НА ГЛАВНУЮ - - адрес этой страницы -- http://ra6foo.qrz.ru/tloss.html -- версия 24 03 2013 -- НА ГЛАВНУЮ

ШУМОВАЯ ТЕМПЕРАТУРА АФС

Тепловые шумы, создаваемые любыми произвольно соединенными пассивными компонентами равны шумам,
которые возникали бы на сопротивлении, равном действительной части полного сопротивления эквивалентной цепи.

КОМПОНЕНТЫ ШУМА

Оценивать шумовые свойства антенны и АФС удобно по ее шумовой температуре потому что главные компоненты шума АФС это тепловые шумы, мощность которых линейно зависит от температуры в градусах Кельвина. Рш = Тш * кП, где к - постоянная Больцмана, П - полоса частот. Тш удобнее тем, что не связана с полосой частот, в которой действует мощность шума Рш. За нормальную принята температура 290°К, которая соответствует температуре по обычной шкале Цельсия 17°С. Разница в 273° между ними лишь в точке отсчета, от абсолютного нуля (°К) или от t° таяния льда (°С). Шумовая температура АФС состоит из арифметической суммы внутренних и внешних компонентов шумов.

ВНУТРЕННИЕ ШУМЫ АФС
Внутренними шумами являются шум активного сопротивления потерь антенны Tlos (loss - потери) и шум активного сопротивления потерь фидера Тф. Их уровень зависит от частоты в той мере, в которой зависят от нее активные потери в антенне и фидере.

тепловой шум фидера Тф
Зная потери фидера в дБ, его несложно расчитать по формуле Тф = То (1 - КПД), где То температура среды (фидера) в гр. Кельвина. Для чего известные потери фидера надо перевести из дБ в КПД и сделать расчет. Например при потерях фидера 1 дБ его КПД 0,89. При 17°С этот фидер будет иметь шумовую температуру Тф = 290 (1 - 0,89) = 32°.

тепловой шум антенны Tlos
Его величину также можно расчитать из известных потерь в материале антенны. Антенна из идеального материала не шумит. Из реального- шумит в той мере, в которой ее сопротивление потерь составляет часть от сопротивления ИЗЛУЧЕНИЯ антенны. Выбором точки питания и устройства согласования вместе с R излуч. и R потерь также приводится к ВХОДНОМУ сопротивлению антенны.
Потери в дб в антенне из реального материала можно определить по разности усиления антенны из идеального и реального материала. Переведя дб в отношение величин и вычтя из единицы получим долю R потерь в R излуч. или R входн. Умножив долю R потерь на температуру окружающей среды в °Кельвина получим Т шума R потерь или T loss с точностью более, чем достаточной для нормальных УКВ антенн.
Например антенна 50 ом из идеального материала имеет усиление 13 дб, из алюминия 12.81 дб. Разность 0,19 дб соответствует отношению U или R 0,9783. 1,0 - 0,9783 = 0,0217 есть доля потерь. При R вх 50 ом приведенное к входному сопротивление потерь составит 0,0217 х 50=1,085 ома. Если температура среды принята 290°Кельвина, то T loss составит: 290°К х Rпотерь привед. / Rвх. В нашем случае это составит 290 х 1,085/50=6,3°К.
С достаточной точностью можно расчитать проще. По таблице децибел находим численное значение разности усилений, вычитаем 1 и умножаем на 290°. В нашем примере 0.19 дб=1.022. При этом Tlos будет равно 290(1,022-1)=6,4°. В таблице ниже сделан расчет Tlos для обычно имеющихся потерь в антеннах ВК из чистого алюминия, сделанный в MMANA. C учетом потерь в фидере эффективная температура Tlos на входе приемника будет равна Tlos x КПД фидера.

Таблица перевода разности усилений антенны, расчитанных для идеального материала и чистого алюминия в Tlos
ΔG алюм.0.080.090.100.110.120.13 0.140.150.160.170.180.190.200.21 0.220.230.240.250.26
Tlos алюм. 2.7°3.1°3.5° 3.8°4.2°4.5° 4.8° 5.1°5.4°5.7°6.1°6.5° 6.9°7.3°7.7°8.0°8.3°8.7° 9.0°
ВНЕШНИЕ ШУМЫ АФС
Внешние шумы - это шумы, принятые антенной от источников шумов внешнего пространства таким же образом, как и полезный сигнал. Такими источниками являются тепловой шум земли Тз или Tearth (earth - земля), техногенный шум Тт и космический шум (шум неба) Тк или Tsky (sky - небо) . Очевидно, что суммарный внешний шум АФС будет зависеть и от шумовой температуры этих источников и от диаграммы и положения антенны относительно этих источников и уже поэтому он не может быть нормализован.
тепловой шум земли T earth
Сторого говоря шумовая температура земли Tearth равна ее физческой температуре Т, умноженной на 1 - Ф, где Ф - коэффициент отражения земной поверхности, который в свою очередь зависит от угла наклона, электрических свойств земной поверхности и поляризации антенны. Но на УКВ диапазонах как правило выполняется условие Рэлея, поверхность земли считается шероховатой, отражение от нее - диффузным, Ф стремится к 0, а Tearth - к физической температуре земли, которую в расчетах обычно принимают 290°К. Уровень теплового шума земли от частоты зависит мало.

