О потенциальных возможностях уменьшения шумовой температуры антенн земных станций спутниковой связи Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

О потенциальных возможностях уменьшения шумовой температуры антенн земных станций спутниковой связи

Сомов А.М., Титовец ПА., НИИР

Введение

Электромагнитное излучение нагретых тел является одним из основных источников тепловых шумов в системах связи. В результате сложных процессов, протекающих в телах по случайным и многообразным законам, происходит преобразование тепловой энергии вещества, поступающей извне, в энергию электромагнитного поля, распространяющуюся в окружающее тело пространство в широком диапазоне частот. Спектр этого излучения начинается от инфракрасного диапазона и простирается до диапазона дециметровых волн и далее. При распространении полезного сигнала от ИСЗ к земной станции спутниковой связи наряду с полезным сигналом на вход антенны поступают тепловые шумы окружающего пространства — атмосферы и земной поверхности, из-за чего происходит нежелательное ухудшение отношения сигнал/шум и снижение качества приёма.

Влияние параметров антенны на шумовую температуру

При работе современных систем спутниковой связи решающую роль играет шумовая температура приемной системы, включая приёмник с малошумящим усилителем (МШУ), фидерный тракт и антенну. Качество приема при этом определяется отношением коэффициента усиления антенны с учётом затухания в фидере к шумовой температуре приемной системы, выраженным в дБ и называемым шумовой добротностью земной станции спутниковой связи. Обычно при этом оговаривается значение угла наклона антенны к горизонту, поскольку шумовая температура антенны изменяется с изменением этого угла. Шумовая температура приемника в основном определяется шумовой температурой МШУ, которая приблизительно равна, или даже несколько меньше, шумовой температуры антенны. Поэтому для увеличения шумовой добротности приемных систем земных станций спутниковой связи необходимо уменьшение шумовой температуры антенн.

При определении вклада в шумовую температуру шумов окружающего пространства принимаются во внимание:

• рабочая частота;

• физическое состояние среды;

• форма раскрыва антенны;

• особенности распределения поля в раскрыве антенны.

Современные методы расчета [1] позволяют определить шумовую температуру антенны с высокой степенью точности по известной полной пространственной диаграмме направленности (ДН) с учетом парциальных вкладов в шумы антенны теплового излучения окружающей среды. Физическая модель приема шумов из окружающего пространства, приведенная в [1], весьма чувствительна к самым малым изменениям тонкой структуры ДН антенны, а так же к изменению конфигурации или физического состояния окружающей среды. Это позволяет судить о влиянии тех или иных технических при-

емов, применяемых в антенной технике на ДН, а в конечном счете — и на изменение шумовой температуры. Кроме того, возможно определить минимально достижимую шумовую температуру земной станции с идеальной остронаправленной антенной с ДН без боковых лепестков и идеальным нешумящим приемником, которая, по сути дела, является минимально возможной шумовой температурой антенны земной станции.

Основные составляющие шумовой температуры антенны

Для определения возможностей уменьшения шумовой температуры антенны необходимо рассмотреть факторы, влияющие на эту температуру, более подробно. Рабочая частота также является одним из основных параметров, влияющих на шумовые параметры приемной антенны.

Основными характеристиками окружающей среды, определяющими шумовую температуру антенны, исключая космические шумы и собственные шумы материала, из которого изготовлена антенна, являются тепловые шумы атмосферы, земной поверхности и окружающих предметов. Далее считается, что антенна земной станции расположена на гладкой по Релею сухой суглинистой почве при абсолютной физической температуре 290 Ко, окружённой атмосферой в сухую ясную погоду.

Тепловые шумы атмосферы. При таком размещении приемной антенны СВЧ диапазона частот, применяемых в спутниковой связи, шумовая температура антенны увеличится, по сравнению с размещением в вакууме, из-за поглощения электромагнитных волн в кислороде и водяных парах. Величина этого поглощения определяется:

• ориентацией антенны относительно горизонта,

• диапазоном рабочих частот.

Кислород атмосферы имеет дипольный магнитный резонанс на частоте 60 ГГц, что вызывает поглощение на частотах выше 1 ГГц, величина которого зависит от протяженности слоя атмосферы в направлении максимума ДН антенны и, тем самым, от угла наклона к горизонту. Наличие водяных паров также приводит к поглощению радиоволн, поскольку эти пары имеют электрический дипольный резонанс на частоте 22,5 ГГц.

