矩形喇叭天线多余噪声温度的分析

论文导读：影响天线温度的外界噪声源很多。矩形喇叭天线自身噪声源主要是指天线内部系统噪声。系统噪声，矩形喇叭天线多余噪声温度的分析。
关键词：参考噪声源，天线温度，系统噪声
 

1.引言

1960年美国物理学家彭齐亚斯和威尔逊建立了超低噪声的喇叭形天线[1]的射电望远镜，在接收信号时发现总有消除不掉的多余的噪声，为了确定这个多余的噪声的大小和来源，他们对天线噪声温度进行了精确的测量。两位物理学家经过一年多努力的测量得出天线总的噪声温度为6.7K[2]，在扣除掉影响天线噪声温度的各内外因素的情况下，结果发现总有消除不掉的多余噪声，它的值约为3K。

在测量天线多余噪声温度的过程中，天线的噪声温度是系统灵敏度设计中唯一难以确定的因素，因为影响天线的噪声温度的因素很多。本文在已知矩形喇叭天线总的噪声温度的前提下，对矩形喇叭天线中各种噪声源进行深入的分析与研究。最后通过计算得出的各噪声源的结果与矩形喇叭天线的总的噪声温度来得出矩形喇叭天线的多余噪声温度。

2.矩形喇叭天线噪声温度的分析

2.1 天线噪声源

天线噪声的来源主要从两个方面考虑，分别是天线自身噪声源和外界噪声源[3,4]。博士论文，系统噪声。

（1）自身噪声源

矩形喇叭天线自身噪声源主要是指天线内部系统噪声，包括两个方面：热噪声和散弹噪声。

热噪声即天线本身材料的损耗引起的噪声，主要是指天线自身噪声源传给系统的噪声温度。博士论文，系统噪声。博士论文，系统噪声。

散弹噪声又称为散粒噪声，它是由矩形喇叭天线的有源器件中的直流电流或电压随机起伏造成的。博士论文，系统噪声。散弹噪声存在一个直流电流，而热噪声电压与直流无关。博士论文，系统噪声。散弹噪声的平均电流起伏为零，其量值大小也用均方电流、均方电压或功率来表示。

（2）外界噪声源

任何高于绝对零度(0K=-273℃)的物体都辐射电磁波而产生噪声。影响天线温度的外界噪声源很多，有的噪声源是无时不在的，有的噪声源是在某些特定条件下才出现的。对于天线来说，外界噪声源主要有大气噪声、地面噪声和背瓣噪声等。

2.2 矩形喇叭天线噪声温度的分析

在矩形喇叭天线中，内部噪声主要是天线内部各器件的欧姆损耗，即矩形喇叭天线的系统噪声；外部噪声主要是指大气噪声和背景噪声。

2.2.1天线系统噪声分析

矩形喇叭天线内部产生的噪声也就是矩形喇叭天线内部欧姆损耗过程中产生的噪声，即天线的系统噪

声。

天线的系统噪声温度公式为： (1)

将天线的系统内阻等效为辐射电阻和损耗电阻之和，其中为损耗电阻，为辐射电阻。为噪声源的噪声温度。利用天线效率与电阻的关系，取矩形喇叭天线效率，我们可以计算出矩形喇叭天线系统的噪声温度为：。

2.2.2 天线外部噪声分析

辐射计天线指向目标测量时，会接受到来自不同方向的辐射，在矩形喇叭天线装置中我们所考虑到的外部辐射噪声主要是地面大气噪声[5,6]。

地面大气噪声主要由氧气和水蒸气对太阳辐射能的再辐射引起的。地面大气噪声的强度主要取决于接收方向的仰角β。取，大气噪声与仰角的关系式：

（2）

在各个不同的角度取值，得到的大气噪声值（如表1）：

表1 大气噪声与仰角的关系

从表中可以看出，仰角越大，地面大气噪声越小，因此矩形喇叭天线在测量大气噪声时，仰角越大越好。当矩形喇叭天线指向正方向时，大气噪声对天线的影响最小，大气噪声约2.4K。

2.3 多余噪声的计算

从上面第二部分的计算我们可以得到地面大气噪声的温度约为2.4K，矩形喇叭天线系统噪声温度约为1.5K。在已知矩形喇叭天线总的噪声温度为的前提下，扣除掉地面大气噪声和矩形喇叭天线的系统噪声，得出矩形喇叭天线多余噪声温度约为2.8K。

从矩形喇叭天线的计算结果看，扣除掉影响天线噪声的因素后，多余噪声的温度大约为3K。在对天线噪声温度和对影响天线温度的因素进行分析计算时，由于受技术或精确度的影响，现实测量中还存在一定的系统误差。

3. 总结

矩形喇叭天线的多余噪声温度被称为宇宙背景辐射，是研究宇宙大爆炸的重要依据。博士论文，系统噪声。从影响矩形喇叭天线噪声的分析结果我们可以看出在扣除掉影响天线噪声的因素外还有消除不掉的多余噪声，它的数值大约为3K。但由于受到现实条件的限制，很多因素我们没有考虑到，因此需要我们进一步的研究。

参考文献
[1]（美）克劳斯（Krans. J .D）等,章文勋译. 天线：for all applications（第三版）[M]. 北京:电子工业出版社,2004
[2]A.A.PENZIAS、R.W.WILSON. A Measurement of Excess Antenna TemperatureAt 4080 Mc/s[J]. Bell Telephone Laboratories,1965
[3]张凤林.宽波束天线噪声温度的计算[J]. 遥测遥控,2004,25(5):14-17
[4]秘艳萍.噪声温度对卫星电视接收天线系统接收能力的影响[J].山西电子技术,2005,15(4):4-7
[5]潘东旺,郭伟.8mm波段目标辐射特性研究[N], 华中科技大学,2007
[6]曹祥玉.微波技术与天线[M]. 西安:西安电子科技大学出版社,2008:166-169