техногенный шум Тт
Шум электрических аппаратов, от бытовых приборов, компьютерных сетей до ЛЭП, электротранспорта и пром. предприятий. Уровень может быть весьма различен, от 0 °К в безлюдной местности без рельсовых, трубопроводных и электрокоммуникаций в радиусе 100 км, до тысяч и десятков тысяч градусов в деловых центрах городов и промзонах. Или просто при наличии у соседа включенного в сеть китайского зарядника или БП компьютера без фильтра помех. С ростом частоты интенсивность техногенного шума падает, но не так быстро, как хотелось бы.

шум неба Тsky
Как видно на карте Tsky неба для частоты 136 МГц, различные его области имеют весьма различную шумовую температуру Tsky, от 200° до 3000°К. На частоте 430 МГц шумовая температура тех же областей меньше в среднем в 15 раз. Шумовая температура Tsky непостоянна во времени, она зависит от солнечной активности. Кроме того в Tsky входят и шум диска Солнца, Луны, планет, также непостоянные и весьма различные во времени.

ОЦЕНКА ШУМОВОЙ ТЕМПЕРАТУРЫ АФС

Методика оценки хорошо описана DJ9BV и F6HYE в журнале“DUBUS”-3/1992г. Перевод этой статьи Оценка качества ЕМЕ-системы можно прочитать на УКВ портале. Автор перевода Николай Мясников, UA3DJG.

ОБЩАЯ ШУМОВАЯ ТЕМПЕРАТУРА АФС

Шумовая температура антенны Та на входе в фидер есть арифметическая сумма шумовых температур внутренних и внешних источников шумов. Шумовая температура АФС на входе приемника это также арифметическая сумма шумовой температуры антенны Та с учетом ее потерь в фидере и шумовой температуры самого фидера Тф. Тафс = Та х КПД + Тф. Тф конкретного фидера заранее может быть расчитана по его затуханию и в расчетах ниже не участвует, далее рассматривается только Ta антенны или антенной системы (стека).

РАСЧЕТ ШУМОВОЙ ТЕМПЕРАТУРЫ АНТЕНН

Существует несколько методик расчета Та. Например в [1] приведена одна из них:

В целом ряде случаев оказывается удобным определять шумовую температуру антенны через коэффициенты рассеяния βi. Под коэффициентом рассеяния в режиме передачи понимается отношение доли мощности, заключенной в пределах данного телесного угла, ко всей мощности, излученной антенной. Обычно выделяют полный и дифференциальные коэффициенты рассеяния. Полный коэффициент рассеяния представляет отношение всей мощности, излученной антенной в боковые и задние лепестки диаграммы направленности, к полной излученной мощности. Естественно, что полный коэффициент рассеяния является суммой дифференциальных коэффициентов βi.
Если, например, пространство, окружающее антенну, разбить на три области: 1) область главного лепестка, .2) область, занятую лепестками переднего полупространства (по отношению к раскрыву антенны), 3) область заднего полупространства, то эффективная шумовая температура антенны, без учета омических потерь, может быть определена через коэффициенты рассеяния из выражения Та = Т1(1 - β) + Т2β2 + Т3β3, где Т1 - усредненная яркостная температура среды в пределах главного лепестка диаграммы; Т2- усредненная яркостная температура шумового излучения, принимаемого боковыми лепестками в области переднего относительно раскрыва антенны полупространства; Т3 средняя яркостная температура шумового излучения в области заднего полупространства; β - общий коэффициент рассеяния антенны за пределы главного лепестка диаграммы; β2, β3 - коэффициенты рассеяния, соответственно, в передней и задней полусферах β1 = β2 + β3 Общая шумовая температура антенны с учетом омических потерь в линии передачи равна: Та у = Та η + Ty = Т1(1 - β)η + T2β2η + T3β3η + T0(1 - η). Таким образом, шумовая температура антенны зависит не только от собственных характеристик антенны (β, η), но и от температуры внешнего шумового излучения (Т1, T2, T3). Поэтому в зависимости от ориентации антенны ее шумовая температура будет изменяться.

