Для превышения К'э величины К э необходимо выполнение неравенства

Му=Гу/(1-1/Су)<Г%. (3.42)

Неравенство (3.42) означает, что введение дополнительного усилителя в приемную систему приводит к улучшению отношения сигнал/шум в ней в том случае, когда его шумовое число My меньше шумовой температуры приемника, перед которым включается этот усилитель.

Рассмотрим выражение (3.31) для определения зависимости коэффициента эффективности от рассогласований на концах линии передачи, соединяющей антенну (АУ) с приемником. Найдем условия обеспечения выигрыша от использования АУ в радиоприемной системе, которые определяются решением неравенства /*Гэ>1-

Вводя обозначения ра и Тпр и принимая Роп=рау=

=Ра, С1Г%=С27%=Гпр, получаем

у<~--- -

Сравнение выражений (3.34) и (3.43) с учетом соотношений (3.15) показывает, что для случая, характеризуемого выражением (3.43), наличие рассогласований приводит, как правило, к облегчению условий реализации выигрыша при использовании АУ. Чем больше коэффициенты отражения на концах линии передачи, тем больше значения эффективной шумовой температуры усилительной части АУ и тем меньше значения ее коэффициента усиления допустимы для получения выигрыша от использования АУ.

Полученные выше соотношения позволяют выработать требования к параметрам АУ, обеспечивающим необходимый выигрыш от использования АУ в радиоприемной системе.

3.4. ОПРЕДЕЛЕНИЕ TPEБOBAHИ^ К ЭЛЕКТРИЧЕСКИМ ПАРАМЕТРАМ АНТЕНН-УСИЛИТЕЛЕЙ

Представляет интерес определить требования к параметрам АУ, исходя из следующего критерия: при замене в радиоприемной системе пассивной (опорной) антенны АУ должно выполняться условие увеличения

12 8 4

(отн 09)11

о

12 8 4

4 В а)

О

(Г

1Б П 8 4

и 2

4 В б)

о

14 6

1 4 6 8 4. e)

Рис. 3.6. Зависимость параметров АУ от выигрыша q и параметров

IS Zit 20 Iff 11 8 If 0 28

2 20 10 Л 8 It

28 2tt W IB 12 8 4 0

i 0

80 60 iO 20

8 q

Тз=г5он;Тщ=ъъоои

радиоприемной системы

не менее чем в q раз отношения сигнал/шум на выходе радиоприемной системы, т. е. в общем виде

Kb>q. (3.44)

Сохраняя упрощения, принятые при выводе выраже ния (3.43), получаем следующее условие для реализации поставленной задачи:

[ (9-1) Ts+qTA GpTii ау/ ( Goth ау-9) <Q, (3.45)

где

Выполнение неравенства (3.45) является условием реализации выбранного критерия, и на основе этого можно определить требования к электрическим параметрам АУ.

Задаваясь значениями параметров, входящих в выражение (3.45), получим для фиксированных Ту семейство кривых, определяющих для заданных q минимально допустимое GoTnay, которое удовлетворяет неравенству (3.45).

Некоторые результаты таких расчетов приведены на рис. 3.6. Расчеты выполнены для пяти фиксированных значений Ту.

Графики на этом рисунке подтверждают ранее рассмотренные зависимости выигрыша от параметров АУ и других характеристик радиоприемной системы. Такие графики позволяют, с одной стороны, определить требуемый относительный коэффициент усиления АУ, необходимый для получения выигрыша в q раз при известной реализуемой шумовой температуре Ту и, с другой- определить выигрыш, получаемый при использовании АУ с известными реализуемыми значениями Ту и GoTiiay. в то же время просто решается вопрос наличия запаса по величине отношения сигнал/шум в схеме с АУ относительно требуемой величине q. При наличии такого запаса можно уменьшать размеры собственно антенны или упрощать структуру приемника (например, исключить УВЧ).

Графики на рис. 3-6,а-г можно использовать, например при определении требований к электрическим

п

0,1 0,6 0,6 0.8 J?

0,1 0,<f 0,6 0,8

0,1 0,<f 0,0 0,8

0,2 0,i/ 0,0 0,8 f г)

Рис. 3.7. Зависимость коэффициента эффективности от параметров радиоприемной системы

параметрам АУ радиотехнической аппаратуры ДМВ диапазона волн. Графики наглядно показывают, что требования к параметрам АУ при фиксированном выигрыше становятся менее жесткими при уменьшении к. п. д. линии передачи радиоприемной системы. Так, при Ту- ==3000 К и q = \Q минимально необходимый Оотиау равен: 13,4 для г1л=0,5 (рис. 3.6,6), 12,1 для Пл=-0,32 (рис. 3.6,е), 10,1 для г1л=0,01 (рис. 3.6,(3).

