Измерения нелинейных искажений в АУ желательно проводить в безэховых камерах, исключающих возможность приема во время измерений посторонних сигналов. Б KB и более длинноволновых диапазонах радиоволн можно применять экранированные камеры [102]. Этот метод будет описан далее.

Очевидно, что динамический диапазон АУ (гау, /)зау, Daap ау) зав'исит ОТ комбинаций частот, для которых производятся измерения, и определяется, во-первых, избирательностью собственно антенны и согласующей ее с транзистором цепи в АУ и, во-вторых, коэффициентом нелинейных преобразований (показателем нелинейности) в самом активном элементе (транзисторе) АУ. Последний коэффициент меняется с частотой очень плавно, поэтому нет необходимости проводить измерения для большого числа комбинаций в тех случаях, если известен результат для одной комбинации и известны избирательные свойства собственно антенны и согласующей ее с транзистором цепи.

Наиболее полную информацию о помехозащищенности АУ можно получить из анализа зависимости уровня нелинейных искажений, пересчитанных в эквивалентную напряженность Есэ(Евз), которая вызывает данный уровень нелинейных искажений на входе АУ, от уровня напряженности поля сигналов помех £1 и £2 на частотах fl и /г- Пересчет уровня сигнала йнтермодуляции на выходе АУ в эквивалентную напряженность поля осуществляют исходя из известных соотношений. С учетом того, что в режиме полного согласования антенны (т. е. поляризационного согласования и согласования с нагрузкой) между напряжением, измеренным приемником на зажимах антенны U.a, и напряженностью электрического поля Ее в точке приема существует известное соотношение Ua=42EcIkF(Q, ф), где F(6, ф)--диаграмма направленности антенны, можно записать:

-а

где /д

мкВ/м отнау[ДБ],

мкВ

-f 6[дБ]-

(6.22)

м

= ioig(

- действующая длина эталон-

ной антенны на частоте взаимной модуляции; Оотнау - коэффициент усиления АУ относительно эталонной антенны на частоте взаимной модуляции.

в правой части (6.22) прибавляется 6 д6, так как иапряжение холостого хода (э. д. с.) на разомкнутых зажимах эталонной антенны в 2 раза больше напряжения, измеряемого на этих зажимах приемником в режиме согласования.

Напряженности полей сигналов помех Ei и £2 можно определить по результатам измерений напряжений C/j и С/2 на выходе эталонной антенны (ЭА) по выражению (6.22) при подстановке Оотиау==0 и согласовании тракта на t.acTOTax измерений. Величина /д при этом определяется для частот fx и /2- Другие способы определения £1 и £2 по результатам измерений C/j, С/2 и С/вз на выходе антенны будут описаны при рассмотрении методики и.эмерения нелинейных искажений для широкополосных АУ KB и более длинноволновых диапазонов.

Измерения нелинейных искажений (взаимной моду-лящ^и) по схеме на рис. 6.1 проводят в следующей последовательности.

1. Включают эталонную антенну и генераторы Г1 и Г2 настраивают на заданные частоты fi и /г. Приемник последовательно настраивают на частоты fi и /2 и измеряют C/i и С/2 на выходе эталонной антенны. Уровни сигналов частот fx и /2 регулируют таким образом, чтобы напряженности полей £1 и £2, определяемые по выражению (6.22) при Оотппу-О, были равны заданным.

2. Приемник настраивают на частоту сигнала взаимной модуляции и измеряют его уровень С/вз в данной схеме измерений.

3. Вместо эталонной антенны включают АУ и на приемнике фиксируют уровни сигналов C/i и U2 на частотах /i и /г и затем сигнала С/],зау на частоте взаимной модуляции.

Если уровни сигналов C/i и U2 на выходе АУ превышают уровни C/i и С/2, замеренные по п. 1 на выходе эталонной антенны, то необходимо вновь произвести измерения по п. 1, 2 с эталонной антенной, регулируя выходную мощность .генераторов П и Г2 так, чтобы амплитуды сигналов частот fx и /2 иа выходе эталонной антенны были равны U\ и U2, и определить С/вз.

Величина С/взау определяет уровень составляющей взаимной модуляции в АУ, если она существенно (в 10 и более раз, в зависимости от требуемой точности измерений) превышает С/вз в схеме с эталонной антенной. В противном случае необходимо принимать меры для

уменьшения Ub в схеме с эталонной антенной (добиваться лучшей развязки между генераторами, улучшать фильтрацию сигналов с помощью фильтра ФЗ или использовать аттенюатор A3).

