Зависимость шумовой температуры приемной антенны от частоты. Большая энциклопедия нефти и газа

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.

Приемный тракт состоит из ряда последовательно соединенных каскадов выполняющих различные функции. Это усилители, соединительные пассивные тракты, фильтры, смесители и т.п. Все каскады харакетризуются коэффициентом передачи по мощности как отношение мощности сигнала на выходе каскада к мощности сигнала на его входе, включая и смесители, у которых сигнал на входе на одной частоте, а на выходе на другой. Если коэффициент передачи каскада не меняется при изменении мощности сигнала на его входе, то будем считать, что он в линейном режиме. Аналогично, если последовательно соединенные каскады тракта находятся в линейном режиме, то и весь тракт называется линейным трактом. Следствием из этого свойства является то, что для линейного тракта отношение мощности сигнала к мощности шумов на входе и на выходе одно и тоже.

В общем случае характеристика (усилителя, смесителя и т.п.) представлена на рис.5. По оси абсцис показана величина мощноси сигнала на входе каскада – Р вх. По оси ординат величина коэффициента передачи каскада – К.

При определенной величине входной мощности Р нас. наблюдается уменьшение коэффициента передачи на величину DК. Уровень мощности сигнала на входе каскада, при котором наблюдается уменьшение коэффициента передачи на величину DК, называется уровнем насыщения каскада.
DК задается в зависимости от назначения тракта равным 0,1 дБ, 0,5 дБ, 1,0 дБ, 3 дБ или другой величине. При заданном допустимом критерии уменьшения коэффициента передачи каскада считается, что каскад работает в линейном режиме до тех пор, пока мощность сигнала на его входе не привысила величину Р нас.

Для пассивных каскадов (фильтров построенных на пассивных элементах, фидерных и волноводных трактов) коэфициент передачи не зависит от одной мощности сигнала. Эфект сгорания пассивных каскадов в данном случае не рассматривается.

Все каскады генерируют шумы, мощность которых на выходе каскада может быть вычислена по следующей формуле:

,

где - постоянная Больцмана; - эквивалентная шумовая температура шумов на выходе каскада; - полоса рабочих частот каскада, которую ограничивают с помощью селективных элментов до полосы частот в которой сосредоточен спектр сигнала.

Эквивалентная шумовая температура входа каскада - такая температура шумов, при которой - мощность шумов поданная на вход идеального (не шумящего) каскада, пройдя через идеальный каскад с усилением К, образвала бы на его входе мощность шумов равную . Тогда . Отсюда: .

Для активных каскадов либо устройств (усилителе, смесителей, приемников и т.п.) в паспортных данных имеется величина эквивалентной шумовой температуры входа каскада либо устройства. Для больших значений мощности шумов в паспорте на такие каскады либо устройства дается величина N – коэффициент шума (безразмерная величина выраженная в разах). Связь коэффициента шума и эквивалентной шумовой температуры входа устройства определяется выражением:

, где - температура окружающей среды, обычно при нормальной температуре .

Из общей теории радиотехнических цепей суммарный коэффициент передачи последовательно соединенных n каскадов (при отсуствии рассогласования и насыщения) и эквивалентная шумовая температура на входе последовательно соединенных n каскадов вычисляется по следующим формулам:

;

где: - коэффициенты предачи первого, второго, … , n -го каскадов, соответственно;

- эквивалентные шумовые температуры на входе соответствующих каскадов.

Здесь коэффициенты передачи данных в разах, а эквивалентные шумовые температуры в Кельвинах.

Для пассивных элементов (волновод, фидерный тракт и т.п.) генерируемая мощность шумов на выходе тракта вычисляется из следующего выражения.

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 .

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.

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).

14.Основные нелинейные эффекты в линейном тракте.

Мощные внеполосные помехи создают ряд нелинейных эффектов: блокирование сигнала, перекрёстная модуляция и интермодуляция. Блокирование сигнала проявляется в виде снижения коэффициента передачи полезного сигнала в тракте при воздействии мощных внеполосных помех. Существует несколько механизмов воздействия мощной помехи на коэффициент передачи линейного тракта. Рассмотрим наиболее наглядный механизм, который проявляется в схеме усилителя с транзистором, включенным по схеме с общим эмиттером. Наличие мощной помехи увеличивает постоянную составляющую тока коллектора. За счет обратной связи по постоянному току через резистор эмиттера происходит подзапирание транзистора, рабочая точка смещается в область меньших токов, а следовательно в область меньшей крутизны транзистора. Если одновременно с помехой присутствует полезный сигнал, то для него происходит уменьшение коэффициента передачи каскада за счет снижения крутизны транзистора.

Перекрестная модуляция.

При перекрестной модуляции происходит перенос закона амплитудной модуляции помехи на сигнал – сигнал приобретает модуляцию помехи. Если помеха амплитудно модулирована, то рабочая точка УРЧ скользит по переходной характеристике транзистора в соответствии с законом модуляции помехой. По такому же закону меняется крутизна транзистора, а следовательно коэффициент передачи УРЧ. Полезный сигнал, проходя через усилитель с переменным во времени коэффициентом передачи, приобретает амплитудную модуляцию помехи.

Интермодуляция.

Явление интермодуляции состоит в том, что сумма 2х и более гармонических внеполосных помех за счет нелинейности амплитудной характеристики функционального узла, создает составляющие в полосе пропускания приемника.

