Оценка качества ЕМЕ-системы.

UA3DJG: Когда люди говорят об одном и том же, например, о яйцах, но один при этом убежден, что вначале появилась курица, а другой – яйцо, то эти люди говорят будто на разных языках. Так, к сожалению,иногда случается и у нас, радиолюбителей. 

    Приведенная ниже статья написана давно, но ценность ее, по моему мнению, в том, что расставлены по полочкам некоторые основные для ЕМЕ понятия.
    Приношу извинения за мой английский и некоторые вольные комментарии – суть статьи сохранена!

1.Введение.

Хорошее качество приема – одна из самых важных характеристик ЕМЕ-станции. Очень важно иметь простой и надежный метод оценки этого качества, потому что:
 
1)любая модификация приемной системы (предусилитель, кабель и т.д.), требует оценки предполагаемых изменений качества.

2)Регулярный контроль качества выявляет возможные проблемы.

3)Многие EME-станции хотят сравнивать их относительное качество приема.
Ниже описывается простой и достаточно точный метод оценки качества приема ЕМЕ-станции.

2.Техника измерений.

Базовая идея- измерение уровня источника сигнала известной интенсивности и сравнение его с постоянным сигналом. Как источник сигнала мы используем источник шума с постоянной плотностью мощности в измеряемой полосе. Это то же самое, что мы делаем при измерении коэффициента шума предусилителей: мы используем холодный источник и горячий источник, холодный источник – постоянный сигнал. Но здесь мы должны ввести понятие холодного и горячего источников для ВСЕЙ приемной системы – антенна, предусилитель, кабель и трансивер (UA3DJG: еще реле и разъемы). В этой конценпции понятия горячий и холодный характеризуют мощность шума двух источников в соответствии с формулой: P=kTB. Горячий связан с большей мощностью шума (больше величина Т), а холодный – с меньшей мощностью. Диапазон мощности на выходе приемника, когда переключаются холодный и горячий источники, называется Y-фактором. Абсолютная величина этого Y-фактора – есть измеренное качество для всей приемной системы. Измеренный Y-фактор может быть трансформирован в G/T – отношение, которое более адекватно характеризует качество приема.

2.1.Источники шума

2.1.1.Холодный источник.

Обычно используются следующие холодные источники:

1)50 ОМ – нагрузка, подключенная к приемной системе через коаксиaльное реле. Мощность шума на резисторе получается по формуле: P=kTB и равна- 174dbm/Hz при комнатной температуре (290 К).

2)Нахождение наиболее слабого сигнала (шума) в Галактике вращением антенны. Известные холодные пятна близки к Галактическим полюсам. Эти пятна – созвездия Leo и Aquarius. Они излучают мощность шума, которая может быть характеризована эквивалентной температурой от 180 К – на 144 МГц до 15 К – на 432 МГц.
Метод резистора должен быть отброшен по следующим причинам:

а) резистор не так уж и холоден (290 К). Диапазон мощности к горячему источнику будет малым, а необходимость использования второго коаксиaльного реле будет вводить дополнительные потери.

б) необходимость переключений от антенны к резистору  изменяет импеданс, который «видит» вход предусилителя.

Это изменит его настройку (усиление и коэффициент шума), и будет мешать корректной оценке диапазона мощности двух источников. (P.S. Такая же проблема имеет место, когда изменяются дистанции в стэках или фазирующие линии, и разница в параметрах будет фигурировать. Решение этого рассогласования – включение развязки на входе предусилителя. Но потери 0,3 db  исключают использование этой развязки).

(UA3DJG: Вывод: лучший холодный источник – холодные пятна неба).

2.1.2.Горячие источники.

