жение эквивалентного источника шума при условии, что Ra можно пренебречь (/гД<0,05), определено следую-шим выражением:

й\у = ТМ (1 + .4c! + Q (4-28)

где /з - ток затвора полевого транзистора (сетки лампы). С помощью отношения fjf учитывается шум мерцания (шум на низких частотах), причем для полевых транзисторов, как правило, /т1<100 кГц. Коэффициенту для полевых транзисторов равен 0,7 ... 1,0, а для ламповых триодов --З [80]. Второе слагаемое в выражении (4.28) характеризует параллельный источник шума г'ш, и его следует учитывать на частотах ДВ, СВ диапазонов или (и) при малых размерах собственно антенны.

Из выражения (4.28) следует формула для определения эквивалентного шумового сопротивления Raay-

+0,51 [мГц]}Ч(Са + Су) [пФ]р- ( -2)

Иа рис. 4.10, где приведены зависимости эквивалентного шумового сопротивления от частоты для полевых транзисторов, заштрихованная область соответствует эквивалентному шумовому сопротивлению типичных ДВ, СВ и KB бытовых радиоприемников (fnp=8 ... 40). Как видно из рис. 4.10, на частотах выше 100 кГц отношение Reup/Raay может быть В чрсделзх 0,1 ... 1,0 и возможность улучшения отношения сигнал/шум при интеграции высокоомного усилителя с короткой антенной определяется возможностью выигрыша в коэффициенте деления напряжений (рис. 4.9).

Усилительные и шумовые характеристики приемной системы с АУ рассмотрены без учета шумовых характеристик внешнего пространства. Сопоставим эквивалентную напряженность шумового поля приемной системы с АУ и напряженность шумового ПОЛЯ внешнего npocTpaHCTBa. Из выраже-

0/72 0,06 0,2 0,6 0,04 0,1 0,4 1

2 4 10

Рис. 4.10. Зависимость эквивалентного шумового сопротивления от частоты для полевых транзисторов

НИИ (4.22) и (4.28) для электрически коротких антенн (/г/Х<0,05) получаем:

шау

Af -Ад . 2<7/з

(4.30)

1/2

( оСз)

Если рабочая частота достаточно велика, то с учетом выражений (4.29) и (4.30) для /?эау справедливо:

Между Су и F21 для полевых транзисторов и ламповых триодов имеется определенная зависимость. Например, для ламповых триодов [80]

(121/Су)ма,<с^2,5[ммО/пФ]. (4.32)

Это позволяет определить оптимальную крутизну лампы, при которой Яэяу минимально. При v=3 и Са, определяемой по формуле (4.25), нижняя граница реализации для 7?эау как функция от высоты собственно антенны определяется из неравенства

?эау[Ом]500 г[М]. (4.33)

Это выражение справедливо в диапазоне частот 1 ... 10 МГц и при высотах собственно антенны 0,5 ... 3 м. Для полевых транзисторов можно обеспечить примерно такие же значения Rs&y- Например для полевых транзисторов, у которых СуЪ ... 5 пФ и F2il0 мА/В, имеем следующую границу для R&y-

/?3ay[OM]80(l-fO,6 i[M])2. (4.34)

Большую крутизну У21 при небольшой входной емкости имеют преимущественно полевые транзисторы для диапазонов СВЧ. Таким образом, для нерезонансных АУ в области низких частот целесообразно использовать полевые транзисторы, предназначенные для работы в диапазоне СВЧ (например КП350Б). Заметим, что в нереэонансных АУ первый каскад усилителя работает в режиме сильного рассогласования, что вызывает необходимость в последующих каскадах, которые выполняют функции дополнительного усиления сигнала и согласования с линией передачи [83]. Больщре значение для

полевых транзисторов имеет выбор режима питания по постоянному току, который определяет такие характеристики, как динамический диапазон по перекрестной и взаимной модуляции, и влияет также иа усилительные и шумовые свойства усилителя. Вопросы нелинейных искажений в АУ рас- 10 сматриваются в гл. 6.