По результатам измерений t/ и / зау определяют £ и и строят зависимость Е^ от E f:=YEE. Из этой зависимости можно определить и динамический диапазон АУ как разность между Е^

мкВ/м

при определенных их значениях.

Измерение перекрестной модуляции проводится по такому же принципу. При данных папряженностях полей сигнала Ее (на частоте fi) и помехи Е„ (на частоте fa) она оценивается отношением уровня низкочастотного сигнала на- выходе приемника в отсутствие помехи при глубине модуляции сигнала гпс к уровню низкочастотного сигнала на выходе приемника при немодулирован-ном полезном сигнале и в присутствии сигнала помехи с глубиной модуляции та=тс. Перекрестную модуляцию можно оценивать также эквивалентной напряженностью поля Ed= lmEcEu, где т - глубина модуляции сигнала £0 в генераторе Г1 при заданной амплитуде сигнала на низкочастотном выходе приемника. Наконец, ее можно оценить по результатам измерения взаимной модуляции по формуле (6.3) при замене С/г на £2 и С/ця на Ее э.

Рассмотрим методику и некоторые результаты измерений нелинейных искажений для нерезонансных АУ KB и более длинноволновых диапазонов [102] (рис. 6.2).

Гг (fz)

П

-<fm

Рис. 6.2. Схема измерения нелинейных искажений в экранированной камере

Большая камера из медных пластин защищает установку от проникновения любых помеховых полей, а также и шума внешнего пространства, весьма большого в рассматриваемых диапазонах. Кроме того, на частотах ниже 30 МГц электрическое поле в ней, возбуждаемое короткой передающей антенной (ПА), практически частотно-независимо. Размеры экранированной камеры по отношению к размерам проверяемых антенн выбирают такими, чтобы не было искажений поля на входе антенны, с одной стороны, и не возникало внутреннего резонанса, с другой. Указанные на рис. 6.2 размеры обеспечивают эти условия для антенн размерами меньше 50 см и для полей частот значительно меньше 30 МГц. В этом поле измеряются только нелинейные искажения антенн, являющихся электрическими вибраторами. Напряженность магнитного поля внутри камеры, как указывается в [102], увеличивается с повышением частоты. Измерения начинаются с приемных пассивных антенн с известной действующей высотой. С помощью таких стандартных антенн измеряют напряженность поля внутри камеры в месте расположения приемной антенны. Испытуемые антенны представляют собой устройства с большим выходным сопротивлением, поэтому сопротивление приемника относительно мало и при измерениях определяют выходной ток короткого замыкания антенны:

/кз=£/г(оСа. (6.23)

Емкость антенны Са измеряют заранее как постоянную и .из формулы (6.23) при известной Лд можно определить напряженность поля:

£=/ з г„(оСа. (6.24)

Этим методом можно определить затем действующую высоту произвольной антенны:

/1д=/кз/£соСа.

В описанной установке можно измерять также собственный шум АУ (без шумов внешнего пространства, которые не проникают в камеру).

При измерениях взаимной модуляции второго порядка, которая является доминирующей для нерезонансных АУ, в передающую антенну подаются сигналы частот fi и [г и измерительный приемник (ИП) настраивается на частоту помехи f =fi-/а (fi+f2). Составляющая взаимной модуляции измеряется на звуковом выходе приемни-

ка селективным вольтметром (СВ), для чего сигнал частоты fl в генераторе Г1 модулируется частотой, например 1 кГц (fm). Сигнал на звуковом выходе приемника имеет три источника: 1) нелинейность АУ, 2) нелинейность приемника; 3) непосредственный линейный прием сигнала частоты fi (модулированного), когда fi близко к fn. Эти эффекты можно разделить также, как описано для схемы на рис. 6.1. Отметим, что, как показывает практика измерений, необходимо заботиться еще о развязке генераторов Г/ и Г2.

При измерениях нелинейных искажений в экранированной камере высокочастотным вольтметром (ВЧ) измеряют амплитуды сигналов на выходе генераторов Г1 и Г2, квадратичным вольтметром (KB)-амплитуды сигналов на выходе ИП.

