Пути повышения качества приемной системы. Начинаю с приемной системы, потому, что системный подход здесь особенно важен. Выборочное улучшение отдельных кусочков системы не всегда дает ожидаемый результат.
Для начала несколько полезных формул. Главный наш враг - это шум, поэтому надо знать, как он накапливается в системе. Приемная система это цепочка последовательно соединенных элементов и узлов. Часто это называют каскадным соединением. Коэффициент шума такого многокаскадного усилителя описывается формулой:
F = F1 + ( F2 - 1 ) / G1 + ( F3 - 1 ) / G1 /G2..... . Для шумовой температуры формула имеет более простой вид:
Tr = T1 + T2 / G1 + T3 / G1 / G2........ .
Из формулы хорошо видно, что шумовая температура приемника Tr в основном определяется шумовой температурой первого каскада T1. Если усиление первого каскада достаточно велико (обычно 50...100 раз или 17...20 дБ), а шумовая температура второго каскада невелика (0.3...1.0 дБ), то уже добавкой от второго каскада можно пренебречь.
Простой пример.
Имеем двухкаскадный МШУ с коэффициентом шума 0.3 дБ ( 21K ).
Примерно знаем кш второго каскада 0.8 дБ ( 56K ). Усиление первого каскада 17 дБ или 50 раз.
Определяем добавку от второго каскада 56K / 50 = 1.1K.
Видно, что улучшение второго каскада серьезной прибавки не даст.
Возможное улучшение меньше 1К, что не так много при общей температуре 21К.
Впрочем "курочка по зернышку клюет".
Посмотрим теперь, как меняет чувствительность приемника аттенюатор. Здесь я имею в виду не только аттенюатор, как специальное устройство, но и как любые активные потери в элементах приемной системы. Например фидер антенны всегда является аттенюатором. Рассмотрим коэффициент шума и шумовую температуру аттенюатора. Это немного режет слух, но зато позволяет пользоваться приведенными выше формулами для каскадного соединения отдельных узлов.
Коэффициент шума аттенюатора - это коэффициент шума идеального нешумящего приемника с таким аттенюатором на входе:
Fatt = 1 + ( Latt - 1 ) * Tatt / To.
Здесь Latt это коэффициент ослабления аттенюатора, т.е. величина, обратная коэффициенту усиления:
Latt = 1 / Gat
Tat - это физическая температура аттенюатора, а To опорная температура 290K. При комнатной температуре ( Tatt = To ) формула предельно упрощается:
Fatt = Latt
Шумовая температура аттенюатора соответственно имеет вид:
Tn att = Tatt * ( Latt - 1 )
Шумовая температура приемника с аттенюатором на входе. По формуле каскадного соединения имеем: T = Tn att + Tr / Gatt или
T = Tatt * ( Latt - 1 ) + Tr * Latt
Обычно в таком виде это встречается в литературе как формула для пассивного четырехполюсника. Формула вроде простая, но физический смысл за ней мне разглядеть трудно. А всегда приятно, если формула годится не только для сухого расчета, но и для понимания сути происходящего. Попробуем переписать по другому:
T = Tatt ( 1 - Gatt ) / Gatt + Tr / Gatt или
T = ( Tatt * ( 1 - Gatt ) + Tr ) / Gatt
Теперь кое-что видно. Аттенюатор оказывает двоякое влияние на соотношение сигнал/шум. Во-первых, он добавляет шум, во-вторых, ослабляет сигнал. И то и другое снижает чувствительность приемника. Рассмотрим числитель формулы. Это ни что иное, как суммарный шум на входе приемника. Tatt ( 1 - Gatt ) это шум аттенюатора, а Tr - это собственный шум приемника. Для наглядности представим аттенюатор как заслонку, нагретую до температуры Tatt. Если заслонка полностью закрыта, то коэффициент передачи Gatt = 0. Вход приемника ничего кроме нагретой заслонки не "видит". Температура шума равна Tatt. Заслонка открыта, Gatt = 1. Приемник заслонку не "видит", шум аттенюатора равен нулю. В промежуточных положениях шум определяется "коэффициентом прозрачности" аттенюатора ( 1 - Gatt ).