Из рис. 4.11, где показаны ю зависимости от частоты экви- валентной напряженности шумового поля для пассивных штыревых антени и штыревых АУ с различной высотой к, видно, что по мере уменьшения частоты преимущество АУ возрастает. Если обычную 6-метровую штыревую антенну заменить I-метровой АУ на полевом транзисторе, то эквивалентная напряженность шумового поля последней на частоте 10 кГц примерно на 40 дБ меньше, чем для пассивной антенны с приемником. Напомним, однако, что для приемной системы с АУ это преимущество сохраняется только при условии обеспечения достаточно большого (по крайней мере в несколько дБ) коэффициента усиления усилителя в АУ. Один каскад усилителя на полевом транзисторе при рассогласовании, обычно имеющем место в нере.зо-нансных АУ, обеспечивает коэффициент усиления по напряжению около единицы, что недостаточно для реализации видимого из рис. 4.11 преимущества антенн-усилителей, перед приемными системами с пассивными антеннами.

Штрих-пунктирная кривая на рис. 4.11 проходит через средние значения напряженности шумового поля внешнего пространства. Как видно, уровень шумов приемной системы с 6-метровой пассивной антенной и приемником (/пр=10) в диапазоне выше 100 кГц больше, чем уровень шумов внешнего пространства, и поэтому в этом диапазоне частот целесообразно применять АУ.

W ю 10 10 2iiB 2 6 2 ifB 2f,m

Риа 4.11. Зависимость эквивалентной напряженности шумового поля от частоты

- для АУ на полевом

транзисторе,--- для приемной системы с пассивной антенной (Fjjp=10),---для

средней величины шумов внешнего пространства

иВ

Уже 1-метровая АУ на полевом

транзисторе дает желаемое улучшение, а 2-метровая лучше по шумовым характеристикам в диапазоне 10 кГц ... 30 МГц. Дальнейшее увеличение высоты собственно антенны в АУ нецелесообразно, так как проявляется влияние шумов внешнего пространства, что приводит к ограничению чувствительности прием-

Рис 4.12. Улучшение чувствительности приемной системы с помощью индуктивности

ный выигрыш в чувствительности приемной системы с АУ по сравнению с чувствительностью приемной системы с пассивной антенной меньше, чем отношение напряженностей шумовых полей.

На практике бывает необходимо получить максимальный выигрыш 1В чувствительности приемной системы в относительно узкой полосе частот, сохраняя, однако, общую широкополосность приемной системы. При использовании полевого транзистора это можно обеспечить, включив последовательно между собственно антенной и усилителем индуктивность. С учетом затухания сигнала и собственного шума из-за тепловых потерь в индуктивности, которые выражаются коэффициентом потерь tgS, получим для этого случая вместо выражения (4.30):

2<7/з

[(?a + °>пncлtg8)* + (< L ,-Ь;rз)=].

(4.35)

На рис. 4.12 показаны зависимости эквивалентной напряженности шумового поля для АУ на полевом трант зисторе с различными индуктивностями для высот собственно антенны 1 и 2 м. Ширина и глубина резонансного провала из-за малого в большей степени зависит от потерь tg 6 в индуктивности, которые при расчетах по выражению (4.35) принимались равными 0,01.

Таким образом, изложенный в настоящем разделе материал подтверждает, что непосредственное соединение антенны и усилителя с высоким входным сопротивлением (например, на полевом транзисторе) позволяет получитьширокополосную приемную систему для ДВ. СВ KB и нижней части УКВ диапазона при малых электрических размерах собственно антенны. Чувствительность приемной системы с такой иерезонансной АУ может быть существенно лучше чувствительности приемной системы с пассивной антенной значительно больших размеров, чем собственно антенна в АУ. Наличие между антенной и усилителем линии передачи даже небольшой длины резко сужает полосу пропускания такого устройства.

Необходимым условием эффективной работы таких АУ является, как правило, введение в них дополнительных каскадов на полевых или биполярных транзисторах для дополнительного усиления сигнала и согласования АУ с низкоомной линией передачи.

Вследствие неизбежного ограничения чувствительности приемной системы с АУ шумами внешнего пространства для размеров собственно антенны в АУ имеется верхний предел (около 2-3 м для АУ с полевыми СВЧ транзисторами), когда увеличение размеров собственно антенны уже не приводит к заметному улучшению чувствительности приемной системы сАУ. Нижний предел размеров собственно антенны в АУ обусловливается уменьшением ее к. п. д.

