Шумы атмосферы, планет и приемных систем

Шумы  атмосферы, планет и приемных систем 

     При расчете спутниковых радиолиний важно определить полную мощность шумов, создаваемых на входе приемного  устройства спутника и земной станции различными источниками.

     Эквивалентная (энергетическая) шумовая  полоса приемника

      ,

     Где K(f) – частотная характеристика тракта ПЧ приемника.

     Полная  эквивалентная шумовая  температура приемной системы, состоящей из антенны, волноводного тракта и собственно приемника, пересчитанная ко входу приемника

     T_Σ= T_Аη_в+T_о(1- η_в)+Т_Пр;

     где T_А — эквивалентная шумовая температура антенны; Т_о — абсолютная температура среды (290К); Т_Пр — эквивалентная шумовая температура собственно приемника, обусловленная его внутренними шумами; η_в — коэффициент передачи волноводного тракта.

     Задачей является количественное определение  составляющих, входящих в это уравнение.

     Эквивалентная шумовая температура  антенны может быть представлена в виде составляющих:

     T_А=T_К+Т_а+Т_з+Т_а.з+Т_ш.А+Т_об ,

     которые обусловлены различными факторами: приемом космического радиоизлучения (T_К); излучением атмосферы с учетом гидрометеоров (Т_а); излучением земной поверхности, принимаемым через боковые лепестки антенны (Т_з); приемом излучения атмосферы, отраженного от Земли (Т_а.з); собственными шумами антенны из-за наличия потерь в ее элементах (Т_ш.А); влиянием обтекателя антенны, если он имеется (Т_об). Общая методика определения этих составляющих основана на том, что антенна, находящаяся в бесконечном объеме поглощающей среды с однородной кинетической температурой, при термодинамическом равновесии поглощает и переизлучает мощность. равную мощности излучения. В этом случае

     

     где Т_я(β,ψ) — яркостная температура излучения в направлении углов β,ψ в сферической системе координат; G(β,ψ) — коэффициент усиления антенны (относительно изотропного излучателя) в том же направлении.

     Яркостная температура характеризует источники  излучения и определяется как температура абсолютно черного тела, имеющего на данной частоте и в данном направлении такую же яркость, как рассматриваемый источник.

     Для характеристики источников излучения  с неравномерным распределением яркостной температуры используется понятие усредненной или эффективной температуры излучения

      ,

     где Ω_И— телесный угол источника излучения.

     Если  угловые размеры источника излучения  больше ширины главного лепестка диаграммы  антенны Ω_А, то Т_ср=Т_я в противном случае

     Т_ср=Т_яΩ_И/ Ω_А.

     Для упрощения расчетов примем усиление антенны постоянным и равным в пределах главного лепестка G_гл, а в пределах задних ил боковых лепестков также постоянным и равным G_бокi; тогда

     

     Решая это уравнение для всех сосгавляющих шума (5.20) с учетом (5.21), получаем: для земной антенны

     T_А.з=T_я.к.(β)+Т_я.а. (β)+с(Т_я.з+Т_я.а.з)+Т_ш.А+Т_об(β) ,

     для бортовой антенны

     T_А.б=T_я.а+Т_я.з+2сТ_я.к+Т_ш.А, где

     

     -  коэффициент, учитывающий интегральный  уровень энергии боковых лепестков.

     В зависимости от формы облучения  поверхности зеркала антенны  с = 0,2...0,4.

     Первая  составляющая температуры шумов  антенны определяется яркостной температурой космического пространства. Основу его составляет радиоизлучение Галактики и точечных радиоисточников (Солнца, Луны, планет и некоторых звезд).

     Из рис. видно, что космическое излучение существенно на частотах ниже 4...6 ГГц; максимальное значение на данной частоте отличается от минимального в 20...30 раз, что обусловлено большой неравномерностью излучения различных участков неба; наибольшая яркость наблюдается в центре Галактики; имеется также ряд локальных максимумов.

