Облучатель

определяется по формуле 4я5

тах -

(2.1)

Зеркало

Рис. 3. Рассеяние энергии облучателя за пределы зеркала

где 5 - геометрическая площадь раскрыва антенны.

В реальной антенне распределение поля в раскрыве отличается от равномерного. Оно, как уже указывалось, обычно спадает к краям раскрыва. Это приводит к расширению главного лепестка диаграммы и снижению КНД. Неравномерность поля в раскрыве учитывается коэффищшнтом g, который называется апертурным коэффициентом использования. Для реальных антенн этот коэффициент колеблется в пределах от 0,7 до 0,9.

Для реальной антенны в формулу (2. 1), кроме апертурного коэффициента использования g, необходимо ввести еще коэффициент х\а, учитывающий потери энергии на рассеяние. Тогда

(2.2)

Произведение Sgx\A принято называть эффективной площадью 5эф, а произведение коэффициентов - коэффициентом использования площади раскрыва /Си.

Тогда

5эф = ЯТ1л5 = /Си5.

(2.3)

Таким образом, 5эф - это площадь некоторой эквивалентной антенны меньших геометрических размеров, которая при равномерном распределении поля и отсутствии потерь имеет КНД, численно равный КНД реальной антенны.

Посмотрим теперь, чем определяется коэффициент 1]д зеркальной антенны И за счет чего происходят потери энергии в антенне. Это удобнее сделать, рассматривая работу антенны в режиме передачи.

Прежде всего, не вся энергия от первичного облучателя перехватывается зеркалом. Часть ее проходит мимо и рассеивается (рис. 3), увеличивая лепестковый фон у диаграммы направленности антенны. Доля рассеянной мощности зависит от направленных свойств облучателя и уровня облучения края зеркала. Отношение мощности, перехваченной зеркалом, к полной мощности, идущей от облучателя, называется коэффициентом полезного действия облучателя. Обозначим этот коэффициент через tji. Для хороших рупорных облучателей, обеспечивающих облучение края зеркала уровнем

0,05-=-0,1 от уровня мощности в центре раскрыва, он составляет соответственно 0,95 0,9.

Вторым существенным источником потерь являются погрешности изготовления поверхности зеркала. Эти погрешности вызывают фазовые ошибки в раскрыве антенны, которые приводят к искажениям диаграммы направленности и снижению КНД. Вопрос о влиянии погрешностей изготовления, носящих случайных характер, на параметры антенны подробно исследован в работах Рузе, Рабье и Шифрина [1, 2, 3].

В частности, показано, что случайные ошибки изготовления приводят к уменьшению КНД и, следовательно, эффективной площади е соответствии с коэффициентом

где 6*= (4л;)2-(з/А,) и о - среднеквадратичное отклонение поверхности зеркала от расчетной.

Так, при среднеквадратичном отклонении сг = 0,04Я эффективная площадь антенны падает иа 20%.

Учитывая вероятностный закон распределения ошибок изготовления, допуск, который задается на точность воспроизведения поверхности, связан со среднеквадратичным отклонением соотношением СГдоп = 2,6 (Т.

Поскольку относительная точность изготовления, т. е. отношение СГдоп к диаметру зеркала, для большинства современных подвижных антенн не превышает 10-*, то при размерах зеркала 30- 40 м, на волнах сантиметрового диапазона потеря эффективной площади будет составлять не менее 20?о. Если ориентироваться на указанную выше относительную погрешность изготовления, то вряд ли целесообразно делать подвижные зеркальные антенны диаметром более 1000 Я,.

Далее необходимо учесть рассеяние энергии на элементах конструкции - тягах, поддерживающих облучатель или вспомогательное зеркало.

Обозначим коэффициент, учитывающий эти потери, через %. Его величина зависит от схемы антенны и колеблется от 0,9 до 1.