Имеется несколько альтернативных горячих источников

1) Земля (290 К). В самом деле, - температура Земли -  есть функция отражения  поверхности (-зависящая от проводимости) . 290 К – величина только для чернозема с фактором абсорбции = 1. Но практически эта температура может изменяться от 100 К до 290 К (-от морской воды до чернозема), - на 144 МГц, и от 150 К до 290 К – на 432 МГц.
Земля обеспечивает почти постоянную и частотно- независимую мощность шума.Проблема – направить антенну полностью к Земле (-90° элевация). К тому же, в городских условиях шумы города приводят к значительному и не очень хорошо определяемому увеличению шума Земли. Также мы не можем использовать Землю на 144 МГц, потому что разница между холодным небом (~200 К на 144 МГц) и Землей (290 К) так мала, что не может быть использована. Но в тихих местах – это отличный горячий источник для определения шумовой температуры системы, особено на 70 см и выше, потому что результирующий Y-фактор не зависит от усиления антенны, так как облучается все переднее полушарие антенной системы.

(UA3DJG: Действительно, направив на Землю антенну с углом диаграммы 10° или антенну с углом 60°, мы все равно ее «услышим».)

2) Солнце.
Солнце дает высокую мощность шума, обеспечивая  отклонение стрелки S-метра даже с малыми ЕМЕ-системами, и легко находится. Главное отступление – то, что генерируемые шумы (-их мощность) – не постоянны во времени. Мы можем находить изменения день ото дня. И эти изменения следуют также 11-летнему циклу солнечной активности. Общие колебания интенсивности  могут достигать 5 db.

3)Некоторые созвездия,такие как Cassiopea,Cygnus и.т.д.- Эти галактические источники вполне стабильны. Но их главный недостаток в том, что малые ЕМЕ-системы не могут их «услышать», потому что генерируемая мощность шума слаба.

Что мы можем сделать?
Не все потеряно, потому что солнечный флюкс измеряется в многочисленных обсерваториях по всему миру, и есть возможность соотносить этот флюкс к мощности шума на интересующей частоте. Это нужно делать на каждом диапазоне, потому что солнечный флюкс измеряется на 2800 Мгц (≈ 10 см). Гюнтер (DL6WU) уже описал графический метод получения этих соотношений. На самом деле, его диаграммы дают величину только для 3-х разных уровней флюкса…

(UA3DJG: Сейчас на дворе 2007 год, и с этой проблемой  легко справляется компьютер,- см. например чудесную программу«VK3UM-калькулятор»).

Вначале введем понятие G/T:

1] G/Tsys = (Y-1)/I, где    G – усиление антенны в dbi,
                Tsys – общие шумы системы (антенна + потери фазирования + предусилитель + приемник(UA3DJG:+разьемы,реле…), выраженные в температуре.
                Y – отношение выходных сигналов приемника, когда антенна направлена на Солнце и, затем,- на холодное пятно неба.
                I – уровень солнечной интенсивности, зависящий от солнечного флюкса и частоты.

Измерение Y-фактора и знание интенсивности солнца (I) – позволяет вычислить G/Tsys системы. G/Tsys – соотношение –это величина, точно (!) описывающая качество системы. Если эта величина увеличивается на 1 db, то S/N (сигнал/шум) отношение любой принимаемой станции будет увеличено точно на 1 db!

(UA3DJG: Иногда путают понятия G/Tа и G/Tsys, забывая, что Та – шумовая температура антенны, а G/Tsys – шумовая температура системы. Эта путаница приводит к тому, что некую прибавку в G/Tа считают точно такой же прибавкой в S/N на выходе приемника (-см., например, статью «Подготовка к ПД 2007.23см.»). Это было бы так, если бы  кроме антенны ничего больше не шумело бы. То есть антенна была бы подключена через не имеющие потерь кабель, реле, резъемы к идеальному (-не шумящему вообще!) приемнику. Hi! Друзья-коллеги, призываю быть более осторожными в своих умозаключениях, выложенных на всеобщее употребление, - дабы не запутывать порой и так запутанные головы. Давайте стараться писать только о том, что знаем точно или хотя бы добавлять известную фразу из «Мимино»: «Я так думаю.»!)

2.2.Измерение Y-фактора.

