АКТИВНАЯ ПРИЕМОПЕРЕДАЮЩАЯ АНТЕННА ШИРОКОВА
SHIROKOV ACTIVE TRANSCEIVING ANTENNA

Изобретение принадлежит к антенной технике и может быть использовано в системах радиосвязи, радионавигации, радиолокации.
Известны активные антенны (см. например кн. Должиков В. В., Цыбаев Б. Г. Активные передающие антенны. - М., 1984, или кн. Устройства СВЧ и антенны. Проектирование фазированных антенных решеток. Под ред. Д. И. Воскресенского. Изд. 4-е, доп. и перераб. - М.: Радиотехника, 2003). Активная антенна - антенна, содержащая в своей структуре активные устройства, в частности усилители мощности (передающая активная антенна) или малошумящие усилители (приемная активная антенна). Чаще всего активной антенной является антенная решетка. При этом использование активных устройств в передающей активной антенне позволяет компенсировать потери в трактах и обеспечивать оптимальное распределение амплитуд и фаз токов по излучающей апертуре. Приемная активная антенна со встроенными малошумящими усилителями имеет существенно большее отношение сигнал/шум на входе приемника по сравнению с аналогичной пассивной антенной. Однако описанные активные антенны предназначены либо для приема сигналов, либо для их излучения. При этом представляет особый интерес построение приемопередающей активной антенны, способной как принимать сигналы, так и излучать их, причем делать это одновременно.
Наиболее близкими к предполагаемому изобретению относятся Патенты Украины: Датчик перманентного контроля сердечного ритма шахтера, пат. № 91956, оп. в Б. № 17 от 10.09.2010, МПК А61В 5/02, E21F 11/00, Н04В 5/00 и Однопортовый резонансный транзисторный усилитель Широкова, пат. № 102751, оп. в Б. № 15 от 12.08.2013, МПК H03F 3/189, H03F 3/19, H03F 3/04.
Согласно первому из перечисленных патентов-прототипов, датчик состоит из автодинного генератора непрерывных микроволновых колебаний, совмещенного с микрополосковой антенной. При этом автодинный генератор представляет собой соединения микрополосковой антенны на диэлектрическом подложке и экранирующей пластины, полевого транзистора и блокировочного конденсатора. Причем микрополосковая антенна имеет три вывода, расположенные на одной ее осевой линии, причем первый вывод находится в центре микрополосковой антенны, второй вывод смещен от центра к краю на некоторое известное расстояние и третий вывод смещен от центра еще дальше к тому же краю на некоторое другое известное расстояние. При этом первый вывод микрополоской антенны соединен с экранирующей пластиной, которая соединена также с общим проводом питания. При этом второй вывод микрополосковой антенны через первое отверстие в экранирующей пластине соединен с истоком полевого транзистора, а третий вывод микрополосковой антенны через второе отверстие в экранирующей пластине соединен с затвором полевого транзистора. При этом сток полевого транзистора соединен с первым выводом блокировочного конденсатора, второй вывод которого соединен с экранирующей пластиной.
Согласно второму из перечисленных патентов, однопортовый усилитель состоит из полевого транзистора, конструктивной индуктивности, блокирующего конденсатора, клеммы подачи и съема сигналов, клеммы подачи напряжения питания. При этом конструктивная индуктивность выполнена либо в качестве катушки индуктивности с отводами (выводами) известного диаметра, известной длины и с известным количеством витков, либо в качестве отрезка микрополосковой линии с отводами (выводами) известной ширины, известной толщины подложки и известной длины. При этом конструктивная индуктивность имеет четыре вывода. Причем первый вывод конструктивной индуктивности соединен с общим проводом, второй вывод конструктивной индуктивности соединен с истоком полевого транзистора, третий вывод конструктивной индуктивности соединен с затвором полевого транзистора, а четвертый вывод конструктивной индуктивности соединен с клеммой подачи и съема радиочастотных сигналов. При этом сток полевого транзистора соединен с первым выводом блокировочного конденсатора и с клеммой подачи напряжения питания, а второй вывод блокировочного конденсатора соединен с общим проводом. Причем отводы конструктивной индуктивности и параметры полевого транзистора подобраны таким образом, чтобы не выполнялось условие самовозбуждения схемы и генерации сигналов. В усилителе-прототипе также рассмотрены различные варианты подачи управляющего напряжения, предотвращающего самовозбуждение схемы и генерацию сигналов.