Если сумму 2х гармонических сигналов подставить в выражение для степенного ряда, то можно показать, что на выходе нелинейного элемента присутствует сумма гармоник колебаний. где m и n=0,1,2,… .

Наиболее мощными являются колебания гармоник с малыми значениями m и n. Рассмотрим самую мощную: m=1, n=2, . Пусть имеет место воздействие 2х гармонических помех, которые на частотной оси расположены по 1 сторону от сигнала и находятся на равном расстоянии.

При данной помеховой ситуации происходит прохождение колебаний в полосу пропускания приемника.

Методы борьбы с нелинейными эффектами.

1. Использование усилительных приборов с широким динамическим диапазоном.

2. Повышение избирательности фильтров, стоящих до усилительных приборов.

3. Установка аттенюатора на входе приемника. Данный метод применим, если имеется запас по мощности сигнала.

15.Частотная избирательность приемного устройства. Полоса пропускания.

Избирательность характеризует способность приемника выделять полезный сигнал из окружения мощных внеполосных помех.

Величина избирательности показывает, во сколько раз помеха может превышать оговоренный уровень сигнала на входе приемника, чтобы качество сигнала выходе приемника соответствовало минимальным требованиям.

Где - напряжение помехи, отстроенной от сигнала на величину Δf, - напряжение полезного сигнала.

Так как внеполосные помехи могут быть мощными, возникает задача способности приемника принимать полезные сигналы при одновременном воздействии внеполосных помех, которые вызывают нелинейные эффекты в линейном тракте.

С этой целью оценку избирательности приемника производят имитируя помеховую обстановку в реальности. Т.к. в реальности источников помех должно быть несколько, то при измерении избирательности используют столько генераторов, сколько источников помех ожидается в реальности.

С целью сокращения затрат на измерения используют 2 или 3 генератора. Один из них имитирует сигнал, другой имитирует зеркальную, либо соседние помехи. Если используется 2 помеховых генератора, то исследуется явление интермодуляции. Если уровень внеполосных помех таков, что нелинейные эффекты в линейном тракте незначительны, и ими можно пренебречь, то оценку избирательности приемника можно упростить, используя односигнальную методику измерения. В этом случае один генератор поочередно настраивается на частоту полезного сигнала и на частоты всех помех. В данном случае справедлив метод суперпозиции.

16.Автоматическая подстройка частоты гетеродина. Линейный режим.

Радикальным средством повышения стабильности частоты гетеродина является использование синтезатора частоты. Однако в ряде случаев включение синтезатора в состав приемника настолько повышает его стоимость, что теряется целесообразность его использования. В этом случае целесообразно использовать систему АПЧГ. Рассмотрим обобщенную структуру АПЧГ.

Если под воздействие дестабилизирующих факторов меняется частота гетеродина (ГУН), то на эту же величину меняется f ПЧ. Это отклонение фиксируется дискриминатором, на выходе которого формируется напряжение, знак и величина которого соответствуют отклонению частоты. После фильтрации в ФНЧ напряжение воздействует на управляющий элемент (часто варикап), который компенсирует отклонение частоты ГУН.

Если дискриминатор является частотным, то имеет место ЧАП, если отклонение частоты фиксируется с точностью до фазы и дискриминатор фазовый, то это ФАПЧ, и в этом случае в состав системы входит кварцевый генератор.

Проанализируем простейший вариант в виде ЧАП. Различают 2 режима работы ЧАП- линейный и нелинейный. Если отклонение частоты гетеродина от требуемого значения мало и нелинейные свойства частотного дискриминатора проявляются слабо, то имеет место линейный режим, в противном случае – нелинейный.

Линейный режим.

Пусть под воздействием дестабилизирующих факторов f г отклонилась на Δf гетеродина. С целью упрощения f ПЧ =f Г - f С – т.е. верхняя настройка гетеродина. За счет действия системы АПЧ расстройка гетеродина уменьшается.

Δf Гост. =Δf ПЧост. – отклонение ПЧ от требуемого значения.

Δf Гост. = Δf Г - Δf Грег. , где Δf Гост. – регулирующее воздействие с выхода управляющего элемента.

Δf Гост ≈S упр. U дискр. , где S упр. – крутизна управляющего элемента (считаем характеристику управляющего элемента линейной), . U дискр ≈ S д Δf ост. , S д крутизна дискриминатора.

где - коэффициент частотной автоподстройки (К ЧАП).

К ЧАП показывает, во сколько раз уменьшается отклонение частоты гетеродина при использовании ЧАП. Увеличение К ЧАП приводит к снижению устойчивости системы АПЧ. Для её повышения увеличивают постоянную времени ФНЧ – растёт инерционность системы. Система не успевает отрабатывать быстрые изменения частоты гетеродина, поэтому К ЧАП, также как постоянная времени ФНЧ выбирают исходя из условий компромисса между противоречивыми требованиями: увеличение точности и быстродействия.

Обычно в расчетах К ЧАП не более 20-25. Если рассматривать воздействие дестабилизирующих факторов как некое возмущение, прикладываемое ко входу ГУН, то относительно этого возмущения система ведёт себя как ФНЧ, то есть НЧ возмущения подавляются, а ВЧ проходят на выход системы без изменений.