Наиболее точный и простой метод измерения Y-фактора – метод ВЧ-замены. Вначале мы записываем относительный уровень на S-метре приемника (Замечание: АРУ – включена, - и мы должны обеспечить достаточное усиление (-несколько каскадов в предусилителе, например), для того, чтобы S-метр отклонялся), когда антенна направлена на холодное небо. Затем мы должны повернуть антенну прямо на Солнце и увеличить затухание откалиброванного аттенюатора,включенного в приемном тракте, – в месте, где усиление каскадов от антенного разъема не меньше 40 db. В приемной системе лучшее место – ПЧ-выход конвертера к КВ-трансиверу (28 Мгц, например). Теперь мы должны увеличивать величину затухания до тех пор, пока не получим записанную величину.Разница, прочитанная на аттенюаторе, - есть точно Y-фактор, необходимый нам!

(UA3DJG:Аттенюатор здесь  необходим,т.к.S-метры обычно врут и имеют небольшое разрешение).

а самом деле, Y-фактор соответствует отношению Tsys, когда антенна направлена на Солнце, к Tsys, когда она «смотрит» на холодное небо. Y=(Thot + Tcold)/Tcold. Tsys состоит из эффективной температуры антенны, температуры потерь (кабель, реле и т.д.) и температуры приемника.
Этот метод легко обеспечивает точность 0,5 db с помощью аттеннюатора с шагом 1 db. Все методы, основанные на измерении аудиоуровня, должны быть отброшены, потому что на них оказывает влияние линейность всех каскадов приемника, даже если АРУ выключена. (UA3DJG: Это правильно, но если предварительно  проверить тракт  с помощью ГСС и откалибровать, - то почему бы и нет?..)

2.3.Вычисление солнечной активности (I).

UA3DJG:Приводятся формулы для пересчета I, полученные на WWV для 2800 Мгц в I для частот 144, 132, 1296 МГц…,номограммы отношений G/Tsys,Y и Sun Flux(I)на диапазонах 144,432мгц,…вообщем то,что сейчас вряд ли актуально,т.к.для этих вычислений достаточно,например, запустить программу”VK3UM-calc”,нажать кнопку  диапазона,в соответствующие окошечки вставить ожидаемые параметры аппаратуры и антенны(-коэфф.шума преда и приемника,потери в кабелях, разьемах и реле,усиление антенны,-количество стрел или диаметр параболы с соответствующими G/Ta и эфф.облучения…),текущий Sun Flux(I) (-из www.,например).Затем, направив  антенну на Солнце(с элевацией не менее 30град.) и на холодное небо(см.выше)-измерить Y, и, наконец, сравнив его с рассчитанным программой,-делаем ГЛАВНЫЙ ВЫВОД-насколько качественно работает наша СИСТЕМА на прием при данном SETUP-e.Если отличия велики,-ищи дефект в цепи:антенна-пред-приемник.Это,конечно,при условии,что измерения достаточно достоверны(для повышения точности, их желательно делать несколько раз с выведением средне-арифм.значения).

 3.Измерения диаграммы антенны с помощью шума Солнца.

     Благодаря высокой интенсивности шумов Солнца, возможны показания S-метра даже на паразитных боковых лепестках антенны.Записывая разницу Y-фактора этих лепестков по отношению к главному лепестку,возможно вычислить соответствующий уровень этих лепестков.Так как Y=Sun+Cold/Cold,мы должны использовать отношение:Y-1=Sun/Cold для того чтобы сравнивать уровни разных лепестков.Давайте возьмем для примера измерение диагр.антенны в экспедиции в Сан-Марино(T70A),где мы провели некоторые измерения диаграммы ант.решетки - 8хBVO70-11w(8-yagi-432mc.-7,7m.). (UA3DJG:Приводится таблица измерений-шума Солнца(Y):Главный лепесток:19,5дб(Sun Flux(I)=180,при Sun Flux=100-будет только 17,5дб.),1-й боковой:7дб.,2-й боковой:5,5дб.,3-й боковой:3,5дб.Затем полученные значения боковых лепестков:а) переводятся в разы по мощности,б)вычитается 1(еденица),в)опять переводятся в дБ.,г) вычитанием каждой полученной величины из уровня главного лепестка(19,5дб.)-выводятся нормализованные уровни 3-х боковых лепестков:1-й-минус13,4дб.,2-й-минус15,4дб.,3-й-минус18,5дб.)

    73!de UA3DJG.