S 5

Z5 rlr/rt

Рис. 7.33. Зависимость (вариант БШКР) от частоты

1+4=2 м, /1=4.---ш,=гиг=газ=300 Ом,----ш, = ш2=200 Ом, шз=

= 300 Ом; /, 5 Л=0: г, б -;i=0.5 м: 3. 7 -А=1.0 м; 4, S -г,=1,6 м

ствие на Лэ подъема точки включения транзистора до А^0,5 м объясняется улучшением распределения тока по структуре АУ. С ростом частоты при /i>0,5 м Лэ уменьшается из-за появления сильной частотной зависимости выходного сопротивления АУ. При этом тенденция уменьшения Лэ из-за увеличения Zay начинает превалировать над тенденцией увеличения Лэ, обусловленного улучшением распределения тока. Как будет, показано ниже, уменьшение волновых сопротивлений секций антенны способствует лучшему согласованию АУ, осо-

бенно при /s>iZi и /i>0, что в результате объясняет положительное воздействие уменьшения w на Аэ при подъеме точки включения транзистора.

Аналогичные исследования были проведены для вариантов рамочно-вибраторных АУ с однонаправленной ДН в горизонтальной плоскости, т. е. при l3>li .и /i>0.

Исследования показали, что для варианта КШБР при Ко не хуже 10 дБ во всем диапазоне 3 ... 30 МГц характерны малые значения Лэ при токе коллектора 1 мА в большом диапазоне изменений параметров /г и h (0,5 ... 1,5 м) и /i=0,5 м. Диапазон изменений Лэ составляет 100 раз, причем Лэ увеличивается с ростом частоты и в максимуме не превышает 1 м^, что объясняется низкой эффективностью штыря k, включенного в коллекторную цепь. Частотная зависимость Лэ определяется изменением действующей высоты рамки, пропорциональной квадрату изменения частоты [124].

Для варианта БШКР характерны более высокие значения Лэ (примерно в 100 раз на f=lO МГц) по сравнению с вариантом КШБР при изменении параметров k и 1я. При этом диапазон изменений Лэ с выбранными параметрами в 10-кратной полосе не превышает 8.

Выходное сопротивление. Требование к уровню согласования антенн, работающих на прием с фидерным трактом, как известно, менее жестко, чем при работе на передачу. Как отмечалось ранее, это особенно характерно для АУ, обладающих невзаимностью характеристик, что прежде всего обеспечивает малую зависимость энергетических характеристик (например, Ла) от нагрузки, т. е. уровня согласования на выходных клеммах активного элемента. Однако при необходимости реализации предельной чувствительности знание частотной зависимости выходного сопротивления Zay, а также возможности его изменения может оказаться весыма полезным.

Определение выходного сопротивления рамочно-вибраторных АУ представлено для некоторых вариантов антенн в [120, 121] и основано на приближениях теории длинных линий. Усложненная математическая запись конечного выражения для Zay затрудняет проведение аналитического исследования его поведения при изменении параметров. Для универсальности расчетных соотношений используем матричный аппарат, основанный на неопределенной матрице проводимостей Y.

WW 1 77777777777777777777

J-i /01/ A

Рис. 7.34. К расчету выходного сопротивления 2ау

Рассмотрим эквивалентное представление рамочно-вибраторной АУ (рис. 7.34). Выражение для проводимости Fl в сечении 1-1 (т. е. сразу на выходе транзистора) в матричной форме:

У,= [Уи]-[У12] [У22-Ь У,Л-[У21], (7.37)

где [Уи], [У12], [У21], [У22]-блоки неопределенной матрицы проводимостей [У] активного элемента, причем:

L I Уз2 \ Узг J

21 Угг .

(7.38>

а [Ун]-матрица проводимостей нагрузки активного-элемента.

Малость размеров секций антенны {1<0,2К) и их пространственная ориентация позволяют пренебречь, взаимными сопротивлениями между секциями В этом случае

1>н] = [; (7.39>

где Уг и Уз - проводимости секций h и /3.

