с учетом тепловых потерь в собственно антенне эффективная шумовая температура приемной системы с АУ определяется выражением [10]:

7с = Га+ (Т'у+Т'пр/ Gy) Щ^Л-То а (1 /Т]а-1) , (1.1)

рде Су - коэффициент усиления активной схемы; т]а - к. п. д. собственно антенны; Го а - физическая температура собственно антенны, К.

Выражение (1.1) характеризует чувствительность приемной системы, если АУ представить последовательным соединением идеальной (без потерь) собственно антенны с такой же диаграммой направленности, как у реальной АУ в данной приемной системе, и линейного четырехполюсника с коэффициентом передачи ц&Су. Такое представление правомочно и остается в силе для любых типов антенн при произвольном рассогласовании на входе и выходе усилителя в АУ [11]. Чувствительность приемной системы в данном направлении приема сигнала определяется значением Тс и направленными свойствами АУ. Напомним, что коэффициент направленного действия D излучателя малых размеров, например, диполя Герца, равен 1,5, а антенны резонансных размеров, например полуволнового вибратора, D=l,64, поэтому коэффициент усиления, например вибраторных АУ, слабо зависит от размеров собственно антенны до некоторых пределов. Однако при уменьшении размеров собственно антенны менее (1/10-1/50)Х начинает быстро уменьшаться т]а, и с точки зрения ограничений на чувствительность именно это определяет минимальные размеры АУ (без учета других параметров). В диапазонах СВ, KB и нижней части УКВ диапазона, где уровень внешних шумов, определяемый через Га, значительно выше уровней, определяемых Гщэ, Ту и Го а, можно допустить (как видно из выражения (1.1)) существенное уменьшение т]а, при этом размеры АУ можно довести до /бо (а зачастую и менее того) без существенного ухудшения чувствительности приемной системы.

В диапазоне более высоких частот, начиная с середины УКВ диапазона и выше, где Га сравнима с Гу или меньше ее, размеры (если невелика также Тщ) уже ьзя резко 5меньшать. Однако для частот выше 300 МГц обычно нет необходимости резко уменьшать размеры. В этих диапазонах на первый план выступают другие преимущества интеграции. Кроме указанной

в § 1.1 возможности согласования собственно антенны с активной схемой (усилителя) по шумам (когда это необходимо), к этим преимуществам относятся: уменьшение общих шумов системы вследствие исключения промежуточных звеньев между антенной и усилителем,возможности расширения полосы пропускания приемной системы.

Рассмотрим теперь схему соединения электрически короткой штыревой антенны с усилительным прибором с высокоомным входом, как это показано на рис. 1.5. Напряжение сигнала в точках 1-1

Ui=Echl(l-{-CylC), (1.2)

где Са, Су - эквивалентная емкость антенны и входная емкость электронной лампы.

Напряжение шума, создаваемое внешним простран ством в точках 1-1,

{/ш1=£ш/гд/(1+Су/Са), (1.3)

где £ш - напряженность шумового поля у антенны.

К этим шумам добавляются шумы электронной лампы, характеризуемые величиной Um. Приведенное к точкам 2-2 напряжение шума

i/2m2=f/2ml + t/V (1.4)

Таким образом, приведенное ко входу бесшумной -электронной лампы в точках 2-2 отношение сигнал/ шум

Рассмотренный здесь с существенными упрощениями анализ справедлив, пока Ад мало зависит от частоты

Рис. 1.5. Соединение штыревой антенны с электронной лампой (а) и эквивалентная схема (б)

(это верно до Нд<Х/8, что определяет верхний предел-по частоте) и активная составляющая входного сопротивления электронной лампы /?у>1/(оСу, что определяет-нижний предел по частоте.

Как видно из выражения (1.5), соединение электрически короткого штыря (собственно антенны) с электронной лампой (или другим подобным усилительным-прибором) обеспечивает постоянное в широкой полосе частот отношение сигнал/шум при условии:

~>(+) >

Это условие легко выполнить соответствующим выбором усилительного прибора и собственно антенны в диапазоне частот (f<36 .. 70 МГц), где ErJi£U. Из выражения (1.5) видно, что с повышением частоты необходимо учитывать шумы активной схемы. При этом начиная с определенных частот, изменится и эквивалентная схема устройства по сравнению с приведенной на<. рис. 1.5,6.

