Активными антеннами в радиотехнике принято называть устройства, объединяющие собственно антенну и активные элементы усиления, иреобразования или генеращш сигналов. Объединенные функции таких устройств (прием или передача радиоволн и усиление, преобразование или генерация сигналов введенными б антенну активными элементами) не реализуются обычным последовательным соединением ряда функционально законченных узлов, а обеспечиваются электрически единым устройством. Разделение активной антенны на пассивную и активную части невозможно из-за интегрального характера устройства. Это отличает, например, АУ от антенны, соединенной с антенным (предварительным) усилителем, когда выход антенны и вход усилителя согласованы с волновым сопротивлением линии передачи и могут быть соединены линией передачи любой длины. Активная антенна выполняется в виде одного блока. В общем случае это нелинейное и невзаимное устройство.

Интеграция антенн и активных элементов позволяет уменьшить размеры антенн, расширить полосу пропускания электрически коротких антенн, улучшить чувствительность приемных систем (к. п. д. передающих систем), осуществить электронную перестройку антенн (например, управлять диаграммами направленности), осуществить эффективное симметрирование при соединении симметричной антенны с несимметричной линией передачи, улучшить электромагнитную совместимость радиосистем. Во многих случаях активные антенны позволяют реализовать одновременно несколько указанных преимуществ, причем выигрыш, например в габаритах активных антенн, может достигать нескольких десятков по сравнению с пассивными аналогами при сохранении или даже улучшении электрических характеристик (полосы пропускания, чувствительности и т. д.). Преимущества активных антенн обусловили быстрое развитие этого нового направления антенной техники у нас в .стране и за рубежом.

Анализ состояния исследований и разработки активных антенн [1, 2] показывает большое разнообразие их типов и Б то же время произвольность в терминологии и отсутствие определенной классификации. Фактически к настоящему времени можно считать общепринятым лишь сам термин активная антенна , хотя границы его использования трактуются по-разному. Классификация активных антенн рассмотрена в § 1.1. Предварительно же остановимся более подробно на существе интеграции собственно антенны и активного элемента.

Основной задачей интеграции антенн и активных элементов является обеспечение оптимальных связей между ними для достижения той или иной указанной выше цели. С этой точки зрения активная антенна не представляется, на первый взгляд, ничем иным, как давно известным соединением антенны с первым каскадом радиосредства. (К устройствам такого типа можно отнести даже устройство для приема электромагнитных волн А. С. Попова.) Идеи интеграции антенн и активных элементов высказывались еще в 30-х годах, однако уровень развития радиотехники не позволял тогда реализовать их. В дальнейшем был выбран путь раздельного проектирования антенн и входных каскадов приемных (выходных каскадов передающих) устройств. В последние десятилетия исследователи вновь вернулись к идеям интеграции на более высоком уровне, что было обусловлено развитием как техники антенн, так и усилительных приборов. Первые же эксперименты показали, что целенаправленное совместное проектирование собственно антенны и объединенного с ней активного прибора снимает многие ограничения на размеры антенн, полосу пропускания и другие характеристики, т. е. такие ограничения, которые ПОЯВЛЯЛИСЬ и принимались как неизбежные при разнесении антенн и активных элементов и раздельном проектировании.

Таким образом, то, что представляется на первый взгляд лишь более внимательным подходом к известным принципам, на деле является содержанием развития радиотехники. Это доказано в последние 15-20 лет развитием техники активных антенн. Можно сказать, что - новизна этого направления является воплощением диалектического принципа развития одной из идей радиотехники.

Как увидит читатель данной книги, методы анализа и современной теории пассивных антенн и каскадов приемопередатчиков можно использовать и для активных антенн, однако многие результаты анализа, а также основные понятия и термины качественно различны. Например, если в технике пассивных антенн существует такое классическое понятие, как антенна резонансных размеров , то в технике активных антенн это понятие теряет свою -практическую полезносгь. Для активных антенн собственно антенна резонансных размеров для интеграции с активным элементом ничуть не лучше, чем антенна с электрической длиной, например, Ve- Термины резонансный и нерезонансный в технике активных антенн применяются для обозначения других понятий, по сравнению с техникой пассивных антенн. Так, под резонансной АУ понимают такую, в которой осуществляется согласование (по мощности, по коэффициенту шума) между собственно антенной и усилительным прибором, а под нерезонансной-АУ, в которой осуществляется постоянное в широкой полосе частот деление напряжения на входе усилительного прибора.

