Рис. 1.10. АУ типа НА-432/141/50 (с) и ее схематическое представление (б)

Известна наземная ненаправленная АУ типа НА 432/141/50 [43, 44], предназначенная для работы Б линиях авиационной радиосвязи Б диапазоне 100 ... ... 156 МГц. Ее основные характеристики: KctfJ, шумовая температура менее 600 К, напряжение цитания 12 В, потребляемый ток 20 мА, высота 855 мм, масса 2,5 кг. Усиление АУ в среднем 15 дБ. Отношение сигнал/шум БО всем рабочем диапазоне на 3 ... 4 дБ выше, чем у обычной пассивной антенны такого же назначения. Кроме того, АУ снабжена специальным грозозащитным устройством. Принцип работы АУ поясняется рис. 1.10. АУ состоит из заземленного основания 5 и двух вертикальных стержней 1 п 3, несущих на себе плату 4. Основание и плата представляют собой укороченную штыревую антенну с емкостной нагрузкой. В центре платы установлен стержень 2, с помощью которого через емкость Сг электронная часть антенны S имеет емкостную связь с платой 4. Стержни 1 и 3 обладают малой индуктивностью и выполняют функции фильтра нижних частот, включенного между платой 4 и основанием 5. Эти же стержни вместе с емкостью платы 4 играют роль параллельного колебательного контура, который вместе с емкостью Q и индуктивностью стержня 2 образует полосовой фильтр. При прямом ударе молнии в плату вокруг стержней 1 а 3 образуется магнитное поле такой формы, что его напряженность вблизи электронной схемы S ничтожна. Остаток тока через емкость Сг и быстро переключающиеся диоды.

/(О

60 80 f,fire{

Рис. l.Il. Эквивалентная схема АУ: /?ос, ioo - зле-менты обратной связи

Рис. 1.12. Амплитудно-частотная характеристика АУ

установленные в схеме S, отводится на землю. Если же разряд молнии происходит вблизи атенны, то магнитное поле наводит в стержнях / и <3 токи, которые действуют навстречу току, возникающему в стержне 2. Это приводит к взаимной компенсации токов, в результате чего ликвидируется опасность пробоя электронной схемы в антенне. В реальной антенне НА 432/141/50 вертикальных стержней не два, а четыре. При испытаниях такая антенна выдержала удары молний с токами до 30000 А.

В работе [45] описана АУ, в которой в качестве собственно антенны применен симметричный спиральный вибратор с емкостной нагрузкой. Размеры АУ 0,05 ... ... 0,07?. Использован усилитель на двух транзисторах типа ГТ329Г, причем первый подсоединен непосредственно

5 ъ

г

80 wo /1п{

Рис. 1.13. Шумовая характеристика активной схемы АУ

Рис. 1.14. Конструкция автомобильной цилиндрической АУ

7-латунный цилиндр, 2 -трубка из поливинилхлорида, S - коаксиальная линия

гъонг

-о

BZYSsem r

±

-*-o-

9,5h

soon

-о

Рис. 1.15. Электрическая схема АУ

ко входу собственно антенны (рис. 1.11). Амплитудно-частотная характеристика АУ по напряжению (в условных czHKHuax) и шумовая характеристика активной схемы Гу показаны на рис. 1.12 и 1.13. На рис. 1.13 нанесены также пределы, между которыми находится обычно эквивалентная шумовая температура пассивных антенн Га. Как видно, во всей полосе пропускания по мощности 60 ... 95 МГц шумы, вносимые активной схемой, не превышают шумов, вносимых собственно антенной.

Рис. 1.16..Годограф полного сопротивления

Примером АУ для подвижных объектов является штыревая АУ, описанная в [46]. АУ предназначена для коммерческой радиосвязи с автомобилями в диапазоне 20 ... 80 МГц. Конструктивно антенна представляет собой трубчатый штырь высотой 356 мм и диаметром 90 мм (рис. 1.14). Такая конструкция, с одной стороны, обеспечивает большую механическую прочность и, с другой, позволяет разместить электронную схему внутри цилиндра, где она защищена от влаги. Латунный цилиндр / создает удлиняющую емкость, а индуктивность, необходимая для оптимального согласования, создается катушкой, выполненной печатным способом и размещенной внутри цилиндра вместе с активной схемой. Активная часть состоит из двухкаскадного усилителя на транзисторах BFY-90 (рис. 1.15), которые примерно аналогичны отечественным транзисторам типа КТ382. Между точками /-/ схемы при рассчитанных значениях индук-тиБНОстей и емкостей получают комплексное сопротивление годограф которого на диаграмме Вольперта

приведен на рис. 1.16. На средней частоте 50 МГц оптимальное сопротивление для транзистора BFY-90, необходимое для согласования по шумам (при выбранном режиме его питания по схеме на рис. 1.15),

Z [OM]=262+j56.