Рассмотренные соотношения носят, конечно, приближенный и предварительный характер и не дают ответа на большинство вопросов теории и практики АУ, например: каков выигрыш в отношении сигнал/шум при применении в приемной системе АУ по сравнению с пассивной антенной или по сравнению с другой АУ, каковы пути оптимальной интеграции антенн и усили-тельны.х приборов и т. д. Такие сведения помещены в следующих главах книги. Однако именно этими предварительными соображениями руководствовались, как это. следует из публикаций, первые исследователи и разработчики АУ.

Первые исследования АУ были выполнены в конце-50-х -начале 60-х годов [12-14]. В 1960 г. были опубликованы результаты экспериментальных исследований АУ на параметрическом диоде для компенсации шума-и потерь в линии передачи между антенной и приемником [12]. Антенна представляла собой симметричный вибратор, внутренняя полость которого использовалась как резонансная структура усилителя, выполненного на двух диодах. В полосе 218... 222 МГц усиление АУ было порядка 20 дБ по сравнению с таким же пассивным вибратором. В это же время были исследованы

щелевые АУ на туннельных диодах [15], а в период 1963-1965 гг. проводились исследования вибраторных АУ на туннельных диодах [16, 17]. Было показано [18], что соответствующий. выбор параметров диода может -обеспечить множество различных характеристик полной проводимости АУ малого размера. При этом, помимо необходимого согласования, происходит усиление сигнала. Исследовались несимметричные вибраторы, а также более сложные конструкции вибраторных антенн. Серь-резную проблему во всех антеннах с туннельными диодами представляла опасность самовозбуждения, для подавления которого был разработан стабилизирующий двухполюсник.

Первое пятилетие развития техники активных антенн в основном характеризовалось экспериментальными работами, причем в качестве активного элемента использовался, как правило, туннельный диод. Это было обусловлено несколькими причинами. Во-первых, исследователи пытались использовать новые для того времени миниатюрные усилительные приборы - туннельные диоды-как двухполюсники, легко встраиваемые в структуру антенн любых размеров. Во-вторых, эффективные результаты и большое разнообразие конструктивного выполнения АУ затормозили поиски лучших усилительных приборов и более оптимальных путей интеграции. К 1965 г. уже окончательно стало ясно, что хотя для конструкций с туннельными диодами можно получить достаточно хорошие характеристики, выполнить такие АУ трудно из-за необходимости обеспечения развязки по входу и выходу и сложности обеспечения стабильной работы, малого динамического диапазона туннельного диода, его сравнительно больших шумов.

Началом исследований АУ на транзисторах можно считать работу [19]. В вибраторной АУ на транзисторе 2N1742 было получено усиление 12 дБ относительно опорного вибратора при коэффициенте шума 4 дБ. Малый mjM объясняется тем, что потери в АУ меньше, чем во входных цепях обычного усилителя. Результаты последующего исследования вибраторных АУ изложены Э [20], где описаны устройства двух типов со средней рабочей частотой 146 МГц. В одном из них усилитель работает при постоянном смещении, расс-титанном на максимальное усиление или минимальную шумовую температуру, в другом применяется автоматическая ре-

гулировка усиления. Это устройство в дальнейшем было использовано при проектировании четырехэлементной антенной решетки.

Результаты измерения параметров АУ показали, что объединение функций антенны и усилительной схемы дает преимущества по сравнению с обычной схемой, заключающиеся в улучшении электрических характеристик, уменьшении числа элементов. Такие АУ пригодны как для применения в качестве самостоятельных устройств, так и для использования в антенных решетках , усиление элементов которых можно независимо регулировать, что, в частности, позволяет достаточно просто управлять диаграммой направленности системы. При этом система состоит из меньшего числа элементов, чем обычная конструкция. Б дальнейшем активные элементы стали широко использоваться в сложных антенных системах для обеспечения сканирования и формирования диаграмм, уменьшения размеров систем, самонастройки и самофазирования [21, 22].

В 60-х годах проводились интенсивные исследования АУ на транзисторах. В работах [23-25] основное внимание уделено результатам исследования вибраторных АУ. Поставленные эксперименты подтвердили наибольшую целесообразность использования транзисторных приборов в таких антеннах для расширения рабочего диапазона, уменьшения размеров антенны и электронного управления диаграммой направленности.

