Расчет эквивалентной шумовой температуры антенной системы

# ================================================================
#  РАСЧЁТ ШУМОВОЙ ТЕМПЕРАТУРЫ ПРИЁМНОЙ АНТЕННЫ ЗЕМНОЙ СТАНЦИИ
#  Применимость: f = 1…20 ГГц, угол места ε ≥ 5°
#  Нормативная база: ITU-R P.618-13
# ================================================================

using Printf

# ================================================================
# МОДУЛЬ 1. ВСПОМОГАТЕЛЬНЫЕ ФУНКЦИИ
# Перевод между дБ и линейным масштабом —
# используется во всех последующих расчётах
# ================================================================

db_to_linear(x_dB) = 10.0^(x_dB / 10.0)
linear_to_db(x)    = 10.0 * log10(x)

# ================================================================
# МОДУЛЬ 2. ВХОДНЫЕ ДАННЫЕ
# Для каждого параметра задано значение по умолчанию —
# программа работает сразу без ввода данных
# ================================================================

ε     = 30.0   # Угол места антенны, °       (диапазон: 5°…90°)
f_GHz = 8.0    # Рабочая частота, ГГц         (диапазон: 1…20 ГГц)
α_dB  = 0.5    # Затухание в тракте, дБ       (вводить положительным числом)
T_msu = 50.0   # Шумовая температура МШУ, К

const T0 = 290.0   # Стандартная температура (для расчёта шумов тракта)

# ================================================================
# МОДУЛЬ 3. КОЭФФИЦИЕНТ ПЕРЕДАЧИ ВОЛНОВОДНОГО ТРАКТА
# η_в = 10^(−α/10)
# Затухание α — положительное число в дБ, минус в показателе
# степени обязателен: тракт ослабляет сигнал, поэтому η_в < 1
# ================================================================

η_v = db_to_linear(-α_dB)

# ================================================================
# МОДУЛЬ 4. ТРИ СОСТАВЛЯЮЩИЕ ШУМОВОЙ ТЕМПЕРАТУРЫ АНТЕННЫ
#
#   T_атм  — аппроксимация ITU-R P.618-13, зависимость от f и ε
#   T_косм — степенной закон для галактического фона + реликтовое
#            излучение 2.7 К; коэф. 0.5 учитывает, что антенна
#            принимает излучение только из верхней полусферы
#   c·T_З  — вклад Земли через боковые лепестки: 23 + 0.2·(90 − ε)
# ================================================================

function calc_T_atm(f_GHz::Float64, ε_deg::Float64)::Float64
    ε_eff  = max(ε_deg, 5.0)                              # модель справедлива при ε ≥ 5°
    base   = 270.0 * (1.0 - exp(-0.1 / sind(ε_eff)))     # зависимость от угла места
    f_corr = 1.0 + 0.005 * (f_GHz - 10.0)^2 /
                   (1.0 + 0.01 * f_GHz)                   # частотная коррекция
    return base * f_corr
end

function calc_T_cosm(f_GHz::Float64)::Float64
    T_galaxy = 25.0 * f_GHz^(-2.75)   # галактический фон (синхротронное излучение)
    T_cmb    = 2.7                     # реликтовое излучение, К — константа
    return 0.5 * (T_galaxy + T_cmb)   # 0.5 — антенна видит только верхнюю полусферу
end

T_atm_val = calc_T_atm(f_GHz, ε)
T_cosm_val = calc_T_cosm(f_GHz)
cTZ = 23.0 + 0.2 * (90.0 - ε)

T_A = T_atm_val + T_cosm_val + cTZ

# ================================================================
# МОДУЛЬ 5. СУММАРНАЯ ШУМОВАЯ ТЕМПЕРАТУРА ПРИЁМНОЙ СИСТЕМЫ
# T_Σ = T_A · η_в  +  T₀ · (1 − η_в)  +  T_пр
#         ↑                  ↑                ↑
#    вклад антенны,    шумы волноводного   шумы МШУ
#    ослабленный трактом     тракта
# ================================================================

