Страница 8 из 14
Ввиду того что в наземную приемную антенну попадает лишь часть излучаемой энергии, которая определяется отношением эффективной площади приемной антенны к поверхности воображаемой сферы с радиусом, равным расстоянию от космической станции до при-емкого пункта, то вполне естественным является стремление использовать большие приемные антенны, обладающие большим коэффициентом направленного действия.
В теории приемных антенн доказывается, что наибольшая полезная мощность, которую способна отдать приемная антенна на вход приемника, выражается формулой
где S — плотность потока электромагнитной энергии, вт/м2;
λ — длина волны, м;
GM — наибольший коэффициент усиления антенны, под которым понимают число, показывающее, во сколько раз большая, мощность поступает на вход приемного устройства при приеме на антенну данного типа по сравнению с мощностью, которую можно получить, применяя в качестве приемной антенны простой полуволновый вибратор.
Величина коэффициента усиления Gм связана с коэффициентом направленности антенны D следующим соотношением:
где ηΑ — к. п. д. антенны.
Допустим, что коэффициент направленного действия приемной антенны составляет 60, а к. п. д. — 0,9; тогда максимальная энергия принятого сигнала на входе приемного устройства для S = 0,364·10-18 вт/м2 и λ = 15 м будет равна:
Что же мешает приему таких сигналов? Казалось бы, что может быть проще: если надо получить на выходе приемного устройства определенный уровень сигнала, то нужно лишь увеличить число усилительных каскадов и проблема будет решена. Однако решение этой проблемы затрудняется не малой величиной принимаемого сигнала, а наличием помех радиоприему. Действительно, каким бы малым ни был входной сигнал, его можно усилить в любое число раз, но вместе с полезным сигналом усиливаются и паразитные сигналы. А если мощность шумов превышает мощность полезного сигнала, то каков смысл их совместного усиления?
Существует множество природных источников электромагнитных колебаний. Любая электрическая искра — это уже очаг возникновения электромагнитных волн. Непрерывно создаются радиопомехи атмосферными электрическими разрядами. Мешают радиоприему всевозможные промышленные установки и приборы, порождающие электромагнитные колебания. Такими установками являются высокочастотные промышленные устройства, электромедицинское оборудование, электротранспорт, автомобили, электросварочное оборудование и др. К внешним источникам шумов относят также непостоянство напряжений источников питания, механические вибрации и т. д. Кроме того, Земля облучается электромагнитными колебаниями космического происхождения. Все эти мешающие радиоизлучения по своей физической природе такие же, как и радиосигналы, — вот почему так трудно преградить им путь в радиоприемник.
Правда, в диапазоне волн, используемых на третьей космической ракете, внешние помехи действуют слабо. Но в этом радиодиапазоне, как и в любом другом, имеется еще один источник помех, не упоминавшийся нами ранее. Этим источником является само радио-приемное устройство. Появление помех в радиоприемнике объясняется так называемыми электрическими флуктуациями в его различных деталях и узлах (сопротивлениях, конденсаторах, катушках, радиолампах). Флуктуации приводят к тому, что на концах сопротивлений и в контурах приемника из-за беспорядочного движения свободных электронов непрерывно возникают меняющиеся электрические напряжения, даже тогда, когда на входе приемника нет никаких сигналов. При этом величина напряжения флуктуаций пропорциональна величине активной составляющей сопротивления цепи. Обычно для оценки величины флуктуационного напряжения пользуются его так называемым среднеквадратичным значением. Если величина активного сопротивления участка цепи не зависит от частоты, то спектр флуктуационного напряжения оказывается практически равномерным вплоть до ультравысоких частот. Для подсчета напряжения шума принимают во внимание лишь те частотные составляющие флуктуационного напряжения, которые лежат в пределах полосы пропускания устройства.
Мешающие напряжения порождаются и радиолампами. Ламповые шумы вызываются отклонениями величин анодного и сеточного токов от средних значений при неизменных напряжениях питания. Основная причина колебаний анодного и сеточного токов заключается в том, что ток эмиссии не остается постоянным вследствие непрерывного статистического изменения числа электронов, вылетающих из катода. Это явление носит название дробового эффекта.
Для удобства расчетов обычно считают, что анодный ток идеально постоянен и что флуктуации анодного тока вызваны некоторым переменным напряжением, приложенным между сеткой и катодом лампы. Считается, что это напряжение создается флуктуациями зарядов в некотором эквивалентном по шуму сопротивлении. Величина этого шумового сопротивления определяется параметрами и режимом работы лампы; оно возрастает при увеличении количества сеток.
Флуктуации величины сеточного напряжения лампы вследствие непостоянства сеточного тока пропорциональны корню квадратному из величины сеточного тока. Отсюда следует, что если необходимо уменьшить уровень шумов, то лампу желательно использовать при возможно меньших сеточных токах.
Особенно вредны шумы, возникающие в первом каскаде радиоприемника (во входном контуре и первой лампе).
Хотя общее напряжение шумов незначительно по величине и составляет лишь ничтожные доли вольта, оно оказывается соизмеримым с уровнем сигнала автоматической межпланетной станции и может даже превзойти во много раз уровень полезного сигнала. При этом надо учитывать и то, что в самом сигнале изображения передающего телевизионного устройства имеются помехи, обусловленные различными элементами аппаратуры, в том числе флуктуациями тока луча проекционной трубки, флуктуациями фототока, тока вторичной эмиссии в фотоэлектронном умножителе и т. д.
Если величина помех на входе первого усилительного каскада, вызываемых различными причинами, превышает уровень принимаемого сигнала, прием этого сигнала будет затруднен или вообще невозможен, так как в последующих каскадах приемника шумы будут усиливаться в огромное число раз. Таким образом, предельная чувствительность приемника ограничена помехами, т. е. уровнем помех определяется наименьший уровень сигнала, который может быть принят данным радиоприемным устройством. В телевидении считается, что для получения хорошего качества телевизионного изображения амплитуда полезного сигнала должна превосходить эффективное значение шумового напряжения не менее чем в несколько десятков раз.
Принимая различные меры, можно уменьшить уровень помех, вызываемых внешними причинами. Шумы же, возникающие в передающем и приемном устройствах из-за электрических флуктуаций, неизбежны. Их удается ослабить, но совсем устранить невозможно, так как мы не в состоянии остановить тепловое движение молекул.
Рассмотрим теперь понятие мощности шумов. Любое активное сопротивление, являясь источником шумов, при подключении его ко внешней цепи может выделить в этой цепи шумовую мощность, наибольшее значение которой выражается формулой
Рмакс = KTF,
где К — постоянная Больцмана;
Т — абсолютная температура сопротивления (в градусах Кельвина);
F — полоса частот передаваемого сигнала, гц.
Равенство мощности сигнала и мощности суммарного шума, вносимого приемником и антенной, будет на выходе приемника в том случае, если на вход его подается мощность сигнала, равная
Pc.n=NэKTF.
В этом выражении коэффициент шума Nэ показывает, во сколько раз реальный радиоприемник при работе его на реальную антенну ухудшает отношение сигнал/шум по мощности по сравнению с идеальным приемником, который не добавляет шумов к шумам антенны. Таким образом, в данном случае коэффициентом шума Νэ учитываются как шумы самого приемного устройства, так и шумы приемной антенны, обусловленные воздействием внешних, преимущественно космических шумов.