В 1967 г. на 18-й ежегодной конференции ШЕЕ был сделан доклад об исследовании сверхминиатюрных интегральных антенн SIA [26]. В докладе рассматривались три возможных способа подключения транзистора к элементам собственно антенны и три возможные конфигурации собственно антенны (рис. 1.6 и 1.7). Описывалась, например, широкополосная вибраторная антенна высотой 50 см, интегрированная с транзистором. Такая АУ работает в диапазоне 5 ... 30 МГц. В последующих работах отмечалась перспективность антенн SIA на транзисторах как для наземной, так и для бортовой и переносной радиоаппаратуры [3, 27, 28], а также рассматривались вопросы совершенствования параметров таких антенн [29-32]. Расчет АУ со встроенными усилительными приборами, какими являются антенны SIA, довольно сложен. Наиболее общий подход к расчету таких устройств изложен в работе [331, хот

-I г

iPnc. 1.6. Варианты присоеди-иеиня выводов транзистора к элементам собственно антенны

I, 2, 3 - элементы собственно аи-генны

Рис. 1.7. Различные структуры .SIA

I, 2, 3 - элементы собственно антенны

И В ней не удалось избежать существенных упрощающих предположений (усилительный прибор предполагается с очень малой обратной связью, что не всегда выполняется на практике).

Конец 60-х годов характеризуется дальнейшей разработкой различных конструкций АУ. Кроме исследования вибраторных АУ на транзисторах, проводились работы по интегрированию усилительных элементов с другими типами излучателей. Так, в обзорной работе [34] по результатам опытов с интегральными антеннами сообщено о ведущейся разработке щелевой АУ на транзисторе для диапазона 420 МГц. Такая АУ дает усиление 10 дБ и имеет коэффициент шума 7-8 дБ, ширина полосы на уровне 3 дБ равна 100 МГц.

Начало 70-х годов отмечено первыми исследованиями АУ для диапазона СЕЧ. Так, в работе [35] описывается транзисторная АУ для диапазона 690-1060 МГц с эффективной шумовой температурой меньше 750 К. В работах [36, 37] приводятся результаты исследования характеристик и диаграмм направленности вибраторных .АУ в диапазонах 500 ... 800 МГц и 770 ... 1450 МГц. В диапазоне СВЧ были выполнены теоретические и экспериментальные исследования активной антенны в виде отрезка волновода, в раскрыве которого включен туннельный диод. Минимальное усиление мощности такого устройства составило 11 ... 12 дБ при ширине полосы 35 ... 40 МГц в диапазоне 4 ... 4,3 ГГц [38]. В 1975- 1976 гг. сообщается о дальнейших разработках АУ для диапазона СВЧ [39].

Практические успехи, а также широкое обсуждение материалов об исследованиях АУ на национальных и международных конференциях и симпозиумах в Лондоне (1965, 1971 г.), Торонто (1967 г.), Варне (1968 г.). Нью-Йорке (1969, 1973 г.) и т. д. способствовали не только продолжению экспериментальных, но и постановке теоретических работ, хотя необходимо отметить, что часто такие теоретические работы проводились при существенных упрощающих предложениях. Так, например многие теоретические работы по вопросам согласования в АУ выполнены в предположении, что усиление активного элемента в АУ достаточно велико, поэтому шумами последующих за АУ каскадов (линии передачи и приемника) можно пренебречь [10, 40]. Действительно, если в выражении (1-1) пренебречь членом Тцр/Су, то задача существенно упрощается и для резонансных АУ сводится к уменьшению шумов усилительного прибора и потерь между этим прибором и собственно антенной. Тем не менее, проведенные теоретические исследования в совокупности представляют собой существенный вклад в развитие теории АУ и позволяют в определенных случаях разрабатывать оптимальные конструкции. Результаты этих работ являются отправной ступенью для более полного анализа в последующих главах книги.

Основные результаты теоретических и экспериментальных исследований АУ за период 1964-1969 гг. сводятся к следующему. Целью исследований в этот период явилась прежде всего разработка принципов конструирования АУ (на транзисторах) возможно меньших размеров с заданной шириной полосы пропускания и оптимальной шумовой характеристикой. Основной объект исследований - слабонаправленные АУ, представляющие собой вибраторы различных типов, интегрированные с транзисторами.