Таким образом, использование АУ дает наибольший эффект, с точки зрения повышения чувствительности.

в радиоприемных системах, включающих в себя линию передачи с большими потерями. Это также подтверждается графиками, представленными на рис. 3.7. В современных профессиональных радиотехнических системах имеют место существенные потери в линии передачи, и в отдельных случаях эти потери приводят к неудовлетворительным энергетическим потенциалам системы. Все это увеличивает перспективность использования АУ в радиоприемной аппаратуре дециметрового диапазона.

Графики на рис. 3.6,6-и можно использовать при определении требования к электрическим параметрам АУ аппаратуры метрового и других диапазонов волн. Например, графики на рис. 3.6,й1;,з показывают, что если не требуется повышать энергетические уровни аппаратуры (=1), то фактически все усиление усилительной части АУ можно использовать для компенсации потери эффективности АУ при уменьшении размеров собственно антенны. Степень уменьшения размеров определяется достижением условия q=l, которое будет выполняться при Оотнау=1,05.

Таким образом, полученные в настоящем разделе зависимости позволяют определять требования к электрическим параметрам АУ, исходя из условий их использования в реальной радиоприемной системе.

В заключение этой главы отметим, что в ней в общем виде рассмотрена задача сравнения приемных систем с пассивными антеннами и с АУ по критерию отношения сигнал/шум. Вопрос об эффективности использования АУ по сравнению с пассивной антенной - первый вопрос, который встает перед разработчиком, и расчет или (и) измерения (см. гл. 8) коэффициента эффективности позволяет правильно решить его.

Результаты анализа, приведенные в этой главе, наглядно показывают преимущества АУ перед пассивными антеннами, позволяют количественно оценить это преимущество (в отношении сигнал/шум) и определить условия его реализации. Однако, как отмечалось ранее (см. гл. 1), улучшение отношения сигнал/шум с помощью АУ - не единственный выигрыш, достигаемый при интеграции антенн и усилительных приборов. Необходимо подчеркнуть, что именно при непосредственном соеди-йении антенны и усилителя обычно возможно оптимальное с точки зрения отношения сигнал/шум и полосы пропускания согласование между ними, которое, как

правило, не совпадаег с согласованием по Мощности [79], осуществляемым в приемных системах с пассивными антеннами для устранения переотражений в линии передачи.

Глава 4

НЕРЕЗОНАНСНЫЕ АНТЕННЫ-УСИЛИТЕЛИ

Проблема расширения полосы частот для антенн, в частности KB диапазона, хорошо известна специалистам. Приемные устройства этого диапазона рассчитаны на работу в двадцатикратной (и более) полосе частот, в то время как антенны, например, стационарных радиоузлов (ромбические, горизонтальные вибраторы), перекрывают только двух трехкратную полосу частот, что приводит к необходимости иметь наборы антенн для каждого радионаправления и усложнять коммутацию. Особенно остро проблема расЩирения полосы частот стоит для мобильных радиостанций, где она сочетается с проблемой уменьшения габаритов антенн.

В технике пассивных антенн известно несколько путей решения проблемы расширения полосы частот антенн KB диапазона. Одним из них является использование логарифмически периодических антенн вибраторного типа, однако для KB диапазона (и более длинноволновых) этот метод в большинстве случаев неприемлем из-за того, что у таких антенн усиление на единицу объема или площади антенны (коэффициент использования площади, объема) весьма мал. Проблема уменьшения габаритов антенн оказывается главной преградой и на пути применения других методов расширения полосы частот пассивных антенн. Это относится к взаимодополняющим антеннам и антеннам бегущей волны. Другие, менее распространенные способы расширения полосы пропускания пассивных антенн являются при этом и менее эффективными, однако некоторые из них используются для активных антенн. К ним относятся прежде всего изготовление вибраторов уменьшенных размеров путем свертывания их в спираль.

При всех попытках расширения полосы пропускания пассивных антенн, применяемых в приемных системах с линией передачи между антенной и приемником, ис-

ходным йвляется требование согласования антенны с линией передачи (фидером), волновое сопротивление которой можно реализовать в пределах 50 ... 600 Ом.

Принцип интеграции антенн и активных элементов, осуществляемый в нерезонансных АУ, позволяет отказаться от этого требования, что открывает широкие возможности расширения полосы частот и уменьшения габаритов антенн.