Очевидно, что определение проводимостей Уг и Уз при заданной геометрии антенны являющихся соответственно проводимостями разомкнутой и замкнутой линий, не вызовет затруднений [126, 127]. Выходное сопротивление рамочно-вибраторной АУ можно определить-пересчетом сопротивления, определенного согласно-(7.37), по длине линии h из сечения /-/ на выход АУ по круговой диаграмме сопротивлений.

Параметры неопределенной матрицы проводимостей активного элемента (транзистора) можно найти по известной матрице проводимостей для любой схемы включения [128]. В исследуемом диапазоне частот непосредственное определение параметров матрицы проводимостей высокочастотных транзисторов встречает трудности, связанные с опасностью возникновения генерации при обеспечении режимов измерений У-матрицы [99]. В связи с этим необходимую матрицу проводимостей транзистора можно определить пересчетом из экспериментально измеренной матрицы рассеяния [S] согласно выражению:

1] = 4-[-И^ + 5]-. (7.40)

где [Е] -единичная матрица; w - волновое сопротивление, относительно которого измерялась матрица рассеяния.

Далее за основу взяты У-параметры схемы с общим эмиттером (транзистор ГТЗЗО) для коллекторного напряжения 5 В при вариации тока коллектора 1 ... 5 мА.

Относительная сложность выражения (7.37) не позволяет в общем виде провести его анализ (например, .для формулировки рекомендаций к практическому изготовлению АУ). Выведем удобную для анализа приближенную формулу для расчета полного сопротивления 2ау=¥~\ Для этого перепищем выражение (7.37)

в алгебраической форме и используем приближения, справедливые для маломощных СВЧ транзисторов в исследуемом диапазоне частот:

У21Э 11э ~Ь У123 Ь 223

г/22э .2.. (7.41)

У11В>У12Э-

Для варианта БШКР получим

Zay(Z2Z3Ay-fZ2 /ii3+Z3 /223+l) /г/21э. (7.42)

где Ау=УиэУг2э-У\2эУ21э.

Для варианта КШБР аналогично выражению (7.42) имеем

Zs.y{Z2ZsAy+Z3yn3+Zzy2sa+1)/У2и>. (7.43)

Для высокочастотных транзисторов при работе на частотах f<f (где - частота, на которой модуль

коэффициента передачи по току для схемы с общей базой уменьшается на 3 дБ) параметр у^ не зависит от частоты. Поэтому, как видно из (7.42) и (7.43), сопро- тивление Zay будет иметь тем меньшую частотную зависимость, чем меньше значения параметров уиэ, г/12э, у-гг-) и короче длина секции h. Кроме того, имеется возможность, изменяя ток коллектора (и, следовательно, 2ia), в достаточно широких пределах изменять Zay.

В частном случае, когда транзистор размещен в основании АУ, т. е. /1=/з=0 и Zs=0, выражение для Zay дополнительно упрощается. Для варианта БШКР активная схема вырождается в схему с общим коллектором (эмиттерный повторитель) и формула (7.42) сводится к виду:

Zay(Z2J/)ia+l)/2fe. (7.44)

Выходное сопротивление Zay будет иметь тенденцию к уменьшению с ростом частоты, так как Z2= -~jw2 ctg р/г и при увеличении k уменьшается. Однако благодаря малому уив эта тенденция будет существенно ослаблена.

В том же частном случае схема КШБР вырождается в схему с общей базой, для которой справедливо;

Zay{Zzy22B+1) /г/21э. (7.45)

Данному варианту АУ свойственна большая стабильность Zay, так как yKyzta при примерно аналогичных закономерностях.

