Курочкин А.Е. Конспект лекций. Радиоприемные устройства

8.2 Радиоприемные устройства с активными антеннами

Активными антеннами (АА) в радиотехнике принято называть устройства, объединяющие собственно антенну и активные элементы усиления, преобразования или генерации сигналов. Функции таких устройств не реализуются обычным последовательным соединением ряда функционально законченных узлов, а обеспечиваются электрически единым устройством. Разделение АА на пассивную и активную части невозможно из-за интегрального характера устройства. Это отличает, например, антенну-усилитель (АУ) от антенны, соединенной с антенным (предварительным) усилителем, когда выход антенны и вход усилителя согласованы с волновым сопротивлением линии передачи и могут быть соединены линией передачи любой длины. АА выполняется в виде одного блока. В общем случае это нелинейное и невзаимное устройство.

Интеграция антенны и активного элемента позволяет уменьшить размеры антенн, расширить полосу пропускания электрически коротких антенн, улучшить чувствительность приемных систем, осуществить электронную перестройку антенн и управлять диаграммами направленности. Во многих случаях АА позволяют реализовать одновременно несколько указанных преимуществ, причем выигрыш, например в габаритах АА, может достигать нескольких десятков по сравнению с пассивными аналогами при сохранении или даже улучшении полосы пропускания, чувствительности и т. д.

Варианты структур АА представлены на рис. 8.9. Включение по схеме двухполюсника имеет место при использовании, например, диодов или конверторов отрицательного сопротивления, преобразующих реактивное сопротивление Ха, подключенное к свободной паре (рис. 8.9,а) полюсов, в отрицательное сопротивление на паре полюсов, подключенных к собственно антенне. Наиболее распространена структура, показанная на рис. 8.9,б. На ее основе реализованы существенное уменьшение размеров АУ, повышение чувствительности приемных систем и т.д.

АУ являются наиболее распространенным в настоящее время типом АА. В диапазонах ДВ, СВ, KB и частично УКВ целью интеграции являются, как правило, уменьшение размеров антенн и обеспечение широкой полосы пропускания. Эта цель достигается интеграцией собственно антенны с УЭ. С повышением частоты нерезонансные АУ малоэффективны по сравнению с резонансными из-за неоптимального согласования. В резонансных АУ осуществляется оптимальное согласование УЭ с собственно антенной для обеспечения максимального отношения сигнал/шум в приемной системе.

Что касается вопросов проектирования МА и усиления сигналов, поступающих с МА, то они неразрывно связаны между собой рядом параметров. Во-первых, это реальная чувствительность, которая определяется действующей высотой антенны и шумами усилителя. Во-вторых, это АЧХ, которая формируется и МА, и усилителем. В-третьих, это динамический диапазон, поскольку нелинейные искажения усилителя зависят от уровня сигнала на входе, т.е. от действующей высоты пассивной антенны и т.д.

303

Курочкин А.Е. Конспект лекций. Радиоприемные устройства

Рис. 8.9 - Структуры активной антенны

Поэтому устройство, представляющее собой сочетание пассивной МА и усилителя сигналов МА, рассматривается далее как единое целое и называется активной магнитной антенной.

8.2.1 Активные магнитные антенны

В случае устройств с чисто реактивным источником сигнала, как известно, коэффициент шума не имеет смысла. В связи с этим для анализа шумов в АМА следует пользоваться отношением сигнал/шум, которое не зависит от характера внутреннего сопротивления источника сигнала.

Рис. 8.10

Обобщенная шумовая схема АМА показана на рис. 8.10,а, где C1 и C2 - корректирующие конденсаторы; Zг - внутреннее сопротивление МА; еН - ЭДС,

наводимая в МА; eш и iш - шумовые и в общем случае коррелированные источники напряжения и тока УРЧ. Для частот f << fα , где fα- граничная частота транзистора, шумовую схему АМА и анализ ее шумовых характеристик

304

Курочкин А.Е. Конспект лекций. Радиоприемные устройства

можно значительно упростить, если считать источники тока и напряжения на рис. 8.10,а некоррелированными.

Приведем обобщенную шумовую схему АМА к виду, представленному на рис. 8.10,б. Здесь

2

eш2 + iш2 Zг/

Максимизация отношения сигнал/шум обеспечивается соответствующим выбором параметров АМА.

Возможны следующие варианты построения АМА: нерезонансный, с последовательным резонансом, с параллельным резонансом и с комбинацией последовательного и параллельного резонансов. Кроме того, АМА может быть широкополосная (неперестраиваемая) (рис. 8.11,а) и узкополосная (перестраиваемая) (рис. 8.11,б).