Наличие осадков так же увеличивает яркостную шумовую температуру атмосферы в соответствии с данными табл. 1.

Следует учесть, что вероятность появления осадков, даже интенсивностью 2 мм/час и более, не превышает по времени в течение года 0,1%, поэтому далее все расчеты проводятся, как это общепринято, для сухой, ясной погоды.

Шумовая температура поверхности земли. Гладкая по Релею земная поверхность обладает в радиочастотном СВЧ диапазоне отражающими и поглощающими свойствами.

Тепловое излучение почвы оказывает существенное влияние на шумовую температуру антенны. При этом сказывается не только диапазон рабочих частот, но и физическое состояние почвы, а так же и направленные свойства антенны. Интенсивность теплового излучения почвы и ее яркостная шумовая температура существенно зависят от коэффициента поглощения, связанного с коэффициентом от-

Диапазон частот, ГГц Шумовая температура атмосферы в направлении зенита, К Интенсивность дождя у поверхности земли, мм/час

4 4 3,5

4 21 6,25

4 19 2

8 24 3,5

8 130 6,25

8 50 2

12 62 3,5

12 220 6,25

12 150 2

20 160 3,5

20 240 6,25

ражения Френеля, зависящего от структуры почвы и её влажности.

При определении интенсивности теплового излучения плоской земной поверхности отдельно учитываются коэффициенты Френеля для вертикальной и горизонтальной поляризации. Теоретические исследования и измерения говорят о том, что шумовая температура земной поверхности в диапазоне СВЧ слабо зависит от шероховатости поверхности.

Относительная диэлектрическая проницаемость плоской почвы влияет на величину коэффициентов Френеля и существенно зависит от влажности, а так же от ее состава и диапазона рабочих частот. Так, для сухой почвы относительная диэлектрическая проницаемость суглинистой почвы на СВЧ составляет несколько единиц, для почвы средней влажности, в зависимости от диапазона частот, — 10-13, для влажной почвы — 20 и более.

Наибольшее поглощение, следовательно, и наибольшее по интенсивности излучение, соответствует сухой почве. Зависимость относительной диэлектрической проницаемости от диапазона частот для наиболее распространенного сухого суглинистого грунта приведена в табл. 2.

Таблица 2

Диапазон частот Относительная

ГГц диэлектрическая проницаемость, є

4 3,45

8 3,825

12 3,95

20 4.075

Таблица 1 странстве антенны в секторе углов ДН, равных удвоенному углу наклона антенны к горизонту, осуществляется приём тепловых шумов атмосферы, а вне пределов этого сектора углов — также и приём теплового излучения почвы. С существенным уменьшением угла наклона антенны к горизонту возможен прием тепловых шумов поверхности земли не только боковыми лепестками, но и основным лепестком ДН.

ДН облучателя. Влияние ДН облучателя на шумовую температуру антенны в большинстве случаев для углов наклона антенны к горизонту более 50 является существенным. При приеме сигналов антенна на территории России располагается под углами от 50 до 350 к горизонту. В этом случае антенна через главный лепесток ДН и первые боковые лепестки принимает тепловые шумы атмосферы, а дальними и задними лепестками и полем перелива облучателя также и тепловые шумы земной поверхности (рис. 2).

Согласно табл. 2 относительная диэлектрическая проницаемость сухой суглинистой почвы с изменением частоты меняется незначительно.

При оценке теплового излучения гладкой поверхности земли обычно принято считать, что излучающий слой почвы находится по отношению к антенне в области геометрической оптики. В таком приближении за отражателями зеркальных антенн находится область тени, а поле за кромкой отражателя зеркальной антенны в его заднем полупространстве полностью определяется излучением облучателя.

Вклады теплового излучения атмосферы и земной поверхности являются определяющими для шумовой температуры антенны.

Диаграмма направленности антенны. В качестве примера рассматривается полная ДН двухзеркальная антенна ТНА-57 с диаметром зеркала в диапазоне 4 ГГц как наиболее типичная для реальных антенн спутниковьх систем связи (рис. 1). В переднем полупро-

Рис. 2. Прием тепловых шумов облучателем зеркальной антенны

Диапазон частот, ГГц т^ОО Р

4 2,9 0,028

8 3,7 0,031

12 4,5 0,032

20 19 0,07

Минимальная возможная температура шума идеальной антенны. Представленные выше данные позволяют оценить минимально возможную шумовую температуру антенны земной станции спутниковых систем связи для идеальньх условий. Идеальной антенной считается антенна с очень узкой ДН без боковых лепестков с фидерным трактом, не имеющим активных потерь. В этом случае шумовая температура такой антенны определяется тепловыми шумами атмосферы и определяется, как [1] :

атмосферы

(а) = -

эт(а+р)

(1)

где а — угол наклона антенны к горизонту, Т — шумовая температура атмосферы в направлении зенита;

p=arctg -

T

(2)

где Тгоризонт — шумовая температура атмосферы в направлении горизонта.