Зависимости Zay вариантов БШКР и КШБР при вариации различных параметров в 10-кратном диапазоне частот приведены на рис. 7.35, 7.36. Круговые диаграммы нормированы к сопротивлению 75 Ом. Экспериментальная зависимость Zay от частоты для варианта БШКР приведена иа рис. 7.35 (штриховая кривая 6). Приемлемое совпадение рассчитанной и экспериментальной зависимостей подтверждает правильность метода расчета.

Проведенные исследования подтверждают результаты, полученные на основе анализа по упрощенным формулам (7.44), (7.45) и позволяют выявить определенные закономерности.

Наибольшая стабильность Zay рассмотренных вариантов рамочно-вибраторных АУ обеспечивается при размещении транзистора непосредственно у основания АУ,

Рис. 7.35. Выходное сопротивление Zay (вариант БШКР)

т. е. при /1=/з=0 (рис. 7.35, 7.36, кривые 1-4). При смещении транзистора большая стабильность Zay реализуется при минимальной площади рамки, образуемой секцией h (рис. 7.36, кривая 5).

Вариацией тока коллектора 1 ... 3 мА можно в широких пределах (5-10 раз) изменять активную составляющую Pay полного сопротивления.

Таким образом, любая (из двух целесообразных к применению вариантов) рамочно-вибраторная АУ может иметь кардиоидную ДН при определенном сочетании

Рис. 7.36. Выходное сопротивление Zay (вариант КШБР)

размеров секций антенны и параметров активного элемента. Однако в широкой полосе частот высокий уровень коэффициента однонаправленности Ко сохраняется только у одного варианта АУ - варианта КШБР. При выборе оптимальной геометрии такой антенны и режима работы -транзистора в 10-кратной полосе частот можно получить Ко не хуже 10 дБ, причем максимальные его значения реализуются в низкочастотной области рабочего диапазона, т. е. когда размеры АУ гораздо меньше длины волны /<0,03Я. ДН другого варианта (БШКР)

имеет весьма высокий уровень Ко (более 20 дБ) лишь в узкой полосе (±2 хМГц) диапазона, причем его максимальные значения реализуются в высокочастотной части, т. е. когда размер антенны /0,2 ... 0,ЗЯ.

Исследование Ло показало, что для АУ, обладающей в широкой полосе частот высоким Ко, характерны ее малые значения (Лэ<1 м^) и сильная частотная зависимость. Уменьшение Лэ на частоте максимума Ко характерно и для АУ варианта БШКР при значительно большем (в 10 раз) среднем уровне Лэ.

Для обоих вариантов АУ (БШКР и КШБР), обладающих выраженным свойством однонаправленности, характерна сильная частотная зависимость Zay. Стабилизация Лэ и Zay в широкой полосе частот неизменно приводит к потере однонаправленности.

Глава 8

МЕТОДЫ НОРМИРОВАНИЯ, ИЗМЕРЕНИЯ И КОНТРОЛЯ ПАРАМЕТРОВ АНТЕНН-УСИЛИТЕЛЕЙ

Специфика нормирования, измерения и контроля параметров АУ и, прежде всего, специфика выбора параметров для оценки ее качества обусловлена тем, что АУ, с одной стороны, представляет собой схем-но и конструктивно законченный электронный узел, который должен характеризоваться рядом собственных параметров, и, с другой стороны, является элементом приемного тракта, определяющим параметры приемной системы в целом. Кроме того, многие собственные параметры АУ оказываются (и должны быть) интегральными характеристиками качества собственно антенны, усилителя и устройства в целом. Наконец, в зависимости от назначения разрабатываемого устройства, его выполнения и условий эксплуатации на первый план могут выдвигаться различные требования. Вследствие всех перечисленных обстоятельств невозможно определить приемлемые для всех случаев параметры, а также методы их нормирования и контроля, но можно выделить некоторые общие особенности, наиболее важные параметры и изложить такие, хотя бы частные методики, которые могут быть полезными при разработке и измерении па раметров большинства типов АУ.

