Принцип взаимности в теории приемных антенн. Эффективная поверхность и шумовая температура приемной антенны.

Известны два режима работы антенны:

‑ передающий, когда излучатель возбуждается сторонним источником (напряжением или током);

‑ приемный, когда излучатель возбуждается плоской волной, приходящей из свободного пространства.

Антенны, работающие в передающем и приемном режимах, связаны между собой принципом взаимности, являющимся одним из основных принципов электродинамики. В соответствии с ним можно утверждать, что если при приложении к одной из антенн ЭДС во второй протекает ток J, то при приложении ЭДС ко второй антенне в первой также будет протекать ток J.

С помощью принципа взаимности можно доказать, что параметры антенн в режиме приёма сохраняются теми же, что и в режиме передачи, хотя некоторые параметры и меняют свой смысл. Так, поскольку приёмная антенна выступает по отношению к приёмнику как генератор, её внутреннее сопротивление равняется входному сопротивлению той же антенны, используемой как передающая.

Параметрами, используемыми для описания приемных антенн, являются следующие.

Действующей (эффективной) длинойприёмной антенны называется отношение максимального напряжения U, которое может быть наведено на клеммах приемной антенны без потерь, к напряжённости поля Е в месте её расположения:

. (5.15)

Действующей (эффективной) площадью приемной антенны называется отношение максимальной мощности , которая может быть отдана приемной антенной (без потерь) в согласованную нагрузку, к плотности потока мощности П в падающей волне:

. (5.16)

Если обозначить через геометрическую площадь раскрыва, то

, (5.17)

где - коэффициент использования площади(КИП) раскрыва.

Между КНД и существует простая связь:

(5.18а) или . (5.18б)

Коэффициентом эффективности антенны,или ее энергетической эффективностью , принято называть произведение КПД и КИП:

. (5.19)

Между действующей длиной, сопротивлением излучения и КНД антенны существует простая связь :

. (5.20)

Для приемной антенны максимальная величина принятой мощности, получаемая при совпадении поляризаций падающей волны и антенны, определяется выражением:

. (5.21)

В случае несовпадения плоскостей поляризации приемной и передающей антенн в правой части (5.21) появляется сомножитель , где ‑ угол между векторами Е линейно поляризованных приемной и передающей антенн.

Для оценки возможности приема слабого сигнала необходимо сопоставлять его мощность с полной мощностью различных шумов на входе приемника. Одна часть шумов связана с антенной, другая образуется в приемнике. Создаваемые антенной шумы по самой природе могут быть разделены на внешние и внутренние. Их классификация приведена в таблице 5.1.

Таблица59.1 – Классификация шумов антенны

Внутренние помехи (шумы) создаются антенной, фидером и приемником. Их источником являются так называемые флуктуационные или тепловые шумы цепей радиотехнического устройства. Внешние помехи создают источники вне радиотехнического устройства ‑ космические излучения, атмосферные помехи, тепловое излучение Земли, работа промышленных, бытовых и медицинских аппаратов, работа мешающих передатчиков (непреднамеренные помехи).

Суммарная мощность шумов на входе приемника складывается из мощности собственных шумов приемника, приведенной к его входу ( ), мощности омических потерь в фидерном тракте ( ) и элементах антенны ( ), а также мощности шумов внешних источников ( ), которые часто называют апертурными шумами.

Общая мощность шумов на входе приемника определяется формулой

, (5.22)

где и ‑ КПД антенны и фидера соответственно.

Если известна ширина спектра частот сигнала , то мощность шумов ‑ любого четырехполюсника может быть выражена через его эквивалентную шумовую температуру следующим образом:

, (5.23)

где =1,38 Дж/град ‑ постоянная Больцмана.

Эквивалентная (или эффективная) шумовая температура четырехполюсника ‑ это температура согласованного с четырехполюсником активного сопротивления, которое, будучи присоединенным ко входу идеального (не шумящего) четырехполюсника, создает на его выходе мощность шумов, равную мощности собственного шума реального четырехполюсника.

С учетом сказанного выше, соотношение (5.22) можно преобразовать к виду

. (5.24)

Шумовая температура приемника ( ) определяется шумовой температурой его первого каскада. Для транзисторных усилителей диапазона УКВ она имеет порядок десятков градусов Кельвина, для параметрических ‑ несколько меньше, а для охлаждаемых до температуры жидкого азота или гелия мазеров ‑ единицы Кельвинов.

Шумовые температуры фидера ( ) и элементов антенны ( ) обусловлены омическими потерями и потерями за счет рассогласования в соответствующих узлах и определяются их кпд и физической температурой ( ), выраженной в Кельвинах

, . (5.25)