При этом первый из перечисленных патентов прототипов можно рассматривать только как микрополосковую антенну со встроенным радиочастотным генератором. Рассматривать ее как приемную или передающую антенну, способную принимать/передавать внешние радиочастотные сигналы не представляется возможным.
При этом второй из перечисленных патентов прототипов можно рассматривать только как однопортовый усилитель радиочастотных сигналов.
В основу изобретения поставлена задача создания приемопередающей активной антенны, способной сначала принимать радиочастотные сигналы, а затем их дополнительно усиливать активным элементом и, в то же время, способной сначала дополнительно усиливать радиочастотные сигналы тем же самым активным элементом, а затем излучать их. При этом дополнительно ставится задача упростить конструкцию антенны в целом, снизить ее габариты и вес, понизить энергопотребление. Поставленная задача достигается следующим образом.
1. Активная приемопередающая антенна, содержащая полевой транзистор, микрополосковую антенну на диэлектрическом подложке, экранирующую пластину, блокировочный конденсатор, причем микрополосковая антенна имеет три вывода, расположенные на одной ее осевой линии, причем первый вывод находится в центре микрополосковой антенны, второй вывод смещен от центра к краю на некоторое известное расстояние и третий вывод смещен от центра еще дальше к тому же краю на некоторое другое известное расстояние, при этом первый вывод микрополоской антенны соединен с экранирующей пластиной, которая соединена также с общим проводом питания, при этом второй вывод микрополосковой антенны через первое отверстие в экранирующей пластине соединен с истоком полевого транзистора, а третий вывод микрополосковой антенны через второе отверстие в экранирующей пластине соединен с затвором полевого транзистора, при этом сток полевого транзистора соединен с первым выводом блокировочного конденсатора, второй вывод которого соединен с экранирующей пластиной, при этом на сток полевого транзистора подают напряжение питания активного элемента, отличающаяся тем, что к микрополосковой антенне добавлен четвертый вывод, который через третье отверстие в экранирующей пластине соединен с высокочастотным разъемом, при этом четвертый вывод расположен на известном расстоянии на той же оси, что и первые три вывода микрополосковой антенны, причем четвертый вывод может быть расположен как справа, так и слева от первого вывода, соединяющего центр микрополосковой антенны с экранирующей пластиной, при этом на высокочастотный разъем подают радиочастотный сигнал, который затем усиливают полевым транзистором и излучают микрополосковой антенной электромагнитную волну, вместе с тем микрополосковой антенной принимают электромагнитную волну, которую затем усиливают полевым транзистором и на высокочастотном разъеме снимают радиочастотный сигнал, причем прием и излучение сигналов можно производить одновременно, причем отводы конструктивной индуктивности и параметры полевого транзистора подобраны таким образом, чтобы не выполнялось условие самовозбуждения схемы и генерации сигналов.
2. Активная приемопередающая антенна по п. 1, отличающаяся тем, что в качестве полевого транзистора использован двухзатворный полевой транзистор, причем его первый затвор соединен с третьим выводом микрополосковой антенны, а его второй затвор соединен с клеммой подачи управляющего напряжения постоянного тока, причем установкой требуемого управляющего напряжения постоянного тока добиваются выполнения условия отсутствия самовозбуждения схемы и генерации сигналов.
