сильно зависит от эффективной шумовой температуры антенно-фидерного устройства (ТэДфу), определяемой

с учетом выражения (3.10) по формуле:

Плфу=Глл + оа(1 -1а)] 1а + .(1 - .)- (3-20)

Для определения Тддфу можно использовать [70] номограмму (рис. 3.2).

Поясним правило использования номограммы на примере расчета эффективной шумовой температуры антенно-фидерного устройства при следующих данных: Га=400 к, Гл=300 к, 7оа=700 К, riA=0,7, 11л=0,5. На левой и правой шкале температур значен: я Гол и Та отмечаются точками, которые соединяются линией /. Через точку на шкале т] соответствующую значению т]а, проводится вертикальная линия 2, пересекающая линию /. Пересечение линий 1 ц 2 переносится горизонтальной прямой 3 на правую шкалу температур. Полученное значение TsA при необходимости считывается с этой шкалы. Точка на правой шкале температур, соот- лфн,/

ветствующая величине Гэа, соединяется линией 4 с от- Тд.к меченным на левой шкале значением Гл. Затем прово-дится вертикальная линия 5 через точку, соответствующую на шкале к. п. д. зна-чению т]л. Пересечение линий 4 и 5 дает искомую эффективную шумовую температуру антенно-фидерного устройства, считываемую с левой или правой шкалы температур (линия 6). В рассмотренном примере расчетное значение эАфу = =395 К, а полученное по номограмме равно 400 К-

После небольшой практики номограмма позволяет очень быстро производить достаточно точные расчеты

- 7Ш

ПВО

1000

800 -

000-

ш

200-

0,2 0,<f 0,0 0,8

Рис. 3.2. Номограмма для расчета эффективной шумовой температуры аитенно-фндерно-rg устройства

эАФУ, определяемой (3.20) и, в случае необходимости,

ГэА, определяемой (3.10).

При достаточно высоких' к. п. д. фидерного тракта т]л и антенны ца из физических соображений и непосредственно из выражения (3.20) следует, что пороговая чувствительность радиоприемной системы практически полностью определяется эквивалентной шумовой температурой антенны Та. При этом даже небольшая Та приобретает существенное значение.

Таким образом, использование малошумящих приемников в радиотехнических системах предполагает обязательное предварительное исследование естественных внешних помех радиоприему, т. е. определение эквивалентной шумовой температуры Та, которая зависит от интенсивности внешних помех и их распределения в пространстве, рабочего диапазона частот, а также направленных свойств антенны и ее ориентации.

Результаты исследования естественного радиоизлучения довольно широко освещены в литературе [67, 71- 75], что позволяет рассчитывать эквивалентную шумовую температуру антенн различного назначения.

3.2. РАСЧЕТ ОТНОШЕНИЯ СИГНАЛ/ШУМ В РАДИОПРИЕМНОЙ СИСТЕМЕ С АНТЕННОЙ-УСИЛИТЕЛЕМ

Для решения рассматриваемой задачи необходимо, кроме выражения для отношения сигнал/шум в системе с опорной антенной (3.16), иметь подобное выражение для отношения сигнал/шум в радиоприемной системе с АУ. Получение такого выражения существенно упро-

А

Усилительная часть

Антета- усилитель

Рис. 3.3. Эквивалентное представление АУ

(цается, если в эквивалентной схеме представить АУ аналогично схеме обычной (пассивной) приемной антенны. Это удобнр также и потому, что позволяет в определенных пределах использовать для АУ аппарат теории и практики приемных пассивных антенн.

Как отмечалось ранее, с точки зрения функционального действия, АУ можно рассматривать состоящей из двух частей: собственно антенны и усилительной части (рис. 3.3,а). Рассмотрим эквивалентную схему такого устройства (рис. 3.3,6 и в). На входе усилительной части АУ действует э. д. с. еа, наведенная-полем полезного сигнала. Для произвольного направления приема ба определяется аналогично (3.1) выражением

е\=&сХЮаНа1Шп, (3.21)

где Ga - коэффициент усиления собственно антенны в заданном направлении приема; - активная составляющая полного сопротивления Z.