4.1. КОРОТКАЯ ВИБРАТОРНАЯ АНТЕННА-УСИЛИТЕЛЬ

Принципы построения нерезонансных АУ частично изложены в гл. 1. Представим по аналогии с рис. 1.4 короткую вибраторную АУ [52] в виде источника э. д. с. с полным внутренним сопротивлением 2в=:/?в+Дв и активного элемента, описываемого обобщенной матрицей четырехполюсника:

1И11==с d- -

Величина э. д. о. полезного сигнала, развиваемая на разомкнутых клеммах АУ (точки 2-2 рис. 1.4),

еау=£с/гд/(Л+2вС). (4.2)

Таким образом, АУ эквивалентна некоторой пассивной антенне с эквивалентной действующей высотой

/дay=Йд/(Л-fZвC) (4.3)

и полным сопротивлением в точках 2-2

Zy={B+ZD)j{A+ZC), (4.4)

которые оказываются зависящими как от параметров собственно антенны (вибратора), так и от параметров активного элемента.

Напряжение, развиваемое на сопротивлении нагрузки Zh, подключенной к точкам 2-2 (рис. 1.4), определяется соотношением

1] с^Дау ДАн /д

2-2 - 1 + zv2 -f- Б) + Ze (€Z + D)

Диапазон рабочих частот рассматриваемой АУ определяется тем интервалом частот, в котором остается постоянным (или примерно постоянным) напряжение на входе приемника.

Полагая, что фидер, соединяющий приемник и АУ, рогласован с приемником (Zh=P0), и учитывая, что

(Лрф + В)/(Срф+£>)=2у (4.6)

входное сопротивление активного элемента (усилителя),- нагруженного на рф, а

рф1(Арф + В)Ки (4.7)

- коэффициент передачи активного элемента по напряжению, получаем

и, EchjKul (1 +2в2у). (4.8)

Поскольку действующая высота короткого вибратора от частоты зависит очень мало, то частотная зависимость 2-2 определяется зависимостью от частоты Ки и Zs/Zy.

Из выражения (4.8) видно, что напряжение не

будет зависеть от сопротивлений Zb и Zy, если

1 -!- -4=1 -f е' у' = const, (4.9)

где фв=aгctg (Хв/ Нъ), фу=агс15 (Xy/Ry).

При выполнении условия (4.9) частотная зависимость напряжения определяется только частотной зависимостью коэффициента передачи по напряжению Ки-Реализация усилителя с постоянным значением Ки в заданном диапазоне частот обычно не представляет трудностей. Для выполнения условия (4.9) необходимо, чтобы Zb и Zy имели одинаковую частотную зависимость, т. е.

ZB/Zy=a=consl, фв-фу=-0. (4.10)

Входное сопротивление Zy для большинства электронных приборов в рассматриваемом диапазоне частот (ниже 30 МГц) имеет емкостной характер, поэтому в нерезонаисных АУ целесообразно применять короткие электрические вибраторы, входное сопротивление Zb также емкостное. Однако вследствие того, что сопротивление Zb зависит от частоты сильнее, чем Zy, а частотная зависимость реактивного сопротивления Ху отлична от частотной зависимости реактивного сопротивления Хв, выполнить условия (4. 0) в широкой полосе частот при а, сравнимом с 1, не удается. Максимальная

полоса пропускания достигается при а>с1. В этом случае условие <рв-фу=0 становится несущественным. Уменьшение а оказывается полезным и по другим причинам.. Например, при а<1 изменение по каким-либо причинам полного сопротивления Zb (например, за счет влияния близко расположенных предметов) не влияет на величину f/j-г' при этом не меняются значения

Поскольку для коротких вибраторов справедливо соотношение Хв /?в, то для уменьшения а необходимо принимать меры для уменьшения абсолютного значения Х^. Чаще всего это достигается увеличением поперечных размеров вибратора, увеличением концевых емкостей (емкостных нагрузок, торцевых дисков) и выполнением вибраторов в виде спиралей, что, в свою очередь, приводит к увеличению действующей высоты вибратора йд. Согласование АУ с фидером обычно не представляет проблемы и может быть осуществлено в нужной полосе частот практически независимо от входных цепей активного элемента благодаря его свойству невзаимности.

Таким образом, широкая полоса пропускания в нерезонансных АУ достигается за счет отказа от согласования собственно антенны и активной схемы. В работе . [82] показано, что мере расширения полосы пропускания в АУ соответствует мера рассогласования между собственно антенной и активной схемой. Максимальная ширина полосы пропускания на частотах ниже 30 МГц обеспечивается при непосредственном соединении короткого вибратора и транзистора; при этом чем выше входное сопротивление транзистора, тем более широкополосной и более эффективной является АУ (поэтому целесообразным оказывается использование полевых СВЧ транзисторов).

Анализ коротких вибраторных АУ со встроенными активными' элементами можно провести также на основе анализа эквивалентных схем, однако в этом случае обычно возникают определенные трудности как при выборе эквивалентной схемы, так и при

77777777/7777Л

ж

Рис. 4.1. Схема рамочно-вибраторной АУ