Знаменатель формулы отражает снижение чувствительности за счет ослабления сигнала. Скажем если ослабить сигнал в два раза, то влияние собственных шумов приемника возрастет в два раза. Эквивалентная шумовая температура приемника возрастет в два раза, даже если мы охладим аттенюатор до абсолютного нуля.
Рассмотрим пример:
Приемник имеет коэффициент шума 0.4 дБ (шумовая температура примерно 0.4 * 7K = 28K).
Добавляем антенное реле. Потери в реле 0.15 дБ ( L = 1.035, G = 0.966).
Реле имеет температуру 300K. Имеем:
( 300K * (1 - 0.966) + 28 ) / 0.966 = 39.5K Теперь то же самое но "в уме". Раз потери невелики, то считаем, что в знаменателе единица. Тогда можем просто прибавить шум аттенюатора к шуму приемника. Потери 1.035 это 3.5%, что составляет от 300K соответственно 10.5K. Прибавляем шум приемника 28K, получаем 38.5K. Точность для оценочных расчетов вполне приемлемая. Аналогично для коэффициента шума можно для маленьких потерь просто прибавить к 0.4 дБ потери 0.15дБ и получить 0.55дБ. Ошибка будет небольшой. Еще пример:
Погожий летний день. Луна в 15 град над горизонтом. Потери в атмосфере 0.1 дБ.
Атмосфера нагрета до 300K. Имеем 7K дополнительных шумов.
Видно, что морозной зимней ночью должно быть лучше. И температура может быть на 50...60 град ниже,
и воды, а, следовательно, потерь в атмосфере меньше. Да и предусилителю охлаждение на пользу.
Теперь можно двигаться дальше. Конечно, формула для многокаскадного усилителя нужна редко. На практике достаточно формулы для двухкаскадного усилителя. Тем более, что каскад это в данном случае название условное. Например, первым каскадом может быть МШУ, а вторым каскадом все остальное. Это стандартная задача, когда надо оценить, насколько основной приемник портит чувствительность всей системы. Опять пример:
Имеем предусилитель G4DDK с коэффициентом шума 0.27 дБ (T = 18.5K) и усилением 37 дБ (5000 раз).
Кабель снижения с потерями 6дБ (4 раза) и трансивер TS2000X с коэффициентом шума 5.5 дБ ( T = 740K ).
Сначала определим влияние кабеля. Шумовая температура трансивера с кабелем по формуле
для аттенюатора будет:
T = Tatt ( Latt - 1 ) + Tr * Latt = 290K * ( 4 - 1 ) + 740K * 4 = 3830K ( NF = 11.5 дБ)
Результирующая шумовая температура с МШУ будет равна:
T = 18.5K + 3830 / 5000 = 19.3K ( 0.28 дБ)
Видно, что ухудшение невелико и составляет всего 0.8K или всего 4%.
Видно также, что однокаскадного МШУ, здесь явно не хватит.
Пусть усиление однокаскадного усилителя составляет 70 раз (18.5 дБ):
T = 18.5K + 3830 / 70 = 73.2 K ( 0.98 дБ)
Такие потери недопустимы. Чувствительность упала на 300%.
Практическая рекомендация,
которая может быть не всем известна. Как несложными измерениями решить рассмотренную выше задачу. Обычно я снимаю напряжение с МШУ и смотрю, насколько падает шум на выходе приемника. Хорошо, если есть возможность измерить это отношение. По вольтметру при выключенной АРУ ( не забыть возвести в квадрат ) или по S-метру, если он хорошо откалиброван. Обозначим это отношение как Y. Нетрудно показать, что относительное ухудшение чувствительности будет равно:
1 / ( Y - 1 )
Вернемся к предыдущему примеру. Приведем шумы к выходу МШУ. Если мы его выключили, то имеем уровень шума 3830K. Если включим МШУ, то добавится входной шум, умноженный на коэффициент усиления: 18.5K * 5000. В результате получим:
Y = ( 18.5K * 5000 + 3830K ) / 3830K = 25
тогда 1 / ( 25 - 1 ) = 0.041, или те самые 4%, которые мы посчитали до этого. В реальной жизни это ухудшение будет еще меньше т.к. еще добавятся шумы антенны. Кстати антенну при этих оценочных измерениях надо поднимать повыше над горизонтом и наводить на холодные участки неба.