Помимо ба, в АУ действует э. д. с. шума бща, природа которого аналогична природе шума вшоп. Шумовая 3. д. с. бш а обусловлена приемом АУ радиоизлучения внешних источников, а также шумами собственно антенны и, подобно выражению (3.9), определяется соотношением:

?ш = 4йТздаз, * (3.22)

где Гэа - эффективная шумовая температура собственно антенны.

Э. д. с. полезного сигнала, приведенная к выходным зажимам АУ(еау), может быть определена следующим образом:

%=-iVy (3-23)

где Gy - коэффициент усиления по мощности усилительной части АУ; Ry - активная составляющая полного сопротивления Zay, равная сопротивлению, измеренному со стороны выхода АУ.

Сопоставление выражения (3.23) с выражением для квадрата э. д. с. полезного сигнала на зажимах обычной пассивной антенны (3.1) позволяет определить коэффициент усиления АУ:

Gay=GaGy. (3 24)

Отношение Gay к коэффициенту усиления эталонной (опорной) антенны определяет относительный коэффициент усиления (эффективность) АУ:

Goth ау= Gay/Gon=GaGy/Gon. (3.25)

Необходимо отметить, что относительный коэффициент усиления АУ можно измерить обычными методами антенных измерений, в то время как Ga и Gy обычно нельзя точно измерить, так как разделение собственно антенны и усилительной части АУ приводит к нарушению работы устройства.

Перейдем к рассмотрению шумовых параметров АУ. Если обозначить через Ту эффективную шумовую температуру усилительной части АУ, пересчитанную к выходу собственно антенны, то э. д. с. шума бш ау, действующую на выходных зажимах АУ, можно определить соотношением:

?ш ау = (Т, а + у) GyARy. (3.26)

Сопоставление выражения (3.26) с выражением (3.9) для среднего квадрата э. д. с. шума на зажимах обычной пассивной антенны позволяет определить эффективную шумовую температуру АУ:

Гэау=(Гэа + Гу)Су. (3.27)

Таким образом, АУ можно представить эквивалентной э. д. с. полезного сигнала бау, определяемой выражением (3.23), и э. д. с. шума бшау, определяемой выражением (3.26) (рис. 3.3,6).

Величины бау и бшау раздсльно характеризуют усилительные и шумовые свойства АУ. Эти свойства можно характеризовать и совместно, т. е. совокупно оценивать энергетические параметры АУ. Целесообразность этого подтверждается и тем, что в последние годы выдвинуто обоснованное предложение [76, 77] ввести обобщающую характеристику для некоторых типов пассивных антенн. Тем более оправданно введение такой характеристики для АУ. Таким совокупным параметром является отношение коэффициента усиления АУ к эффективной шумовой температуре, которое по аналогии с [77] определим как

Гау [дБ]=Сау [дБ]-10№ау [К] / 1 [К]}. (3.28).

Рис. 3.4. Эквивалентная схема радиоприемной системы с АУ

Эквивалентное представление АУ, и приведенная в § 3.1 формула (3.16) для отношения сигнал/шум в радиоприемной системе позволяют достаточно просто получить выражение для отношения сигнал/шум в радиоприемной системе с АУ (рис. 3.4). Отличие ее от системы, представленной на рис. 3.1, состоит только в замене опорной антенны АУ. Поэтому по аналогии с выражением (3.16) получаем

шау 480л=М/

+ (1-Лу).(1-Лр)

э ау

(1-Лу)

(3.29)

где Pay- модуль коэффициента отражения в точках /-1 линии передачи в схеме с АУ; Сг - коэффициент, определяемый выражением (3.15) при замене Роп на рау-

. Из выражения (3.29) непосредственно следует формула для расчета чувствительности по напряженности поля приемной системы с АУ

Пау + 7-.(е^ -1)+У-f

4п I ЗОМ/

Ъ. \ Gay

пр >

I 1/2

(3.30)

3.3. ЭФФЕКТИВНОСТЬ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ АНТЕННЫ-УСИЛИТЕЛЯ В РАДИОПРИЕМНОЙ СИСТЕМЕ

Выражения (3.16) и (3.29) позволяют определить эффективность использования АУ в радиоприемной системе, которая характеризуется коэффициентом эффективности [78].

