Активные антенны

---

Инж. Ю. Хабаров, Москва

---

Активной антенной называют устройство, в котором «интегрированы» (конструктивно объединены) пассив ные антенные элементы и усилитель сигналов. Подобные приемные антенны могут обладать свойствами, которых обычные, антенны не имеют. Так, например, можно создать приемную активную антенну очень малых размеров, весьма эффективную на частотах ниже 30 МГц. Для приема на более высоких частотах представляется возможным сконструировать весьма короткую активную антенну, эффективную в полосе с отношением граничных частот, равным 1,5—2. К настоящему времени разработан ряд конструкций активных антенн для приема на частотах до 1 ГГц.

Ширина полосы пропускания короткой приемной антенны.

Как известно, для приема в диапазонах ДВ, СВ н KB используют антенны, размеры которых меньше длины принимаемой волны, и в большинстве практических случаев применяют трансформаторную связь между антенным и входным резонансным контурами. Индуктивность катушки антенной цепи выбирают настолько большой, что ее резонансная частота получает-ся ниже самой низкой частоты настройки приемника в данном диапазоне. Вследствие этого связь входного контура с антенной при изменении настройки остается в достаточной мере постоянной.

Рассмотрим теперь штыревую антенну (Ан1 на рис. 1,а), подключенную непосредственно к входу усилительного каскада с большим полным входным сопротивлением, например, на полевом транзисторе структуры МОП (Т1). Ее эквивалентная схема приведена на рис. 1, б. Здесь: Eh_Д— эквивалентный генератор э.д.с. сигнала (Е — вектор вертикальной составляющей напряженности электрического поля сигнала в месте приема, h_Дa. La, Са — активное сопротивление, индуктивность и емкость антенны: r_вх, Свх — входное сопротивление и входная емкость транзистора.

Рис. 1. Широкополосная активная антенна. а — упрощенная электрическая принципиальная схема; б — эквивалентная схема;
в — то же с учетом помех, приходящих из окружающего пространства и вносимых активным элементом.

Если h<<λ, то г_a<<ωСа и ωLа<<1/ωCa (здесь ω — угловая частота сигнала). Если три этом r_вх >> ωCвх, то ширина полосы пропускания системы практически неограничена. Величина напряжения между точками 1—1' равна:

Действующая высота антенны и шумы системы.

Для приемника антенна является одновременно источником сигнала и шумов (шумы окружающего- пространства, шумы транзисторов и т. п.). Дополним эквивалентную схему антенны источником шума в виде генераторов напряжения Ед_д (рис. 1, в), где Е_A — напряженность поля помех, поступающих из окружающего пространства. Шумы активного элемента антенны и подключенного к ней приемника представим в виде эквивалентного генератора напряжения шумов Uшa.

Принимаемые антенной атмосферные и индустриальные помехи, тепловые и космические шумы, создают на зажимах l и l' напряжение

Квадрат величины шумового напряжения на зажимах 2 и 2' равен U²_2Ш=U²_1Ш+U²_ШЭ квадрат отношения сигнал/шум

где Е_с — результирующая эквивалентная напряженность поля помех, определяемая выражением:

На рис. 2 приведены полученные расчетом по формулам (2) и (4) кривые зависимости от частоты напряженности поля Е_с одной из конкретных активных антенн, а также напряженности поля помех окружающего пространства Е_А.

Рис. 2. Зависимость от частоты напряженности поля помех для активной антенны, состоящей из штыря диаметром 10 мм и активного элемента с входной емкостью Свх=6 пФ и Uшэ=0,1 мкВ, при полосе пропускания приемника 1 кГ ц. 1 — результирующее эквивалентное поле помех при высоте штыря h=0,5 м; 2 - то же, при h=1 м; 3 — то же, при h=2 м; 4 — поле помех окружающего пространства Е_A (усредненные экспериментальные данные); 5 — 2E_A = F(f); 6 — предельная высота штыря, соответствующая h=λ/8

Из этого рисунка видно, что на относительно низких частотах преобладают шумы окружающего пространства и отношение сигнал/шум приемной системы очень близко к теоретическому пределу E/Е_А. На более высоких частотах преобладают шумы усилительного устройства и значение результирующей напряженности поля помех Е_с не зависит от частоты до тех пор, пока h≤λ/8.

Чем больше h, тем ближе значение Ео к предельной теоретической величине Еa. Если величина Е_в превышает теоретический предел Еa не более, чем в 2 раз (мощность в 2 раза больше), то приемную систему в шумовом отношении можно считать идеальной. Широкополосная активная антенна высотой h<λ/8 может удовлетворять этому условию только на частотах ниже 30 МГц, где уровень внешнего шума значителен.

Малошумящие резонансные антенны на частоты выше 30 МГц.

Поскольку внешние шумы на этих частотах весьма малы, а шумы, вносимые усилительными элементами, возрастают, основным требованием к активной антенне является минимальный шум, вносимый усилителем.