3. Активная приемопередающая антенна по п. 1, отличающаяся тем, что в схему добавлены разделительный конденсатор и развязывающее сопротивление, причем третий вывод микрополосковой антенны соединен с первой обкладкой разделительного конденсатора, вторая обкладка которого соединена с первым выводом развязывающего сопротивления и с затвором полевого транзистора, а второй вывод развязывающего сопротивления соединен с клеммой подачи управляющего напряжения постоянного тока, причем установкой требуемого управляющего напряжения постоянного тока добиваются выполнения условия отсутствия самовозбуждения схемы и генерации сигналов.
4. Активная приемопередающая антенна по п. 3, отличающаяся тем, что в схему добавлено балластное сопротивление, причем третий вывод микрополосковой антенны соединен с затвором полевого транзистора, а её второй вывод соединен с первым выводом балластного сопротивления и с первой обкладкой разделительного конденсатора, вторая обкладка которого соединена со вторым выводом балластного сопротивления, с истоком полевого транзистора и с первым выводом развязывающего сопротивления, второй вывод которого соединен с клеммой подачи управляющего напряжения постоянного тока, причем установкой требуемого управляющего напряжения постоянного тока добиваются выполнения условия отсутствия самовозбуждения схемы и генерации сигналов.
Сравнение предполагаемого изобретения с уже известными прототипами показывает, что заявляемое устройство проявляет новые технические свойства, заключающиеся в возможности принимать электромагнитные волны радиочастотного диапазона, усиливать радиочастотные сигналы активным элементом антенны и снимать принятые и усиленные радиочастотные сигналы на высокочастотном разъеме активной антенны, при этом одновременно можно подавать на этот же самый высокочастотный разъем радиочастотные сигналы, усиливать их тем же самым активным элементом антенны и излучать в свободное пространство электромагнитные волны радиочастотного диапазона. Кроме этого достигается простота конструкции активной антенны, ее малогабаритность, малый вес, малое потребления энергии и низкая стоимость, что позволяет использовать заявляемую активную антенну как законченный элемент системы связи, радионавигации, радиолокации, так и как активный приемопередающий элемент антенной решетки. В последнем случае низкая стоимость активного элемента при его высоких технических характеристиках положительно сказывается на эффективности использования антенной решетки в целом.
Эти свойства предполагаемого изобретения являются новыми, так как в устройствах прототипах, в силу присущих им недостатков, нет возможности осуществлять одновременно прием-усиление и усиление-излучение сигналов радиочастотного диапазона.
Указанную активную приемопередающую антенну можно реализовать по схеме, приведенной на фиг. 1а, б, в, г.
Активная приемопередающая антенна состоит из высокочастотного разъема подачи и съема радиочастотных сигналов 1, микрополосковой антенны 2, расположенной на диэлектрической подложке 3 с экранирующей пластиной 4, имеющей первое отверстие 5, второе отверстие 6, третье отверстие 7, блокировочного конденсатора 8, клеммы подачи напряжения питания 9 (фиг. 1а, б, в и г), полевого транзистора 10 с одним затвором (фиг. 1а, в и г) или двумя затворами (фиг. 1б), клеммы подачи напряжения управления постоянного тока 11 (фиг. 1б, в и г), развязывающего сопротивления 12 (фиг.1в и г), разделительного конденсатора 13 (фиг.1в и г) и балластного сопротивления 14 (фиг. 1г), причем микрополосковая антенна выполнена с отводами (выводами), расположенными на ее оси на известном расстоянии друг от друга, при этом микрополосковая антенна имеет четыре вывода.