     Солнце  - самый мощный источник радиоизлучения, которое может полностью нарушить связь, попав в главный лепесток диаграммы направленности антенны. Однако вероятность такого попадания мала в связи с его малым угловым размером

     Для геостационарного ИСЗ максимальное время прохождения опасной зоны составляет

      ,

     где θ_0,5 — ширина диаграммы направленности антенны; Vc и Vсп — соответственно угловые скорости Солнца и спутника относительно земной станции. Знак «плюс» относится к движению спутника в восточном направлении, знак «минус» — в западном. Следует отметить, что проекция спутника довольно редко проходит через центр солнечного диска; соответственно время прохождения опасной зоны оказывается меньше рассчитанного по приведенной формуле.

     Точная  дата и время «засветки» земных антенн солнечным диском обычно рассчитывают по данным орбиты ИСЗ и сообщают зеным станциям вместе с целеуказаниями спутника.

     Следующий по мощности радиоисточник - Луна. Она практически уже не может нарушить связи, так как ее яркостная температура не более 220 К. Остальные источники (планеты и радиозвезды) играют существенно меньшую роль, а вероятность встречи луча атенн с этими источниками меньше, чем с Солнцем, так как угловые размеры их малы.

     Радиоизлучение  земной атмосферы имеет тепловой характер и в полной мере обусловлено рассмотренным в поглощением сигналов в атмосфере. В силу термодинамического равновесия атмосфера излучает такое же количество энергии на данной частоте, которое поглощает. Раздельное вычисление температур спокойного неба и дождя с последующим их суммированием приведет к ошибке (примерно удвоит результат), поэтому вычисление следует проводить по формуле

      .

     Максимальная  температура шумов неба не превышает 260 К и начинает играть существенную роль в диапазонах частот выше 5 ГГц. Радиоизлучением ионосферы в диапазоне частот выше 1 ГГц можно пренебречь, так как поглощение в ионосфере обратно пропорционально квадрату частоты.

     Яркостная температура Земли определяется ее кинетической температурой T₀=290 К и коэффициентом отражения электромагнитной энергии от поверхности Земли:

     Т_я.з=Т_0з(1-Ф)².

     Комплексный коэффициент отражения определяется известными формулами Френеля для вертикальной и горизонтальной поляризации.

     вид и характер земной поверхности, попадающей в зону видимости антенны. Для бортовых антенн с глобальным охватом следует принимать Т_я.з=260 К; для антенн с узкими лучами Т_я.з может составлять 100...260 К.

     Яркостная температура излучения  атмосферы, отраженного  от Земли,

     Т_я.а.з= Т_я.а.Ф²;

     Так как на частотах выше 10 ГГц Т_а.з.≈ Т_0з=290 К, то

     Т_z.з + Т_я.а.з≈290 К,

     т.е. отраженная от Земли компонента атмосферных  шумов дополняет термодинамическое излучение Земли и в сумме они дают излучение с яркостной температурой, близкой к 290 К.

     Рассмотрим  составляющую шумов антенны, обусловленную  омическими потерями в антенне:

      ,

     где Т₀=290 К; L_M  - потери в материале зеркала антенны.

     Современные металлические зеркальные антенны  имеют весьма низкие потери, поэтому значения Т_ш.А достаточно малы.

     Однако  при использовании в спутниковых  вещательных системах земных антенн из металлизированного стеклопластика удельный вес этих потерь может возрасти и потому подлежит практической оценке.

     В некоторых случаях антенны земных станций укрывают от воздействия осадков радиопрозрачным обтекателем. Потери сигнала и соответствующий прирост шумов обычно невелики и могут практически не учитываться. Но во время интенсивных дождей на поверхности обтекателя образуется водяная пленка, которая является причиной заметного поглощения сигнала и возникновения вторичных шумов. Как показывают эксперименты, при интенсивности дождя 1 мм/ч прирост шумовой температуры составляет 4...8 К, а при интенсивности 10 мм/ч может достигать 12...20 К, причем нижние пределы соответствуют малым углам места антенны, а верхние - β =90°.