Рис. 2 18 Схематическое представление однокаиаль-ной телевизионной АУ (с) и ее эквивалентная схема (б)

поэтому его непосредственное включение в антенну, казалось бы, должно нарушить симметрию диполя. Однако, если проанализировать токовые цепи, то можно увидеть, что в правой половине антенны течет слабый ток базы 1б, ток коллектора Ik протекает только по кабелю, а на внешней стороне левой половины антенны имеется только ток 1б-1в-Ik- Таким образом, на внешней стороне обеих половин диполя протекает только ток Ie и диполь Б целом является симметричным.

Оптимальную нагрузку для выбранного транзистора и заданного частотного диапазона рассчитывают в соответствии с методикой, изложенной в гл. 5. Для радиолюбительской практики эта методика достаточно сложна, поэтому экстремальные результаты трудно достижимы. Можно рекомендовать следующие правила, которыми следует руководствоваться при экспериментальной отработке АУ резонансного типа для диапазона 174 ... 230 МГц (и более высоких частот).

Ркс. 2.19. Конструкция телевизионной АУ диапазона ДМВ (а) и общий вид (б)

1. Транзисторы - биполярные (но можно использовать и полевые) диапазона СВЧ типа ГТ329, ГТЗЗО, КТ371, КТ382 или аналогичные. Усилитель может быть одно- и двухкаскадный по схемам ОЭ, ОЭ -ОБ.

2. Режим питания транзистора целесообразно выбирать так, чтобы ток эмиттера был большим для обеспечения большей линейности АУ, с этой же целью целесообразно вводить отрицательную обратную связь в цепи эмиттера.

3. Оптимальное сопротивление источника сигнала (собственно антенны) для биполярных СВЧ транзисторов лежит обычно в пределах от нескольких десятков до сотен омов активного сопротивления и должно включать в себя обычно небольшую индуктивность.

В заключение главы приведем описание отечественной комнатной АУ для телевизионных приемников, конструкция и характеристики которой рассмотрены в [52]. При разработке этой комнатной АУ учтено, что для УКВ диапазона комната представляет собой резонатор с частично поглощающими стенками, возбуждаемый через несколько отверстий (оконные и дверные проемы), в котором одновременно могут существовать несколько типов колебаний. В большинстве случаев полезный и мешающий сигналы поступают к возбуждающим отверстиям с разных направлений и имеют, как правило, различные поляризации. Это приводит к тому, что полезный сигнал и помеха по-разному возбуждают комнату-резонатор и поэтому велика вероятность того, что в месте расположения антенны ориентация электрической составляющей поля сигнала Ее будет отличаться от ориентации электрической составляющей поля помехи Eji. В качестве основы для конструкции описываемой АУ, называемой в [52] сокращенно АТКА (активная телевизионная .комнатная антенна), выбрана симметричная АУс двумя встроенными усилителями У1 и У2 (рис. 2.20).

На рисунке показано также суммирующее устройство (СУ), вьшоленное по мостовой схеме, имеющей

/

Рис. 2.20. Симметричная телевизионная АУ

суммарный (2) и разностный (Л) выходы. Эти выходы нагружены соответственно на сопротивления нагрузок

г, и

Для того, чтобы такую АУ можно было использовать в качестве комнатной телевизионной антенны, позволяющей отстраиваться от помехи, в ее конструкцию достаточно ввести устройство, изменяющее на входе приемника соотношение между сигналом, снимаемым с суммарного выхода Ынв и сигналом Ищ., снимаемым с разностного выхода. В [52] показано, что в идентичных усилителях (Gyi=Gy2, Zyi=Zy2) на суммарном выходе диаграмма направленнести совпадает с диаграммой направленности вертикального, на разностном - с диаграммой направленности горизонтального вибраторов, поднятых на высоту Н. В общем случае форма диаграммы определяется соотношением параметров усилителей.

Рассмотрим вариант телевизионной АУ (рис. 2.21). Антенна представляет собой Т-образный вибратор (В), выполненный печатным способом на листе фольгирован-ного диэлектрика (Д). В горизонтальные плечи вибратора включены идентичные широкополосные усилители I и И, выходы 2 я 2 которых соединены со входами 5 я 6 гибридного устройства III. Разностный выход 7 гибридного устройства соединен со входом 10, а суммарный выход 9 - со входом управляющего устройства IV, с выходов 12 и 13 которого сигнал через дифференциальный трансформатор Тр подается по отрезку коаксиального фидера на вход телевизионного приемника. Питание усилителей и гибридной схемы осуществляется от источника +10 В через печатные полоски на плате, цепи питания снабжены блокировочными конденсаторами. Схемы простейших усилителей, суммирующего и управляющего устройств показаны на рис. 2.22.