Вернемся теперь к главному вопросу. Как улучшить отношение Ga/Tsys? Про усиление антенны немного позже, а пока подробнее посмотрим, из чего складывается Tsys и какие резервы для улучшения у нас есть? Как было сказано выше я начинал с уровня Tsys примерно 60K. Анализ данных, имеющихся в Интернете, показывает следующую картину. Результаты измерений Tsys по шуму Солнца для разных станций равномерно распределены в пределах от 57K до 110K. Среднее значение Tsys в районе 80K. Лучшие результаты чуть менее 60K. Основные составляющие шумовой температуры приемной системы это:- шум антенны;
- шум тракта, соединяющего антенну с входом МШУ;
- шум приемника с МШУ на входе.
Шум антенны.Шум антенны тоже разбивается на несколько составляющих. Прежде всего, это внутренние и внешние шумы. Внутренние шумы это шумы потерь в металле антенны. Как известно, потери тем меньше, чем выше проводимость металла и чем ниже плотность протекающих токов. Параболическое зеркало имеет большие размеры и поэтому плотность тока в зеркале невелика. Соответственно потери в зеркале очень малы. Причем неважно, медь это, алюминий или оцинкованная сталь. Больше потери в облучателе т.к. плотность тока в нем значительно выше. Потери в антеннах типа Яги несколько больше. Особенно в активном вибраторе и первых директорах. КПД такой антенны 97...98%, что при пересчете в шумовую температуру составит 6...9K. Для параболической антенны это видимо 2...3K.
Внешние шумы это то, что приходит "по эфиру". Часть шума собирает главный лепесток, часть остальные многочисленные лепестки. С боковыми лепестками можно бороться. Это трудно, но возможно. Обычно это покупается ценой некоторого снижения усиления антенны. Таким образом, можно снизить величину этой составляющей шума до нескольких градусов Кельвина.
Наконец шумы главного лепестка. Здесь уже все зависит не от нас, а от матушки природы. Хорошо то, что диапазон 1296 МГц попадает в наиболее благоприятное для космической связи частотное окно. Ниже по частоте быстро нарастают галактические шумы. На высоких частотах сказываются шумы потерь в атмосфере. Особенно выше 15 ГГц. К тому же 1296 МГц это самый низкочастотный любительский диапазон, попадающий в благоприятное окно. Здесь легче получить самую высокую чувствительность МШУ.
Итак, что мы имеем для главного лепестка. Это так называемый реликтовый шум (CMB - Cosmic Microwave Background). Он определяет уровень, ниже которого опуститься невозможно. Это чуть меньше 3K. Далее галактический шум, который здесь уже значительно ослаблен и часто уходит ниже реликтового шума. Карта шумовой температуры неба, которую мы видим в программе F1EHN относится к диапазону 470 МГц. На 1296 МГц Млечный путь уже тощий и бледный. За исключением отдельных небольших участков шумовая температура неба лишь немного превышает реликтовый шум. Четыре - шесть градусов (4...6K) это обычное дело.