Несмотря на первые эффективные результаты, техника активных антенн не сразу получила широкое распространение и ее развитие сопровождалось многочисленными дискуссиями [3]. Прошло по . крайней мере 5 лет после реализации цервых конструкций активных антенн, прежде чем они смогли конкурировать с пассивными аналогами и прежде чем им стали уделять достаточно серьезное внимание. Через 10-15 лет, к 1973 г. в эксплуатации находилось уже много тысяч активных антенн [4]. В § 1.2 и 1.3 приводится обзор развития техники активных антенн, который необходим (учитывая новизну этого направления) для последующих разделов книги. Однако прежде чем перейти к этому обзору, целесообразно рассмотреть классификацию активных антенн.

1.1. КЛАССИФИКАЦИЯ АКТИВНЫХ АНТЕНН

Рассматриваемая здесь классификация базируется на анализе большого числа опубликованных в нашей стране и за рубежом работ по активным антеннам, в том числе работ, частично или полностью посвященных вопросам терминологии и классификации [2, 5-9].

Прежде всего отметим, что интегрируемый с собственно антенной активный элемент (многополюсник) может и не быть активным в строгом значении этого слова, т. е. потребляющим энергию от внешнего источника [5]. Например, в антеннах-детекторах [2] диоды могут быть не запитаны. Поэтому термин активная антенна , широко распространенный в технической литературе, Все же не следует считать наиболее общим. Наиболее общим следует признать термин интегральная антенна . Очевидно, если в интегральной антенне интегрируемый с собственно антенной многополюсник является активным, т. е. потребляющим энергию, то и устройство следует называть активной антенной.

В интегральных (активных) антеннах под собственно антенной понимают ту часть устройства, которая непосредственно обеспечивает прием или (и) излучение радиоволн. При этом необходимо иметь в виду, что в общем случае собственно антенна может включать в себя части интегрируемого многополюсника (например, выводы и корпус транзистора), а распределение токов (напряжений) в собственно антенне может определяться и свойствами интегрируемого многополюсника. Встречающееся в литературе условное выделение из активной антенны пассивной части можно использовать для обозначения собственно антенны и части электронной схемы активной антенны. В целом интегральная антенна представляет собой устройство, осуществляющее прием или (и) излучение радиоволн и содержащее интегрированный многополюсник.

В абсолютном большинстве известных в настоящее время устройств такого типа интегрированный многополюсник работает в активном режиме, поэтому не уменьшая общности рассмотрения, и чтобы подчеркнуть их отличие от антенн, интегрированных с пассивными цепями (индуктивностями, пассивными симметрирующими устройствами и т. п.), в дальнейшем будем употреблять термин активная антенна .

В последние годы этот термин начинает использоваться в различных официальных документах междуна-родных комиссий по электро- и радиотехнике [6]. Например, в проекте Международной электротехнической комиссии (IEC) под общим заголовком Антенны для приема звуковых и телевизионных радиопередач в частотном диапазоне 30 ... 1000 МГц понятие активная

-0-! i-о-о

Рис. 1.1. Структуры активной антенны

приемная антенна определяется как частное из общего приводимого в этом документе определения приемной антенны. Включение понятия активная антенна в общее понятие антенна подчеркивает электрическое и функциональное единство активной антенны, однако отметим, что при этом содержание понятия антенна существенно расширяется, объединяясь с понятиями техники приемных (передающих) устройств. Если учесть также, что методы анализа и расчета активных антенн неотделимы от методов, развитых как в технике пассивных антенн, так и в технике активных приборов, то можно говорить об активных антеннах как о новом направлении радиотехники.

Рассмотрим структуру активных антенн. Активный многополюсник (активный элемент -АЭ) активной антенны может быть интегрирован в устройстве по схеме двух-, трех- или четырехполюсника (рис. 1.1).

Включение по схеме двухполюсника имеет место при использовании, например, диодов (рис. 1.1,а), конверторов отрицательного сопротивления (рис. 1.1,6), преобразующих реактивное сопротивление Ха, подключенное к свободной паре полюсов, в реактивное -Ха на паре полюсов, подключенных к собственно антенне. Структуру, представленную на рис. 1.1,в, имеют активные антенны SIA* [2, 3].

Наконец, показанная на рис. 1.1,г структура наиболее распространена и на ее основе реализованы существенное уменьшение размеров АУ, повышение чувствительности приемных (к. п. д. передающих) систем и т.д.

* Subminiature Integrated Antenna (сверхминиатюрная интегральная антенна).

