§ 2.2. ШУМЫ В ПРИЕМНИКЕ. КОЭФФИЦИЕНТ ШУМА И ЭФФЕКТИВНАЯ ШУМОВАЯ ТЕМПЕРАТУРА ПРИЕМНОГО УСТРОЙСТВА

Так как шумы более широкополосны, чем приемное устройство, то в дальнейшем будем считать, что на входе идеального приемника имеет место шумовое напряжение, идеализируемое белым шумом. Тогда единственной характеристикой, которая потребуется в последующих главах, является спектральная плотность этого эквивалентного шума, пересчитанного ко входу приемника. Чтобы найти эту характеристику, рассмотрим причины возникновения шумов и количественные характеристики шума. Прежде всего заметим, что если бы даже само приемное устройство было идеально нешумящим, на входе приемника имело бы место шумовое напряжение. Причины возникновения этих входных шумов мы укажем несколько ниже. Так как само приемное устройство неидеально и создает добавочные шумы, то шумовое напряжение на выходе приемника будет определяться как входными шумами, так и собственными. Если приемник не содержит малошумящих усилителей высокой частоты, то шумовое напряжение на выходе будет определяться собственными шумами.

Чтобы количественно оценить, насколько реальный приемник отличается от идеального нешумящего, обычно вводится понятие о коэффициенте шума приемного устройства.

Коэффициентом шума некоторого линейного четырехполюсника называется число, показывающее, во сколько раз отношение сигнала к шуму по мощности на

его входе больше соответствующего отношения сигнала к шуму на выходе,

где отношение мощности сигнала к мощности шума на входе в полосе пропускания четырехполюсника; отношение мощности сигнала к мощности шума на выходе.

Из соотношения (2.2.1) видно, что для идеального нешумящего четырехполюсника коэффициент шума равен единице, а для любого реального

Представим приемное устройство в виде последовательно включенных четырехполюсников, которые имеют соответственно коэффициенты шума: Если нагрузки четырехполюсников согласованы, то для коэффициента шума приемного устройства нетрудно получить следующее соотношение:

где коэффициенты усиления четырехполюсников по мощности.

Из полученного выражения видно, что если приемник имеет усилитель высокой частоты с большим коэффициентом усиления, то его коэффициент шума будет в основном определяться собственными шумами этого усилителя и входных цепей.

Однако часто приемники сантиметрового диапазона усилителей на высокой частоте не имеют. В таких приемниках первым интенсивно шумящим элементом будет смеситель, вторым — усилитель промежуточной частоты. Шумы смесителя складываются из собственных шумов кристаллического детектора и шумов гетеродина. Обычно шумовые свойства смесителя принято характеризовать относительной шумовой температурой

эффективна шумовая температура смесителя; абсолютная температура элементов приемного устройства; коэффициент передачи по мощности и коэффициент шума смесителя.

Тогда коэффициент шума приемника запишется в виде

Здесь коэффициент шума УПЧ.

Таким образом, коэффициент шума приемника в основном определяется шумами усилителя промежуточной частоты и шумами смесителя. Причин возникновения шумов УПЧ много. Можно указать, например, на такие источники шума, как тепловые шумы сопротивлений, шумы, возникающие за счет дробового эффекта в электронных лампах, и др.

Как следует из формулы (2.2.2), коэффициент шума всего усилителя промежуточной частоты определяется в основном коэффициентами шума первых его каскадов. Поэтому при проектировании приемных устройств особенное внимание уделяется шумовым свойствам входной цепи и первых каскадов УПЧ. Не останавливаясь подробно на этих вопросах, укажем, что коэффициент шума для приемников сантиметрового диапазона, в которых нет усиления на высокой частоте, обычно бывает порядка 10—16 дб

Если приемное устройство имеет усилитель высокой частоты, в качестве которого используется лампа бегущей волны то коэффициент шума такого приемника имеет порядок 3—б дб [28].

Зная величину коэффициента шума, можно легко подсчитать мощность шума на выходе УПЧ. Из форму получаем

где коэффициент усиления по мощности тракта приемного устройства до второго детектора.

Мощность шумов на входе в полосе пропускания УПЧ можно подсчитать по известной формуле

Где эквивалентная шумовая температура на входе, выраженная в абсолютных единицах; эффективная полоса пропускания УПЧ; k - постоянная Больцмана.

Тогда мощность шума на выходе УПЧ будет равна

где эффективная шумовая температура приемного устройства.

Следует отметить, что коэффициент шума входящий в эти формулы, есть коэффициент шума, замеренный при эффективной шумовой температуре на входе которая может отличаться от стандартной температуры Тогда можно использовать следующее соотношение между коэффициентом шума, измеренным при температуре и стандартным коэффициентом шума, измеренным при температуре

Шумы приемника ограничивают реальную чувствительность приемного устройства, а значит, и предельную дальность действия радиолокационной станции. Кроме того, за счет наличия шумов имеют место дополнительные флюктуационные ошибки измерения координат цели. В связи с этим важнейшей задачей проектирования приемных устройств радиолокационных станций является снижение уровня шумов.

За последнее время на этом пути удалось добиться существенных успехов главным образом за счет применения параметрических и молекулярных усилителей. Их собственные шумы оказываются сравнимыми или меньшими, чем уровень входных шумов.

При этом входными шумами будем называть шумы, возникающие до первого малошумящего усилителя. По причинам возникновения их можно разделить на две группы. К первой группе относятся шумы, возникающие за счет излучения небесного фона (космические шумы), вторичного излучения поглощающей среды (атмосферные шумы), теплового излучения земли, воспринимаемого боковыми лепестками диаграммы направленности антенны. Ко второй группе относятся шумы, которые

возникают в антенне и элементах приемного тракта предшествующих усилителю. К ним относятся шумы, возникающие за. счет конечной проводимости поверхности металлической антенны, потерь в волноводном тракте от антенны до малошумящего усилителя, прямых потерь в антенном переключателе и т. п.

Если на составляющие шумов антенны, возникающие за счет нагретой земли, мы можем влиять снижением уровня боковых лепестков за счет улучшения конструкции антенны, то более сложной проблемой является снижение уровня шумового излучения неба, принимаемого станцией с направления главного лепестка диаграммы направленности антенны. Этот шум состоит из составляющих, обусловленных рассеянием и поглощением в атмосфере, а также из шумового излучения, приходящего из пространства, расположенного за пределами ионосферы (космический шум). Хотя вопрос о зависимости уровня шумов от рабочей частоты станции еще недостаточно исследован, имеются сведения, дающие возможность судить -о том, что уровень космического шума обратно пропорционален частоте. Это иллюстрируется рис. 2.1, заимствованным из На рисунке показана зависимость эффективной шумовой температуры идеальных антенн от частоты. На более высоких частотах (свыше начинают сильно сказываться атмосферные шумы, которые увеличиваются с увеличением рабочей частоты станции. Отсюда, в частности, видно, что существует некоторый оптимальный диапазон рабочих частот, на котором шумовая температура антенны минимальна. Кроме того, приведенный график дает возможность оценить величину шумовой температуры антенны

Шумы элементов приемного тракта до малошумящего усилителя легко можно оценить. Если имеется некоторый источник с эквивалентной шумовой температурой и нам нужно вычислить эффективную шумовую температуру на выходе пассивного четырехполюсника с коэффициентом передачи по мощности то можно воспользоваться следующей формулой:

где абсолютная температура пассивного четырехполюсника.

блияние добавочных четырехполюсных элементов легко может быть оценено последовательным применением выражений этого типа.

В случае применения параметрических или молекулярных усилителей более удобной характеристикой шумовых свойств приемника является эффективная шумовая температура

Рис. 2.1. Эффективные шумовые температуры идеальных антенн, молекулярных и параметрических усилителей: 1 — идеальная горизонтально направленная на галактический центр антенна; 2 — идеальная вертикально направленная на галактический полюс антенна; 5 — молекулярный усилитель; 4 — параметрические усилители.

Она будет складываться из шумовой температуры на входе и температуры собственных шумов усилителя:

В результате получим, что эффективную шумовую температуру приемного устройства можно оценить по формуле

где эквивалентная шумовая температура антенны; абсолютная температура волноводного тракта; коэффициент передачи по мощности этого тракта; шумовая температура усилителя высокой частоты

По рис. 2.1 можно оценить эффективную шумовую температуру молекулярного и параметрического усилителей и ее зависимость от рабочей частоты. Как видно из графика, особенно низкой (несколько градусов оказывается шумовая температура молекулярного усилителя, поэтому в (приемные устройствах с такими усилителями очень большую роль начинают играть входные шумы. В связи с этим серьезной проблемой является уменьшение шумов на входе. Это можно сделать улучшением конструкции антенны, выбором рабочей частоты станции, охлаждением элементов, антенно-волноводного тракта до малошумящего усилителя и уменьшением потерь в этих элементах.

В дальнейшем мы всюду будем оперировать со спектральной плотностью шума которую нетрудно получить из приведенных выше соотношений:

или