Сопротивление антенны, обычно необходимо согласовывать с входным сопротивлением усилительного устройства. При этом условие получения наибольшего усиления сигнала (согласование по мощности) отличается от условия, при котором достигается наилучшее отношение сигнал/шум (согласование по шумам). Предпочтительнее обеспечивать второе условие, хотя при эхом усиление каскада меньше.

На .рис. 3, а приведена типичная структурная схема приемной системы на частоты выше 30 МГц с пассивной антенной. В случае активной антенны в систему добавляется усилитель (рис. 3, б).

Рис. 3. Структурные схемы приемных устройств на частоты выше 30 МГц с пассивной (а)
и активной (б) антеннами. Тр1—Тр4 — трансформаторы согласования сопротивлений.

В обычной системе передачи энергии из антенны к приемнику (рис. 3а) согласование по шумам можно получить только при вполне определенной и весьма точно выдерживаемой длине линии, которая зависит от частоты. Если же антенну интегрировать с усилителем (рис. 3б), отношение сигнал/шум можно улучшить в широкой полосе частот на 6—12 дБ по сравнению с пассивной антенной.

Интермодуляция и перекрестная модуляция.

Так как антенна одновременно принимает множество сигналов с разными частотами, вследствие нелинейности характеристики транзистора возникают гармоники, суммарные и разностные частоты и перекрестная модуляция Для снижения нелинейных эффектов активную антенну делают настолько короткой, насколько это возможно из условий получения заданной ширины полосы частот и отношения сигнал/шум. При этом уменьшаются амплитуды как. принимаемых полезных, так и мешающих сигналов. Вследствие того, что активные антенны работают в режиме согласования по шумам, амплитуды сигналов на входе транзистора дополнительно уменьшаются. Это существенно уменьшает нелинейные эффекты: прн уменьшении амплитуды помехи вдвое величина перекрестной модуляции снижается в 4 раза В резонансных активных антеннах. в особенности с двугорбой частотной характеристикой, помехи с частотами, лежащими за пределами полосы пропускания значительно ослабляются. что дополнительно повышает помехоустойчивость приемного устройства.

Примеры конструкций активных антенн,

Типичной короткой широкополосной антенной является разработанная в США активная мини-антенна Она состоит из стержня высотой 38 мм, соединенного с усилителем, и диска такого же диаметра, укрепленного на вершине стержня (рис. 4). Диск увеличивает действующую высоту антенны и снижает ее емкостное сопротивление, повышая, тем самым, напряжение на входе усилителя. Напряжение создаваемого антенной шума, приведенное к ее входу, в полосе частот шириной 540 Гц не превышает 0,1 мкВ, что сравнимо с уровнем шумов хорошего связного радиоприемника. Ее динамический диапазон превышает 100 дБ (при напряжении входного сигнала от 0,1 мкВ до 10 мВ и более антенна не вносит искажений).

Рис.4. Активная мини-антенна фирмы <Kollmorgen» (США).
1 - стержень; 2 — диск; 3 — корпус усилителя.

Электронная часть антенны состоит из малошумящего входного усилительного каскада на полевом транзисторе, каскада предварительного усиления и выходного эмиттерного повторителя, обеспечивающего согласование антенны с коаксиальным кабелем. Поскольку антенна является вертикальным несимметричным вибратором, она эффективно принимает вертикально поляризованные сигналы и имеет в горизонтальной плоскости круговую диаграмму направленности. Так как усиление антенны равномерно в широкой полосе частот, она нан более эффективно работает на частотах значительно более низких, чем резонансная частота обычной четвертьволновой штыревой антенны.

Из рис. 5 видно, что в некотором диапазоне частот коэффициент усиления мини-антенны значительно больше, чем коэффициент усиления штыревой антенны высотой 4000 и диаметром 100 мм (при измерениях обе антенны располагались над заземленной металлической пластиной большой площади).

Рис.5. Относительные частотные характеристики антенн.
1 — активная мини-антенна на высоте 1070 мм над поверхностью заземленной металлической пластины; 2 —то же, на высоте 230 мм; 3 — пассивная штыревая антенна высотой 4000 и диаметром 100 мм. fрез — резонансная частота штыревой антенны.

Штыревая активная автомобильная антенна, рассчитанная на прием в диапазонах ДВ, СВ, в диапазоне KB до 10 МГц и в диапазоне УКВ, представляет собой штырь высотой 400 мм из нержавеющей стали, нижняя часть которого свернута в цилиндрическую спираль (рис. 6). В диапазоне УКВ индуктивное сопротивление пружины компенсирует реактивную составляющую сопротивления штыря. Упругость пружины позволяет мыть машину в автоматических моечных устройствах без риска повредить антенну.

Рис.6. Двух диапазонная активная штыревая автомобильная антенна.
1 — штырь; 2 — спираль; 3 — пластмассовое основание; 4 — корпус автомобиля.