4.4. ШТЫРЕВЫЕ АНТЕННЫ-УСИЛИТЕЛИ НА МАЧТАХ

На практике зачастую приемные антенны поднимают над поверхностью земли так, как условно показано на рис. 4.13,а. Падающее поле напряженностью Е^, возбуждает между клеммами 1 и 1 напряжение холостого хода сЛд. Если общая высота остается меньше ,V20, то /1д при неизменной высоте антенны h непрерывно возрастает с увеличением высоты основания мачты Ki (рис. 4.13,6). Если высота установки уже не слишком мала по сравнению с длиной волны, то могут иметь место резонансные эффекты, как показано на рис. 4.13,6 сплошной линией для частоты 10 МГц. Максимальный прием в этом случае обеспечивается, как известно, при условии /1м = (Я/4) {\+2п), п=0, 1, 2 ... и минимальный

Рис. 4.13. Штыревая антенна на вертикальной мачте (в) и зависимость эффективной высоты между клеммами /-/ от размера мачты Ам при А= =1 м (б)

JOB W W

1 0,5 0,1

О

0,3 г 3 10 В„,М S)

прием имеет место прн высоте мачты около (Х/2) (!+ ). Эти резонансы тем резче, чем больше размер мачты. Сплошная кривая на рис. 4.14 соответствует цилиндрической мачте из диэлектрика, внутри которой (или рядом с ней) проходит антенный кабель. На практике часто используются электрически проводящие мачты. Для такого случая (проводящая коническая мачта высотой 15 м с антенной высотой I м) результаты расчетов и измерений на модели [80] показаны на рис. 4.14 штриховой линией.

Перейдем к обсуждению вопросов интеграции вы-сокоомных по входу усилителей, встраиваемых в точки 1-Г-2 (рис. 4.13), с антеннами на мачтах и выбору оптимальных соотношений длин собственно антенны и мачты для таких устройств.

При небольших входных емкостях усилителя Су и высоте собственно антенны порядка 1 м коэффициент деления напряжения t/y/f/np незначительно зависит от высоты мачты км, а отношение эквивалентной напряженности шумового поля вш ау ДЛЯ АУ, установленной на мачте, к е'шау для АУ, смонтированной на проводящей плоскости, выражается довольно точно в виде условия [80]:

шау/ шау - д/д*

(4.36)

-itO

1 г ъ'I 6 10 г,мгц

Рис. 4.14. Зависимость эффективной высоты штыревой антенны (й=1 м) на мачте (Лм= =15 м) от частоты

- цилиндрическая мачта d

=8 мм (расчет), -:--коническая

мачта (расчет и эксперимент)

0J 0,Ъ 1 5 h,M

Рис. 4.15. Зависимость отношения эквивалентных напряжен-ностей шумовых полей штыревой антенны от высоты мачты (ft=l м)

Зависимость этого отношения от высоты мачты показана на рис. 4.15 для случая равенства диаметров мачты и собственно антенны {d=du-8 мм). Как видно из рис. 4.15, для более низких частот обеспечивается значительный выигрыш в чувствительности при увеличении

0,8 0,В 0,4 0,2

0,2 0,4 O,0 0 /fi

Рис. 4 16. Зависимость от относительной высоты Лм/Л,5: для пассивной антенны

---относительной емкости антенны CJC\. - отнотеняя

JI Е ---отисшения

Рис. 4.17. Зависимость от высоты мачты Ам (Л 51=3 м) для АУ

- - емкости антенны С^,--

напряжения на входе усилителя АУ при различных значениях входной емкости усилителя Су

высоты мачты, а для более высоких частот могут иметь место резонансные явления.

Зависимости относительной емкости антенны и действующей высоты от высоты мачты /г„ при заданной общей высоте приведены на рис. 4.16 для hjd = 100 ...1500 и при /г^<Я/20. Величины со штрихом

соответствуют /г = 0. Вследствие увеличения отношения (при увеличении hjh.j от 0,5 до 0,8 и постоянного уменьшения при этом отношения CJC для каждого значения входной емкости усилителя будет иметь место оптимальная высота /г^ при данной высоте h. Рассмотрим эту оптимальную высоту для пассивной антенны. Предположим, что реактивное сопротивление антенны гораздо больше волнового сопротивления линии передачи р, так что для эквивалентной напряженности шумового поля приемной системы с пассивной антенной шоп будет справедливо [80] выражение

(1/.йд) кладСвд- 1)/р~ I/CA- Ci-s?)

Таким образом, минимум шумов достигается при максимальной величине произведения С^Нд.

На рис. 4.16 штриховой линией показано отношение

Vieniou)le\ou = C,hJCh\=UJU, (4.38)

Как видно, оптимальная высота точки деления для пассивной антенны находится у основания установки.

Рассмотрим теперь случай включения высокоомного усилителя между клеммами 1-1-2 (см. рис. 4.13,й;). Если частота не слишком мала и ftj,/2<l/20, то из

выражения (4.31) с учетом пояснения к выражению (4.22) получаем:

(4.39)

На рис. 4.17 показана для установки'с общей высотой ftj; = 3 м зависимость UJE от высоты /г„ для различных емкостей Су. Как видно, имеют место явно выраженные максимумы, которые при возрастании емкости

сдвигаются в сторону уменьшения высоты мачты. Если Суг=5 пФ, то при А^З м оптимальная высота мачты будет 1,75 м (и высота собственно антенны 1,25 м). Улучшение отношения сигнал/шум, которое обеспечивается выбором оптимальной точки включения по сравнению с 3-метровой штыревой антенной с таким же усилителем, установленным у ее основания, составляет 2,6 дБ. К этому добавляются еще два преимущества. Во-первых, условия заземления часто бывают неудовлетворительными и при встраивании усилителя иа некоторой высоте hu над поверхностью земли они влияют меньше, во-вторых, появляется возможность механического крепления мачты более простыми средствами.

Глава 5

РЕЗОНАНСНЫЕ АНТЕННЫ-УСИЛИТЕЛИ

К резонансным относится обширный класс АУ, в которых собственно антенна и усилительный прибор соединяют таким образом или через такие цепи связи, чтобы обеспечить при этом наилучшее отношение сигнал/шум на выходе приемной системы в заданной полосе частот. Как указывалось в гл. 4, между резонансными (полосопропускающими) и нерезонансными (широкополосными) АУ нет четкой границы и мере расширения полосы пропускания АУ (по отношению сигнал/шум) соответствует мера рассогласования собственно антенны и усилителя [82], однако методы расчета АУ обоих типов весьма различны. Основная проблема, рассматриваемая в данной главе-проблема оптимального согласования источника сигнала (собственно антенны) с линейным шумящим усилительным прибором для получения максимального отношения сигнал/шум в заданной полосе частот--является фактически общей для резонансных АУ и входных цепей радиоприёмников. Специфика, которую вносит в эту проблему техника АУ, наглядно проявится при рассмотрении конкретных конструкций' резонансных АУ, выполненных на основе того теоретического анализа, к которому мы теперь приступим.

Общность рассматриваемой проблемы с проблемами линейных шумящих цепей делает необходимым начать анализ с некоторых общих положений этой теории применительно к АУ.

5.1. СПОСОБЫ ВЫРАЖЕНИЯ ШУМОВОЙ . ХАРАКТЕРИСТИКИ АНТЕНН-УСИЛИТЕЛЕЙ

Известно несколько способов оценки шумов элементов электрических цепей и влияния шумов на отношение сигнал/шум. Одни из них общеприняты: эквивалентные источники тока и напряжения шу.ма, шумовые сопротивления и проводимости, шумовая температура; другие в окончательном виде не определились и в настоящее время являются предметами дискуссий: коэффициент шума, шумовое число и мера шума [84-90].

Важнейшей для практики характеристикой усилительных и шумовых свойств приемных цепей является, как известно, отношение сигнал/шум. Оно показывает превышение сигнала над шумом в заданной точке электрической цепи и лежит в основе определения коэффициента шума.

Коэффициент шума является показателем, характеризующим ухудшение отношения сигнал/шум при прохождении сигнала через электрическую цепь с внутренними источниками флуктуации. В настоящее время не существует единственного общепринятого определения этого показателя, так же как единственного общепринятого определения коэффициента усиления (передачи). Не останавливаясь подробно на известных исторических аспектах развития этих понятий, заметим, что можно привести в соответствие известные определения коэффициента усиления (передачи) четырехполюсника и коэффициента шума, так что каждому показателю передачи будет соответствовать определенный коэффициент шума, совместимый с ним и определяемый в аналогичных условиях [87]. Выбор того или иного показателя усиления и шума определяется условиями решаемой задачи. Забегая несколько вперед, отметим, что в данной работе используются понятия номинальных коэффициентов усиления и шума четырехполюсника (при исключении флуктуации нагрузки). Напомним, что номинальный коэффициент усиления системы источник - четырехполюсник - нагрузка определяется в режиме согласова-