Как видно из рис. 1.16, годограф достаточно

близок к 2опт, которое незначительно меняется от частоты в диапазоне 40 ... 100 МГц, где, как показывает эксперимент, и можно обеспечить согласование, близкое к согласованию по шумам. На частотах ниже 40 МГц внешние шумы настолько велики (рис. 1.8), что согласование по шумам практической пользы не приносит, а сопротивление представляет собой емкость,

образующую делитель с емкостью входа усилителя. Диод (рис. 1.15) служит для защиты от статического заряда. Второй каскад усилителя обеспечивает согласование устройства с кабелем с волновым сопротивлением 50 Ом.

Диаграммы направленности антенны в горизонтальной плоскости практически круговые. Уровень принимаемого сигнала в среднем на 8 дБ больше уровня сигнала, принимаемого пассивным широкополосным диполем, при коэффициенте шума усилителя в АУ 3 ... 8 дБ

(меньше на более высоких частотах). Длительная; эксплуатация АУ показала, что она с успехом заменяет четырехметровую штыревую антенну и обеспечивает при. этом некоторый выигрыш в отношении сигнал/шум.

Таким образом, последнее десятилетие характеризуется широким распространением АУ и постановкой многих теоретических и экспериментальных работ в этой-области. Уже в начале семидесятых годов стало ясно что в связи с внедрением АУ в профессиональные системы необходимы дальнейшие исследования путей оптимальной интеграции антенн и усилительных приборов. Как отмечалось отчасти в [47], важнейшими задачами являлись: сравнение приемных систем с пассивными антеннами и АУ по критерию отношения сигнал/шум, оптимальное согласование собственно антенны: с усилительным прибором в АУ с учетом как усилительных, так и шумовых свойств всех частей приемной системы, вопросы нелинейных искажений (взаимной и перекрестной модуляции) в АУ, а также расчет АУ со. встроенными (внесенными) в собственно антенну усилительными приборами (антенны типа SIA). В предлагаемой читателю книге эти вопросы в указанной выше-последовательности рассмотрены соответственно в. гл. 3-7.

1.3. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ ОБ АКТИВНЫХ АНТЕННАХ ДРУГИХ ТИПОВ

Активные антенны других типов исследованы гораздо меньше чем АУ. Кратко рассмотрим состояние развития техники этих активных антенн.

Антенны-преобразователи (АП). Первые разработки АП относятся к 1961 г. В работе [14] представлены результаты исследования устройства, которое является комбинацией антенны и гетеродинного преобразователя на смесительном диоде, включенном в точки возбуждения двухзаходной .конической спирали (рис. 1.17). Ветви спиралей, являющихся собственно антенной, являются одновременно коаксиальными линиями для подачи сингала гетеродина и для выхода сигнала промежуточной частоты. Отсутствие между антенной и смесителем линии передачи позволило уменьшить потери и улучшить шумовые характеристики устройства. Экспериментальным сравнением с опорной схемой (преобразователь, подключенный к полуволновому вибратору) Рис. 1.17. Антенна-были исследованы два типа АП: на смеси- преобразователь

J3J3-

Волновод

S) Видеовыход

Рис. 1.18. Антенна-детектор

тельном диоде СВЧ диапазона 11832 и туннельном диоде 1N2939. Улучшение коэффициента шума в АП на диоде 1N2939 по сравнению с опорной схемой составило 7 дБ в диапазоне 200 ... 600 МГц. В дальнейшем были проведены работы по включению в устройство АП гетеродина [48]. Преобразователь частоты на туннельном диоде, встроек.чом в вибраторную антенну, описан в i[19], а в [23] приведены данные о передающей активной антенне со встроенным утрои-телем частоты. При частоте излучаемого сигнала 420 МГц ширина полосы пропускания равна 40 МГц, а излучаемая мощность 4 Вт. Объединение антенны с преобразователем позволило создать довольно сложные приемопередающие антенные системы, в которых осуществляется усиление, генерация и преобразование частоты сигналов [23, 42]. Разработка АП ведется и в более высоких диапазонах, до 1500 МГц [39].