При этом первый вывод микрополосковой антенны 2 соединен с экранирующей пластиной 4, которая соединена с общим проводом (фиг.1а, б, в и г), второй вывод микрополосковой антенны 2 через первое отверстие 5 в экранирующей пластине 4 соединен либо с истоком полевого транзистора 10 (фиг.1а, б и в), либо с первым выводом балластного сопротивления 14 и с первой обкладкой разделительного конденсатора 13, вторая обкладка которого соединена со вторым выводом балластного сопротивления 14, с истоком полевого транзистора 10 и с первым выводом развязывающего сопротивления 12, второй вывод которого соединен с клеммой подачи напряжения управления постоянного тока 11 (фиг. 1г), при этом третий вывод микрополосковой антенны 2 через второе отверстие 6 в экранирующей пластине 4 соединен с затвором полевого транзистора 10 (фиг.1а и г), или с первым затвором полевого транзистора 10, второй затвор которого соединен с клеммой подачи напряжения управления постоянного тока 11 (фиг.1б), или с первым выводом разделительного конденсатора 13, второй вывод которого соединен с затвором полевого транзистора 10 и с первым выводом развязывающего сопротивления 12, второй вывод которого соединен с клеммой подачи напряжения управления постоянного тока 11 (фиг. 1в), при этом четвертый вывод микрополосковой антенны 2 через третье отверстие 7 в экранирующей пластине 4 соединен с высокочастотным разъемом подачи и съема радиочастотных сигналов 1 (фиг.1а, б, в и г), при этом сток полевого транзистора 10 соединен с первым выводом блокировочного конденсатора 8 и с клеммой подачи напряжения питания 9, а второй вывод блокировочного конденсатора 8 соединен с экранирующей пластиной 4 (фиг. 1а, б, в и г), которая соединена с общим проводом.
Активная приемопередающая антенна может работать одновременно как на прием, так и на передачу.
Рассмотрим режим приема. Микрополосковая антенна 2 на диэлектрической подложке 3 с экранирующей пластиной 4 образуют структуру, способную преобразовывать принимаемые электромагнитные волны в электрические сигналы. При приеме электромагнитных волн на третьем выводе микрополосковой антенны 2 наводится радиочастотный сигнал (напряжение), который поступает на затвор полевого транзистора 10 (первый затвор двухзатворного полевого транзистора) либо напрямую (фиг.1а, б и г), либо через разделительный конденсатор 13 (фиг. 1в). Это радиочастотное напряжение вызывает появление синфазного тока через канал полевого транзистора 10, который частично протекает через микрополосковую антенну 2 за счет соединения истока полевого транзистора 10 со вторым выводом микрополосковой антенны 2, либо непосредственно (фиг.1а, б и в), либо через разделительный конденсатор 13, параллельно которому подключено балластное сопротивление 14 (фиг. 1г). При этом ток через микрополосковую антенну 2 в ее части между первым и вторым выводами, оказывается синфазным с входным сигналом (напряжением). Другими словами реализуется положительная обратная связь и осуществляется регенеративное усиление радиочастотного сигнала. Максимальной величины усиление схемы достигает при резонансе колебательной системы, образованной микрополосковой антенной 2 и входной емкостью полевого транзистора 10. Выходной усиленный радиочастотный сигнал снимают с четвертого вывода микрополосковой антенны 2 и подают на высокочастотный разъем подачи и съема радиочастотных сигналов 1. При этом положение четвертого вывода микрополосковой антенны 2 выбирают с точки зрения согласования входного/выходного сопротивления активной антенны с волновым сопротивлением входного/выходного фидера.
В режиме передачи радиочастотный сигнал через высокочастотный разъем подачи и съема радиочастотных сигналов 1 подают на четвертый вывод микрополосковой антенны 2. При этом на третьем выводе микрополосковой антенны 2 наводится радиочастотный сигнал (напряжение), синфазный с входным сигналом. Синфазный наведенный сигнал поступает на затвор полевого транзистора 10 (первый затвор двухзатворного полевого транзистора) либо напрямую (фиг.1а, б и г), либо через разделительный конденсатор 13 (фиг. 1. в). Это радиочастотное напряжение вызывает появление синфазного тока через канал полевого транзистора 10, который частично протекает через микрополосковую антенну 2 за счет соединения истока полевого транзистора 10 со вторым выводом микрополосковой антенны 2, либо непосредственно (фиг. 1а, б и в), либо через разделительный конденсатор 13, параллельно которому подключено балластное сопротивление 14 (фиг. 1г). При этом ток через микрополосковую антенну 2 в ее части между первым и вторым выводами, оказывается синфазным с входным сигналом (напряжением). Другими словами реализуется положительная обратная связь и осуществляется регенеративное усиление радиочастотного сигнала. Выходной усиленный радиочастотный сигнал излучается структурой, образованной микрополосковой антенной 2 на диэлектрической подложке 3 с экранирующей пластиной 4.