Приведем теперь некоторые результаты измерений нелинейных искажений для одной из конструкций АУ KB диапазона (рис. 6.3). При описанной методике измерений выражение Еа=]/тЕхЕ2, где т -глубина модуляции сигнала в генераторе П, определяет формально напряженность поля, от которой зависит амплитуда мешающего сигнала (частоты 1 кГц) на звуковом выходе приемника. На рис. 6.4 представлены величины Еа, для которых среднеквадратическая величина мешающего сиг-

Рис. 6.3. Схема АУ

гоо

0,3 7,0 3,0 Г,МГц

Рис. 6.4. Результаты измерений взаимной модуляции второго порядка АУ, выполненной по схеме на рис. 6.3

нала на частоте 1 кГц равна на звуковом выходе среднеквадратичной Величине шума при выключенных генераторах П и Г2, для двух разных частот настройки приемника U=\o-h-h- Зависимость от частоты настройки fc появляется вследствие нелинейности приемника, а не АУ. Когда частота-fi приближается к частоте канала /с, избирательность приемника уменьшается и увеличивается влияние его нелинейности, поэтому кривые идут вниз. Таким образом нелинейность самой АУ можно измеритьтолько при достаточном удалении \\ (и /2) от fc. Средний уровень Е^, из-за нелинейности АУ равен приблизительно 200 мВ/м. Из рисунка видно, что нелинейность приемника в данном случае значительно превышает нелинейность АУ. Высокая линейность АУ по схеме на рис. 6.3 объясняется тем, что усилитель выполнен по схеме Дарлингтона.

Для частот выше 30 МГц в экранированной камере (рис. 6.2) уже не удается обеспечить приемлемые для измерений условия, однако в этом случае можно избежать непосредственных измерений напряженностей полей £1 и £2, если конструкция АУ позволяет подавать сигналы от генераторов Г1 и Г2 на выход собственно аптеииы через, например, небольшую емкость Сц (рис. 6.5). Сопротивление 11/соСк на частотах измерений должно быть много больше сопротивления собственно антенны поэтому для нерезонансных АУ этот

fX T V о-1

Ъ' 7

Рнс. 6.5. Измерения нелинейных искажений в АУ по схеме четырех-тюлюсника

метод может быть неприемлем. Если же это условие соблюдается, то токи Ii частоты fi и /г частоты /г, поступающие через емкость Ск, почти не зависят от Za и определяются только напряжениями Ui и U2 двух сигналов помех, измеренных высокочастотным вольтметром на зажимах сопротивления нагрузки генераторов R . Токи /1 и h равны:

/] -f/lCOiCi,-, /2=СУ20)2Ск (6.25)

и имитируют токи короткого замыкания собственно антенны как источника сигналов усилителя на частотах fi и /2- Выходная мощность на зажимах собственно антенны /-/ для сигналов частот fj и /2 соответственно равна:

= -7==4-Аз- (6.26)

==4-i=4-f (6-27)

гдег gal, ga2 - вещественные части внутренней проводимости генератора, эквивалентного собственно антенне ya=l/Za на частотах /, и /2; Zo - волновое сопротивление свободного пространства; Aia, Л2Э - эффективные площади собственно антенны на частотах f, и fz, Ei, £2 -напряженности электрических полей в свободном пространстве, соответствующие мощностям Pi и Рг на зажимах 1-V собственно антенны.

Из выражений (6.25) - (6.27) получаем формулы для расчета Ei и £2:

Таким образом, если известны la, А20, gai и ga2, то нелинейные искажения в АУ можно измерять по схеме на рис. 6.5. По этой схеме были проведены измерения взаимной модуляции третьего порядка (2f,-fz) для УКВ канала (86,5 ... 104 МГц) активной автомобильной антенны ALPHA-3, описанной в гл. 2. При измерениях на выходах генераторов П и Г2 были выставлены такие значения Ui и Сг, при которых амплитуда сигнала взаимной модуляции на выходе АУ на 40 дБ ниже амплитуд сигналов на частотах fi и /г (также на выходе АУ).

702 f,/iri

Рис. 6.6. Результаты измерений взаимной модуляции третьего порядка УКВ канала автомобильной АУ

Такие условия измерений были обусловлены тем, -что динамический диапазон автомобильного приемника около 40 дБ. На рис. 6.6 приведены рассчитанные по Формулам (6.28), (6.29) зависимости для разных токов в цепи эмиттера 1 транзистора BF-200 (Г5 на рис. 2.3), который применен в схеме усилителя без каких-либо специальных мер повышения линейности. Из рис. 6.6 видно, что существует оптимальный ток эмиттера, при котором уровень составляющей взаимной модуляции третьего порядка наименьший. В данном случае этот ток равен 1,5 мА. Для биполярных транзисторов оптимальный ток мал, и обеспечивать его в схемах усилителей на биполярных транзисторах особенно для частот более 100 МГц нецелесообразно, так как взаимная модуляция при этом уменьшается незначительно (для любых частот) и сильно зависит от температурных условий [105]. Более правильным с этой точки зрения является обеспечение максимально возможного тока [104, 105]. Наблюдаемый в описанном случае эффект (рис. 6.6), видимо, связан с изменением усиления транзистора при изменении тока, а также нелинейностью приемника.

