18080

АКТИВНІ ПРИЙМАЛЬНІ АНТЕНИ

Лекция

Коммуникация, связь, радиоэлектроника и цифровые приборы

PAGE 32 ЛЕКЦІЯ №8 з навчальної дисципліни ПРИКЛАДНІ ПИТАННЯ АНТЕННИХ ПРИСТРОЇВ для студентів 5 курсу ТЕМА 3: Активні антени. ЗАНЯТТЯ 2: Активні прИЙМАльні антени. 1. НАВЧАЛЬНІ ПИТАННЯ Загальні відомості про активні приймальні ан...

Украинкский

2013-07-06

408.5 KB

9 чел.

PAGE  32

ЛЕКЦІЯ №8

з навчальної дисципліни

ПРИКЛАДНІ ПИТАННЯ АНТЕННИХ ПРИСТРОЇВ

(для студентів 5 курсу)

ТЕМА 3: Активні антени.

ЗАНЯТТЯ 2: Активні прИЙМАльні антени.

1. НАВЧАЛЬНІ ПИТАННЯ

  1.  Загальні відомості про активні приймальні антени та їх класифікація.

  1.  Нерезонансні антени-підсилювачі.

3. Резонансні антени підсилювачі.

II. НАВЧАЛЬНА ТА ВИХОВНА МЕТА

  1.   Вивчити особливості функціонування активних приймальних антен.
  2.   Вивчити особливості функціонування нерезонансні антени підсилювачі.
  3.   Вивчити особливості функціонування резонансні антени підсилювачі..

III. ЛІТЕРАТУРА ТА НАВЧАЛЬНО-МАТЕРІАЛЬНЕ ЗАБЕЗПЕЧЕННЯ

  1.  Чернышов В.П. Антенно-фидерные устройства радиосвязи и радиовещения. – М.: Связь, 1987.
  2.   Кочержевский Г.Н. и др.. Антенно фидерные устройства. – М.: Радио и связь, 1989. 
  3.   Белоцерковский Г.Б. Основы радиотехники и антенны. Ч.П. Антенны. – М.: Радио и связь, 1983.
  4.   В. Рамзей . Частотно независимые антенны. М.: Мир 1968.
  5.    Найденко Є.П. Електродинаміка та техніка НВЧ, конспект лекцій. – Житомир: ЖВІРЕ, 1998.
  6.   Должиков В.В. и др. Активные передающие антенны. – М.: Радио и связь, 1984.
  7.   Цыбаев Б.Г., Романов Б.С. Антенны-усилители. – М.: Радио и связь, 1980
  8.   Б.А.Панченко, Е.И. Нефёдов. Микрополосковые антенны. – М.: Радио и связь 1986. 
  9.   Проблемы антенной техники/ под ред. Л.Д. Бахраха, Д.И. Воскресенского. – М.: Радио и связь, 1989.
  10.   Ямпольский В.Г., Фролов О.П. Антенны и ЭМС. – М.: Радио и связь, 1989.
  11.  В.И. Болшаченков, И.Д. Прилепский. Электродинамика и техника СВЧ.
  12.  Діапозитиви.
  13.  Наочні посібники (буклеты, проспекты, рекламные материалы).
  14.  Технічні засоби навчання.

  1.  Загальні відомості про активні приймальні антени

та їх класифікація

Активними антенами в радіотехніку прийнято називати пристрою, що поєднують властиво антену й активні елементи посилення, перетворення або генерації сигналів. Об'єднані функції таких пристроїв (прийом або передача радіохвиль і посилення, перетворення або генерація сигналів уведеними в антену активними елементами) не реалізуються звичайним послідовним з'єднанням ряду функціонально закінчених вузлів, а забезпечуються єдиним пристроєм.

Поділ активної антени на пасивну й активну частини неможливо через інтегральний характер пристрою. Це відрізняє, наприклад, АП від антени, з'єднаної з антенним (попереднім) підсилювачем, коли вихід антени й вхід підсилювача погоджені із хвильовим опором лінії передачі й можуть бути з'єднані лінією передачі будь-якої довжини. Активна антена виконується у вигляді одного блоку. У загальному випадку цей нелінійний і невзаємний пристрій.

Інтеграція антен і активних елементів дозволяє

зменшити розміри антен,

розширити смугу пропускання коротких антен,

поліпшити чутливість приймальних систем (к. п. д. передавальних систем),

здійснити електронну перебудову антен (наприклад, управляти діаграмами спрямованості),

здійснити ефективну симетрію при з'єднанні симетричної антени з несиметричною лінією передачі,

поліпшити електромагнітну сумісність радіосистем.

У багатьох випадках активні антени дозволяють реалізувати одночасно кілька зазначених переваг, причому 

виграш, наприклад у габаритах активних антен, може досягати декількох десятків у порівнянні з пасивними аналогами при збереженні або навіть поліпшенні електричних характеристик (смуги пропускання, чутливості й т.д.). Переваги активних антен обумовили швидкий розвиток цього нового напрямку антеною техніки.

Аналіз стану досліджень і розробки активних антен, показує велику розмаїтість їх типів і в той же час довільність у термінології й відсутність певної класифікації. Фактично до теперішнього часу можна вважати загальноприйнятим лише сам термін «активна антена», хоча границі його використання трактуються по-різному. Класифікація активних антен розглянута в § 1.1. Попередньо ж зупинимося більш докладно на суті інтеграції властиво антени й активного елемента.

Основним завданням інтеграції антен і активних елементів є забезпечення оптимальних зв'язків між ними для досягнення тієї або іншої зазначеної вище мети. Із цього погляду активна антена не представляється, на перший погляд, нічим іншим, як давно відомим з'єднанням антени з першим каскадом радіо засобу. До пристроїв такого типу можна віднести навіть пристрій для прийому електромагнітних хвиль А. С. Попова.) Ідеї інтеграції антен і активних елементів висловлювалися ще в 30-х роках, однак рівень розвитку радіотехніки не дозволяв тоді реалізувати їх. Надалі був обраний шлях роздільного проектування антен і вхідних каскадів приймання (вихідних каскадів передавальних) пристроїв. В останні десятиліття дослідники знову повернулися до ідей інтеграції на більше високому рівні, що було обумовлено розвитком як техніки антен, так і підсилювальних приладів. Перші ж експерименти показали, що цілеспрямоване спільне проектування «властиво антени» і об'єднаного з нею активного приладу знімає багато обмежень

на розміри антен,

смугу пропускання й інші характеристики, тобто такі обмеження, які з'являлися й приймалися як неминучі при рознесенні антен і активних елементів і роздільному проектуванні.

Таким чином, те, що представляється на перший погляд лише більше уважним підходом до відомих принципів, на ділі є змістом розвитку радіотехніки. Можна сказати, що новизна цього напрямку є втіленням діалектичного принципу розвитку однієї з ідей радіотехніки.

Методи аналізу й сучасної теорії пасивних антен і каскадів прийомо-передавачів можна використовувати й для активних антен, однак багато результатів аналізу, а також основні поняття й терміни якісно різні. Наприклад, якщо в техніку пасивних антен існує таке класичне поняття, як «антена резонансних розмірів», те в техніку активних антен це поняття втрачає свою практичну корисність. Для активних антен «властиво антена» резонансних розмірів для інтеграції з активним елементом нітрохи не краще, ніж антена з електричною довжиною, наприклад, 1/5. Терміни «резонансний» і «нерезонансний» у техніку активних антен застосовуються для позначення інших понять, у порівнянні з технікою пасивних антен.

Так, під резонансною АП розуміють таку, у якій здійснюється узгодження (по потужності, за коефіцієнтом шуму) між «властиво антеною» і підсилювальним приладом,

а під нерезонансною - АП, у якій здійснюється постійне в широкій смузі частот розподіл напруги на вході підсилювального приладу.

Класифікація активних антен

Насамперед відзначимо, що інтегрувальний з антеною активний елемент (багатополюсник) може й не бути активним у строгому значенні цього слова, тобто споживаючий енергію від зовнішнього джерела. Наприклад, в антенах-детекторах діоди можуть бути не підключеними до джерела живлення. Тому термін «активна антена», широко розповсюджений у технічній літературі, все-таки не слід вважати найбільш загальним. Найбільш загальним варто визнати термін «інтегральна антена». Очевидно, якщо в інтегральній антені інтегрувальний з антеною багатополюсник є активним, тобто споживаючий енергію, то й пристрій варто називати активною антеною.

В інтегральних (активних) антенах під «властиво антеною» розуміють ту частину пристрою, що безпосередньо забезпечує прийом або (і) випромінювання радіохвиль. При цьому необхідно мати на увазі, що в загальному випадку властиво антена може містити в собі частини інтегрувального багатополюсника (наприклад, виводи й корпус транзистора), а розподіл струмів (напруг) у властиво антені може визначатися й властивостями інтегрувального багатополюсника. Зустрічається в літературі, що умовне виділення з активної антени пасивної частини можна використовувати для позначення властиво антени й частини електронної схеми активної антени.