При расчете и настройке элементов схемы следует иметь в виду, что усилители I и II определяют, в основном, чувствительность АУ, а от параметров управляющего устройства зависит степень ослабления мешающего сигнала и динамический диапазон АУ. Для обеспечения гарантирующих качественное изображение в зоне уверенного приема параметров АУ усилители I и II должны иметь коэффициент шума не более 5 дБ, коэффициент передачи по напряжению не менее 10 дБ в заданном диапазоне частот. Введение частотно-зави-симой отрицательной обратной связи по току обеспечи-

7 7

r 2

X? s 9

Z Jf

17 fS

-0 +

Рис. 2.21. Устройство телевизионной комнатной АУ 3,5

10 14 11

12 IS

Рис. 2.22. Схемы усилителей (а), суммирующего (б) н управляющего устройств (е)

вает спад амплитудно-частотных характеристик усилителей на частотах ниже 45 МГц.

Управляющее устройство представляет собой два однокаскадных усилителя с регулируемыми коэффициентами усиления, один из которых включен в разностный канал, другой - в суммарный. Усиление регулируется потенциометром Ry (рис. 2.21), изменяющим напряжение смещения на базах транзисторов так, что когда у одного усилителя усиление увеличивается, у другого оно уменьшается. Таким образом, отношение Инг/Ыив и соответственно поляризационная селекция помехи зависят от положения ручки потенциометра Ry. Управляющее устройство должно обеспечивать не менее чем десятикратное изменение отношения нг/Инв и обладать малым уровнем нелинейных искажений.

Параметры экспериментального образца АУ, выполненного на транзисторах ГТЗЗО: габариты 300X200X ХЮО мм, диапазон рабочих частот 45.. .230 МГц, эквивалентная действующая высота не менее 0,5А, чувствительность не хуже 50 мкВ/м, динамический диапазон не менее 40 дБ.

Параметры можно улучшить, применив кремниевые биполярные (КТ382) или полевые (КП350Б) СВЧ транзисторы и усложнив схемы усилителей, что целесообразно при использовании комнатных антенн для цветных телевизионных приемников.

, Глава 3

ИССЛЕДОВАНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ АНТЕНН-УСИЛИТЕЛЕЙ В РАДИОПРИЕМНЫХ СИСТЕМАХ

Положительные качества АУ, как и любых устройств, реализуются при выполнении определенных условий. Одним из основных параметров, характеризующих любую антенну, в том числе и АУ, является коэффициент усиления (эффективность). Исследуем зависимость энергетического выигрыша при использовании в радиоприемном устройстве АУ вместо обычной пассивной антенны и найдем условия реализации этого: уста-- новим требования к электрическим параметрам АУ.

при решении поставленной задачи следует учитывать усилительные и шумовые характеристики всех частей приемной системы. На практике обычно не удается обеспечить идеальное согласование на концах линии передачи, соединяющей антенну с приемником. Поэтому эффективность использования АУ необходимо определять с учетом рассогласований, имеющих место в реальных радиоприемных системах. Рассмотрим предварительно соотношение сигнал/шум в радиоприемной системе, включающей обычную пассивную антенну, которую в дальнейшем будем называть опорной.

3.1. РАСЧЕТ ОТНОШЕНИЯ СИГНАЛ/ШУМ В РАДИОПРИЕМНОЙ СИСТЕМЕ

Рассмотрим структурную и эквивалептную схемы радиоприемной системы с опорной антенной (рис. 3.1). Приемная опорная антенна, эквивалентная генератору с внутренним сопротивлением ZonRon+jon, подключена ко входу (точки /-/) линии передачи длиной /. Линия передачи характеризуется постоянной распространения y=a-fjp и волновым сопротивлением р. Физическая температура опорной антенны Тол, линии передачи Гл. Конец линии передачи (точки 2-2) нагружен на входное сопротивление приемника 2iip=:np+j-np- В эквивалентную схему радиоприемного устройства введены э. д. с. полезного сигнала боп и шумов бшоп и Сшпр. Возбужденная в приемной антенне полем полезного сигнала с напряженностью Ее, приходящего с заданного направления, э. д. с. определяется [66] выражением

fon - c 120 - J

где Gon - коэффициент усиления (в данном направлении приема).

Приемная антенна

Линия передачи

К

(3.1)

опорной антенны

1-1 г-г

л--1*11 пр

Рис. 3.1. Структурная (а) и эквивалентная (б) схемы радиоприемной системы

в приведенной эквивалентной схеме выделена идеализированная опорная антенна (без потерь), характеризующая пространственную избирательность приемной системы, а потери в опорной антенне учитываются в данном случае в боп, зависящей от Gon==onl1on.

Для схемы, представленной на рис. 3.1, мощность-полезного сигнала Рс, которая будет выделяться на нагрузке Znp, можно пре,цставить в виде:

где Z/j, Rjj-полное сопротивление в точках /-/

линии передачи и активная составляющая этого сопротивления; Izi - коэффициент, учитывающий потери в линии передачи между сечениями /-/ и 2-2.