Аитенны-детекторы (АД). В [18] изложены результаты исследования оригинальной конструкции АД, представляющей собой высокочастотную часть широкодиапазонной приемной системы. Устройство выполнено в виде расширяющегося рупора с изменяющимся по экспоненте поперечным сечением (рис. 1.18). В антенне используется шесть детекторов на туннельных диодах для перекрывающихся диапазонов частот. Диоды устанавливаются в полостях, встроенных в узкую стенку рупора по ее длине. Избирательность контуров с диодами определяется, прежде всего, зависимостью критической частоты от ширины волновода. Кроме того, избирательность регулируется связью полостей (объемных резонаторов) с волноводом. Общий диапазон частот устройства 1,3 ... 5,4 ГГц. Преимуществом АД на туннельных диодах является высокая чувствительность, близкая к чувствительности супергетеродинного приемника, и хорошая устойчивость к сигналам большой мощности. Несмотря на то, что

fen fen Ы Ъл

о

тЭР ШБР

О

о

дШР ШЭР

этр вшр

Рис. 1.19. Возможные схемы построения активных рамочно-внбра-торных антенн

над

Рис. 1.20. Схема АГ иа туннельном диоде

некоторые вопросы возможности построения чодобных АД требуют дополнительных исследований, рассмотренное устройство представляет несомненный интерес для разработчиков как наземной, так и .бортовой аппаратуры.

Антенны-усилители мощности (ДУМ), Наиболее полный анализ возможных схем построения АУМ дан в работе [49]. Сравнительная оценка шести схем построения рамочно-вибраторных антени (рис. 1.19) проведена с учетом усилительных свойств активного элемента (транзистора), относительных фазовых сдвигов токов в излучающих секциях (несимметричном вибраторе - штыре н рамке) в возможного уменьшения высоты. На основе проведенных исследований показано, что лишь только два (КШБР и КШЭР) из шести рассмотренных вариантов целесообразно использовать в качестве АУМ. Название каждого варианта соответствует маркировке клеммы транзистора, к которой подсоединен штырь, и клеммы, к которой подключена рамка. В варианте КШБР (коллектор соединен со штырем, база - с рамкой) транзистор включен по схеме с общей базой, при этом Ki\, Ки>1 [Ki и Ки-коэффициенты усиления по току и напряжению), следовательно, схема обеспечивает усиление мощности. В варианте КШЭР (коллектор соединен со штырем, эмиттер - с рамкой) транзистор включен по схеме с общим эмиттером, прн этом /Си>1, Ki>y, следовательно, схема обеспечивает усиление мощности. Оба варианта имеют значительно меньшие размеры, чем обычный четвертьволновый штырь.

Другим примером значительного уменьшения размеров антенны при сохранении высоких энергетических характеристик может служить АУМ, описанная в работе [48]. При высоте излучателя 0,001Х и диаметре 0,05 антенна излучает мощность на 6 ... 8 дБ больше, чем эквивалентная пассивная антенна, соединенная с выходным каскадом передатчика. АУМ работает на частоте 300 МГц. Излучатель .представляет собой резонансную нагрузку для усилителя мощности.

Оригинальная АУМ описана в [50]. При работе АУМ в режиме передачи входное сопротивление излучателя 2а близко к 2опт, при котором усилитель отдает в нагрузку (излучатель) максимальную

мощность Рмакс

Антенны-генераторы (АГ). Анализируя опубликованные работы по АГ, следует отметить различные типы используемых активных элементов. В качестве последних применяют транзисторы, туннельные диоды, диоды Ганна [19, 48, 51].

Устройства, описываемые в этих работах, отличаются и по способам построения излучателя. Так, в [48] описан пассивный излучатель, выполняющий функцию контура, а в i[19, 51] - функции элементов контура активных схем. Остальные особенности устройств ие являются принципиальными и обусловлены различием схем генераторной части устройства и условиями их работы.

В АГ на туннельном диоде [16] в качестве излучающего элемента использован полуволновый диполь (рис. 1.20), который, являясь элементом контура генератора, в комбинации со шлейфом определяет частоту генерации 145 МГц. Другим примером АГ

является устройство [5i], выполненное на диоде Гаяна (или ла-;винно-пролетном диоде). Полуволновый вибратор, объединенный С активной частью, и проводники, через которые напряжения смещения от источника подаются к активному элементу, изготавливаются печатным способом на пластине из диэлектрика. Диод укреплен на вибраторе, при этом один его электрод подключен непосредственно к одному плечу вибратора, а другой - к другому плечу через небольшой проводник. Индуктивность этого проводника вместе -с подключенной параллельно входу емкостью обеспечивает необходимое для возбуждения диода согласование его сопротивления с со-шротивлением вибратора.