Антенна содержит усилитель AM сигналов диапазонов ДВ, СВ, KB и независимый усилитель диапазона УКВ. Усилители расположены в коническом пластмассовом основании nантенны. Питание усилителей осуществляется от бортовой сети автомобиля напряжением 12 В через RC фильтр. Потребляемый ток около 30 мА. Принимаемые сигналы различных диапазонов разделяются на входе усилителей н снова объединяются на выходе в общем коаксиальном кабеле. Схема входной части этого усилителя показана на рис. 7.

Рис.7. Электрическая принципиальная схема первого каскада усилителя AM сигналов активной автомобильной антенны.

Результирующая эквивалентная напряженность поля помех Ео антенны на частоте 1 МГц имеет величину 2,3 мкВ/м при ширине полосы пропускания приемника 5 кГц (величина Ес, приведенная к полосе шириной 1 кГц, обозначена на рис. 2 точкой D.

Часть антенны, работающая на частотax диапазона УКВ, полосового фильтра не имеет. Добротность нагруженной входной цепи антенны выбрана настолько высокой, насколько это возможно для получения на краях диапазона приемлемо больших значений реактивного выходного сопротивления антенны. Коэффициент шума в диапазоне УКВ, приведенный к сопротивлению излучения, составляет 7 дБ на частоте 95 МГц и 11 дБ на частоте 88 МГц.

Двухдиапазонная телевизионная активная антенна

Антенна разработана в ФРГ для приема программ в диапазоне метровых (54—88 МГц) и дециметровых (174—216 МГц) волн.

Рис.8. Двухдиапазонная телевизионная активная антенна:
а — конструкция; б — половина печатной платы; в — эквивалентная схема для диапазона метровых волн;
г — то же для диапазона дециметровых волн. Пл — печатная плата; Са — концевые емкости.

Активная антенна в 5 раз короче обычных антенн этих диапазонов (ее длина 600 мм). Элементы антенны обеспечивают согласование и фильтрацию сигналов и одновременно являются элементами собственно антенны, так как находятся в поле принимаемой волны. Так как средняя шумовая температура окружающего пространства в диапазоне метровых волн имеет величину 3000 К,в первом диапазоне допущено несколько худшее согласование антенны по шумам, за счет чего получается достаточно широкая полоса пропускания. В диапазоне дециметровых волн антенна электрически длиннее, требуемая относительная полоса пропускания уже, и поэтому полное сопротивление антенны ближе к величине Zопт. Это улучшает согласование по шумам.

На рис. 8, б показана половина симметричной печатной платы антенны. Вход однокаскадного усилителя на транзисторе Т1 подключен к симметричным выходным зажимам антенны 1 и 1'. Выход усилителя нагружен через симметрирующий трансформатор на коаксиальный кабель, внешний проводник которого соединен со средней точкой антенны. Питание усилителя осуществляется по этому же кабелю.

Индуктивности L1—L6, обеспечивающие трансформацию полного сопротивления антенны, выполнены на плате печатным способом. Поскольку все элементы активной антенны находятся в поле принимаемой волны и связаны между собой, процессы в антенне можно описать лишь приближенно. В диапазоне метровых волн сопротивление между точками 2 и 2' весьма велико, а между точками 3 и 3' мало. Поэтому точка 1 соединена через индуктивность L6 непосредственно с емкостной нагрузкой и антенна работает, как диполь, нагруженный концевыми емкостями Са (рис. 8, в). В дециметровом диапазоне сопротивление между точками 2 и 2' мало, а между точками 3 и 3' велико и поэтому можно считать, что точка 1 соединена с отводом катушки L1 (рис. 8, г). Путем выбора положения этой точки и величин индуктнвностей L1 — L3, полное сопротивление антенны может быть трансформировано к желаемой величине.

Измеренные шумовые температуры системы составляют: То<4000 К для диапазона метровых волн и То<1100 К для диапазона дециметровых волн. В рабочем диапазоне частот мешающих УКВ передатчиков (88—108 МГц) антенна имеет почти чисто реактивное сопротивление и ослабляет их сигналы не менее, чем на 20 дБ. Усилитель антенны охвачен глубокой отрицательной обратной связью, поэтому нелинейные эффекты заметны лишь при относительно больших значениях напряженности поля. Коэффициент перекрестной модуляции достигает 1 % в диапазоне метровых воли при Е>0,2 В/м, а в диапазоне дециметровых волн при Е>2 В/м.

ЛИТЕРАТУРА

1. Майнке X.. К определению активной антенны, NTZ. 1970.. М 3. стр. 179-110.
2. Майнке X.. Активные антенны. NTZ. 1973. М 8.
3. МйВнке X., Активны а приемные антенны, Internationale Elektronfache Rundschau. 1609, М б. стр. 141 —144:
4. Майнке X., Шум невзаимных активных приемных антенн, NTZ, 1968, М б, стр. 322—329.
5. Baн дер Зил. А., Шум. «Сов. радио», М 1973
6. Колеланд И. Р. и др.. Активные антенные устройства, IEEE Тгапа. АР-12, стр. 227-233.

Paдиo N1, 1975 г.