У цілому інтегральна антена являє собою пристрій, що здійснює прийом або (і) випромінювання радіохвиль і утворює інтегрований багатополюсник.

В абсолютній більшості відомих у цей час пристроїв такого типу інтегрований багатополюсник працює в активному режимі, тому не зменшуючи спільності розгляду, і щоб підкреслити їхню відмінність від антен, інтегрованих з пасивними колами (індуктивностями, пасивними симетрируючими пристроями й т.п.), надалі будемо вживати термін «активна антена».

У проекті Міжнародної електротехнічної комісії (IEC) під загальним заголовком «Антени для прийому звукових і телевізійних радіопередач у частотному діапазоні 30 ... 1000 МГц» поняття «активна прийомна антена» визначається як частка із загального визначення прийомної антени, що приводиться в, цьому документі. 

Включення поняття «активна антена» у загальне поняття «антена» підкреслює електричну й функціональну єдність активної антени, однак відзначимо, що при цьому зміст поняття «антена» істотно розширюється, поєднуючись із поняттями техніки приймальних (передавальних) пристроїв. Якщо врахувати також, що методи аналізу й розрахунку активних антен невіддільні від методів, розвинених як у техніку пасивних антен, так і в техніку активних приладів, то можна говорити про активні аитени як про новий напрямок радіотехніки.

Рис. 1. Структури активних антен

Розглянемо структуру активних антен. Активний багатополюсник (активний елемент) активної антени може бути інтегрований у пристрої за схемою двох-, трьох- або чотириполюсника (рис. 1).

Включення за схемою двополюсника має місце при

використанні, наприклад, діодів (рис. 1,а),

конверторів негативного опору (рис. 1,б), що перетворює реактивний опір Ха, який підключений до вільної пари полюсів, у реактивне -Ха на парі полюсів, підключених до антени.

Структуру, представлену на рис. 1,в, мають активні антени SIA (Subminiature Integrated Antenna – зверх мініатюрна інтегральна антена).

На рис. 1,г показана структура найпоширеніша й на її основі реалізоване істотне зменшення розмірів АП, підвищення чутливості приймачів (к. к. д. передавальних) систем і т.д.

Рис. 1.2. Класифікація активних антен по функціональному призначенню

Класифікацію активних антен доцільно проводити по

функціональному призначенню,

структурним ознакам,

цільовому призначенню інтеграції (малогабаритні, широкосмугові, з керованою діаграмою спрямованості й т.д.), а також по

типам антени (вібраторні, щілинні й т.п.),

типам застосовуваних активних елементів (транзисторні, діодні й т.п.),

частотним діапазонам і, нарешті, по

призначенню об'єктів, у яких пристрої застосовуються (автомобільні, телевізійні й т.п.).

Становить інтерес розглянути докладно лише класифікацію активних антен по функціональному призначенню та по структурним ознакам.

По функціональному призначенню активні антени підрозділяють на три типи (рис. 1.2):

приймальні,

передавальні й

приймально-передавальні.

Активні приймально-передавальні антени можна створювати як на основі активних антен двох перших типів, так і шляхом більш складної взаємозалежної інтеграції.

Активні передавальні антени ділять на

антени-генератори (АГ) і

антени-підсилювачі потужності (АПП).

В АГ здійснюється генерація й випромінювання, в АПП - посилення потужності сигналу, що надходить у пристрій від автономного генератора (передавача), і випромінювання. Активна частина в передавальних активних антенах може включати каскади множення частоти сигналу.

Активні прийомні антени ділять на

антени-підсилювачі (АП),

антени-детектори (АД) і

антени-перетворювачі.

Крім прийому радіохвиль, такі антени здійснюють відповідно посилення, детектування сигналу, перетворення частоти сигналу. АП можуть містити як змішувач і гетеродин, так і тільки змішувач (АС), коли гетеродин є автономним.

Класифікація активних антен по структурних ознаках ілюструється рис.1 і в загальному була розглянута вище. Її доцільно доповнити з погляду ступеня інтеграції активного елемента в активній антені. Приведемо ще тлумачення, що дається стосовно до АП:

Антенний пристрій уважається інтегрованим, коли частини антенної структури є складовими частинами підсилювальної схеми й у такому ступені, що відділення цих частин антени від підсилювача зробило б його непрацездатним.

Цьому принципу інтеграції відзначають всі активні антени, структури яких представлені на рис. 1. Однак можна виділити два ступені втілення такого принципу:

активні антени з винесеним і

внесеним (вбудованим) активним елементом.

Активну антену із внесеним активним елементом можна представити, наприклад, схемами, зображеними на рис. 1,а, в. Струми (напруги) у структурі такої антени визначаються й властивостями активного елемента. В активних антенах з винесеним активним елементом сам активний елемент (його властивості) або взагалі не бере участь у формуванні струмів (напруг) антени, або бере участь таким чином, що це не ставиться безпосередньо до специфіки активних антен (наприклад, вплив корпуса, що екранує, у якому розміщена схема активного елемента). Активну антену з винесеним активним елементом можна представити, наприклад, структурними схемами на рис. 1.1,б, г.

До активних антен з винесеним активним елементом не можна віднести широко відому комбінацію антени з попереднім (антенним) підсилювачем, тому що в цьому випадку не втілюється принцип інтеграції, властивим активним антенам. Дійсно, у такій комбінації антена й попередній підсилювач незалежно один від одного узгоджується із хвильовим опором лінії передачі (фідера), що з'єднує їх, і попередній підсилювач може бути включений, тому на будь-якій відстані від антени (не обов'язково безпосередньо за антеною) і їхнє рознесення в принципі не порушує працездатність комбінації антена - попередній підсилювач. Однак у випадку виконання подібного пристрою конструктивно єдиним блоком неминуче використання при визначенні його параметрів методів техніки активних антен.

Зупинимося тепер більш докладно на класифікації АП. Вони є найпоширенішим у цей час типом активних антен. Більшість дослідників і розроблювачів активних антен займається саме технікою АП. Це пояснюється тим, що для антен і підсилювальних приладів особливо ефективно й прийнятно для практики здійснюються переваги інтеграції.

Розглянемо деякі властиві АП особливості інтеграції, що визначають методи оптимізації їх структури. Аналіз показує, що залежно від мети інтеграції й діапазону частот можна виділити два способи інтеграції, які можуть застосовуватися для АП як з винесеним, так і із внесеним підсилювальним приладом.

У діапазонах ДВ, СВ, KB і частково УКВ радіохвиль метою інтеграції є, як правило, зменшення розмірів антен і забезпечення широкої (кілька октав) смуги пропускання. Ця мета досягається інтеграцією антени з високоомним по входу підсилювальним приладом (наприклад польовим транзистором) таким чином, щоб створити широкосмуговий дільник напруги, що утвориться з ємності антени (звичайно короткого вібратора) і малої ємності входу підсилювального приладу.

При такій інтеграції підсилювальний прилад в АП працює не в оптимальному режимі (по підсиленню, по шумових характеристиках), і з підвищенням частоти, коли шуми зовнішнього простору зменшуються, нерезонансні АП малоефективні в порівнянні з резонансними через неоптимальне узгодження, а також через труднощі здійснення в більш високих діапазонах частот широкосмугового розділення. 

У резонансних АП здійснюється оптимальне узгодження підсилювального приладу з антеною для забезпечення максимального відношення сигнал/шум у прийомній системі.

У діапазоні сантиметрових (СМХ), дециметрових (ДМХ) і частково метрових хвиль (MХ), для яких розробляють звичайно резонансні АП, як правило, немає необхідності істотно зменшити розміри антени й метою інтеграції є поліпшення чутливості прийомних систем. 

У зв'язку із цим відзначимо, що при безпосереднім з'єднанні антени й підсилювального приладу можна без небажаних наслідків здійснювати узгодження входу підсилювального приладу по мінімуму шумів, що відрізняється від узгодження по максимуму посилення й тому при з'єднанні антени й підсилювача через лінію передачі приводить до появи пере відбиття. Смуга пропускання АП може бути значно ширше, ніж смуга пропускання їх пасивних аналогів.

У техніку АП терміни «резонансний» і «нерезонансний» пов'язані з теорією кіл, а не з теорією антен. Відзначимо, що ту саму АП можна виконати так, що в одному діапазоні частот вона є резонансної, в іншому нерезонансною.

АП з вбудованими підсилювальними приладами розділяють на

резонансні й

нерезонансні, як і АП з винесеними підсилювальними приладами.