Далее в главный лепесток попадает шум атмосферы. Он невелик, но очень заметен. Особенно при низкой элевации антенны, когда путь волны, пройденный в атмосфере, растет. Для некоторой стандартной атмосферы известны следующие цифры:
5 град - 19K
10 град - 10K
20 град - 5K
30 град - 3.5K
60 град - 2K
Наконец последний источник шума это сама Луна. Известно, что шумовая температура Луны около 200K. Она мало зависит от фазы Луны. На этом диапазоне волны проникают достаточно глубоко в поверхность Луны, и мы видим более глубокие слои, которые не успевают остыть в отсутствие солнечной тепловой радиации. Доля шума Луны зависит от квадрата отношения углового размера Луны и ширины главного лепестка. Здесь еще одно достоинство диапазона 1296 МГц по сравнению с более высокочастотными. Даже большая антенна все еще имеет довольно широкий лепесток. Например, для антенны, диаметром 5м доля Луны в общем шуме невелика, а точнее всего 3K. Рассмотрим теперь предельный случай. Идеальная антенна без боковых лепестков наведена на Луну. Элевация 30 градусов. Диаметр антенны 5м. Тогда сумма шумов, ниже которых нельзя опуститься, равна 4K(космический шум) + 3.5K(шум атмосферы) + 3K(шум Луны) = 10.5K. Это предел, которого нельзя достичь, но к которому можно стремиться. Если еще приемник не будет шуметь, то получим выигрыш относительно среднего уровня 80K / 11.5K = 7.5 раз или 8.7 дБ. Это очень много. Мне удалось довольно близко подобраться к этим цифрам. Если из Tsys = 18.6K вычесть шум приемника, то получим около 10K. Правда это без учета шума Луны и для элевации 50 град. Если из предыдущего примера убрать шум Луны и увеличить элевацию, то получим 4K(космический шум) + 2K(шум атмосферы) = 6K. Т.е. я не добрал около 4K. Где теряю 1K я знаю и попробую эту потерю убрать. А дальше все, сдаюсь.
Главный вывод таков. Уровень внешних шумов на диапазоне 1296 МГц в принципе позволяет создавать EME антенны с исключительно низкой шумовой температурой. На Рис 2.1 приведены графики, которые наглядно иллюстрируют ситуацию с внешними шумами природного происхождения.  Рис 2.1 Это тот предел, который существует независимо от нас. Хорошо видно, что с ростом частоты и с увеличением размера антенны доминирующим становится тепловой шум лунной поверхности. Видно, что диапазон 1296 МГц находится в наиболее выгодном положении. Дает наибольшие возможности в снижении шумовой температуры всей приемной системы. Шум соединительного тракта.Предположим у нас есть очень хорошая антенна и очень хороший малошумящий усилитель. Но ведь их надо соединить друг с другом. Надо еще защитить МШУ в режиме передачи. Это тот участок пути, где можно потерять много. На потерю 0.1 дБ в большинстве мест можно не обращать внимание. Здесь 0.1 дБ это добавочные семь градусов Кельвина. Отвоевать эти 7K у антенны или МШУ - это тяжелый труд. Поэтому терять очень жалко.
Рассмотрим, как этот тракт обычно делается. Источником сигнала является облучатель параболической антенны. На облучателе с круговой поляризацией имеются два разъема, один для передатчика, второй для приемника. В хорошо сделанном и настроенной облучателе развязка между этими двумя каналами более 20 дБ. Это позволяет отказаться от мощного антенного реле. Но главное даже не это. Развязка снижает проникновение шума из передающего тракта. Даже если передатчик выключен, остаются тепловые шумы. При ослаблении 20 дБ (100 раз) в приемный тракт попадет 300K / 100 = 3K. Поэтому полезно иметь развязку ближе к 30 дБ. Для защиты МШУ 30 дБ недостаточно. Для этого нужно минимум 55...60 дБ, поэтому без реле не обойтись. Часто это небольшое реле с разъемами типа SMA. Обычно это три розетки, которые стоят в один ряд. В таком случае для подключения реле к облучателю и к МШУ, нужен в коаксиальных соединениях хотя бы один поворот на 90 градусов. Пусть разъем на облучателе и разъем на входе МШУ это розетки типа SMA. Тогда нам понадобятся два адаптера папа/папа SMA, причем один из них угловой. Часто это короткие отрезки полужесткого кабеля ( например UT-141) с разъемами на концах. Длина зависит от габаритов и конструкции реле и МШУ и