9.Эквивалентная шумовая температура приемной антенны, ее частотная зависимость.

Приемная антенна может быть представлена эквивалент­ным генератором ЭДС Е_А с внутренним сопротивлением Z_А =R_A+jX_A. Сопротивление R_A является шумящим. В общем случае R_A= R_Σ + R_П, где R_Σ — сопротивление излучения, a R_П — сопротивление потерь (на СВЧ обычно R_П << R_Σ).

Шумы в сопротивлении R_П являются чисто тепловыми, и их интенсивность определяется абсолютной температурой эле­ментов, в которых происходят потери. Для антенны, помещенной в «абсолютно черный» ящик, находящийся при температуре Т (рис. 2.14, a), температура сопротивления излучения R_Σ равна Т. Если температура стенок черного ящика различна, то вклад в суммарную температуру R_Σ определяется температурой, площадью и положением отно­сительно антенны каждого участка. Например, если черный ящик разделен на две половины с температурой T₁ и T₂ (рис. 2.14, б), и диаграмма направленности антенны симмет­рична, то T_Σ = (T₁+T₂)/2. В общем случае эквивалентная температура сопротивления излучения R_Σ антенны определяет­ся выражением

,

где θ и φ — угол места и азимут для сферических координат с центром в месте расположения антенны; Ω - телесный угол, dΩ = cosθdθdφ; 4π - телесный угол сферы; T(θ,φ) - функция угловых координат, характеризующая распределение яркостной темпера­туры различных источников по сфере, окружающей антенну; G(θ,φ) - коэффициент усиления антенны в направлении θ,φ.

Яркостная температура в элементе телесного угла dΩ в направлении θ, φ определяется как температура черного тела, перекрывающего элемент dΩ, при которой его яркость совпа­дает с наблюдаемой яркостью этого элемента. Яркость здесь понимают как меру мощности, принимаемой на единицу пло­щади из единичного телесного угла в единице полосы частот. Яркостная температура тела может сильно отличаться от его физической температуры. Пример — высокая яркость холодно­го зеркала, которым пускают солнечный «зайчик».

Вследствие нетепловой природы ряда источников, характе­ризуемых эквивалентной температурой T_Σ(θ,φ), наблюдается сильная частотная зависимость температуры антенны. Характер распределения шумовых температур антенны по диапазону радиоволн показан на рис. 2.15(см.вопрос 7). В диапазоне метровых волн интенсивность космических шумов зависит от частоты как 1/f ³ . Верхняя и нижняя границы для космических шумов соответствуют ориентации главного лепестка диаграммы на­правленности антенны в плоскости Галактики (плоскость Млечного Пути) или перпендикулярно ей. На сантиметровых и миллиметровых волнах рост температуры антенны вызыва­ется увеличением поглощения радиоволн в атмосфере. T уве­личивается при уменьшении угла места θ остронаправленной антенны, так как при этом увеличивается длина пути радиоволн в поглощающей теплой атмосфере. В зенитном положении (θ = 90°) температура антенны минимальна. В миллиметровом и субмиллиметровом диапазонах сильная частотная зависи­мость T_Σ вызвана наличием ряда полос резонансного молекулярного поглощения в газах атмосферы (главным образом за счет молекул O₂ и Н₂О). В максимумах, где потери в атмосфере σ_A стремятся к бесконечности, температура антенны полностью определяется средней абсолютной температурой атмосферы Т_a Последняя оценивается значением (0,94...0,95) Т_аз, где Т_аз — абсолютная температура воздуха у поверхности Земли.

В диапазоне частот 1...5 ГГц температура антенны мини­мальна и определяется уровнем реликтового фона (2,7...2,8 К), связанного с электромагнитными полями Вселенной в эпоху ее возникновения, равномерно заполнявшими весь ее объем в момент Большого взрыва. Этот диапазон наиболее удобен для построения особо чувствительных систем дальней космической связи. Картина, представленная на рис. 2.15, не учитывает воз­можности попадания в диаграмму направленности таких ярких источников как Солнце, поверхность Земли и др. С целью предотвращения увеличения Т_Σ такими источниками разрабо­тан ряд мер, позволяющих реализовать малошумящие антенны. С учетом потерь в антенне общая эквивалентная темпера­тура

Т_А=Т_ΣR_Σ/(R_Σ+R_П)+Т_ПR_П/(R_Σ+R_П)=Т_Ση_А+Т_П(1-η_А)

где η_А - КПД антенны и фидера, η_А= R_Σ/(R_Σ+R_П), η_А = 1/σ, σ — потери в антенне.