Рис. 1.3. Класифікація АП

Розвиток техніки антен-підсилювачів

Перша активна антена була реалізована в 1959 р. Пристрій являв собою АП з вбудованим транзистором. Передбачалося, що при об'єднанні в пристрої функцій антени й підсилювальних приладів можуть бути

зняті багато обмежень на посилення,

відношення сигнал/шум,

габарити й масу антен. Очікувалося, що при цьому повинні підвищитися надійність, економічність і компактність радіотехнічних систем. Наступний розвиток техніки активних антен підтвердило правильність цих припущень і значно розширило область інтеграції антен з активними елементами, що привело до створення активних антен різних типів і призначень, а також до створення на їх основі більше складних систем - активних антенних решіток.

Основні передумови для інтеграції антен і підсилювальних елементів можна пояснити, провівши спрощений аналіз наближеної функціональної схеми АП. Розглянемо спочатку вираз для ефективної шумової температури прийомної системи з АП. Для цього звернемося до схеми АП (рис. 1.4): — вхідний опір антени в крапках 1 — 1’, ЕсhД — е.р. с. на затискачах антени, що відповідає напруженості електричного поля сигналу Ес, hд— діюча висота антени, Та — еквівалентна шумова температура антени, обумовлена наведеними ззовні шумами. Шуми активної схеми враховуються складовою TУ  в загальній шумовій температурі опору Ra. До АП в крапках 2—2' підключений приймач, який характеризується ефективною шумовою температурою Тпp.

З врахуванням теплових втрат в антені ефективна шумова температура прийомної системи з АП визначається виразом:

(1.1)

де Gу — коефіцієнт підсилення активної схеми;

а — к. к. д. антени;

Т0 а — фізична температура антени, К.

Вираз (1.1) характеризує чутливість прийомної системи, якщо АП представити послідовним з'єднанням ідеальної (без втрат) антени з такою ж діаграмою спрямованості, як у реальній АП в даній прийомній системі, і лінійного чотириполюсника з коефіцієнтом передачі а GY. Таке подання правочинне й залишається в силі для будь-яких типів антен при довільній неузгодженості на вході й виході підсилювача в АП.

Рис. 1.4. Функціональна схема АП

Чутливість прийомної системи в даному напрямку прийому сигналу визначається значенням Тс і спрямованими властивостями АП. Нагадаємо, що коефіцієнт спрямованої дії D випромінювача малих розмірів, наприклад, диполя Герца, дорівнює 1,5, а антени резонансних розмірів, наприклад напівхвильового вібратора, D=1,64, тому коефіцієнт підсилення, наприклад вібраторних АП, слабко залежить від розмірів антени до деяких меж.

Однак при зменшенні розмірів антени менш (1/10—1/50), починає швидко зменшуватися а, і з погляду обмежень на чутливість саме це визначає мінімальні розміри АП (без обліку інших параметрів).

У діапазонах СХ, KХ і нижньої частини УКХ діапазону, де рівень зовнішніх шумів, обумовлений через Та, значно вище рівнів, обумовлених Тпр, Ту й Т, можна допустити (як видно з виразу (1.1)) істотне зменшення а , при цьому розміри АП можна довести до 1/50 (а найчастіше й менш того) без істотного погіршення чутливості прийомної системи.

У діапазоні більш високих частот, починаючи із середини УКХ діапазону й вище, де Та порівнянна з Ту або менше її, розміри (якщо невелика також Тпр) уже не можна різко зменшувати. Однак для частот вище 300МГц звичайно немає необхідності різко зменшувати розміри. У цих діапазонах на перший план виступають інші переваги інтеграції. Крім зазначеної в § 1.1 можливості узгодження антени з активною схемою (підсилювача) по шумах (коли це необхідно), до цих переваг ставляться:

зменшення загальних шумів системи внаслідок виключення проміжних ланок між антеною й підсилювачем,

можливості розширення смуги пропускання прийомної системи.

Необхідно найти відповіді на більшість питань теорії й практики АП, наприклад:

який виграш у відношенні сигнал/шум при застосуванні в прийомній системі АП в порівнянні з пасивною антеною або в порівнянні з інший АП,

які шляхи оптимальної інтеграції антен і підсилювальних приладів і т.д.

Перші дослідження АП були виконані наприкінці 50-х -початку 60-х років. В 1960 р. були опубліковані результати експериментальних досліджень АП на параметричному діоді для компенсації шуму й втрат у лінії передачі між антеною й приймачем. Антена являла собою симетричний вібратор, внутрішня порожнина якого використовувалася як резонансна структура підсилювача, виконаного на двох діодах. У смузі 218 ... 222 Мгц посилення АП було порядку 20 дБ у порівнянні з таким же пасивним вібратором. У цей же час були досліджені» щілинні АП на тунельних діодах, а в період 1963-1965 р. проводилися дослідження вібраторних АП на тунельних діодах. Було показано, що відповідний вибір параметрів діода може забезпечити безліч різних характеристик повної провідності АП малого розміру. При цьому, крім необхідного узгодження, відбувається посилення сигналу. Досліджувалися несиметричні вібратори, а також більше складні конструкції вібраторних антен. Серйозну проблему у всіх антенах з тунельними діодами становила небезпеку самозбудження, для придушення якого був розроблений стабілізуючий двополюсник.

Перше п'ятиліття розвитку техніки активних антен в основному характеризувалося експериментальними роботами, причому як активний елемент використовувався, як правило, тунельний діод. Це було обумовлено декількома причинами. По-перше, дослідники намагалися використовувати нові для того часу мініатюрні підсилювальні прилади - тунельні діоди- як двополюсники,, що вбудовуються легко в структуру антен будь-яких розмірів. По-друге, ефективні результати й велика розмаїтість конструктивного виконання АП загальмували пошуки кращих підсилювальних приладів і більше оптимальних шляхів інтеграції. До 1965 р. уже остаточно стало ясно, що хоча для конструкцій з тунельними діодами можна одержати досить гарні характеристики, виконати такі АП важко через необхідність забезпечення розв'язки по входу й виходу й складності забезпечення стабільної роботи, малого динамічного діапазону тунельного діода, його порівняно великих шумів.

У вібраторної АП на транзисторі 2N1742 було отримане посилення 12 дб щодо опорного вібратора при коефіцієнті шуму 4 дб. Малий шум пояснюється тим, що втрати в АП менше, ніж у вхідних колах звичайного підсилювача. Результати наступного дослідження вібраторних АП описані пристрої двох типів із середньою робочою частотою 146 Мгц. В одному з них підсилювач працює при постійному зсуві, розрахованому на максимальне посилення або мінімальну шумову температуру, в іншому застосовується автоматичне регулювання посилення. Це пристрій надалі був використаний при проектуванні чотирьохелементної антенної решітки.

Результати виміру параметрів АП показали, що об'єднання функцій антени й підсилювальної схеми дає переваги в порівнянні зі звичайною схемою, що полягають

у поліпшенні електричних характеристик,

зменшенні числа елементів.

Такі АП придатні як для застосування як самостійні пристрої, так і для використання в антенних решіток, посилення елементів яких можна незалежно регулювати, що, зокрема, дозволяє досить просто управляти діаграмою спрямованості системи. При цьому система складається з меншого числа елементів, чим звичайна конструкція. Надалі активні елементи стали широко використовуватися в складних антенних системах для забезпечення сканування й формування діаграм, зменшення розмірів систему самонастроювання й самофазування.

В 60-х роках проводилися інтенсивні дослідження АП на транзисторах. Поставлені експерименти підтвердили найбільшу доцільність використання транзисторних: приладів у вібраторних антенах для

розширення робочого діапазону,

зменшення розмірів антени й

електронного керування діаграмою спрямованості.

В 1967 р. на 18-й щорічной конференції IEEE була зроблена доповідь про дослідження зверх мініатюрних інтегральних антен SIA [26]. У доповіді розглядалися три можливих способи підключення транзистора до елементів властиво антени й три можливі конфігурації властиво антени (рис. 1.6 і 1.7). Описувалася, наприклад, широкосмугова вібраторна антена висотою 50 см, інтегрована із транзистором. Така АП працює в діапазоні 5...30 МГц. У наступних роботах відзначалася перспективність антен SIA на транзисторах як для наземної, так і для бортової й переносної радіоапаратури, а також розглядалися питання вдосконалювання параметрів таких антен. Розрахунок АП з вбудованими підсилювальними приладами, якими є антени SIA, досить складна. Найбільш загальний підхід до розрахунку таких пристроїв здійснюється при істотних припущеннях, що спрощують (підсилювальний прилад передбачається з дуже малим зворотним зв'язком, що не завжди виконується на практиці).

Рис. 1.6. Варіанти приєднання виводів транзистора до елементів антени

/, 2, 3 — елементи антени

Рис. 1.7. Різні структури SIA: I, 2, 3 — елементи антени

Кінець 60-х років характеризується подальшою розробкою різних конструкцій АП. Крім дослідження вібраторних АП на транзисторах, проводилися роботи з інтегрування підсилювальних елементів з іншими типами випромінювачів. Так, щілинний АП на транзисторі для діапазону 420 Мгц. Така АП дає посилення 10 дБ і має коефіцієнт шуму 7-8 дБ, ширина смуги на рівні 3 дБ дорівнює 100 Мгц.

