Рис. 7.14. Диаграммы направленности двухдиапазонной антенны (канала ДМВ диапазона) (рис 7.8) ----плоскость £, ---плоскость я

ДМВ диапазона. Такую установку диодов можно применить также и для вариантов конструкций представленных на рис. 7.8, хотя в этом случае для усилителя MB диапазона по схеме на рис. 7.5 удается обеспечить развязку между каналами MB и ДМВ диапазонов такой двухдиапазонной антенны порядка 40 дБ и установка диодов в таком случае необязательна вплоть до излучаемых мощностей около 200 Вт (в импульсе).

При исследовании двухдиапазонной антенны (рис. 7.9 без резистора Ro) АУ MB диапазона, выполненная по схеме на рис. 7.5,6 (без диода), выдерживала мощность в импульсе (на входе канала ДМВ диапазона антенны) до 300 Вт при скважности .Q=200, а при установке диода- более 1000 Вт при такой же скважности. На входе канала ДМВ диапазона Ксти при этом меньше 1,2. Исследования такой АУ показали, что установка диодов по схеме на рис. 7.5,6 практически не приводит к ухудшению линейности АУ.

Диаграммы направленности канала ДМВ диапазона двухдиапазонной антенны показаны на рис. 7.14 для частоты (6fcp+50) МГц. Измерения проведены при установке антенны на экране с размерами 0,2Х0,5Яср.

7.3. ШИРОКОПОЛОСНАЯ ВИБРАТОРНАЯ АНТЕННА-УСИЛИТЕЛЬ KB ДИАПАЗОНА

Пример расчета и конструирования такой АУ рассмотрен в [83].

В качестве собственно антенны в АУ KB диапазона обычно используются несимметричные вибраторы или рамки. Если собственно антенна должна быть малогабаритной, применение малогабаритных рамок ограничено из-за их весьма малой действующей высоты. При использовании настраиваемых рамок усложняется конструкция устройства и затрудняется его эксплуатация из-за необходимости частотной перестройки. Поэтому наи-больщее распространение в качестве собственно антенны нашли несимметричные вибраторы (штыри).

В рассматриваемой АУ собственно антенна представ ляет собой штырь высотой 0,35 м и диаметром 0,4 см верхняя часть которого подсоединена к емкостной накладке в форме диска диаметром 20 см. Вся конструкция помещена в диэлектрический обтекатель цилиндрической формы, внутри которого на основание антенны установлена плата усилителя и вход его подключен к основанию штыря. Двухкаскадный усилитель (рис. 7.15) смонтирован на печатной плате размером 25Х Х115 мм.

В первом каскаде полевой транзистор включен по схеме с общим истоком и нагружен на широкополосный колебательный контур, образованный ВЧ дросселем и распределенной емкостью схемы. Второй каскад выполнен по каскодной схеме типа ОЭ--ОБ на двух биполярных транзисторах КТ306Г. Сопротивление нагрузки уси-

Др2,5ВтГ

Т7 А50Г

Рис. 7.15. Принципиальная схема усилителя

гг ктшг тъ АТдевг ее

0,033

Рис. 7.16. Зависимость коэффициента передачи усилителя по напряжению К-и. от частоты

1 г It о 10 w г,мгц

Рис. 7.17. Активная составляющая входного сопротивления усилителя

лителя 75 Ом. Частотная зависимость коэффициента передачи по напряжению такого усилителя в диапазоне 2 ... 60 МГц показана на рис. 7.16, а активной составляющей его входного сопротивления - на рис. 7.17. Входная емкость усилителя в этом диапазоне 4,5 ... 5 пФ.

Для АУ, особенно для широкополосных, очень важно обеспечить низкий уровень нелинейных искажений. Использование в первом каскаде усилителя полевого транзистора позволило реализовать линейность амплитудной характеристики до уровня входного сигнала 300 мВ. Уровень взаимной модуляции усилителя для комбинации третьего порядка не превышает -80 дБ при уровне каждого сигнала помехи на входе 10 мВ,-а напряжение помехи, при котором полезный сигнал на выходе усилителя начинает уменьшаться, равно 400 мВ.