Первый вывод микрополосковой антенны 2, соединенный с экранирующей пластиной 4 и с общим проводом, обеспечивает замыкание цепи по постоянному току, подавая тем самым напряжение питания на исток полевого транзистора 10. Это замыкание микрополосковой антенны 2 на общий провод через её первый вывод не оказывает никакого влияния на резонансную цепь микрополосковой антенны, поскольку этот вывод находится в центре микрополосковой антенны 2 и при резонансе амплитуда колебаний напряжения в этой точке колебательной системы равна нулю.
Входные и выходные радиочастотные сигналы разделяют, при необходимости, любым известным методом, например с помощью направленного ответвителя или циркулятора.
Блокировочный конденсатор 8 служит для соединения стока полевого транзистора 10 по переменному току с общим проводом. Напряжение питания активной антенны подают через клемму 9 на сток полевого транзистора 10.
Принципиальная схема заявляемой активной приемопередающей антенны напоминает традиционный генератор высокочастотных колебаний, построенный по схеме индуктивной трехточки. Однако в заявляемой активной приемопередающей антенне отводы микрополосковой антенны 2 и параметры полевого транзистора 10 подобраны таким образом, чтобы условие самовозбуждения схемы не выполнялось и генерации сигналов не наступало (фиг. 1а). Другим способом срыва процесса генерации сигналов (невыполнения условия самовозбуждения схемы) может быть подача управляющего напряжения постоянного тока через клемму 11 на второй затвор полевого транзистора 10 (фиг. 1б), либо подача управляющего напряжения постоянного тока через клемму 11 и через развязывающее сопротивление 12 на затвор полевого транзистора 10 (фиг. 1в), при условии наличия разделительного конденсатора 13, либо подача управляющего напряжения постоянного тока через клемму 11 и через развязывающее сопротивление 12 на исток полевого транзистора 10 (фиг. 1г), при условии наличия разделительного конденсатора 13 и балластного сопротивления 14. При этом, чем точнее и ближе само расположение второго вывода микрополосковой антенны 2, параметры полевого транзистора 10 и значение управляющего напряжения, подаваемого на клемму 11, соответствуют выполнению условию самовозбуждения схемы, тем больше коэффициент усиления активной антенны.
Представляется следующий путь выбора указанных параметров. Определяется критический режим работы активной антенны, при котором начинает выполняться условие самовозбуждения схемы, после чего один из указанных параметров, если это возможно, изменяют, например, на 10% в сторону срыва процесса генерации. При этом обеспечивают стабильную работу активной приемопередающей антенны в широком диапазоне изменения дестабилизирующих факторов и при широком разбросе параметров электронных компонентов схемы активной антенны при ее массовом производстве.
Народнохозяйственный эффект от использования предполагаемого изобретения связан с появлением возможности строить простые, надежные, стабильные в работе и потребляющие малое количество энергии активные приемопередающие антенны.
Другой аспект повышения эффективности от использования предполагаемого изобретения связан с возможностью использования заявляемой активной приемопередающей антенны в качестве элемента фазированной антенной решетки. Простота конструкции, надежность в работе, малое потребление энергии в сочетании с большим коэффициентом усиления делает заявляемую активную приемопередающую антенну исключительно полезной во всех областях радиотехники.