обычно не превышает 50мм. Шумовая температура такой цепочки плохо поддается расчету. Пожалуй, только с кабелем UT-141 все ясно. Затухание 0.4 дБ/м. Значит каждый сантиметр - это 0.3K. Все остальное можно определить только экспериментально, хотя измерения столь небольших величин это непростое дело. Здесь я могу говорить только о том, что сам пробовал и сам измерял. Очень много зависит от качества разъемов. Причем важна не столько точность изготовления, сколько применяемые покрытия. Частота 1296 МГц довольно низкая для SMA. Поэтому проблем по КСВ нет даже у основной массы дешевых разъемов. Основная проблема это потери в центральном проводнике. В основном это штырьки, горящие ярким "золотым" блеском. Что это за покрытие мне пока выяснить не удалось. Похоже, там золота или совсем нет или его очень мало. Скорее всего это никель, покрытый очень тонким слоем золота. Толщина золотого покрытия меньше, чем толщина скин слоя для диапазона 1296 МГц. Поэтому основная часть токов протекает в никелевом слое со всеми вытекающими последствиями. Добавка шумов 3...5K на одно соединение встречается часто. Умножим даже 3K на четыре соединения и сразу получим 12K. Плюс к этому потери в реле. Те реле, которые прошли через мои руки давали прибавку шума от 2K до 4.5K. Причем лучшее из них тоже пришлось забраковать из-за нестабильности параметров (иногда шумы подскакивали на несколько градусов). Если теперь все сложить, то видно, что получить дополнительный шум 15...20K очень легко. А это уже совсем беда.
Конечно, надо стремиться уменьшить число соединений. Однако от двух разъемов на реле никуда не уйти. Хорошие импортные разъемы мне видимо не попались, поэтому наилучшие результаты получил на отечественных SMA с серебряным покрытием. Тем не менее, несмотря на все усилия, опуститься ниже 6K на соединительный тракт и реле мне не удалось. Вроде не так много, но в моем случае это повышение Tsys на 25% и, соответственно, ухудшение соотношения сигнал/шум на 1 дБ. Все мои дальнейшие усилия были направлены на то, чтобы убрать стандартное реле и свести тракт к минимуму. Но об этом позже. Шум приемника.Шум приемника это конечно шум МШУ. При правильном выборе коэффициента усиления, влияние остального "хвоста" очень мало. Серьезных ограничений на коэффициент усиления нет. Антенна направлена в небо и опасность перегрузки сигналами местных станций невелика. Правда в последние годы появилась новая проблема. Это базовые станции сотовой мобильной связи. Причем 900 МГц станции не столь опасны. В облучателе есть отрезок волновода, запредельный для этих частот. Более опасны станции 1800 МГц. Малошумящий усилитель это, как правило, широкополосное устройство. Коэффициент усиления на 1800 МГц может быть лишь немногим меньше, чем на рабочей частоте. В результате может перегрузиться входная цепь основного приемника. Если используется антенна типа Яги, то опасность еще выше. Во-первых, добавляются помехи от 900 МГц станций, во-вторых, диаграмма направленности у такой антенны за пределами рабочего диапазона быстро "разваливается" и элевация антенны не спасает. Проблема решается с помощью несложного дополнительного полосового фильтра на выходе МШУ. Больших требований к такому фильтру нет. Помеха от базовой станции находится достаточно далеко от рабочей частоты. Необходимости вставлять фильтр, между первым и вторым каскадом МШУ, у меня не возникало. Фильтр на выходе двухкаскадного МШУ, полностью устраняет все проблемы даже при наведении антенны на горизонт.
Итак, можно полностью сконцентрироваться на шумовых параметрах МШУ. А бороться здесь есть за что. Это не 2м диапазон с шумом антенны в сотни градусов Кельвина. Там коэффициент шума 0.2 дБ имеет скорее эстетическую, чем практическую ценность. Здесь же каждая сотая доля децибела дает реальный выигрыш. Стратегия понятна - это прежде всего борьба с потерями, которые дают дополнительный тепловой шум. Надо оптимальным образом трансформировать сигнал на вход транзистора и при этом еще сохранить устойчивость усилителя. Эти условия часто противоречат друг другу, что определяет сложность задачи. |
Статьи 
