферными помехами на этой частоте можно пренебречь (см. рис. 17.2).
3. Промышленные помехи определяются по графику рис. 17.2.
Е
Напряженность поля помех
1 мкВ/м, т.е.
E
= 3,110
ш
–6
В/м. Однако, как указывалось выше, эти
равна 10 дБ по отношению к
п
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 температу-
T
рой
= 700 К (см. рис. 17.3, средний уровень). Поскольку косми-
ческие шумы приходят практически со всех направлений, то согласно формуле (17.8)
ш.косм ф я
К.
700TT
Шумовую температуру Солнца можно было бы определить по
формуле (17.7), ограничиваясь интегрированием по телесному углу
для Солнца:
T Т
ш.С я.С С
1, 6 4
4
,
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 2
, под которым видна Земля из точки расположения
антенны. Яркостная температура Земли зависит от угла падения
волны и определяется по формуле
я0
1,TT R
397
2
где R — коэффициент отражения от поверхности Земли, зависящий
P
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:
GT
Т RF d
ция, сухая почва, угол падения 45°); F(45°) = 0,7 в плоскости векто-
ра
вектора
полусферы составляет 2.
формуле (17.3):
ляется в основном космическими шумами (
ш.З
Здесь приняты значения:
E (проходящей через ось вибратора); F(45°) = 1 в плоскости
6. Собственные шумы антенны и фидера определяются по
Таким образом, шумовая температура внешних помех опреде-
0
1() 0,50,7286 К.
44
2
H (перпендикулярной оси вибратора); телесный угол для
ш.соб 0 ф ф а
2
2
(1 ) (1 ) 300(1 0,9) 30 К.T Т
1,64 300
R = 0,7 (горизонтальная поляриза-
T = 700 К) и тепло-
ш.косм
выми шумами Земли (
шумовая температура помех на входе приемника будет
ш ш.пр ш.соб ф ш.вн
Для сравнения приведем данные по шумовой температуре приемных телевизионных антенн: 1-й канал — 15000 К; 2-й, 3-й каналы — 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 шу-
U на входе приемника через мощность шумов
мов
сопротивление приемника R
ш
T = 86 К). Согласно формуле (17.4) полная
ш.З
250 30 786 0,9 987 К.ТТ Т Т
и входное
ш
:
пр
398
23 6
kfT
Р
U
ш
ш
R
пр
R
ш
пр
1, 38 10 8 10 987
75
1, 2 10 В.
8
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 ча-
стотный спектр атмосферных помех.
5. Что такое яркостная температура источника помехи? Чему
она равна для Земли, Солнца, космического пространства?
6. Сформулируйте определение шумовой температуры антен-
ны 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. : Радиотехника, 2007. – 408 с.
4. Нефедов Е.И. Техническая электродинамика : учеб. пособие
для студентов высших учеб. заведений / Е.И. Нефедов. – М. : Академия, 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 радиоэлектроники, 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
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]