8.1. НОРМИРОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ АНТЕНН-УСИЛИТЕЛЕЙ

АУ представляет собой устройство для приема радиоволн и усиления принятых сигналов. В соответствии с этим самым общим определением АУ могут характе-ризовагься, по крайней мере, двумя группами параметров. Одну группу образуют параметры, аналогичные параметрам антени и характеризующие функцию приема радиоволн. Другую - параметры, аналогичные параметрам усилителя и характеризующие функцию усиления принятых спгпалов. Однако известные в технике антенн и приемных (усилительных) устройств характеристики недостаточны для полной оценки качества работы как самой АУ, так и ее работы в приемной системе, поэтому третью группу параметров образуют новые характеристики качества, не применявшиеся ранее ни в технике антени, ни в технике усилительных устройств. Параметры первой и второй группы тоже имеют особенности, связанные со спецификой их применения к АУ. Эти особенности проявляются и при измерении этих параметров.

К первой группе параметров относятся диаграмма паправленпости, коэффициент направленного действия, поляризационные характеристики, к. п.. д., внутреннее сопротивление, эквивалентная шумовая температура (последние три - для собственно антенны). Как известно, пассивные антенны характеризуют еще такими параметрами, как эффективная площадь и действующая высота, коэффициент усиления. В применении к АУ эти параметры характеризуют не только функцию приема, но и функцию усиления. Если, как это может иметь место в диапазонах ДВ, СВ и KB воли, шумовые характеристики не принимают во внимание, АУ можно характеризовать, при определенных оговорках, с помощью параметра, названного в [83] эквивалентной действующей высотой АУ /гдау (см. § 7.3) по аналогии с действующей высотой антенны. Такая классическая характеристика пассивных антенн, как согласование с линией передачи /Сети, для АУ имеет меньшее значение как ха-ракте:ристика работоспособности [129] и относится по понятным причинам ко второй группе параметров.

Ко второй группе параметров относятся и такие, как динамический диапазон, коэффициент перекрестной модуляции и другие характеристики линейности. При этом,

если в технике приёмных устройств при определении й измерении последних параметров используются напряжения сигналов, то для АУ необходимо использовать напряженность поля. Измерение динамического диапазона АУ и других характеристик ее линейности осложняется тем, что на результаты измерений может влиять линейность измерительных приборов, однако обычно это можно учесть. Вопросы измерения нелинейных искажений в АУ подробно рассмотрены в гл. 6.

Ко второй группе параметров относится и согласование выхода АУ с линией передачи. Необходимо иметь в виду, что если для пассивных антенн величина Kctu, характеризующая это согласование, зачастую используется как одна из важнейших (а практически при эксплуатации обычно и единственная) характеристика работоспособности антенны, то для АУ Kciu определяет лишь наличие переотражений в линии передачи и условия согласования для входа приемника. Необходимость использования этого параметра для АУ определяется соответственно необходимостью регламентации указанных характеристик.

Полоса пропускания АУ является параметром, долгое время обсуждавшимся в литературе [10, 81, 82]. Сравнительный анализ широкополосности пассивных антенн и АУ, проведенный в гл. 5, позволяет сделать относительно определения полосы пропускания АУ следующие выводы.

При определении полосы пропускания АУ, как и для пассивных антенн, необходимо оговаривать, по какому критерию определяется этот параметр: например, по мощности, чувствительности (по отношению сигнал/шум), выходным сопротивлениям и т. д. Для пассивных антенн обычно определяется полоса пропускания по мощности, которая просто связана с полосой пропускания по выходным сопротивлениям. Для АУ, во-первых, полоса пропускания по выходным сопротивлениям (т. е. по согласованию выходного сопротивления с сопротивлением нагрузки) обычно значительно шире полосы пропускания по мощности (и по чувствительности) и, во-вторых, связь между ними выражается аналитически довольно сложно. Величина /Сети, как указывалось, и полоса пропускания по выходным сопротивлениям (по величине /Сети)-это параметры далеко не столь критичные для АУ, как для пассивных антенн.