Объединяя выражения (3.1) и (3.2), получаем

4802 \\Zon + Z, ,\

Вторая дробь в правой части равенства (3.3), как известно [66], выражается через коэффициенты отражений от концов линии передачи. Обозначим их Роц-

= Рот1~ и V p=p pQ~ Тогда согласно теории длинных линий в принятых обозначениях имеем:

Используя преобразования

i?o =V2(Zon+Z*on), ?, ,=V2(2, , + ZV,). (3-5)

где Z*on - полное сопротивление, комплексно-сопряженное с Zon; Z* -полное сопротивление, комплексно-сопряженное с получаем:

Коэффициент, учитывающий потери в линии, для рассматриваемого случая

Тогда с учетом выражений (3 3), (3.4), (3.6), (3.7)

получаем следующее соотношение:

Е\Ша, (l-n) (!-;>%) е-- соп- 48о„. 1 р„ р„ре-т'Р

На входе приемника, помимо мощности сигнала, выделяется мощность шума, вызванная наличием бшоп, шпр, а также собственным тепловым излучением отрезка линии. Э. д. с. шума бшоп, обусловленная приемом антенной из окружающего пространства радиоизлучения внешних источников, а также собственными тепловыми потерями, определяется известным соотношением

- да (3.9)

Ш ОП

где k - постоянная Больцмана; Af -полоса частот; Гэоп(Гэа) -эффективная шумовая температура опорной (пассивной) антенны, определяемая [67] выражением

Гэоп(Гэа)=Га11а+ (1-г1а)Гоа; (3.10)

здесь Та - эквивалентная шумовая температура антенны, характеризующая шумы, принимаемые из внешнего пространства; г]а - к. п. д. антенны.

В схему на рис. 3.1,6 э. д. с. бшпр введена для случая согласованного тракта как эквивалентная э. д. с. соб-Ственных шумов приемника, пересчитанных к его входу:

=шпр=4ПрАГ пр, (3-И)

где Т^пр - эффективная шумовая температура приемника, равная Fnp=(Fnp-1)Го; Fnp - коэффициент шума приемника. То - стандартная температура (293К).

Вклад опорной антенны в общую мощность шума, выделяющуюся на входе приемника, определяется аналогично выражению (3.8) соотношением

Р -kT л. (1-/сп)(1-рУе-

Вклад в общую мощность шума линии передачи достаточно просто определить на основании работы [68]:

р..ад --7, -;- :+;- - . (3.13)

I 1 - РопРпре 1=

Используя преобразования, аналогичные сделанным при выводе выражения (3.8) для определения мощности, которая выделяется под действием э. д. с. бшпр-в точках 2-2 линии передачи, и с учетом результатов работы [69], мощность шума приемника, пересчитанную к его входу, можно выразить следующим соотношением:

P.-Ori ,-р„.е-.--

Коэффициент Ci в этом выражении при достаточно большом усилении первого каскада приемника, когда шумы последующих за первым каскадом усиления несущественны, определяется выражением:

(ад) 1 +YofpP

. -пр мин

()1+Y ,p 1=

пр мин

(3.15>

где Ret - крутизна изменения коэффициента шума; Yo/ - оптимальная полная проводимость для согласования по шуму, пр мин=? пр мин/? о -минимальная относительная эффективная шумовая температура приемника.

Параметры приемника Ret, Yo/ и /прмин можно определить по данным работ [69, 91, 94]. Подробно они рассматриваются в гл. 5.

На основании отношений (3.8), (3.12) - (3.14) получаем, искомую формулу для расчета отношения сигнал/шум в радиоприемной системе:

ш А + л + -Р]

Поп + 7л(е

(1-ЛрИ1-Лп) J

(3.16>

/ При роп=Рпр=0 формула (3.16) сводится к широко известному выражению, определяющему отношение сиг-

нал/шум для режима согласования с учетом потерь в линии передачи:

-оп= ZtZTf Шоп+ТЛе^ - + (3.17)

Из выражения (3.16) следует соотношение для расчета минимально необходимой напряженности поля полезного сигнала, при которой отношение сигнал/шумна выходе линейной части радиоприемной системы равно единице (режим пороговой чувствительности):

оп мин -

Псп+?.(е^ -1)+°У^ +

с То р2аг

(1-Лп)(1-Лр)

(3.18)

Величина £опмпн, определяемая этим выражением, соответствует в технике АУ понятию чувствительность по напряженности поля .

Выражения (3.16) - (3.18) позволяют производить расчеты линии связи при использовании в радиоприемных системах обычных (пассивных) антенн и определять требования к параметрам приемных радиотехнических систем. Так, при согласовании на концах линии передачи эффективная шумовая температура радиопря-емной системы (Тс), которая состоит из антенны, линии передачи и приемника, определяющая пороговую чувствительность системы и отнесенная ко входу приемни-:ка, рассчитывается по соотношению:

Гс=П,аГ]л + Гл(1-Г]л)+Г<пр, (3.19)

где Tjae - .

В последние годы в связи с успехами в создании малошумящих приемников и усилителей МВ, ДМВ, СМВ диапазонов значительно возрос интерес к шумам антен-но-фидерных устройств. Эффективность использования малошумящих усилительных приборов в радиотехнической аппаратуре определяется в настоящее время условием достижения оптимальных шумовых характеристик при разработке антенно-фидерных устройств. Бели эффективная шумовая температура приемника мала, пороговая чувствительность радиоприемной системы