T_waveguide = T0 * (1.0 - η_v)
T_total     = T_A * η_v + T_waveguide + T_msu

# ================================================================
# ВЫВОД РЕЗУЛЬТАТОВ
# ================================================================

println("=" ^ 60)
println("   РАСЧЁТ ШУМОВОЙ ТЕМПЕРАТУРЫ ПРИЁМНОЙ АНТЕННЫ ЗС")
println("=" ^ 60)

println("\n  ВХОДНЫЕ ПАРАМЕТРЫ")
println("-" ^ 60)
@printf("  Угол места антенны ε              : %6.1f °\n",   ε)
@printf("  Рабочая частота f                 : %6.2f ГГц\n", f_GHz)
@printf("  Затухание в тракте α              : %6.2f дБ\n",  α_dB)
@printf("  Шумовая температура МШУ T_пр      : %6.1f К\n",   T_msu)

println("\n  ПРОМЕЖУТОЧНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ")
println("-" ^ 60)
@printf("  Коэф. передачи тракта η_в         : %6.4f  ( %.3f дБ )\n",
        η_v, linear_to_db(η_v))
@printf("  T атмосферы       T_атм            : %6.2f К\n", T_atm_val)
@printf("  T космоса         T_косм           : %6.2f К\n", T_cosm_val)
@printf("  T Земли (бок. лепестки)  c·T_З    : %6.2f К\n", cTZ)
@printf("  Шумовая т-ра антенны T_A          : %6.2f К\n", T_A)
@printf("  Вклад волноводного тракта          : %6.2f К\n", T_waveguide)

println("\n  ИТОГ")
println("-" ^ 60)
@printf("  ▶  СУММАРНАЯ ШУМОВАЯ ТЕМПЕРАТУРА  : %6.2f К\n", T_total)
println("=" ^ 60)

# ================================================================
# МОДУЛЬ 6. ПАРАМЕТРИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ
# Таблица T_A и T_Σ для углов места 5°…90°
# при фиксированных f, α, T_пр
# Позволяет оценить деградацию системы на малых углах места
# ================================================================

println("\n  ПАРАМЕТРИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ: T_A и T_Σ по углу места")
@printf("  (f = %.2f ГГц,  α = %.2f дБ,  T_пр = %.1f К)\n",
        f_GHz, α_dB, T_msu)
println("-" ^ 52)
@printf("  %-8s  %-14s  %-14s\n", "ε (°)", "T_A (К)", "T_Σ (К)")
println("-" ^ 52)

for eps in [5, 10, 15, 20, 30, 45, 60, 90]
    ta = calc_T_atm(f_GHz, Float64(eps)) +
         calc_T_cosm(f_GHz) +
         (23.0 + 0.2 * (90.0 - eps))
    ts = ta * η_v + T_waveguide + T_msu   # T_msu обязателен в каждой строке
    @printf("  %-8d  %-14.2f  %-14.2f\n", eps, ta, ts)
end

println("-" ^ 52)

# ================================================================
# МОДУЛЬ 7. РАСЧЁТ ПО ФОРМУЛЕ ФРИИСА (опциональный модуль)
#
# Используется, когда T_пр неизвестна из паспорта МШУ
# и вычисляется по структурной схеме приёмника.
#
# Формула Фрииса (все величины — линейные, не дБ):
#   NF_Σ = NF₁ + (NF₂−1)/G₁ + (NF₃−1)/(G₁·G₂) + …
#   T_пр = (NF_Σ − 1) · 290
#
# Для активации: установите friis_enabled = true
# Заполните массивы NF_dB и G_dB значениями каскадов приёмника
# ================================================================

friis_enabled = false

NF_dB = [1.2, 8.0, 6.0]    # Коэф. шума каждого каскада, дБ
G_dB  = [25.0, 15.0, 20.0]  # Коэф. усиления каждого каскада, дБ

if friis_enabled

    n  = length(NF_dB)
    NF = db_to_linear.(NF_dB)
    G  = db_to_linear.(G_dB)

    NF_total = NF[1]
    G_accum  = G[1]
    for i in 2:n
        NF_total += (NF[i] - 1.0) / G_accum
        G_accum  *= G[i]
    end

    T_friis       = (NF_total - 1.0) * 290.0
    T_total_friis = T_A * η_v + T_waveguide + T_friis

    println("\n  РЕЗУЛЬТАТ РАСЧЁТА ПО ФОРМУЛЕ ФРИИСА")
    println("-" ^ 60)
    println("\n  Каскады приёмника:")
    @printf("  %-10s  %-14s  %-14s\n", "Каскад", "NF (дБ)", "G (дБ)")
    println("  " * "-" ^ 42)
    for i in 1:n
        @printf("  %-10d  %-14.2f  %-14.2f\n", i, NF_dB[i], G_dB[i])
    end
    println()
    @printf("  Суммарный коэф. шума NF           : %6.4f  ( %.2f дБ )\n",
            NF_total, linear_to_db(NF_total))
    @printf("  Шумовая температура T_пр (Фриис)  : %6.2f К\n", T_friis)
    println("-" ^ 60)
    @printf("  ▶  СУММАРНАЯ ШУМОВАЯ ТЕМПЕРАТУРА  : %6.2f К\n", T_total_friis)
    println("=" ^ 60)

end