Лекция
Привет, Вы узнаете о том , что такое шумовая температура антенны, Разберем основные их виды и особенности использования. Еще будет много подробных примеров и описаний. Для того чтобы лучше понимать что такое шумовая температура антенны , настоятельно рекомендую прочитать все из категории Устройства СВЧ и антенны.
шумовая температура антенны — 
— температура, вызванная излучением окружающей среды в отсутствие исследуемого источника , и тепловыми потерями в облучающей системе . не имеет никакого отношения к физической температуре антенны. Она задается формулой Найквиста, и равна температуре резистора, который имел бы такую же мощность тепловых шумов в данной полосе частот:
,
где 
— мощность шумов, 
— постоянная Больцмана, 
— полоса частот.
Источником шумов является не сама антенна, а шумящие объекты на Земле и в космосе. Космическая составляющая шума зависит от диаметра антенны: чем больше диаметр и усиление, тем уже основной лепесток диаграммы направленности, соответственно, меньше посторонних космических шумов антенна усиливает вместе с полезным сигналом. Земная составляющая шумовой температуры антенны зависит от угла места — чем ниже «смотрит» антенна, тем больше она принимает индустриальных помех и шумов от источников на поверхности Земли. Поэтому шумовая температура — не постоянная величина, а функция от угла места. Как правило, она указывается в спецификации для одного или нескольких значений угла места. Типичная шумовая температура параболической антенны диаметром 90 см в Ku-диапазоне для угла места 30 градусов — 25-30К.
В радиочастотных приложениях мощность шума определяется соотношением 
, где k — постоянная Больцмана , T — шумовая температура , а B — полоса пропускания шума . Обычно полоса шума определяется полосой пропускания фильтра промежуточной частоты (ПЧ) радиоприемника. Таким образом, мы можем определить шумовую температуру как:
Потому что является константой, мы можем эффективно думать о 
как спектральная плотность мощности шума (в 
,) нормализованный .
Шум антенны является лишь одним из факторов, влияющих на общую шумовую температуру системы радиочастотного приемника, поэтому его обычно обозначают индексом, например 
. Об этом говорит сайт https://intellect.icu . Ее добавляют непосредственно к эффективной шумовой температуре приемника, чтобы получить общую шумовую температуру системы :
Шумовая температура антенны зависит от многих источников, в том числе:
Галактический шум находится на частоте ниже 1000 МГц. На частоте 150 МГц она составляет примерно 1000 К. На частоте 2500 МГц она выровнялась примерно до 10 К.
Земля имеет принятую стандартную температуру 288 К.
Уровень вклада Солнца зависит от солнечного потока. Это дано
где 
солнечный поток,
длина волны,
и 
— усиление антенны в децибелах.
Шумовая температура антенны зависит от связи антенны со всеми источниками шума в ее среде, а также от шума, создаваемого внутри антенны. То есть в направленной антенне пропорциональный вклад вносит та часть источника шума, с которой пересекаются основной и боковые лепестки антенны.
Например, спутниковая антенна может не принимать шум Земли в своем главном лепестке, но боковые лепестки будут вносить часть шума Земли 288 К в ее общую шумовую температуру.
Давайте рассмотрим более подробно эквивалентную температуру шума, которую называют температурой антенны (TA). Ее значение зависит от множества факторов, таких как размер антенны, угол ее наклона к горизонту, воздействие внешних источников шума и условия распространения сигнала в атмосфере. В ясную погоду основной источник шума - это фоновые шумы, так как они, фактически, представляют собой все шумы, попадающие на антенну, за исключением влияния атмосферных факторов, таких как дождь и другие. Производители антенн часто предоставляют этот параметр в виде таблицы с разными значениями, зависящими от угла наклона антенны к горизонту. Этот параметр также может включать небольшой вклад от галактических фоновых шумов. Всего можно выделить три основных компонента общего шума антенны.
Шумовая температура антенны, вызванная фоновым шумом (ТANT), зависит от размера антенны и угла ее наклона к горизонту. Если антенна меньшего диаметра, то у нее более широкая диаграмма направленности и больше боковых лепестков, которые могут поймать шум от теплой земли. Следовательно, такая антенна будет собирать больше фонового шума. Кроме того, при меньших углах наклона антенны боковые лепестки, особенно первый боковой лепесток, меньших антенн будут более чувствительны к фоновому шуму, чем у больших антенн.
Для уменьшения фонового шума можно уменьшить коэффициент усиления антенны, ограничивая облучение антенного зеркала. Это, однако, снижает эффективность антенны. Если сравнивать две антенны одинакового размера, прямофокусная антенна будет более шумной по сравнению с офсетной антенной, потому что головка облучателя в прямофокусной антенне находится непосредственно на пути сигнала и "видит" теплую Землю, что добавляет дополнительный шум.
Формула для приближенного вычисления шумовой температуры антенны в ясную погоду учитывает угол места и диаметр антенны:
ТANT (приближенно) = 15 + 30 / D + 180 / EL,
где D - диаметр антенны в метрах, EL - угол места антенны в градусах.
Давайте рассмотрим пример.