Таким образом, коэффициент г\а для зеркальной антенны равен произведению

Анализ всех факторов, влияющих на общую величину коэффициента использования площади раскрыва /Си, показывает, что для больших однозеркальных параболических антенн, диаметр которых превышает 500 А., /Си не превышает 0,45-0,5. Значительно более высокий коэффициент использования 0,6 0,65 можно получить в

Рнс. 4. Рупорно-параболнческая антенна

многозеркальных антеннах (с одним или двумя вспомогательными зеркалами), в которых удается создать в раскрыве поле, близкое к равномерному [4, 51. Самым высоким коэффициентом использования площади раскрыва обладают рупорно-параболи-ческие антенны. У этих антенн облучающий рупор непосредственно соединяется с зеркалом (рис. 4). Благодаря такой конструкции в антенне отсутствуют потери энергии на пути от облучателя к зеркалу, а также рассеивающие конструктивные элементы в раскрыве антенны. Если зеркало рупор-но-параболической антенны выполнено точно, то коэффициент использования площади раскрыва /Си практически будет равен апер-турному коэффициенту g-. Так, например, рупорно-параболическая антенна, разработанная для системы Тельстар [6], с диаметром раскрыва 20,6 м имеет на волне 7,35 см К» = 0,76.

Таким образом, величина эффективной площади для больших антенн, как правило, на 30-50% меньше геометрической площади их раскрыва.

Все вышеперечисленные источники потерь связаны с рассеянием энергии, что приводит к ухудшению направленных свойств антенны. Кроме этих потерь, существуют еще омические потери в линии передачи от облучателя до приемного устройства. Мы их будем учивывать коэффициентом полезного действия линии передачи т).

Величина ц зависит от длины и состава линии. У современных антенн коэффициент полезного действия линии передачи стремятся сделать не менее 0,95.

3. Шумовая температура приемной антенны

При приеме полезного сигнала и в отсутствие его на вход при емника, подключенного к антенне, поступает шумовая мощность которая обусловлена шумами окружающего пространства, собст венными тепловыми шумами элементов антенны и линии передачи, обладающих омическими потерями. Уровень этих шумов принято характеризовать величиной эффективной шумовой температуры антенны, измеряемой в градусах Кельвина и численно равной температуре, согласованной со входом приемника активной нагрузки, которая, будучи включена вместо антенны, создавала бы ту же шумовую мощность Рщ.-

где/С - постоянная Больцмана, равная 1,38-Ю-*» дж/град. При 46

фиксированной полосе пропускания Af мощность шумов однозначно характеризуется шумовой температурой Гш-

Эффективную шумовую температуру антенны наиболее удобно представлять в виде суммы

~- АЙ,

(3.1)

где Ti - средняя яркостная температура окружающей среды в пределах телесного угла А Й,-; G/ - среднее усиление (по отношению к изотропному излучателю) в пределах телесного угла AQ/.

Суммирование должно производиться по всей сфере, окружающей антенну. Выражение в квадратных скобках представляет собой часть мощности, принятой антенной в данный телесный угол, отнесенной ко всей принятой мощности при условии равномерно распределенной мощности помех.

Пространство, окружающее антенну, обычно разбивают на несколько областей, например область, охватываемую основным (главным) лепестком диаграммы; область передней (относительно раскрыва) полусферы, из которой шумы принимаются боковыми лепестками антенны, и область задней полусферы, шумы из которой принимаются дальними и задними лепестками антенны.

Такое условное разбиение пространства удобно, например, при расчете шумовой температуры антенны, когда главный лепесток ее направлен в зенит. При этом в переднем полупространстве антенны оказываются атмосфера и источники космического радиоизлучения, а в заднем - земля.

В литературе имеется достаточно данных по шумам различных внешних источников [7].

Основными источниками шумов в диапазоне СВЧ являются: 1) тепловое радиоизлучение земной атмосферы; 2) космическое радиоизлучение, включая радиоизлучение планет и звезд; 3) тепловое радиоизлучение земли и предметов, расположенных около антенны.

Анализ показывает, что наиболее существенным является тепловое радиоизлучение земли и предметов, расположенных около антенны. Яркостная температура земли, которая является хорошим поглотителем в диапазоне СВЧ, составляет То ~ 290° К-

Если не принимать специальных мер, то у обычных параболических однозеркальных антенн в лепестках, направленных в сто-,рону земли, содержится около 10% от всей принятой 5нтенной мощности, и, следовательно, в соответствии с формулой (ЗА.) шумы земли на входе приемника будут составлять около 30° К- Шумы верхнего полупространства зависят от длины рабочей волны и колеблются в сантиметровом диапазоне волн в пределах от 3 до 10° К.