Глава 2

АНТЕННЫ-УСИЛИТЕЛИ ДЛЯ БЫТОВОЙ РАДИОАППАРАТУРЫ

Известный интерес радиолюбителей к АУ ;был отражен на страницах журнала Радио в !975-76 годах [53, 54], причем, если в работе [53] читателю было предложерю краткое изложение некоторых идей интеграции антенн и усилителей, то через год в работе 154] была описана радиолюбительская констругщня активной автомобильной антенны. В 1971 -г. в ФРГ былк опубликованы статьи, адресованные непосредственно радиолюбителям [55, 56], в которых были даны основные теоретические положения для расчета АУ. В предлагае-мой книге было нецелесообразно отдельно излагать вопросы теории АУ для радиолюбителей. В соответствующих главах книги радиолюбитель найдет основные предпосылки и правила для конструирования АУ, в данной же главе приведены в основном схемы и примеры конструкций АУ для бытовой радиоаппаратуры: телевизионных приемников, радиоприемников и автомобильных радиоприемников, а также сведения, полезные радиолю-бителям и почему-либо не вошедшие в другие главы книги. Глава написана в основном по материалам зарубежных публикаций, а отечественные материалы по этим вопросам приведены в библиографии, доступной широкому кругу радиолюбителей.

2.1. АВТОМОБИЛЬНЫЕ АНТЕННЫ-УСИЛИТЕЛИ

Широко применяемые в настоящее время в качестве автомобильных телескопические антенны имеют известные недостатки. Ограничения на длину телескопической

антенны и волновое сопротивление кабеля, соединяющего ее с приемником, не позволяют обеспечить в равной степени'оптимальные условия приема в диапазоне УКВ и одновременно в диапазонах ДВ, СВ, КВ. Кроме того, небрежное обслуживание, например, неполное выдвижениенижнего звена телескопической антенны и проникающая в стыки вода уменьшают мощность принимаемого сигнала. Телескопические антенны имеют ограниченный срок службы, а их монтаж на некоторых типах авто--мобилей затруднен или возможен в неоптимальных, с точки зрения качества радиоприема, местах.

Автомобильные АУ, достаточно широко распространенные за рубежом и в нашей стране, отличаются от телескопических более приемлемыми размерами и требуют меньшего ухода. При этом их стоимость не выше стоимости телескопических.

Прежде чем перейти к описанию конструкций автомобильных АУ, целесообразно привести некоторые сведения об условиях приема в радиовещательных диапазонах ДВ, СВ и УКВ, а также пояснения о возможности улучшения качества приема с помощью автомобильных АУ.

Длинные и средние волны ночью. Распространение этих радиоволн сопровождается малыми потерями, напряженность поля в этих диапазонах составляет

1 мВ/м, что является достаточным даже для встроенных антенн портативных приемников. В этих диапазонах качество и дальность приема определяются в основном помехами от передатчиков, работающих в диапазонах приема. Для этих диапазонов повьшгения эффективности антенны, как правило, не требуется и возможность уменьшения габаритов АУ является при этом главным преимуществом.

Средние волны днем- Эти волны распространяются как поверхностные (земные) волны и подвергаются значительному затуханию, например, порядка 20 дБ/100 км на частоте 1600 кГц и 10 дБ/100 км на частоте 550 кГц [57]. При этом уменьшается (но по-другому) и напря-женн®сть поля помех, это различие сильно влияет на . качество приема. В условиях радиопомех больших городов улучшение качества приема является сложной проблемой. В загородной зоне прием может быть значительно лучше, но при условии хорошей чувствительности приемников.

Рис. 2.1. Распределение силовых линий вблизи автомобиля

УКВ. Для ЭТОГО диапазона можно улучшить условия приема из-за низкого уровня внешних помех (как атмосферных и космических, так и от радиопередатчиков). При подавлении помех от системы зажигания двигателя автомобиля, которое обычно реализуется в автомобильных АУ, возможности приема ограничиваются - только собственными шумами приемника и АУ. В движущемся автомобиле на значительном удалении от УКВ радиостанции можно, однако, наблюдать эффект периодического замирания сигнала.

Для всех радиовещательных диапазонов наиболее благоприятна вертикальная . поляризация антенн, но в УКВ диапазоне часть станций работает при горизонтальной поляризации, поэтому для выяснения оптимального места размещения вертикальной антенны рассмотрим картину силовых линий вблизи автомобиля (рис. 2.1). Максимум приема сигнала соответствует такому положению антенны, когда ее пересекает возможно большее число эквипотенциальных линий. Как видно из рис. 2.1, если антенна должна обеспечивать прием сигналов разной поляризации, ее нежелательно устанавливать в центре крыши автомобиля. Ее целесообразно размещать у зеркала заднего вида или у заднего скоса багажника.

Чувствительность пассивных и активных антенн. Современные транзисторные приемники имеют достаточный запас усиления, поэтому увеличение усиления с помощью АУ необходимо лишь для того, чтобы подавить собственные шумы автомобильного приемника. Если с увеличением усиления АУ (т. е. с увеличением усиления ее активного прибора) шумы, поступающие на вход приемника, становятся интенсивнее собственных шумов, то это ухудшает динамический диапазон приемника. Точный анализ этих условий для низкочастотных (нерезонанс-