Следующий раздел главы посвящен сравнению полевых и биполярных (германиевых и кремниевых) транзи-сторов с точки зрения их применения в резонансных АУ.

6.3. СРАВНЕНИЕ НЕЛИНЕЙНЫХ ИСКАЖЕНИЙ В АНТЕННАХ-УСИЛИТЕЛЯХ НА БИПОЛЯРНЫХ И ПОЛЕВЫХ ТРАНЗИСТОРАХ

При выборе типа транзистора для АУ необходимо принимать во внимание характеристики его линейности. Однако следует отметить, что исследований, специально посвященных сравнительному анализу нелинейных искажений в биполярных (германиевых и кремниевых) и по-

Рис. 6.7. Схема АУ на транзисторе КП350Б

левых транзисторах, фактически нет, а, например, распространенное мнение о том, что полевые транзисторы обладают значительно большей линейностью по сравнению с биполярными, подвергается в некоторых случаях сомнению [!06]. В связи с этим представляет интерес рассмотреть результаты экспериментальных исследований нелинейных искажений на биполярных и полевых транзисторах [134]. Такие исследования были проведены для АУ метрового диапазона радиоволн, конструкция которой описана в §7.1.

Были выполнены три АУ этой конструкции на СВЧ транзисторах ГТ329А и КТ382А (описанные в § 7.1) и на полевом СВЧ транзисторе КП350Б (рис. 6.7). Как видно из рисунка, входная цепь усилителя на полевом транзисторе построена по двухкоптурной схе-ме. Это объясняется тем, что входное сопротивление полевого транзистора очень высоко (на частотах 100 ... 130 МГц Рвх^ 3,3 кОм и Свх^ 4,5 пФ) и одно-

8Г,Щ

Рис. 6.8. Характеристи1си усиления

АУ (Goth ау)

----Ь20Х, ----60°С,----Ь60°С

контурная входная цепь не позволяет реализовать полосу пропускания по мощности 0,1 fcp, тогда как для АУ на транзисторах ГТ329А и КТ382А это оказалось возможным. Как видно из рис. 6.8, АУ на полевом транзисторе обладает лучшей избирательностью, что объясняется одновременно как высоким входным сопротивлением транзистора, так и применением двухконтурной схемы. Высокая избирательность, безусловно, обеспечивает меньший уровень помех интермодуляции для таких комбинаций частот, когда хотя бы одна частота помехи находится вне полосы пропускания АУ, однако в данном случае интерес представляют те комбинации, когда обе частоты сигналов помехи fi и fa (или частота помехи при перекрестной модуляции) находятся в пределах или непосредственно вблизи полосы пропускания АУ. Этот случай является практически наиболее важным при исследовании взаимной модуляции в АУ, если любой из сигналов помехи на частотах fi или fa существенно ослабляется затем во входных цепях приемника. Измерения проводились по методике, изложенной в § 6.2 по схеме, изображенной на рис. 6.1, для нечетной двухсигнальной помехи вида 2fi-fafc- В качестве эталонной антенны использовался полуволновый вибратор, перестраиваемый по частоте, напряженности полей определялись по формуле (6.22).

При измерениях рассматривались еще два вопроса, представляющие значительный практический интерес. Во-первых, как известно, для полевых транзисторов существует оптимальный режим питания, определяемый напряжением на затворе или током стока [107-110] (причем, авторы этих работ рекомендуют использовать этот режим питания полевых транзисторов на практике). Для реализации оптимального тока в усилитель на полевом тетроде КП350Б был введен переменный резистор R2 (рис. 6.7), позволяющий изменять режим питания транзистора. Измерения нелинейных искажений проводились при разных режимах питания (токе стока /со)-Режим питания транзисторов ГТ329А и КТ382 был выбран близким к предельно допустимому по рассеиваемой мощности в соответствии с рекомендациями работ [104, 105]. При изменении режима питания усилителя несколько изменяется и его коэффициент усиления, что также необходимо учитывать при выборе режима питания.