Початок 70-х років відзначено першими дослідженнями АП для діапазону СВЧ. Транзисторна АП для діапазону 690-1060 МГц із ефективною шумовою температурою менше 750 К. Приведені дослідження характеристик і діаграм спрямованості вібраторних АП в діапазонах 500 ... 800 МГц і 770 ... 1450 МГц. У діапазоні СВЧ були виконані теоретичні й експериментальні дослідження активної антени у вигляді відрізка хвилеводу, у розкриві якого включений тунельний діод. Мінімальне посилення потужності такого пристрою склало 11...12 дб при ширині смуги 35...40 Мгц у діапазоні 4...4,3 Ггц.

Так, наприклад багато теоретичних робіт з питань узгодження в АП виконані в припущенні, що посилення активного елемента в АП досить велике, тому шумами наступних за АП каскадів (лінії передачі й приймача) можна зневажити. Дійсно, якщо у вираженні (1.1) зневажити членом Тпр/Gy, то завдання істотно спрощується й для резонансних АП зводиться до зменшення шумів підсилювального приладу й втрат між цим приладом і властиво антеною. Проте, проведені теоретичні дослідження в сукупності являють собою істотний внесок у розвиток теорії АП й дозволяють у певних випадках розробляти оптимальні конструкції.

Основні результати теоретичних і експериментальних досліджень АП зводяться до наступного. Метою досліджень розробка принципів конструювання АП (на транзисторах) можливо менших розмірів із заданою шириною смуги пропускання й оптимальною шумовою характеристикою. Основний об'єкт досліджень - слабо направлені АП, що представляють собою вібратори різних типів, інтегровані із транзисторами.

Більшість дослідників розділяють принципи конструювання АП залежно від частотного діапазону. Підставою для цього служить аналіз шумових характеристик зовнішнього простору й шумів сучасних підсилювальних приладів (рис. 1.8). Сукупність цих шумових характеристик визначає чутливість прийомної системи. Високий рівень зовнішніх шумів на низьких частотах дозволяє застосовувати підсилювальні прилади, що дають великий рівень шумів, без помітного погіршення чутливості прийомної системи.

Рис.1.8. Шумові характеристики зовнішнього простору Т и деяких типів транзисторів ттр.

Високий рівень зовнішніх шумів у діапазоні до 30 ... ... 70 Мгц обумовлює можливість створення електрично дуже коротких антен і забезпечення при інтеграції широкої смуги пропускання АП в цілому. Однак при дуже малих розмірах антени й при великій неузгодженості її виходу із входом підсилювального приладу, що звичайно має місце в таких конструкціях АП (нерезонансні АП), шуми підсилювального приладу можуть стати фактором, якому необхідно враховувати в подібних пристроях незважаючи на більші зовнішні шуми. До теперішнього часу створена безліч типів АП, що відрізняються дуже малими розмірами й досить високою ефективністю для ДХ, СХ, KХ і УКХ діапазонів (наприклад, АП для автомобілів).

На частотах більше 30...70 МГц чутливість прийомної системи визначається не тільки шумом зовнішнього простору, але й шумами активного приладу в АП.

Чутливість прийомної системи з АП виражається, в основному, за допомогою двох параметрів:

чутливості по напруженості поля або

ефективної шумової температури прийомної системи.

Вираз для ефективної шумової температури прийомної системи з АП (1.1) уже аналізувалося раніше. Проведемо більше повний аналіз цього вираження в припущенні, що шумова температура підсилювального приладу Tу значно перевищує наведену до входу підсилювача ефективну шумову температуру частини прийомної системи, розташованої за АП (Ту>>Тпр/Gy).

При додатковій умові малості втрат у пасивній частині АП () вираз (1.1) значно спрощується

При цих умовах мінімізація ефективної шумової температури прийомної системи в діапазоні високих частот, де Та й Т7 величини одного порядку, визначається мінімізацією шумової температури Гу підсилювального приладу. У такому випадку оптимізація чутливості прийомної системи з АП складається в забезпеченні мінімально можливої шумової температури Ту. Для узгодження по шумах в АП будуються окружності постійної шумової температури (на площині повного опору) для транзисторів різних типів. Після цього за значенням вхідного опору властиво антени АП (для кожної частоти) можливо визначити відповідну шумову температуру підсилювального приладу (активної схеми). Якщо вхідний опір властиво антени перебуває в області оптимуму, то тим самим досягається мінімум ефективної шумової температури в АП.

Конструювання властиво антени при узгодженні по шумах включає умова забезпечення певних опорів властиво антени для даного виду транзистора в заданому частотному діапазоні. Перевагою інтеграції антени з підсилювачем є те, що можна наблизитися до оптимального узгодження по шумах між властиво антеною й входом транзистора настільки, що Ту буде значно менше в порівнянні зі значенням, властивим звичайним попереднім підсилювачам. Так, в інтегральних малогабаритних антенах, описаних, наприклад, в [10], TY не перевищує 400 До на частотах порядку 200 Мгц. У цій же роботі приводиться цікавий приклад реалізації узгодження по шумах в АП, конструктивно виконаної у вигляді друкованої плати (рис. 1.9). Виконання пасивної частини антени у вигляді системи зв'язаних контурів дозволило розширити смугу пропускання АП.

Таким чином, короткий аналіз розвитку техніки АП показує, що вже розроблені принципи розрахунку й конструювання цього типу активних антен дозволяють створювати малогабаритні, високочутливі пристрої.

В 70-е роки АП одержали широке поширення в різних областях. Найбільш широке застосування АП знайшли як мініатюрні антени в рухливих об'єктах (автомобілях, літальних апаратах і ін.), а також у якості зручних телевізійних антен. Мікромініатюрні інтегральні антени розроблялися для застосування в особистих радіостанціях американських астронавтів [42] для підтримки зв'язку при покиданні астронавтом корабля. Антени монтуються в гермошлемах і являють собою плоскі спіралі з убудованими в них активними елементами. Така антена на частоті 300 Мгц мала к. к. д., рівний 80%, і смугу порядку 3 Мгц при висоті близько 1/50=2 см.

Рис. 1.9. Характеристики (а), еквівалентна схема (б) і топологія (в) полосковой АП

Відома наземна ненаправлена АП типу НА 432/141/50 [43, 44], призначена для роботи в лініях авіаційного радіозв'язку в діапазоні 100…156Мгц. Її основні характеристики: KCТ2, шумова температура менш 600 ДО, напруга живлення 12 У, споживаний струм 20 мА, висота 855 мм, маса 2,5 кг. Посилення АП в середньому 15 дб. Відношення сигнал/шум у всім робочому діапазоні на 3...4 дб вище, ніж у звичайної пасивної антени такого ж призначення. Крім того, АП постачена спеціальним грозозахисним пристроєм.

Рис. 1.10. АП типу НА-432/141/50 (а) і її схематичне подання (б)

Принцип роботи АП пояснюється рис. 1.10. АП складається із заземленої підстави 5 і двох вертикальних стрижнів 1 і 3, що несуть на собі плату 4. Підстава й плата являють собою вкорочену штирову антену з ємнісним навантаженням. У центрі плати встановлений стрижень 2, за допомогою якого через ємність ІЗ2 електронна частина антени S має ємнісний зв'язок із платою 4. Стрижні 1 і 3 мають малу індуктивність і виконують функції фільтра нижніх частот, включеного між платою 4 і підставою 5. Ці ж стрижні разом з ємністю плати 4 відіграють роль паралельного коливального контуру, що разом з ємністю З2 і індуктивністю стрижня 2 утворить смуговий фільтр. При прямому ударі блискавки в плату 4 навколо стрижнів / і 3 утвориться магнітне поле такої форми, що його напруженість поблизу електронної схеми 5 незначна. Залишок струму через ємність ІЗ2 і швидко, що перемикаються діоди, установлені в схемі S, приділяється на землю. Якщо ж розряд блискавки відбувається поблизу антени, то магнітне поле наводить у стрижнях 1 і 3 струми, які діють назустріч току, що виникає в стрижні 2. Це приводить до взаємної компенсації струмів, у результаті чого ліквідується небезпека пробою електронної схеми в антені. У реальній антені НА 432/141/50 вертикальних стрижнів не два, а чотири. При випробуваннях така антена витримала удари блискавок зі струмами до 30000 А.

Рис. 1.11. Еквівалентна схема АП: ROc, Lo0 -елементи зворотного зв'язку.