В приведенной методике нет определенного параметра или их комплекса, по которому можно сравнить антенны между собой и сделать выбор. Причина в непостоянстве шумовой температуры внешних источников и ее зависимости от положения антенны относительно них. Об этом же пишет И. Гончаренко DL2KQ на своем форуме.
Вопрос:
Есть ли формулы для вычисления Ta, G/Ta , T los. Почему эти данные вычисляет только YA324, а MMANAGAL нет?
Ответ:
Шумовая температура антенны (она же Ta) пришла к нам из радиоастрономии. Ta вычисляется как произведение плотности шума пространства (solar flux unit, sfu) S (1S = 10-22 W•s/m2) на эффективную площадь раскрыва антенны A, деленное на две постоянных Больцмана 2•k (где k=1.380662•10-23). Заменив площадь раскрыва через формулу, связывающую её с Ga (см. например, п.3.1.7 во второй части "КВ и УКВ") получим и упростив- вычислив степени и константы получим: Ta = S G λ²/3.47, где: S - sfu безразмерная, сегодняшннее значение (см. например, Геофизические оповещения ); G - в разах (не в дБ);λ - в метрах.
Как Вы понимаете, имея вычисленное в программе G (и максимальное, и текущее, в произвольном направлении по вектору) посчитать Ta, G/Ta, Tlos не составляет труда. Сделаем в GAL-ANA. Почему не сделали в MMANA-GAL? Потому что бесплатная MMANA-GAL делалась нами под наше персональное (и возможно ошибочное) представление о понятном и удобным в антенных расчетах. По упомянутому мнению использование температур фидера и антенны – вещь неудобная. Посмотрите сами: в формулу Tlos входит непостоянная температура окружающего пространства To, а в формулу Ta- непостоянный, зависящий от Солнца, solar flux unit.В результате Tlos и Ta гуляют от погоды. Удобно ли пользоваться такими плавающими параметрами? Конечно можно ввести некие стандартно- средние To и S. Но это пока не стандартизовано, отчего в разных публикациях кто в лес, кто по дрова. ответ написан 24.1.2007 года, в 8:11

У радиолюбителей принята методика расчета шумовых свойств антенны как отношение G/T, где G - усиление антенны и Та - её шумовая температура. Усиление G вполне определенно, а уровень шума Та определен только для Т los, остальные компоненты зависят от непостоянных внешних источников шума и ориентации антенны относительно них, поэтому они должны быть оговорены заранее.
• Ориентация антенны или стека из них относительно земли принята как положение антенны в горизонтальной поляризации с углом наклона максимума относительно горизонта (элевацией) 30°
• Внешние условия, Т шума неба и Т шума земли, приняты равномерно распределенными по верхней и нижней полусферам вокруг антенны. За Т шума неба на диапазоне 144 МГц принята температура 200°, на диапазоне 432 МГц 15°. Тшума земли на обоих диапазонах принята 1000°.
Результаты расчета G/T антенн в стеках 2 х 2 представлены в таблице VE7BQH.

КОНТАКТНЫЕ ШУМЫ

Есть еще источник шума, о котором программы не знают, а радиолюбители иногда забывают- контактный шум. Контактный шум прямо пропорционален величине тока, плотность мощности падает с ростом частоты (1/f), но в определенных условиях на УКВ может достигать величины, мешающей даже местным связям. Это шум переменных точек контакта в антеннах с механическим соединением элементов, траверсы, крепежных деталей из металла между собой. Резьбовое соединение, запрессовка, обжим хомутом, тугая посадка трубки в трубку, ВЧ разьем,- везде гальванический контакт не по всей поверхности а в нескольких точках. Несмотря на их множество, любое самое незначительное воздействие разрывает одни точки контакта и образует другие. Под воздействием подразумевается смещение от ветра, изменение размеров при изменении температуры, процесс корозии поверхностей, пробой ВЧ напряжением окисной пленки и ее восстановление при приеме, "блуждающие токи" электросети и электростатики и т.п. В результате при надежных с точки зрения электрика ЖЭУ контактах непрерывно меняется путь тока и геометрия антенны. Шорохи и треск, возникающие при этом, обычно списывают на внешние помехи. Болтовое соединение между вибратором и кабелем из разнородных металлов и в полной мере обладает этими недостатками. В антеннах ВК, у которых вибратор и гамма-согласователь скреплены обжимом полосы, эти же причины на 145 мгц возможно, а на 1296 мгц неизбежно приведут к нестабильности и ухудшению параметров антенны.

Литература (и они же - ссылки сайты, где их можно скачать):
1 - Современные проблемы антенно-волноводной техники Сборник статей АН СССР
2 - Справочник радиолюбителя - коротковолновика С. Г. Бунин, Л. П. Яйленко
3 - Методы подавления шумов и помех в электронных системах Г. Отт
4 - Справочник по радиорелейной связи ред. Бородич С. В.
5 - Элементарная радиоастрономия Каплан
6 - Радиоастрономия Дж. Краус

НА ГЛАВНУЮ