Значения Тзенит и р, определяющие шумовую температуру атмосферы для сухой, ясной погода и диапазонов, используемых в линиях связи с ИСЗ для направления "космос-земля", приведены в табл. 3.

На рис. 3 показаны зависимости Татмосферы от а в четырех основных диапазонах частот.

Эти же значения шумовой температуры для заданного диапазона частот при определенном угле наклона антенны к горизонту соответствуют шумовой температуре при заданных условиях шумовой температуре идеальной антенны, т. е. минимально возможной шумовой температуре антенн земной станции спутниковой связи. Из графика 1 видно, что это минимальное значение шумовой температуры антенны увеличивается с увеличением номинального значения частоты и уменьшением угла наклона антенны к горизонту.

ШОг-

Т(а)

80

60

40

20

! і 1 (

\ \ г х к-

It'. ■ Ї ч f=20ГТц N

г \\v-Z=12Г1 * - ,

/\Ч'. / Г=4ГГц ^f=8ГГц

20

40

60

80

Рис. З. ^^^(а) для диапазонов частот 4, 8, 12 и 20 ГГц

Таблица 3 Реальные антенны имеют шумо-

вую температуру, существенно отличающуюся по величине от шумовой температуры идеальной антенны. Так, реальная антенна ТНА-57 в диапазоне частот 4 ГГц для угла наклона к горизонту 5° составляет 37°К, а под углом 90° —12°К. В тоже время, согласно данным графика 1, эти температуры для идеальной антенны составляют существенно меньшее значение — соответственно 25,2°К и 2,9°К, что говорит о потенциальной возможности ее понижения. Полная шумовая температура реальной антенны определяется соотношением:

шум .общ

(а) Ташмосферы (а) + Тз,

земной поверхности

(а),

(З)

г д е

ТотмосферЬ|(а) — общая шумовая температура атмосферы,

Тземной поверхности(а) — обЩаЯ шУмовая температура ЗемН°й поверхности,

а — угол наклона антенны к поверхности земли, определяющий физическую картину приема тепловых шумов.

Для уменьшения шумовой температуры антенны составляющую шумовой температуры атмосферы устранить практически невозможно, однако уменьшение составляющей теплового излучения почвы вполне реально. Для этого применяются различные технические приёмы с использованием:

— экранов на кромке отражателя антенны;

— облучателей со специальной формой ДН;

— лучеводов вместо волноводов.

Некоторые из способов, такие, как применение экранов и лучеводов [2, 3], рассматривались в научно-технической литературе. Целесообразно провести также поиск формы ДН облучателя для антенны земной станции спутниковой связи для того, чтобы свести к минимуму или исключать полностью прием теплового излучения из сектора приема теплового излучения от земной поверхности. Наиболее перспективным направлением является уменьшение влияния тепловых шумов земной поверхности путем подавления бокового излучения антенны в секторе ДН антенны, направленном в сторону этой поверхности.

Такой технический прием, с точки зрения влияния на шумовую температуру антенны, ещё не рассматривался в научно-технической литературе, что делает необходимым продолжение таких исследований.

Заключение

Задача снижения шумовой температуры земной станции спутниковой связи является актуальной, и целесообразно исследование различных технических приемов, с точки зрения их влияния на шумовую температуру антенн земной станции спутниковой связи.

Литература

1. Сомов А.М. Метод фрагментации при расчёте шумовой температуры антенн. — М.: Горячая линия -Телеком, 2008.

2. Shimada S., Koyoma M. Focused Beam Feed Cassegrain Antenna for Exsperimental Earth Station."Eleclrical Communication Laboratories Technical Journal", № 4, 1973, p. 285.

3. Покрас А.М. Применение лучеводов в антеннах земных станций спутниковой связи//Труды НИИР — 1974. — № 2. — С. 89-96.

зенит

горизонт