Предположим, что у нас есть антенна с диаметром 0,65 метра, которая использует сетку для укрепления конструкции. Мы хотим вычислить наихудшее значение шумовой температуры этой антенны при установленном угле места в 25 градусов.
Чтобы сделать это, мы используем формулу:
ТANT = 15 + 30 / 0,65 + 180 / 25 = 68 Кельвинов.
Это означает, что наихудшее значение шумовой температуры этой антенны при угле места 25 градусов составляет 68 Кельвинов.
Следующая составляющая шума, называемая космическим или галактическим шумом, происходит из фонового космического излучения, оставшегося после "большого взрыва". Ее величина обычно невелика и составляет около 2,7 Кельвина. Эта составляющая может быть игнорирована при практических расчетах, так как она невелика по сравнению с погрешностью вычисления фонового шума.
Также следует учитывать влияние условий распространения сигнала в атмосфере. В частности, атмосферное газообразное поглощение сигнала водяными парями и кислородом имеет важное значение, особенно при ясной погоде. Величина этого поглощения зависит от абсолютной влажности, угла места антенны и частоты сигнала. На частотах ниже 8 ГГц оно имеет незначительное значение.
Номинальные значения атмосферного поглощения для европейской части поверхности планеты приведены на рисунке:
Для получения конкретных значений влияния условий распространения сигнала на антенну в зависимости от угла наклона и частоты в разных регионах Земли, можно использовать специальное программное обеспечение, такое как Satellite-Antenna-Alignment. Эта программа помогает точно вычислить значения для разных параметров.
Вторая составляющая, которая влияет на распространение сигнала, - это затухание сигнала в осадках. При передаче сигнала вверх от земли к спутнику приемник на спутнике сталкивается с высокой температурой, исходящей от поверхности Земли, которая составляет примерно 290 Кельвинов. Поэтому дополнительное излучение тепловой энергии от дождя оказывает небольшое воздействие.
Когда сигнал направлен вниз от спутника к Земле, приемник на Земле смотрит на относительно прохладное небо, которое имеет более низкую шумовую температуру. Это означает, что дополнительный шум, вызванный дождем, играет менее значительную роль в общей шумовой температуре приемной системы, особенно если используется малошумящий приемник (LNB) в диапазонах Ku- или Ka-. В S- и C-диапазонах влияние дождя и атмосферного поглощения менее значительно.
Осадки не только вызывают затухание сигнала (этот эффект называется "замиранием сигнала в дожде"), но также приводят к увеличению шумовой температуры приемной системы. Это происходит потому, что температура окружающей среды приближается к температуре поверхности Земли. Поэтому важно учитывать не только ослабление сигнала, вызванное дождем, но и увеличение шумовой температуры приемной системы. Это влияние называется снижением эффективности линии связи вниз (DND).
Эффекты, связанные с условиями распространения сигнала, становятся заметными на частотах, превышающих 8 ГГц. Дождь, снег, туман или облачность могут ослабить и рассеять микроволновый сигнал. Степень ослабления зависит больше от размера водных капель (измеряемого в кубических единицах по отношению к длине волны сигнала), чем от интенсивности осадков. Обычно, при более сильном дожде, капли становятся крупнее, поэтому эти факторы часто взаимосвязаны. Для расчетов обычно используется температура физической среды, равная 260 Кельвинов при любых формах осадков. Однако в случае облачности или ясной погоды температура может быть принята равной 280 Кельвинам.
Для получения конкретных значений в зависимости от конкретного пути прохождения сигнала в атмосфере Земли и доступности сигнала можно использовать программу Satmaster . На рисунке ниже представлены номинальные значения для Европы при доступности сигнала на уровне 99,7% для среднего года (и 99% для наихудшего месяца).
Понятие шумовой температуры антенны наряду с понятием антенной температуры 
широко применяется в радиоастрономии. Антенная температура характеризует полную мощность принимаемого антенной излучения, т.е. мощность шумов и мощность изучаемых объектов, в то время как шумовая температура — только мощность шумов (мешающих факторов). Если в диаграмму направленности не попадает ни одного радиоисточника, то антенная температура равна шумовой 
. Таким образом полезный сигнал зависит от разности антенной и шумовой температур 
.
Как правило шумовая температура состоит из двух частей: постоянной и стохастической. Постоянную составляющую можно компенсировать, а вот стохастическая накладывает фундаментальные ограничения на чувствительность радиотелескопов. Поэтому для увеличения соотношения сигнал/шум при проектировании радиотелескопов основное внимание уделяется уменьшению стохастической составляющей. Для этого применяют малошумящие усилители, охлаждение приемников жидким азотом или гелием и прочее.
Исследование, описанное в статье про шумовая температура антенны, подчеркивает ее значимость в современном мире. Надеюсь, что теперь ты понял что такое шумовая температура антенны и для чего все это нужно, а если не понял, или есть замечания, то не стесняйся, пиши или спрашивай в комментариях, с удовольствием отвечу. Для того чтобы глубже понять настоятельно рекомендую изучить всю информацию из категории Устройства СВЧ и антенны
Комментарии
Оставить комментарий
Устройства СВЧ и антенны
Термины: Устройства СВЧ и антенны