Коэффициент эффективности Кя показывает, во сколько раз изменяется отношение сигнал/шум в радиоприемной системе, когда включается АУ вместо опорной антенны. Ks можно определить также как отношение квадратов чувствительности по напряженности поля опорной антенны (радиоприемной системы с опорной антенной) и чувствительности по напряженности поля антенны-усилителя (радиоприемной системы с АУ),значения которых рассчитывают по (3.18) и (3.30) соответственно.

Таким образом, с учетом соотношения (3.25) имеем

I.- ау (Egi мш)° 1 -Р^У

сп ~(Ьayшн) -отнау 1 р^ ,

Л7-эау + В,Г^ + С,Т\р )

где

A = (l-Лп)(l-/np)e~

4-(1-А-)(-Лр)е^

В^Ц -е- )(1 -р\,)(\+р\е- У,

Б, = (1-е-)(1-/ р)(1+/ е- ).

При расчетах энергетического выигрыша от использования АУ вместо опорной антенны практический интерес представляет случай, когда Ts&-Tson. Тогда с учетом соотношения (3.27) и обозначения Гэоп=Гэа=Г8 получаем

-JoTHav 1

о

АгТ^ + В,Т^ + С,Т% А, (Гз -f Гу) Gy + BJ + С,Т%р

(3.32)

Когда в сравниваемых системах отрезки линии передачи согласованы с обоих концов, т. е. Роп=Рпр=Рау==0, получаем

Гзе--Ч 7л(1-е-2 )-1-Г пр

К'а = Go

(3.33)

Из выражений (3.31) -(3.33) можно определить условия реализации выигрыша от использования АУ.

Шоанализируем соотношение (3.33). Условия реализации выигрыша можно получить, решив неравенство

/С'э>1 и приняв, что Gy==GoTHay:

где, как и ранее, 7]=е , а введение штриха в'Обозначение относительного коэффициента усиления символизирует существование указанных выше условий;

- шумовое число усилителя, рассматриваемое в гл.5. Левая часть неравенства определяется параметрами АУ (в данном случае усилителя), правая представляет собой суммарную шумовую температуру линии передачи и приемника, .пересчитанную к зажимам антенны (или АУ). Несмотря на некоторую идеализацию рассматриваемого частного случая, неравенство (3.34) всегда можно использовать для предварительного определения требований к шумовым и усилительным свойствам АУ.

Рассмотрим зависимость /Сэ от параметров системы. После простого преобразования (3.33) получим

7у:[Г„ (1/Т1л-1)-I-ГЧ/Пл] X

X ( 1 С'э-1 / GoTH ау)-Гэ( 1-1 С'э). (3.35)

Анализ выражения (3.35) обнаруживает следующие зависимости коэффициента эффективности от параметров радиоприемной системы:

1. При увеличении. -Пл коэффициент эффективности уменьшается. Это очевидно из физических представлений: усилительная часть в АУ одинаково увеличивает и входной сигнал и входной шум. К усиленному входному шуму добавляется собственный шум усилительной части, линии передачи и шумы приемника. Влияние в этом общем случае собственного шума усилительной части АУ уменьшается при увеличении шума линии передачи (т. е. при уменьшении ч^л), и эффект использования АУ в системе возрастает. Следует заметить, что в рассматриваемой отдельно радиотехнической системе с АУ отношение сигнал/шум при уменьшении Пл конечно уменьшается, что подтверждается выражением (3.29).

В идеализированном случае, при отсутствии потерь в линии передачи (iin=l) и пренебрежимо малых шумах приемника, выран^ение (3.35) преобразуется к виду

Гэ=(1 + Гу/Гз)- (3.36)

т. е. коэффициент эффективности всегда меньше единицы, и использование АУ в таком случае всегда приводит к ухудшению отношения сигнал/шум, особенно при уменьшении 7 э и увеличении Ту.

2. При возрастании физической температуры линии передачи выигрыш увеличивается. Увеличение физической температуры равносильно уменьшению к. п. д. линии.

Чтобы сохранить выигрыш от использования АУ по сравнению с обычной антенной, например, в случае, когда физическую температуру фидерной линии можно понизить, необходимо использовать АУ с большим значением GoTiiay или с уменьшенной Ту.