Рис. 1.12. Амплітудно-частотна характеристика АП 

У роботі [45] описана АП, у якій як властиво антена застосована симетричний спіральний вібратор з ємнісним навантаженням. Розміри АП 0,05 ... ... 0,07. Використано підсилювач на двох транзисторах типу ГТ329Г, причому перший приєднаний безпосередньо до входу властиво антени (рис. 1.11).Амплітудно-частотна характеристика АП по напрузі (в умовних одиницях) і шумова характеристика активної схеми Ту показані на рис. 1.12 і 1.13. На рис. 1.13 нанесені також межі, між якими перебуває звичайно еквівалентна шумова температура пасивних антен ТА- Як видно, у всій смузі пропускання по потужності 60...95 МГц шуми, внесені активною схемою, не перевищують шумів, внесених властиво антеною.

Рис. 1.13. Шумова характеристика активної схеми АП

Рис. 1.14. Конструкція автомобільної циліндричної АП 1 -латунний циліндр, 2 -трубка з полівінілхлориду, 3-коаксіальна лінія

Рис. 1.15. Електрична схема АП

I Рис. 1.16. Годограф повного опору Z1_1,

Прикладом АП для рухливих об'єктів є штирова АП, описана в [46]. АП призначена для комерційного радіозв'язку з автомобілями в діапазоні 20...80 Мгц. Конструктивно антена являє собою трубчастий штир висотою 356 мм і діаметром 90 мм (рис. 1.14). Така конструкція, з одного боку, забезпечує більшу механічну міцність і, з іншої, дозволяє розмістити електронну схему усередині циліндра, де вона захищена від вологи. Латунний циліндр 1 створює ємність, що подовжує, а індуктивність, необхідна для оптимального узгодження, створюється котушкою, виконаної друкованим способом і розміщеної усередині циліндра разом з активною схемою. Активна частина складається із двухкаскадного підсилювача на транзисторах BFY-90 (рис. 1.15), які приблизно аналогічні вітчизняним транзисторам типу КТ382. Між крапками /—/' схеми при розрахованих значеннях індуктивностей і ємностей одержують комплексний опір Z;_;/, годограф якого на діаграмі Вольперта наведений на рис. 1.16. На середній частоті 50 МГц оптимальний опір для транзистора BFY-90, необхідне для узгодження по шумах (при обраному режимі його живлення за схемою на рис. 1.15),

Як видно з рис. 1.16, годограф Z;_;, досить близький до Zoht, що незначно міняється від частоти в діапазоні 40 ... 100 МГц, де, як показує експеримент, і можна забезпечити узгодження, близьке до узгодження по шумах. На частотах нижче 40 МГц зовнішні шуми настільки великі (рис. 1.8), що узгодження по шумах практичної користі не приносить, а опір Zt_lt являє собою ємність, що утворить дільник з ємністю входу підсилювача. Діод (рис. 1.15) служить для захисту від статичного заряду. Другий каскад підсилювача забезпечує узгодження пристрою з кабелем із хвильовим опором 50 Ом.

Діаграми спрямованості антени в горизонтальній площині практично кругові. Рівень прийнятого сигналу в середньому на 8 дб більше рівня сигналу, прийнятого пасивним широкополосным диполем, при коефіцієнті шуму підсилювача в АП 3...8 дб

(менше на більше високих частотах). Тривала експлуатація АП показала, що вона з успіхом заміняє четырехметровую штирову антену й забезпечує при< цьому деякий виграш у відношенні сигнал/шум.

Таким чином, останнє десятиліття характеризується широким поширенням АП й постановкою багатьох теоретичних і експериментальних робіт у цій області. Уже на початку сімдесятих років стало ясно,. що у зв'язку із впровадженням АП в професійні системи необхідні подальші дослідження шляхів оптимальної інтеграції антен і підсилювальних приладів. Як відзначалося почасти в [47], найважливішими заду» чами були: порівняння прийомних систем з пасивними антенами й АП за критерієм відносини сигнал/шум, оптимальне узгодження властиво антени, з підсилювальним приладом в АП з обліком як підсилювальних, так і шумових властивостей всіх частин приймальні-системи, питання нелінійних перекручувань (взаємної й перехресної модуляції) в АП, а також розрахунок АП са убудованими (внесеними) у властиво антену підсилювальними приладами (антени типу SIA). У пропонованої читачеві книзі ці питання в зазначеній вище послідовності розглянуті відповідно в* гл. 3-7.

1.3. ЗАГАЛЬНІ ВІДОМОСТІ ПРО АКТИВНІ АНТЕНИ ІНШИХ ТИПІВ

Активні антени інших типів досліджені набагато меньшег чим АП. Коротко розглянемо стан розвитку техніки цих активних антен.

Антени-перетворювачі (АП). Перші розробки АП ставляться до 1961 р. У роботі [14] представлені результати дослідження пристрою, що є комбінацією антени й гетеродинного перетворювача на змішувальному діоді, включеному в крапки збудження двозахідної конічної спіралі (рис. 1.17). Галузі спіралей, що є властиво антеною, є одночасно коаксіальними лініями для подачі сигнала гетеродина та для виходу сигналу проміжної частоти. Відсутність між антеною й змішувачем лінії передачі дозволило зменшити втрати й поліпшити шумові характеристики пристрою. Експериментальним порівнянням з опорною схемою (перетворювач, підключений до напівхвильового вібратора) були досліджені два типи АП: на змішувальному діоді СВЧ діапазону 1N832 і тунельному діоді 1N2939. Поліпшення коефіцієнта шуму в АП на діоді 1N2939 у порівнянні з опорною схемою склало 7 дб у діапазоні 200 ... 600 Мгц.

Рис. 1.17. Антена- перетворювач

Рис.1.18. Антена-Детектор

Надалі минулому проведені роботи із включення в пристрій АП гетеродина [48]. Перетворювач частоти на тунельному діоді, убудованому у вібраторну антену, описаний в [19], а в [23] наведені дані про передавальну активну антену з убудованим утроювачем частоти. При частоті випромінюваного сигналу 420 Мгц ширина смуги пропускання дорівнює 40 Мгц, а випромінювана потужність 4 Вт. Об'єднання антени з перетворювачем дозволило створити досить складні приймально-передавальні антенні системи, у яких здійснюється посилення, генерація й перетворення частоти сигналів [23, 42]. Розробка АП ведеться й у більше високих діапазонах, до 1500 Мгц [39].

Антени-Детектори (АД). В [18] викладені результати дослідження оригінальної конструкції АД, що представляє собою високочастотну частину широкодіапазонної прийомної системи. Пристрій виконаний у вигляді рупора, що розширюється, з поперечним перетином, що змінюється по експоненті (рис. 1.18). В антені використовується шість детекторів на тунельних діодах для діапазонів частот, що перекриваються. Діоди встановлюються в порожнинах, вбудованих у вузьку стінку рупора по її довжині. Вибірковість контурів з діодами визначається, насамперед, залежністю критичної частоти від ширини хвилеводу. Крім того, вибірковість регулюється зв'язком порожнин (об'ємних резонаторів) із хвилеводом. Загальний діапазон частот пристрою 1,3...5,4 Ггц.

Перевагою АД на тунельних діодах є

висока чутливість, близька до чутливості супергетеродинного приймача, і

гарна стійкість до сигналів великої потужності.

Незважаючи на те, що деякі питання можливості побудови подібних АД вимагають додаткових досліджень, розглянута пристрій представляє нешмненный інтерес для розроблювачів як наземної, так і бортової апаратури.

Рис. 1.19. Можливі схеми побудови активних рамочно-вібраторних антен

Антени-підсилювачі потужності (АПМ). Найбільш повний аналіз можливих схем побудови АПМ даний у роботі [49]. Порівняльна оцінка шести схем пост роїння рамочно-вібраторних антен (рис. 1.19) проведена з обліком уси- рис  Схема дг на? лительных властивостей активного елі- тунельному діоді мента (транзистора), относитель- J ных фазових зрушень струмів у випромінюючих секціях (несиметричному вібраторіштирі й рамці) і можливого зменшення висоти. На основі проведених досліджень показано, що як тільки два (К.ШБР і КШЭР) із шести розглянутих варіантів доцільно використовувати в якості АПМ. Назва кожного варіанта відповідає маркуванню клеми транзистора, до якого приєднаний штир, і клеми, до якої підключена рамка. У варіанті КШБР (колектор з'єднаний зі штирем,, база — з рамкою) транзистор включений за схемою із загальною базою, при цьому Ki^al, Ku~>\ {Ki і Ки — коефіцієнти підсилення по струму й напрузі), отже, схема забезпечує посилення потужності. У варіанті КШЭР (колектор з'єднаний зі штирем, эмиттер - з рамкою) транзистор включений за схемою із загальним эмиттером, при цьому /С"^>1, /Сг>1, отже, схема забезпечує посилення-потужності. Обидва варіанти мають значно менші розміри, чим; звичайний четвертьволновый штир.