В [83] приведены шумовые характеристики усилителя, и хотя они фактически не используются при конструировании широкополосной АУ, их анализ представляет интерес. При измерении шумовых характеристик калиброванный генератор шума подсоединялся ко входу усилителя через четырехполюсник, который позволял трансформировать вы.ходное сопротивление источника сигнала. Эффективная шумовая температура измерялась на частоте 7,9 МГц. Как'видно из рис 7.18, кривые равной шумовой температуры на диаграмме сопротивлений представляют собой окружности, сдвинутые в область индуктивных {входных сопротивлений. На диаграмме нанесена экспериментально полученная зависимость от частоты оптимального входного сопротивления (штриховая кривая), при которой реализуется минимум шумовой температуры. Как видно из рис. 7.18, реализация согласования по шуму для АУ на полевом транзисторе

-\1000-

+\ъооа

13DDK

Рис. 7.18. Окружности постоянной эффективной шумовой температуры усилителя

/-=1,65 МГц, г =580 к. 2-f2=7,9 МГц, 7ш=60 К, 3-/=18,7 МГц, Тц,=

требует большого входного сопротивления собственно антенны, которое при этом сильно изменяется в диапазоне частот 1,65 ... 24,4 МГц. Выполнить согласование по шуму во всем этом диапазоне практически очень трудно, так как реальные значения входных сопротивлений (сплошная кривая на рис. 7.18) существенно отличаются от оптимальных. Однако в таком согласовании нет необходимости, так как уровень внешних шумов (см. рис. 1.8) в этом диапазоне 10* ... 10 К.

Рассматриваемая конструкция является нерезонансной широкополосной АУ, т. е. устройством, в котором реализация широкополосности при малых размерах собственно антенны достигается отказом от согласования ее с усилителем и образованием на входе последнего широкополосного емкостного делителя. Эффективность нерезонансных АУ этого диапазона частот может оцениваться (без учета щумов) с помощью эквивалентной действующей высоты АУ.

Расчет эквивалентной действующей высоты АУ проводился по формуле:

(7.-13>

где /1д - действующая высота собственно антенны (Нд= =0,7 м); Ки - коэффициент передачи усилителя по напряжению; Zy-Ry]Xy - входное сопротивление усилителя,

2а = 402/1д-jpactg (М) (7.14)

- входное сопротивление собственно антенны; Ра = = 601п^---1J = 260Om; = 27i/2; r2.10-

Характеристики рассматриваемой АУ сравнивались, с характеристиками опорной пассивной антенны, в качестве которой использовался 4-метровый штырь диаметром 2 см, соединенный с приемником фидером длиной 3 м. При расчете эквивалентной действующей высотьг /1доп опорной антенны было принято: ра=320 Ом, Znp= =75 Ом, погонная емкость фидера Сф=63 пФ/м.

Результаты расчета отношения йдау/д оп показаны на рис. 7.19. При экспериментальном сравнении опорная антенна и АУ размещались на крыше металлического кузова автомашины иа расстоянии 1 м друг от друга. При измерении антенны поочередно подключались с помощью коаксиального переключателя к приемнику при приеме станций с устойчивым уровнем сигнала. В [83] отмечается, что отклонение экспериментальных результатов от расчетных объясняется тем, что входное сопротивление приемника не на всех частотах равно 75 Ом, как было заложено в расчетах.

Таким образом, АУ рассмотренной конструкции не уступает по своим характеристикам

16Г,МГц

4-метровой несимметричной вибраторной пассивной антенне.

Рис. 7.19. Зависимость от частоты выигрыша в-эквивалентной действующей высоте АУ по сравнению с опорной антенной (штырь h-\ м)

---- расчет..... эксперимент

\ \.\ 7.4. СИММЕТРИЧНАЯ ВИБРАТОРНАЯ АНТЕННА- УСИЛИТЕЛЬ

Вопросы обеспечения симметрирования при встраи-Бании транзисторов в симметричные антенные структуры уже частично рассматривались в § 2.3, где применительно к вибраторной телевизионной АУ (рис. 2.17) речь шла о необходимости осуществления широкополосного перехода от симметричной вибраторной антенны к не-симметричному коаксиальному кабелю, когда зажимы вибратора непосредственно нагружены на транзистор. Само возникновение проблемы обеспечения симметрирования связано с тем, что транзистор не является симметричным и его включение в структуру симметричной антенны нарушает симметрию устройства. Однако, как показано в [10, 64], анализ процессов, происходящих в такой АУ, подтвержденный экспериментальными результатами, свидетельствует о вполне приемлемой симметрии без каких-либо специальных мер и о пригодности таких принципов построения для создания конструкций симметричных АУ (см. рис. 2.17).