3. С увеличением О'отнау и уменьшением Ту возрастает. В частности, при малых Ту и значительных GoTHay можно получить существенный выигрыш от использования АУ вместо обычной антенны даже при малых потерях в фидерном тракте. При увеличении С'отнау и уменьшении Ту также в соответствии с (3.29) увеличивается отношение сигнал/шум на выходе радиоприемной системы с АУ.

4. Чем больше шумы приемника, тем выше эффективность использования АУ, хотя Кау при этом умень-

Таблица 3.1

ггг

о D,ifO,S

отноу он

7 пРЧ!

ес\-1то

15- то); го- -ти- \

8--sffoo-в- -то -1\ -шо- -5: -.ъгоог -г,в- -гш- -.те -

If-

Рис. 3.5. Номограмма для расчета коэффициента эффективности

шается, как при уменьшении к. п. д. или увеличении физической температуры линии передачи.

5. Коэффициент эффективности уменьшается при увеличении эффективной шумовой температуры Гд и тем значительнее, чем меньше шумовая температура Гу.

Значения коэффициента эффективности, рассчитанные по выражению (3.33), для некоторых значений параметров радиоприемной системы в режиме согласования, при Гэ=500 К, приведены в табл. 3.1. При расчетах принималось, что Gothау=Оу=!0отнау- Дзнные табл. 3.1 подтверждают указанные выше зависимости. Для упрощения расчетов коэффициента эффективности построена номограмма (рис. 3.5), соответствующая следующему выражению:

J\aa%ion + СП (1 - Олоп) t проп Jflay У (Гэ аул ау -Ь ау (1 - -л ау) + пр ау

(3.37)

где т]лау, rjnon - к. п. д. линий передачи в схемах с АУ и опорной антенной (для режима согласования); Глау, Глоп - физические температуры линий передачи; Гдрау, Тщхж - эффективные шумовые температуры приемников, отнесенные к их входу, в схемах с АУ и опорной антенной.

Выражение (3.37) определяет зависимость коэффициента эффективности, когда в сравниваемых схемах используются различные линий передачи и приемники.

Легко видеть, что при 11л ау=т]л оп = 11л и ГлопГл,

Гпроп=7щ, ау=7°пр (3.37) переходит в (3.33) с учетом зависимости (3.27) и принятого ранее обозначения т]л = = е~ . На рис. 3.5 приведен пример определения /Сэпри следующих исходных параметрах: Оотнау=12; r\n=Ofi; Гл=300 К, Г%=8800 К, Гэоп=2800 К, Гэау=3600 К. При таких данных расчет по формуле (3.37) дает результат /(э=11,42, а при определении по номограмме /Сэ=11,0. Порядок нахождения Кэ поясняется стрелками на рис. 3.5 [78].

Сравним отношение сигнал/шум, реализуемое в радиоприемной системе с АУ (рис. 3.4), с отношением, реализуемым в аналогичной радиоприемной системе с пассивной антенной и расположенным перед приемником дополнительным усилителем с теми же параметрами, что и усилительная часть АУ. Для схемы на рис. 3.4 имеем

(3.38)

При наличии дополнительного усилителя с параметрами Ту, Оу, расположенного перед приемником (Т^пр) и соединенного линией передачи (Гл, г]л.) с пассивной антенной (Ga, Тэ), получаем следующее соотношение:

£\Л'Оа -bfiy

А+у 48anf (Гэ7,л -ь 1 - -л) + Ту] Gy + т%

(3.39)

Используя выражения (3.38) и (3.39), получаем

к'у FэVlл-7л(l-7lл)-fг y]Gy-rv

~ Ка+у ~ (гэ + Ту) 0у7,л + Гл + 7 пр

Нетрудно видеть, что при Gy>l выражение (3.40) всегда дает результат К э>1, подтверждая известные закономерности.

Сравнивая выражения (3.33) и (3.40), получаем

К' 0у[Уэ-л-ЬУл(1-71л) Ч-гу]

K s - [7 э% -f 7-л (1 - %) + Ту] Gy + Т%