Іншим прикладом значного зменшення розмірів антени-при збереженні високих енергетичних характеристик може служити АПМ, описана в роботі [48]. При висоті випромінювача 0,001 А, і діаметрі 0.05А, антена випромінює потужність на 6...8 дБ більше,, чим еквівалентна пасивна антена, з'єднана з вихідним каскадом передавача. АПМ працює на частоті 300 Мгц. Випромінювач являє собою резонансне навантаження для підсилювача потужності. Оригінальна АПМ описана в [50]. При роботі АПМ у режимі передачі вхідний опір випромінювача Za близько до ZonT, при якому підсилювач віддає в навантаження (випромінювач) максимальну ПОТУЖНІСТЬ Рмакс-

Антени-Генератори (АГ). Аналізуючи опубліковані робіт» по АГ, слід зазначити різні типи використовуваних активних елементів. У якості останніх застосовують транзистори, тунельні діоди, діоди Ганна [19, 48, 51].

Пристрою, описувані в цих роботах, відрізняються й по способах побудови випромінювача. Так, в [48] описаний пасивний випромінювач, що виконує функцію контуру, а в [19, 51] -функції елементів контуру активних схем. Інші особливості пристроїв-не є принциповими й обумовлені розходженням схем генераторної частини пристрою й умовами їхньої роботи.

В АГ на тунельному діоді [16] як випромінюючий елемент використаний полуволновый диполь (рис. 1.20), що, будучи елементом контуру генератора, у комбінації зі шлейфом, визначає частоту генерації 145 Мгц. Іншим прикладом АГ у радіоприймальних системах, що включають у себе лінію передачі з більшими втратами. Це також підтверджується графіками, представленими на рис. 3.7. У сучасних професійних радіотехнічних системах мають місце істотні втрати в лінії передачі, і в окремих випадках ці втрати приводять до незадовільних енергетичних потенціалів системи. Все це збільшує перспективність використання АП в радіоприймальній апаратурі дециметрового діапазону. Графіки на рис. 3.6, д-і можна використовувати при визначенні вимоги до електричних параметрів АП апаратури метрового й іншого діапазонів хвиль. Наприклад, графіки на рис. 3.6,ж, з показують, що якщо не потрібно підвищувати енергетичні рівні апаратури (q=\), те фактично все посилення підсилювальної частини АП можна використовувати для компенсації втрати ефективності АП при зменшенні розмірів властиво антени: Ступінь зменшення розмірів визначається досягненням умови q=l, що буде виконуватися При Goth яу^ 1,05.

Таким чином, отримані в справжньому розділі залежності дозволяють визначати вимоги до електричних параметрів АП, виходячи з умов їхнього використання в реальній радіоприймальній системі.

На закінчення цієї глави відзначимо, що в ній у загальному виді розглянуте завдання порівняння прийомних систем з пасивними антенами й з АП за критерієм відносини сигнал/шум. Питання про ефективність використання АП в порівнянні з пасивною антеною - перше питання, що встає перед розроблювачем, і розрахунок або (і) виміру (див. гл. 8) коефіцієнта ефективності дозволяє правильно вирішити його.

Результати аналізу, наведені в цій главі, наочно показують переваги АП перед пасивними антенами, дозволяють кількісно оцінити ця перевагавідношенні сигнал/шум) і визначити умови його реалізації. Однак, як відзначалося раніше (див. гл. 1), поліпшення відносини сигнал/шум за допомогою Агов-Не єдиний виграш, що досягається при інтеграції антен і підсилювальних приладів. Необхідно підкреслити, що саме при безпосереднім з'єднанні антени й підсилювача звичайно можливо оптимальне з погляду відносини сигнал/шум і смуги пропускання узгодження між ними, що, як

правило, не збігається з узгодженням по потужності [79], здійснюваним у прийомних системах з пасивними антенами для усунення перевідбиттів у лінії передачі.

Розділ 4

НЕРЕЗОНАНСНІ АНТЕНИ-ПІДСИЛЮВАЧІ

Проблема розширення смуги частот для антен, зокрема KB діапазону, добре відома фахівцям. Прийомні пристрої цього діапазону розраховані на роботу у двадцятиразовій (і більше) смузі частот, у той час як антени, наприклад, стаціонарних радіовузлів (ромбічні, горизонтальні вібратори), перекривають тільки двох трикратну смугу частот, що приводить до необхідності мати набори антен для кожного радионаправления й ускладнювати комутацію. Особливо гостро проблема розширення смуги частот коштує для мобільних радіостанцій, де вона сполучається із проблемою зменшення габаритів антен.

У техніку пасивних антен відомо кілька шляхів рішення проблеми розширення смуги частот антен KB діапазону. Одним з них є використання логарифмічно періодичних антен вібраторного типу, однак для KB діапазону (і більше довгохвильових) цей метод у більшості випадків неприйнятний через те, що в таких антен посилення на одиниці об'єму або площі антени (коефіцієнт використання площі, обсягу) досить малий. Проблема зменшення габаритів антен виявляється головною перешкодою й на шляху застосування інших методів розширення смуги частот пасивних антен. Це ставиться до взаємодоповнюючих антен і антен хвилі, що біжить. Інші, менш розповсюджені способи розширення смуги пропускання пасивних антен є при цьому й менш ефективними, однак деякі з них використовуються для активних антен. До них ставляться насамперед виготовлення вібраторів зменшених розмірів шляхом згортання їх у спіраль.

При всіх спробах розширення смуги пропускання пасивних антен, застосовуваних у прийомних системах з лінією передачі між антеною й приймачем, исходным є вимога узгодження антени з лінією передачі (фідером), хвильовий опір якої можна реалізувати в межах 50 ... 600 Ом. Принцип інтеграції антен і активних елементів, здійснюваний у нерезонансних АП, дозволяє відмовитися від цієї вимоги, що відкриває широкі можливості розширення смуги частот і зменшення габаритів антен.

4.1. КОРОТКА ВІБРАТОРНА АНТЕНА-ПІДСИЛЮВАЧ

Принципи побудови нерезонансних АП частково викладені в гл. 1. Представимо за аналогією з рис. 1.4 коротку вібраторну АП [52] у вигляді джерела э.д. с. з повним внутрішнім опором і

активного елемента, описуваного узагальненою матрицею чотириполюсника:

(4.1)

Величина э.д. с. корисного сигналу, що розвивається на розімкнутих клемах АП (крапки 22' рис. 1.4),

(4.2)

Таким чином, АП еквівалентна деякій пасивній антені з еквівалентною діючою висотою

«дАП^

(4.3)

і повним опором у крапках 22'

(4.4)

які виявляються залежними як від параметрів властиво антени (вібратора), так і від параметрів активного елемента.

Напруга, що розвивається на опорі навантаження ZH, підключеної до крапок 22' (рис. 1.4), визначається співвідношенням

(4.5)

Діапазон робочих частот розглянутої АП визначається тим інтервалом частот, у якому залишається постійним (або приблизно постійним) напруга на вході приймача.

Думаючи, що фідер, що з'єднує приймач і АП, погоджений із приймачем (2н=рф), і з огляду на, що

(4.6)

— вхідний опір активного елемента (підсилите
 ля), навантаженого на рф, а

(4.7)

— коефіцієнт передачі активного елемента по на
 пряжению, одержуємо '

(4.8)

Оскільки діюча висота /гд короткого вібратора від частоти залежить дуже мало, те частотна залежність U2_2, визначається залежністю від частоти Ки й ZB/Zy.

З вираження (4:8) видно, що напруга U2_2, не буде залежати від опорів ZB і Zy, якщо

(4.9)

де

При виконанні умови (4.9) частотна залежність напруги визначається тільки частотною залежністю коефіцієнта передачі по напрузі Ки-Реалізація підсилювача з постійним значенням Ки в заданому діапазоні частот звичайно не представляє труднощів. Для виконання умови (4.9) необхідно, щоб ZB і Zy мали однакову частотну залежність, тобто

(4.10)

. Вхідний опір Zy для більшості електронних приладів у розглянутому діапазоні частот (нижче 30 МГц) має ємнісної характер, тому в нерезонансних АП доцільно застосовувати короткі електричні вібратори, вхідне опір ZB також ємнісне. Однак внаслідок того, що опір ZB залежить від частоти сильніше, ніж Zy, а частотна залежність реактивного опору Ху відмінна від частотної залежності реактивного опору Хъ, виконати умови (4.10) у широкій смузі частот при а, порівнянному з 1, не вдається. Максимальна смуга пропускання досягається при а<1. У цьому випадку умова < рв-фу=0 стає несуттєвим. Зменшення а виявляється корисним і з інших причин. Наприклад, при а<1 зміна за якимись причинами повного опору ZB (наприклад, за рахунок впливу близько розташованих предметів) не впливає на величину U22, якщо при цьому не міняються значення hn

і Ес.