Интересные исследования по рассматриваемому в настоящем разделе вопросу выполнены авторами работы [116]. В работе рекомендовано проводить две проверки для оценки степени сим-метрии. Первая заключается в оценке влияния присоединения фидера, не возбужденного внешним полем (антенный эффект в чистом виде). Для этого необходимо определить напряжение на разомкнутых зажимах АУ, когда в разрыв оболочки включен источник напряжения или тока, а выход АУ отсоединен от фидера. Когда фидер можно возбудить внешним полем, следует проводить вторую проверку, заключающуюся в определении напряжений, создаваемых в плечах собственно антенны вследствие изменения поля фидером. В общем случае несимметрия оценивается суммарным коэффициентом, учитывающим оба фактора. В [116] рассмотрены несколько вариантов подключения усилительного прибора к собственно антенне симметричного типа, в том числе при различном построении усилителя на биполярных и полевых транзисторах. Выполненное количественное сравнение по предложенным критериям оценки симметрии показывает возможность улучшить симметрию в АУ на два порядка по сравнению с непосредственным соединением пассивной симметрия-

ной антенны с несимметричным фидером (кабелем). При этом подтверждено то обстоятельство, что, как и следе-, вало ожидать, двухтактная (балансная) схема усилителя обеспечивает практически полную симметрию. В целом предложенный метод оценки симметрии полезен для АУ на базе симметричных структур собственно антенн особенно когда размеры собственно антенны существенно уменьшены, что должно сопровождаться увеличением-степени симметрии. Вместе с тем важным преимуществом симметрирующих устройств на основе усилительных, схем являются небольшие габариты и масса АУ благодаря исключению достаточно громоздких симметрирующих устройств обычных типов.

в качестве собственно антенны симметричного типа в вибраторной симметричной АУ (рис. 7.20) используется петлевой вибратор [117]. Зажимы собственно антенны непосредственно подключены к двум противофазным входам усилителя, собранного по балансной схеме на двух транзисторах типа ГТ313В. Такая схема являет- ся одновременно и согласующей. Из области радиоприемных и усилительных устройств известно, что качество-работы балансной схемы во многом зависит от строгой противофазности сигналов, подаваемых на вход. Извест-

J L

r,fK

\ггзтзв

1 260

Рис. 7.20. Схема построения симметричной вибраторной АУ

но, что принимаются специальные меры для обеспечения такой противофазности, т. е. в схему вводятся входные цепи, выполненные определенным образом. Рассматриваемое устройство позволяет упростить входную цепь -балансного усилителя, так как симметричные антенны .имеют на зажимах противофазные потенциалы в широком диапазоне частот.

По схеме на рис. 7.20 был выполнен опытный макет АУ (рис. 7.21). Экспериментальные исследования были проведены в частотном диапазоне ±0,09 /ср со средней -частотой /ср=130 МГц и подтвердили симметрию диаграммы направленности АУ. Относительный коэффициент усиления составил 7-9 дБ (относительно полувол-иового вибратора).

При современном развитии техники микроминиатюризации в СВЧ диапазоне балансную схему можно легко встроить в зазор между плечами собственно антенны. Практический интерес представляет также возможность интеграции балансной схемы с беззазорным (т. е. сплошным) вибратором. В таком случае противофазные входы балансной усилительной схемы электрически замыкаются на точках вибратора, симметричных его средней точке. При выполнении скользящих контактов возможна 4)азовая подстройка устройства.

7.5. УСТРОЙСТВА ДЛЯ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ПИТАНИЯ ПОСТОЯННЫМ НАПРЯЖЕНИЕМ АКТИВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ АНТЕНН-УСИЛИТЕЛЕЙ

Известны различные способы подводки постоянного напряжения к усилительным приборам в АУ. В настоящее время довольно широко используется отдельная линия питания, соединяющая источник питания с АУ, в конструкции которой для этого предусматривается отдельный ввод. В некоторых конструкциях АУ KB и УКВ диапазонов этот ввод объединяется с высокочастотным выходом АУ и реализуется в виде LC или iC-цепей.