AH/nuffHt/s аи/пеннб/

A/f/пешб/-

ffCl/лl/meлl/ Ш)

A /ne/fHO/-(АД)

Антетб/-npso/Fpaeo-еател1/ (АП)

Рис. 1.2. Классификация активных антенн по функциональному назначению

Классификацию активных антенн целесообразно проводить по функциональному назначению, структурным признакам, целевому назначению интеграции (малогабаритные, широкополосные, с управляемой диаграммой направленности и т. д.), а также по типам собственно антенны (вибраторные, щелевые и т. п.), типам применяемых активных элементов (транзисторные, диодные и т. п.), частотным диапазонам и, наконец, по назначению объектов, в которых устройства применяются (автомобильные, телевизионные и т. п.).

Представляет интерес рассмотреть подробно лишь классификацию активных антенн по функциональному назначению и по структурным признакам.

По функциональному назначению активные антенны подразделяют на три типа (рис. 1.2): приемные, передающие и приемопередающие. Активные приемопередающие антенны можно создавать как на основе активных антенн двух первых типов, так и путем более сложной взаимосвязанной интеграции.

Активные передающие антенны делят на антенны-генераторы (АГ) и антенны-усилители мощности (АУМ). В АГ осуществляется генерация и излучение, в АУМ - усиление мощности сигнала, поступающего в устройство от автономного генератора (передатчика), и излучение. Активная часть в передающих активных антеннах может включать каскады умножения частоты сигнала.

Активные приемные антенны делят на антенны-усилители (АУ), антенны-детекторы (АД) и антенны-преобразователи (АП). Помимо приема радиоволн, такие

антенны осуществляют соответственно усиление, детектирование сигнала, преобразование частоты сигнала. АП могут содержать как смеситель и гетеродин, так и только смеситель (АС), когда гетеродин является автономным.

Классификация активных антенн по структурным признакам иллюстрируется рис. 1.1 и в общем была рассмотрена выше. Ее целесообразно дополнить с точки зрения степени интеграции активного элемента в активной антенне. Во введении дается определение существа интеграции. Приведем еще толкование, которое дается применительно к АУ [5]: Антенное устройство считается интегрированным, когда части антенной структуры являются составляющими частями усилительной схемы и в такой степени, что отделение этих частей антенны от усилителя сделало бы его неработоспособным . Этому принципу интеграции отмечают все активные антенны, стр^жтуры которых представлены на рис. 1.1. Однако можно выделить две степени воплощения такого принципа: активные антенны с вынесенным и внесенным (встроенным) активным элементом. Активную антенну с внесенным активным элементом можно представить, например, схемами, изображенными на рис. 1.1,а, в. Токи (напряжения) в структуре такой антенны определяются и свойствами активного элемента. В активных антеннах с вынесенным активным элементом сам активный элемент (его свойства) либо вообще не участвует в формировании токов (напряжений) собственно антенны, либо участвует таким образом, что это не относится непосредственно кспецифике активных антенн (например, влияние экранирующего корпуса, в котором размещена схема активного элемента). Активную антенну с вынесенным активным элементом можно представить, например, структурными схемами на рис. 1.1,6, г.

К активным антеннам с вынесенным активным эле-менто.м нельзя отнести широко известную комбинацию антенны с предварительным (антенным) усилителем, так как в этом случае не воплощается принцип интеграции, присущий активным антеннам. Действительно, в такой комбинации антенна и предварительный усилитель независимо друг от друга согласуются с волновым сопротивлением линии передачи (фидера), соединяющей их, и предварительный усилитель может быть включен поэтому на любом расстоянии от антенны не обя-зательно

непосредственно за антенной) и их разнесение в принципе не нарушает работоспособность комбинации антенна-предварительный усилитель. Однако ,в случае выполнения подобного устройства конструктивно единым блоком неизбежно использование при определении его параметров методов техники активных антенн.