Таким образом, даже в отсутствие собственных омических потерь паразитный шум, принимаемый антенной, может достигать нескольких десятков градусов. В реальной антенне, которая имеет

линию передачи от облучателя к приемнику, к этим шумам прибавятся шумы, обусловленные омическими потерями в линии переда-

Т, = Т, (1-г]),

(3.2)

где То - физическая температура линии передачи, равная 290° К. Эти шумы также могут составлять несколько десятков градусов. Действительно, если КПД линии передачи т] = 0,95, то шумовая температура, обусловленная омическими потерями, согласно выражению (3. 2) будет равна 15° К. Для того чтобы уменьшить шумовую температуру собственно антенной системы, необходимо прежде всего уменьшить рассеяние энергии в сторону земли и увеличить КПД линии передачи.

Наименьшим рассеянием обладает рупорно-параболическая антенна. Ее собственная шумовая температура при направлении в зенит равна 5-6° К-

В целом ряде случаев оказывается удобным определять шумовую температуру антенны через коэффициенты рассеяния р/. 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 Р/.

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

Га = г1(1-Р) + 7гРг + 7зРз, .(3.3)

где Tl - усредненная яркостная температура среды в пределах главного лепестка диаграммы; Га - усредненная яркостная температура шумового излучения, принимаемого боковыми лепестками в области переднего относительно раскрыва антенны полупространства; Тз - средняя яркостная температура шумового излучения в области заднего полупространства; Р - общий коэффициент рассеяния антенны за пределы главного лепестка диаграммы; Рг, Рз- коэффициенты рассеяния, соответственно, в передней и задней полусферах

Р1 = Р2 -f Рз-

Общая шумовая температура антенны с учетом омических потерь в линии передачи равна:

Та.у = Г„ т] + Г, = 7-1 (1 - Р) Г1 -f Г, р,т1 + ГзМ + Го (1 - л). (3.4)

Таким образом, шумовая температура антенны зависит не только от собственных характеристик антенны (Р, т]), но и от температуры внешнего шумового излучения (Г, Т, Гз). Поэтому в зависимости от ориентации антенны ее шумовая температура будет изменяться. Для того чтобы иметь возможность сравнивать по шумовой температуре различные антенны, условились в качестве параметра считать шумовую температуру при ориентации антенны в зенит.

4. Эффективность приемной днтенны

Прежде всего ответим на вопрос: почему стали интересоваться шумовой температурой антенны?

Известно, что чувствительность любой приемной системы определяется отношением полезного сигнала S к уровню шумов N на выходе приемного устройства

Величина полезного сигнала прямо пропорциональна эффективной площади антенны, а шумы на выходе приемника складываются из собственных флюктуационных шумов приемника и шумов антенного устройства, о которых говорилось выше. Поэтому в зависимости от основных характеристик антенны отношение сигнал/шум на выходе приемника может быть записан в виде

F = C

(4.1)

где - шумовая температура приемного устройства; С - коэффициент, зависящий от характеристик приемника и от длины волны.

Отсюда следует, что для увеличения чувствительности надо увеличивать эффективную площадь антенны и снижать шумовую температуру приемного и антенного устройств.

У обычных приемников с кристаллическим смесителем в сантиметровом диапазоне волн шумовая температура превышает 2000° К. Естественно, что добавление к этой величине шумовой температуры антенны в несколько десятков градусов несущественно. Однако в настоящее время разработаны молекулярные малошумящие усилители - мазеры, имеющие шумы порядка единиц градусов. В сочетании с ними величина шумовой температуры антенны становится весьма существенной. Поэтому при разработке остронаправленной антенны, работающей с малошумящим приемником, необходимо стремиться не только к получению высокого коэффициента использования площади раскрыва /Си, но и малой шумовой температу-