Очевидные преимущества имеет использование в качестве линии питания высокочастотного фидера (например, коаксиального кабе-.ля), соединяющего АУ с приемником. Однако во многих случаях не удается ввести в этот кабель постоянное напряжение питания не-

Рис. 7.21. Макет симметричной вибраторной АУ

посредственно в приемнике. Поэтому для использования высокочастотного тракта одновременно и в качестве линии для подачи питания необходимо использовать специальные устройства, которые позволяют ввести постоянное напряжение в высокочастотный тракт. Такие устройства вюгючают в разрыв высокочастотного тракта либо рядом с приемником, либо в том месте, где их удобно соединить с источником питания. Однако включение таких устройств не должно нарушать условия канализации высокочастотной энергии через фидерный тракт. Кроме того, такие устройства должны подавать питание только в сторону АУ, исиючая возможность его проникновения в сторону приемника.

Приведем краткое описание конструкций устройства двух типов, удовлетворяющих отмеченным требованиям. Одно из устройств построено по типу тройника [118]. Два плеча тройника, образующие основной канал устройства, вюгючаются в коаксиальный тракт. Третье плечо, к корпусу и центральному проводнику которого подключается источник постоянного напряжения, построено по принципу четвертьволнового (для средней рабочей длины волны) изолятора, зам1шутого на конце по высокой частоте с помощью конструктивной или сосредоточенной проходной емкости. В плече основного канала, обращенном в сторону приемника, осуществлен разрыв центрального проводника, а для расширения рабочей полосы частот устройства установлен низкоомный разомкнутый коаксиальный шлейф в виде металлической обоймы, охватывающей место разрыва центрального проводника. Электрические характеристики двух макетов рассмотренного устройства приведены на рис. 7.23.

Другое устройство для ввода постоянного напряжения в коаксиальный тракт построено по схеме петлевого направленного фильтра [119]. Как известно, направленный фильтр представляет собой четырехполюсник, предназначенный для разделения частотных каналов. Устройство в полосковом исполнении (рис. 7.22) содержит плечо Ф1-ФЗ, которое включают в разрыв высокочастотного тракта. Режекторное плечо Ф1-Ф2 так же, как и выход Ф4, нагружено на согласованные сопротивления (нагрузки). Устройство образовано первичной входной линией 1, вторичной входной линией 2, петлевым резонатором 5, согласованными нагрузками 4, 5 я корпусом 6. К выходу Ф1 подключается АУ, к выходу ФЗ - приемник. Устройство рассчитывается и выполняется так, чтобы при передаче ВЧ

ff 3

Рис. 7.22. Схематическое представление устройства ввода питания

DJS 0,9 1,0 1,1 1,гя/л^

I о

0.8 0,3 1,0 1,1 Л/Л^р

Рис. 7.23. Характеристики комбинированного тройника

----для МВ диапазона,---- для ДМВ диапазона

сигналов через плечо Ф1-ФЗ обеспечить минимальную потерю энергии в рабочей полосе частот приемника. Это единственное требование к устройству по высокой частоте (при необходимости число петель 3 можно увеличить).

Включение устройства в ВЧ тракт сопровождается также запиранием соседних частотных диапазонов из-за избирательных свойств устройства по высокой частоте, что повышает надежность работы радиотехнической системы. Выходы Ф2 и ФЗ изолированы друг от друга по высокой частоте, а первичная линия 1 изолирована от вторичной 2 по постоянному току. Это является известным свойством направленного фильтра, которое позволяет без ижажения высокочастотных характеристик тракта ввести постоянное напряжение. Для этого к внутреннему и наружному проводникам выхода режекторно-го плеча (разъема Ф2) подсоединяются иеммы 7, а одну из клемм 7 соединяют с внутренним проводником (линией 1) тонким проводником 0,2 ... 0,5 мм. Благодаря режекторным свойствам при передаче энергии от плеча Ф1 к Ф2 нагрузка в плече Ф2 развязана, поэтому незначительное рассогласование за счет введения проводника от клемм 7 не влияет на характеристига ВЧ тракта.

Таким образом, устройство гозволяет ввести в тракт постоянное напряжение, которое поступает только к одному плечу полосового канала (разъему Ф1), практически без нарушения условий канализации ВЧ энергии через тракт.

При исследовании данной конструкции устройства было установлено, что постоянное напряжение можно подводить непосредственно через разъем Ф2. Необходимо отметить однако, что такая конструкция была выполнена для работы в сравнительно узком диапазоне частот и исследовалась

только в этом диапазоне. Величина Kctv, измеренная на разъеме Ф1 устройства метрового диапазона, представлена на рис. 7.24 в зависимости от частоты. Потери в полосе рабочих частот не превышают 1,2 дБ.

Рис. 7.24. Зависимость Ксти на антенном входе устройства ввода

700 710 W питания от частоты