Оскільки для коротких вібраторів справедливе співвідношення XB^>RB, to для зменшення а необхідно вживати заходів для зменшення абсолютного значення Хв. Найчастіше це досягається збільшенням поперечних розмірів вібратора, збільшенням кінцевих ємностей (ємнісних навантажень, торцевих дисків) і виконанням вібраторів у вигляді спіралей, що, у свою чергу, приводить до збільшення діючої висоти вібратора /гд. Узгодження АП з фідером звичайно не представляє проблеми й може бути здійснене в потрібній смузі частот практично незалежно від вхідних ланцюгів активного елемента завдяки його властивості невзаємності.

Таким чином, широка смуга пропускання в нерезонансних АП досягається за рахунок відмови від узгодження властиво антени й активної схеми. У роботі [82] показано, що мері розширення смуги пропускання в АП відповідає міра неузгодженості між властиво антеною й активною схемою. Максимальна ширина смуги пропускання на частотах нижче 30 Мгц забезпечується при безпосереднім з'єднанні короткого вібратора й транзистора; при цьому чим вище вхідний опір транзистора, тим більше широкополосной і більше ефективної є АП (тому доцільним виявляється використання польових СВЧ транзисторів).

Аналіз коротких вібраторних  АП з убудованими активними  елементами можна провести так само на основі аналізу эквива лентных схем, однак у цьому випадку звичайно виникають певні труднощі як при виборі

Рис. 4.1. Схема рамочно - вібраторної АП еквівалентної схеми, так і при

визначенні її параметрів. Це обумовлено тим, що в АП з убудованими транзисторами буває необхідно враховувати взаємодію між елементами структури властиво антени.

Особливості АП з убудованими активними елементами розглянемо на прикладі найпростішого варіанта такої антени (рис. 4.1) [52]. При складанні еквівалентної схеми такий АП активний елемент (АЭ) (транзистор) можна представити комбінацією пасивного взаємного чотириполюсника (рис. 4.2,а) і невзаємного активного чотириполюсника з керованим джерелом (рис. 4.2,6). Це означає, що при вимиканні керованого джерела напруга на опорі навантаження /?п не буде дорівнює нулю, тому що при цьому пристрій являє собою комбінацію несиметричної рамки (або шлейфа при малому d-див. рис. 4.1) і несиметричного вібратора із включеними в них зосередженими опорами (рис. 4.3). Такий пристрій є взаємним і його характеристики можна розрахувати звичайними методами. На еквівалентній схемі (рис. 4.4) його можна представити у вигляді джерела э.д. с. Echni з опором Zni, розуміючи під ZBi повний опір у крапках 4—5, а під hni діючу висоту антени, зображеної на рис. 4.3. Якщо тепер замінити пасивний чотириполюсник активним, то напруга на його вході визначається наступним вираженням:

(4.11)

де лддіюча висота несиметричного вібратора (штиря) висотою h з верхнім живленням (рис. 4.1);

Рис. 4.2. Еквівалентне подання активного елемента (транзистора) -

Рис. 4.3. Схема АП без керуючого источника

Рис. 4.4. Еквівалентна схема АП, виконаної у відповідності зі схемою на рис. 4.1

2 В-В повний опір штиря на клемах 12 (при розрахунку необхідно враховувати присутність провідника II).

Провідники I і II утворять відрізок, що трансформує, довжиною / і можуть бути уведені в розгляд як складова частина активної схеми, що включає A3 (рис. 4.4). Використовуючи для опису АЭ узагальнену матрицю ||Л ||, можна показати [52], що напруга на опорі навантаження

(4.12) де

Як видно з порівняння виражень (4.12) і (4.5), напруга на навантаженні рамочно-вібраторної АП має більше складну залежність від частоти, чим для вібраторної, оскільки, крім ZB, у вираження (4.12) входять ZBi і /гД1, причому остання може бути частотно-частотно-залежної.

Рамочно^-вібраторні АП можуть бути як нерезонансними (коли вхід активного елемента рассогласован с джерелом сигналу), так і резонансними. На частотах нижче 30 Мгц ці АП (нерезонансні й, тим більше, резонансні) мають, загалом кажучи, меншу смугу пропускання, чим нерезонансні АП з винесеним активним елементом, коли вібратор безпосередньо приєднаний до його входу, і використовуються в тих випадках, коли необхідно одержати керовану діаграму спрямованості (з напрямком нульового прийому) коротких антен. Такі АП розглянуті в § 7.6.

4.2. РІЗНІ ТИПИ ТРАНЗИСТОРІВ

ДЛЯ НЕРЕЗОНАНСНИХ АНТЕН-ПІДСИЛЮВАЧІВ

Розглянемо особливості вибору транзисторів для коротких антен, що працюють на низьких частотах. Для цього необхідно скласти еквівалентну схему АП, що включає джерело шумів еквівалентної схеми транзистора, як зображено на рис. 4.5. Вхідний опір властиво антени й схеми зв'язку представленоі як Za=^a+yXi- Шуми транзистора визначаються за допомогою джерела струму шуму /ш і напруги шуму мш на вході транзистора. Ефективна шумова температура лінійного шумливого чотириполюсника (транзистора) виражається, як відомо, рівнянням [40, 79]:

(4.13)

де Гумин, ДО — мінімально можлива шумова температура транзистора (підсилювача), що реалізується за умови Za=:Zof=Rof+jXof, SF — «крутість» зростання Ту, що визначає вплив відмінності Za від Z0/ на Ту (коефіцієнт шуму Fy).

Рис. 4.5. Еквівалентна схема АП із джерелами напруги й струму шуму

Уже 1-метрова АП на польовому

транзисторі дає бажане поліпшення, а 2-метрова краще по шумових характеристиках у діапазоні 10 кГц ... 30 Мгц. Подальше збільшення висоти властиво антени
в АП недоцільно, тому що проявляється вплив шумів зовнішнього про
стору, що приводить до обмеження чутливості прийомної системи. Тому дійсний виграш у чутливості Рис. 4.12. Поліпшення пРиемН0І системи з АП по сравне чутливості при- нию із чутливістю приймальні емной системи з по системи з пасивною антеною мень міццю индуктивно- ше, чим відношення напряженностей сти шумових полів.

На практиці буває необхідно одержати максимальний виграш у чутливості прийомної системи у відносно вузькій смузі частот, зберігаючи, однак, загальну широкополосность приймальні системи. При використанні польового транзистора це можна забезпечити, включивши послідовно між властиво антеною й підсилювачем індуктивність. З урахуванням загасання сигналу й власного шуму через теплові втрати в індуктивності, які виражаються коефіцієнтом втрат tg6, одержимо для цього випадку замість вираження (4.30):

f

(4.35)

На рис. 4.12 показані залежності еквівалентної напруженості шумового поля для АП на польовому транзисторі з різними індуктивностями для висот властиво антени 1 і 2 м. Ширин і глибин резонансн провал черезР мал #а в большей степени зависит от потерь tg б в индуктивности, которые при расчетах по выражению (4.35) принимались равными 0,01.

Таким чином, викладений у справжньому розділі матеріал підтверджує, що безпосереднє з'єднання антени й підсилювача з високим вхідним опором (наприклад, на польовому транзисторі) дозволяє одержати широкополосную приймальню систему для ДВ, СВ, KB і нижньої частини УКВ діапазону при малих електричних розмірах властиво антени. Чутливість прийомної системи з такий нерезонансної АП може бути істотно краще чутливості прийомної системи з пасивною антеною значно більших розмірів, чим властиво антена в АП. Наявність між антеною й підсилювачем лінії передачі навіть невеликої довжини різко звужує смугу пропускання такого пристрою.

Необхідною умовою ефективної роботи таких АП є, як правило, введення в них додаткових каскадів на польових або біполярних транзисторах для додаткового посилення сигналу й узгодження АП з низкоомной лінією передачі.

Внаслідок неминучого обмеження чутливості прийомної системи з АП шумами зовнішнього простору для розмірів властиво антени в АП є верхня межа (близько 2-3 м для АП з польовими СВЧ транзисторами), коли збільшення розмірів властиво антени вже не приводить до помітного поліпшення чутливості прийомної системи з АП. Нижня межа розмірів властиво антени в АП обумовлюється зменшенням її к. п. буд.

4.4. ШТИРОВІ АНТЕНИ-ПІДСИЛЮВАЧІ НА ЩОГЛАХ

На практиці найчастіше прийомні антени піднімають над поверхнею землі так, як умовно показано на рис. 4.13,а. Падаюче поле напруженістю Ес збуджує між клемами 1 і V напруга холостого ходу Echa. Якщо загальна висота залишається менше Л/20, то /гд при незмінній висоті антени h безупинно зростає зі збільшенням висоти підстави щогли hM (рис. 4.13,6). Якщо висота установки вже не занадто мала в порівнянні з довжиною хвилі, то можуть мати місце резонансні ефекти, як показано на рис. 4.13,6 суцільною лінією для частоти 10 Мгц. Максимальний прийом у цьому випадку забезпечується, як відомо, за умови ftM~ (V4) (1+2л), п=0, 1, 2 ... і мінімальний

З

Рис. 4.13. Штирова антена на вертикальній щоглі (а) і залежність ефективної висоти між клемами /—/'від розміру щогли /гм при Л= =1 м (б) 5)

прийом має місце при висоті щогли біля (Х/2) (1+п). Ці резонансы тим різкіше, чим більше розмір щогли. Суцільна крива на рис. 4.14 відповідає циліндричній щоглі з діелектрика, усередині якої (або поруч із нею) проходить антенний кабель. На практиці часто використовуються электрически провідні щогли. Для такого випадку (провідна конічна щогла висотою 15 м з антеною висотою 1 м) результати розрахунків і вимірів на моделі [80] показані на рис. 4.14 штриховою лінією.