Остановимся теперь более подробно на классификации АУ. Они являются наиболее распространенным в настоящее время типом активных антенн. Большинство исследователей и разработчиков активных антенн занимается именно техникой АУ. Это объясняется тем, что для антенн и усилительных приборов особенно эффективно и приемлемо для практики осуществляются Преимущества интеграции. Рассмотрим некоторые присущие АУ особенности интеграции, определяющие методы оптимизации их структуры. Анализ показывает, что в зависимости от цели интеграции и диапазона частот можно выделить два способа интеграции, которые могут применяться для АУ как с вынесенным, так и с внесенным усилительным прибором. Б диапазонах ДВ, СБ, КБ и частично УКВ радиоволн целью интеграции является, как правило, уменьшение размеров антенн и обеспечение широкой (несколько октав) полосы пропускания. Эта цель достигается интеграцией собственно антенны с вы-сокоомным по входу усилительным-прибором (например полевым транзистором) таким образом, чтобы создать широкополосный делитель напряжения, который образуется из емкости собственно антенны (обычно электрически короткого вибратора) и малой емкости входа усилительного прибора. При такой интеграции усилительный прибор в АУ работает не в оптимальном режиме (по усилению, по шумовым характеристикам), и с повышением частоты, когда шумы внешнего пространства уменьшаются, нерезонансные АУ малоэффективны по сравнению с резонансными из-за неоптимального согласования, а также из-за трудностей осуществления в более высоких диапазонах частот широкополосного деления. В резонансных АУ осуществляется оптимальное согласование усилительного прибора с собственно антенной для обеспечения максимального отношения сигнал/шум в приемной системе.

В диапазоне сантиметровых (СМВ), дециметровых (ДМБ) и частично метровых волн (МБ), для которых разрабатывают обычно резонансные АУ, как правило,

f/epeso/ffff/cm/e A!/

Peaom/fem/e AV

Рис. 1.3. Классификация АУ

нет необходимости существенно уменьшить размеры собственно антенны и целью интеграции является улучшение чувствительности приемных систем. В связи с этим отметим, что при непосредственном соединении антенны и усилительного прибора можно без нежелательных последствий осуществлять согласование входа усилительного прибора по минимуму шумов, которое отличается от согласования по максимуму усиления и поэтому при соединении антенны и усилителя через линию передачи приводит к появлению переотражения. Полоса пропускания АУ может быть значительно шире, чем полоса пропускания их пассивных аналогов.

Рассмотренная классификация АУ показана на рис. 1.3 и фактически основана на ранее используемых представлениях [2]. Как уже указывалось в начале этой главы, следует отличать смысловое значение терминов резонансный и нерезонансный для АУ от того значения, которое придается им в технике антенн (антенны резонансных и нерезонансных размеров). В технике АУ эти термины связаны с теорией цепей, а не с теорией антенн. Отметим, что одну и ту же АУ можно выполнить так, что в одном диапазоне частот она является резонансной, в другом нерезонансной. АУ со встроенными усилительными приборами разделяют на резонансные и нерезонансные, как и АУ с вынесенными усилительными приборами.

АУ можно классифицировать tio многим другим при-.знакам, сформулированным ранее для активных антенн, в том числе по типу примененной усилительной схемы или собственно антенны (например, симметричные и несимметричные АУ и т. п.). Эта классификация достаточно очевидна, так как практически совпадает с известной жлассификацией пассивных антенн.

1.2. РАЗВИТИЕ ТЕХНИКИ АНТЕНН-УСИЛИТЕЛЕЙ

Первая активная антенна была реализована в 1959 г. Устройство представляло собой АУ со встроенным транзистором. Предполагалось, что при объединении в устройстве функций антенны и усилительных приборов могут быть сняты многие ограничения на усиление, отношение сигнал/шум, габариты и массу антенн. Ожидалось, что при этом должны повыситься надежность экономичность и компактность радиотехнических систем. Последующее развитие техники активных антенн подтвердило правильность этих предположений и значи-. тельно расширило область интеграции антенн с активными элементами, что привело к созданию активных антенн различных типов и назначений, а также к созданию на их основе более сложных систем - активных антенных решеток.

Основные предпосылки для интеграции антенн и усилительных элементов можно пояснить, проведя упрощенный анализ приближенной функциональной схемы АУ. Рассмотрим сначала выражение для эффективной шумовой температуры приемной системы с АУ. Для этого обратимся к схеме АУ (рис. 1.4): Zs==Ra.+jXa.- входное сопротивление собственно антенны в точках 1--Г, Ескд - э. д. с. на зажимах собственно антенны, соответствующая напряженности электрического поля сигнала Ее, hp - действующая высота собственно антенны. Га - эквивалентная шумовая температура собственно антенны, определяемая наведенными извне шумами. Шумы активной схемы учитываются составляющей в общей шумовой температуре сопротивления Ra.- К АУ в точках 2-2 подключен приемник, характеризуемый эффективной шумовой температурой Гпр.

AnmeHfa-(/ce re/mem

Пвсеи0 (/я vtfcmi)

-Л

схема без uc/nowi/ffoS

А ff/т/в/гея части

Рис. 1.4. Функциональная схема АУ