Рис. 1.8. Шумовые характеристики внешнего пространства Т и некоторых -типов транзисторов Утр

Большинство исследователей разделяют принципы конструирования АУ в зависимости от частотного диапазона. Основанием для этого служит анализ шумовых характеристик внешнего пространства и шумов современных усилительных приборов (рис. 1.8). Собо1?пность этих шумовых характеристик определяет чувствительность приемной системы. Высокий уровень внешних шумов на низких частотах позволяет применять усилительные приборы, дающие большой уровень шумов, без заметного ухудшения чувствительности приемной системы. Высокий уровень внешних шумов в диапазоне до 30 ... ... 70 МГц обусловливает возможность создания электрически очень коротких антенн и обеспечения при интеграции широкой полосы пропускания АУ в целом. Однако при очень малых размерах собственно антенны и при большом рассогласовании ее выхода с входом усилительного прибора, обычно имеющем место в таких конструкциях АУ (нерезонансные АУ), шумы усилительного прибора могут стать фактором, который необходимо учитывать в подобных устройствах несмотря на большие внешние шумы [41]. К настоящему времени создано множество типов АУ, отличающихся очень малыми размерами и достаточно высокой эффективностью для ДВ, СВ, KB и УКВ диапазонов (например, АУ для автомобилей).

На частотах более 30 ... 70 МГц чувствительность приемной системы определяется не только шумом внешнего пространства, но и шумами активного прибора в АУ. Чувствительность приемной системы с АУ выражается, в основном, с помощью двух параметров: чувствительности по напряженности поля или эффективной шумовой температуры приемной системы. Выражение для эффективной шумовой температуры приемной системы с АУ (1.1) уже анализировалось ранее. Проведем более полный анализ этого выражения в предположении, что шумовая температура усилительного прибора Ту значительно превышает приведенную ко входу усилителя эффективную шумовую температуру части приемной системы, расположенной за АУ {Ty%Tjxp[Gy).

При дополнительном условии малости потерь в пассивной части АУ (т1а=1) выражение (1.1) значительно упрощается

Tc=Tsi+Ty. (1.7)

При этих условиях минимизация эффективной шумовой температуры приемной системы в диапазоне высоких частот где Та и Гу -величины одного порядка, определяется минимизацией шумовой температуры Гу усилительного прибора. Б таком случае оптимизация чувствительности приемной системы с АУ состоит в обеспечении минимально возможной шумовой температуры Гу.

Для согласования по шумам в АУ строятся окружности постоянной шумовой температуры (на плоскости полного сопротивления) для транзисторов различных типов. После этого по значению входного сопротивления собственно антенны АУ (для каждой частоты) возможно определить соответствующую шумовую температуру усилительного прибора (активной схемы). Если входное сопротивление собственно антенны находится в области оптимума, то тем самым достигается минимум эффективной шумовой температуры в АУ.

Конструирование собственно антенны при согласовании по шумам включает условие обеспечения определенных сопротивлений собственно антенны для данного вида транзистора в заданном частотном диапазоне. Пре-имуплестБОМ интеграции антенны с усилителем является то, что можно приблизиться к оптимальному согласованию по шумам между собственно антенной и входом транзистора настолько, что Гу будет значительно меньше по сравнению со значением, присущим обычным предварительным усилителям. Так, в интегральных малогабаритных антеннах, описанных, например, в [10], Гу не превышает 400 К на частотах порядка 200 МГц. Б этой же работе приводится интересный пример реализации согласования по шумам в АУ, конструктивно выполненной Б виде печатной платы (рис. 1.9). Выполнение пассивной части антенны в виде системы связанных контуров позволило расширить полосу пропускания АУ.

Таким образом, краткий анализ развития техники АУ показывает, что уже разработанные принципы расчета и конструирования этого типа активных антенн позволяют создавать малогабаритные, высокочувствительные устройства.

Б 70-е годы АУ получили широкое распространение в различных областях. Наиболее широкое применение АУ нашли в качестве миниатюрных антенн в подвижных объектах (автомобилях, летательных аппаратах и др.), а также в качестве удобных телевизионных

антенн. Микроминиатюрные интегральные антенны разрабатывались для применения в личных радиостанциях американских астронавтов [42] для поддержания связи при покидании астронавтом корабля. Антенны монтируются б гермошлемах и представляют собой плоские спирали со встроенными в них активными элементами. Такая антенна на частоте 300 МГц имела к. п. д., равный 80%, и полосу порядка 3 МГц при высоте около */5о?=2 см.

Рис. 1.9. Характеристики (а), зквивалентная схема (б) и топология (в) полосковой АУ

/ - г =290 к, 2-Т -312К, 3-Т =335 К, 4-Г =400 К, 5 - Ту-650 К