Перейдемо до обговорення питань інтеграції ви-сокоомных по входу підсилювачів, що вбудовуються в крапки 1-1'-2 (рис. 4.13), з антенами на щоглах і вибору оптимальних співвідношень довжин властиво антени й щогли для таких пристроїв.

При невеликих вхідних ємностях підсилювача Су й висоті властиво антени порядку 1 м коефіцієнт розподілу напруги U7/Unp незначно залежить від висоти щогли hM, а відношення еквівалентної напруженості шумового поля ешАП для АП, установленої на щоглі, до е'шАП для АП, змонтованої на провідній площині, виражається досить точно у вигляді умови [80]:

(4.36)

Рис. 4.14. Залежність эффек- Рис. 4.15. Залежність отноше-

тивной висоти штировий ан- ния еквівалентних напружений-

тенны (Л=1 м) на щоглі (Ам= ностей шумових полів штирі-

=15 м) від частоти виття антени від висоти щогли

  циліндрична щогла dM** (A=l м)

=8 мм (розрахунок), —• конічна

щогла (розрахунок і експеримент)

Залежність цього відношення від висоти щогли показана на рис. 4.15 для випадку рівності діаметрів щогли й властиво антени (d=dM=8 мм). Як видно з рис. 4.15, для більше низьких частот забезпечується значний виграш у чутливості при збільшенні

Рис. 4.16. Залежність від относительной висоти /гм2 для.пасивної антени

Рис. 4.17. Залежність від ви стільники щогли hH (hT=3 м) для АП

 відносної ємності ан-  ємності антени Са,

тенны СЛ1С\,   відносини напруги на вході підсилювача АП

'• так S > відносини при різних значеннях вхідний

 ємності підсилювача Су

ёысоТы щогли, а для більше високих частот можуть мати місце резонансні явища.

Залежності відносної ємності антени й діючої висоти кя від висоти щогли hu при заданій загальній висоті hL наведені на рис. 4.16 для hx\d=-= 100...1500 і при /г2<Я/20. Величини зі штрихом

відповідають /гм = 0. Внаслідок збільшення відносини hJhL (при збільшенні hJhL) від 0,5 до 0,8 і постійного зменшення при цьому відносини Са/С'п для кожного значення вхідної ємності підсилювача буде мати місце оптимальна висота Ямопт при даній висоті /г,. Розглянемо цю оптимальну висоту для пасивної антени. Припустимо, що реактивний опір антени набагато більше хвильового опору лінії передачі р, так що для еквівалентної напруженості шумового поля прийомної системи з пасивною антеною ешоп буде справедливо [80] вираження

(4.37)

Таким чином, мінімум шумів досягається при максимальній величині добутку Сакя.

На рис. 4.16 штриховою лінією показане відношення

(4.38)

Як видно, оптимальна висота крапки розподілу для пасивної антени перебуває в підстави установки.

Розглянемо тепер випадок включення высокоомного підсилювача між клемами 1 -Г-Г—2 (див. рис. 4.13,а). Якщо частота не занадто мала й /г2/Ж1/20, то з

выражения (4.31) з урахуванням пояснення до вираження (4.22) одержуємо:

(4.39)

На рис. 4.17 показана для установкизагальною висотою hz — 3 м залежність Uy[Ec від висоти hM для різних ємностей Су. Як видно, мають місце явно виражені максимуми, які при зростанні ємності

зрушуються убік зменшення висоти щогли. Якщо Су=5 пФ, то при As—3 м оптимальна висота щогли

буде 1,75 м (і висота властиво антени 1,25 м). Поліпшення відносини сигнал/шум, що забезпечується вибором оптимальної крапки включення в порівнянні з 3-метровою штировою антеною з таким же підсилювачем, установленим у її підстави, становить 2,6 дБ. До цього додаються ще дві переваги. По-перше, умови заземлення часто бувають незадовільними й при вбудовуванні підсилювача на деякій висоті hM над поверхнею землі вони впливають менше, по-друге, з'являється можливість механічного кріплення щогли більше простими засобами.

Розділ 5

РЕЗОНАНСНІ АНТЕНИ-ПІДСИЛЮВАЧІ

До резонансного ставиться великий клас АП, у яких властиво антена й підсилювальний прилад з'єднують у такий спосіб або через такі ланцюги зв'язку, щоб забезпечити при цьому найкраще відношення сигнал/шум на виході прийомної системи в заданій смузі частот. Як вказувалося в гл. 4, між резонансними (полосопропускающими) і нерезонансними (широкополосными) АП немає чіткої границі й мері розширення смуги пропускання АП (по відношенню сигнал/шум) відповідає міра неузгодженості властиво антени й підсилювача [82], однак методи розрахунку АП обох типів досить різні. Основна проблема, розглянута в даній главі - проблема оптимального узгодження джерела сигналу (властиво антени) з лінійним шумливим підсилювальним приладом для одержання максимального відношення сигнал/шум у заданій смузі частот - є фактично загальною для резонансних АП й вхідних колах радіоприймачів. Специфіка, що вносить у цю проблему техніка АП, наочно виявиться при розгляді конкретних конструкцій резонансних АП, виконаних на основі того теоретичного аналізу, до якого ми тепер приступимося.

 

Викладач кафедри

   О.Р. Рихальський


Антена підсил
ювач

Активна схема

без джерел шуму

Активна частина

Пасивна частина

(власно антена)

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

1

1

2


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

5935. АНАЛІЗ ГРАМАТИЧНИХ ОСОБЛИВОСТЕЙ ПЕРЕКЛАДУ ЕКОНОМІЧНИХ ТЕКСТІВ 504.5 KB
  Наша країна намагається вийти на світові ринки торгівлі і встановити якомога кращі стосунки зі своїми закордонними колегами, наприклад, укласти найбільш вигідні контракти, та не останнім фактором успішності цих контрактів буде правильний переклад та оформлення ділового паперу, а оскільки будь-який документ такого характеру не можна уявити
5936. Аналіз виховного процесу в 5-В класі 29.5 KB
  Кількість дітей у класі: 22 особи Стосунки між учнями класу загалом дружніі доброзичливі. Але протягом року були випадки суперечок і непорозумінь між учнями, зокрема проблеми у спілкуванні: Шимко-Сирашний, Крючковська-Страшний, а також Барвет, яка м...
5937. Анализ воспитательной работы МБОУ «Устьвашская средняя общеобразовательная школа» за 2011/12 учебный год 102 KB
  Анализ воспитательной работы МБОУ Устьвашская средняя общеобразовательная школа за 2011/12 учебный год. Цель воспитательной работы в 2001/12 учебном году: формирование первичных представлений о базовых национальных российских ценностях (начал...
5938. Анализ воспитательной работы с учащимися 9 а класса 66.5 KB
  Анализ воспитательной работы с учащимися 9 а класса Классный руководитель: Характеристика класса. В классе 25 учеников, из них 11 мальчиков и 14 девочек. По национальному составу - 20 русских, 5 бурят. Количество учащи...
5939. Анализ воспитательной работы за первое полугодие классного руководителя 10 А класса 40.5 KB
  Анализ воспитательной работы за первое полугодие классного руководителя 10 А класса 1. Анализ эффективности целеполагания и планирования воспитательного процесса в классе в 2011-2012 учебном году. Воспитательные задачи в текущем учебном году следующ...
5940. Системы снабжения природным газом 78.66 KB
  Природный газ это заслуженно один из самых эффективных источников энергии. При сравнении с другими видами топлива и сырья у него есть множество преимуществ. Во-первых, его стоимость. Стоимость добычи ниже, а производительность труда намного...
5941. Педагогическая практика по воспитательной работе 172 KB
  Педагогическая практика по воспитательной работе Информационно-методические материалы для начинающих методистов и студентов i - v курсов Отход от авторитарной педагогики и гуманизация всего учебно-воспитательного процесса предъявляют все более ...
5943. Архитектура Киевской Руси 59.5 KB
  I. Архитектура Киевской Руси Н. М. Карамзин в Истории государства Российского, описывая истоки возникновения искусства Древней Руси, рассказывает, как Владимир, увидев, подобно бабке своей, заблуждение язычества, стал искать истины в разных верах...