Эквивалентная шумовая температура антенны
Рассмотрим более подробно эквивалентную шумовую температуру антенны ТA. Она определяется многими факторами - размером антенны, углом возвышения (места), внешними источниками шумов и условиями распространения сигнала в атмосфере. В условиях ясного неба основной шумовой составляющей являются фоновые шумы, поскольку без учета атмосферного влияния на распространение сигнала (дождь и т.п.) эти шумы фактически представляют собой все шумы, поступающие на вход антенны. Этот шумовой параметр антенны производители часто приводят в виде таблицы для диапазона значений углов места. Он может также включать относительно небольшую составляющую, вносимую галактическими фоновыми шумами. Существует три главных составляющих общих шумов антенны.
Шумовая температура антенны, обусловленная фоновым шумом (ТANT) - чем меньше диаметр антенны, тем шире ее диаграмма направленности и больше разброс боковых лепестков, улавливающих шумы теплой земли, и, следовательно, тем больше фонового шума собирается антенной. Кроме того, при более низких значениях угла места боковые лепестки (особенно первый боковой лепесток) антенны с меньшими размерами будут улавливать больше фонового шума, чем лепестки антенны с большими размерами. Поэтому при установке для заданного значения угла места антенна с меньшим диаметром будет представлять собой более «шумное» устройство. Поступление фонового шума можно уменьшить, правда за счет уменьшения коэффициента усиления антенны, путем неполного (недостаточного) облучения антенного зеркала. Таким образом, данный фактор определяет эффективность антенны. Значение фонового шума, детектируемого прямо-фокусной антенной, будет большим по сравнению с детектируемым офсетной антенной (при условии равных размеров). Это объясняется тем, что головка облучателя, установленная в прямофокусной антенне непосредственно на пути прохождения сигнала, «видит» при температуре, равной температуре Земли, и будет вносить дополнительные шумы.
Поскольку шумовая температура антенны зависит от множества изменяющихся факторов, при отсутствии в документации изготовителя значений необходимых параметров лучше полагаться на их вычисление. Для расчета приближенного значения шумов антенны в условиях ясного неба можно воспользоваться выражением
EL - угол места антенны, градусы. которое учитывает угол места и диаметр антенны.
Пример
Предположим, что используется антенна с диаметром 0,65 м (для укрепления конструкции используется сетка сварная или сборная). Вычислим наихудшее значение шумовой температуры антенны при установленном угле места 25°:
Составляющая космических, или галактических шумов, представляет собой фоновый космический шум, величина которого определяется в основном уровнем остаточного излучения от «большого взрыва». Она имеет небольшое значение шумовой температуры (около 2,7 К). Данная составляющая относительно невелика по сравнению с погрешностью вычисления составляющей фонового шума, и может быть опущена при практических расчетах. В любом случае, в зависимости от того, как шумы антенны определяются в документации изготовителя, она может быть введена.
Составляющие условий распространения сигнала в атмосфере - два главных влияния условий распространения сигнала на линии связи вниз. Во-первых, атмосферное газообразное поглощение сигнала водяными парами и кислородом, которое в основном происходит при ясном небе. Величина поглощения зависит от абсолютной влажности или плотности водяных паров, измеряемой в граммах на квадратный метр, от угла места антенны и используемой частоты сигнала. На частотах ниже 7,5 ГГц данная величина имеет относительно небольшое значение. Номинальные значения атмосферного поглощения для Европы приведены на рисунке:
Номинальные значения атмосферного газообразного поглощения
Конкретные значения для любого заданного наклона пути прохождения сигнала и частоты для различных районов Земли можно легко рассчитать при помощи соответствующего программного обеспечения, например при помощи программы Satellite-Antenna-Alignment.
Вторая составляющая влияния условий распространения - это затухание сигнала в осадках. При распространении сигнала по линии связи вверх приемник на борту спутника будет «видеть» вполне постоянную, но высокую шумовую температуру, исходящую от теплой Земли. Ее величина составляет около 290 К, поэтому дополнительное излучение тепловой энергии от дождя будет оказывать незначительное влияние. При распространении сигнала по линии связи вниз приемник направлен в небо, имеющее относительно невысокую шумовую температуру. Поэтому дополнительная тепловая шумовая составляющая, вносимая дождем, уже не будет незначительной в общих шумах приемной системы, особенно если приемник (LNB) является малошумящим прибором, работающим в Ku- или Ka-диапазоне. В S- и C-диапазонах влияние дождя и поглощения в атмосфере незначительно.
Осадки не только непосредственно ослабляют сигнал (данное явление называется замиранием сигнала в дожде), но и приводят к возрастанию шумовой температуры приемной системы, поскольку температура промежуточной среды приближается к температуре Земли. Важно, чтобы указанное возрастание шумов приемной системы было учтено, причем не только ослабление, вызываемое замиранием в дожде. Сочетание этих двух составляющих называется снижением эффективности линии связи вниз (DND).
Влияние условий распространения сигнала становится значительным на частотах выше 8 ГГц. Дождь, снег, туман или облачность ослабляют и рассеивают микроволновый сигнал. Величина ослабления зависит больше от размера водных капель (в кубических единицах по отношению к длине волны), чем от интенсивности осадков. При более сильном дожде капли становятся крупнее, поэтому эти факторы обычно оказываются связанными. Как правило, температура физической среды при всех формах выпадения осадков принимается равной 260 К. В условиях облачности и при ясном небе используется значение 280 К.
Конкретные значения для любого заданного пути прохождения сигнала в земном пространстве и доступности сигнала можно вычислить с помощью программы Satmaster Pro. Номинальные значения для Европы при доступности сигнала 99,7% для среднего года (99% для наихудшего месяца) приведены на рисунке:
Номинальные значения затухания сигнала в дожде