305

Курочкин А.Е. Конспект лекций. Радиоприемные устройства

Рис. 8.11

В широкополосном варианте за счет действия общей параллельной ООС формируется выходное напряжение, не зависящее от частоты сигнала. Это происходит благодаря тому, что коэффициент передачи АМА с ростом частоты уменьшается, а действующая высота пассивной антенны увеличивается. В постоянстве выходного напряжения и заключается один из элементов интеграции пассивной МА и усилителя в единое устройство – АМА. Схема активной нерезонансной магнитной антенны представлена на рис. 8.12.

относительная магнитная проницаемость антенны.

Реальная чувствительность нерезонансной АМА рассчитывается по

306

Курочкин А.Е. Конспект лекций. Радиоприемные устройства

Рис. 8.12

Реальная чувствительность нерезонансной АМА минимальна на нижней частоте рабочего диапазона и повышается с ростом частоты из-за увеличения действующей высоты (кривая 1 на рис. 8.13).

Шумовое согласование для активной магнитной антенны выполняется на некоторой частоте fc , где ZМА = 2πfcLA = R ГОПТ .

Для четырехполюсника, представленного на рис. 8.10, оптимальное сопротивление источника сигнала, при котором отношение сигнала/шум на его входе максимально, равно

сопротивление эмиттерного перехода; ϕт = 0,026 В - температурный

потенциал.

Подставляя выражения (8.17) и (8.18) в (8.15), получим при большом значении Rвх

где S – крутизна передаточной характеристики, Сзи – емкость затвор-исток.

307

а так как iш2 (ωпар LA Q пар )>> eш2 при Qпар >>1, то

308

Курочкин А.Е. Конспект лекций. Радиоприемные устройства

Из выражений (8.23) и (8.24) видно, что вариант АМА с параллельным резонансом позволяет ослабить влияние шумового источника напряжения.

Возможны два режима работы: широкополосный (рис. 8.14), когда коэффициент перекрытия диапазона по частоте kд > 1 и узкополосный (рис.

8.15) – при kд = 1.

Рис. 8.14

Вширокополосном варианте принимаем Qпар >> 1, а частота

параллельного резонанса выбирается из условия получения равных значений реальной чувствительности по краям диапазона (кривая 2, рис. 8.13):

Рис. 8.15

Величина индуктивности антенны LA выбирается из условия получения максимально возможного отношения сигнал/шум по краям диапазона:

309

Курочкин А.Е. Конспект лекций. Радиоприемные устройства

Заметим, что величина индуктивности МА меньше, чем в случае нерезонансной АМА.

Реальная чувствительность в наихудших точках (по краям диапазона) для АМА с параллельным резонансом равна

где Енерез - реальная чувствительность нерезонансного варианта.

Реальная наивысшая чувствительность имеет место на частоте fm , которая совпадает с частотой параллельного резонанса fпар :

В узкополосном варианте частота параллельного резонанса равна частоте несущей сигнала. Величина индуктивности антенны выбирается, исходя из шумового согласования на резонансной частоте

Реальная чувствительность повышается до значения

Для активной магнитной антенны с последовательным резонансом

Cпосл ≠ ∞,Cпар = 0. Тогда

Принцип действия широкополосной АМА с последовательным резонансом (рис. 8.16,а) заключается в следующем. На частоте последовательного резонанса fпосл = fс получаем

То есть такой метод согласования позволяет ослабить влияние источника шумового тока.

310

Курочкин А.Е. Конспект лекций. Радиоприемные устройства

Как показывает анализ, последовательный резонанс позволяет увеличить значение индуктивности LА МА по сравнению с нерезонансным вариантом.

Реальная чувствительность за счет ослабления влияния источника шумового тока по сравнению с нерезонансным вариантом повышается до значения (кривая 2, рис. 8.13):

Возможен также и узкополосный вариант при последовательном резонансе (рис. 8.16,б), при этом

Широкополосный вариант активной магнитной антенны с комбинацией последовательного и параллельного резонансов позволяет ослабить влияние и источника шумового напряжения, и источника шумового тока (рис. 8.17).

311

Курочкин А.Е. Конспект лекций. Радиоприемные устройства

Выражения для коэффициентов интермодуляции АМА второго и третьего порядка можно записать в следующем виде:

Здесь ТАМА - передаточная функция устройства: