Активная антенна

Устройство относится к радиотехнике, а именно к антенной технике, и может быть использовано для приема сигналов коротковолнового диапазона.
Из существующего уровня техники известны пассивные и активные антенны. В данной заявке будут рассмотрены активные антенны, в которых физическая антенна, цепь согласования и усиления являются одним устройством.
Известна активная антенна из источника информации [1], выполненная по схеме эмиттерного повторителя, но у нее недостаточное усиление сигнала по току.
Известны также устройства, описанные в источнике информации [2].
Недостатками известных устройств является небольшое усиление по току, большие массогабаритные параметры антенны, а также нелинейность передаточной функции антенны в рабочем диапазоне частот.
Наиболее близким аналогом по технической сущности к предлагаемому является устройство из источника информации [3], выполненное по схеме двухтактного эмиттерного повторителя, принятое за прототип.
На фиг. 1 изображена принципиальная схема устройства-прототипа, где введены следующие обозначения:
1 – усилитель мощности (УМ);
R1 – R9 – первый – девятый резисторы;
C1 – C6 – первый-шестой конденсаторы;
VT1 – VT6 – первый-шестой транзисторы;
пит.
Е – источник питающего напряжения.
Устройство-прототип является активной антенной, состоящей из последовательно соединенных физической антенны (на фиг.1 не показана) и усилителя мощности 1, включённого по схеме двухтактного эмиттерного повторителя. Двухтактный эмиттерный повторитель состоит из двух плеч, одно из которых усиливает положительную полуволну сигнала, а второе – отрицательную.
УМ 1 содержит конденсатор С1, подключенный к точке соединения первого R1 и второго R2 резисторов, первое и второе плечи двухтактного эмиттерного повторителя, при этом каждое плечо состоит из трех однотактных эмиттерных повторителей. Плечи двухтактного эмиттерного повторителя соединены параллельно друг другу, транзисторы плеч имеют противоположную проводимость.
Первое плечо двухтактного эмиттерного повторителя содержит первый однотактный истоковый повторитель, собранный на первом транзисторе VT1 и третьем резисторе R3, подключенном к его истоку, между затвором и стоком которого включен первый резистор R1. Исток первого транзистора VT1 через третий конденсатор С3 подключен к базе третьего транзистора VT3, образующего с седьмым резистором R7 первый однотактный эмиттерный повторитель. При этом эмиттер третьего транзистора VT3 соединен с базой пятого транзистора VT5, эмиттер которого соединен с резистором R9 и образует второй однотактный эмиттерный повторитель.
Второе плечо двухтактного эмиттерного повторителя содержит второй однотактный истоковый повторитель, собранный на втором транзисторе VT2 и третьем резисторе R3, подключенном к его истоку, между затвором и стоком которого включен второй резистор R2. Исток второго транзистора VT2 через четвертый конденсатор С4 подключен к базе четвертого транзистора VT4, образующего с восьмым резистором R8 третий однотактный эмиттерный повторитель. При этом эмиттер четвертого транзистора VT4 соединен с базой шестого транзистора VT6, эмиттер которого соединен с резистором R9 и образует четвертый однотактный эмиттерный повторитель.
пит1
Сток второго транзистора VT2, коллекторы третьего VT3 и шестого VT6 транзисторов, соответствующие выводы шестого R6 и восьмого R8 резисторов соединены с общей шиной. Кроме того, параллельно третьему резистору R3 включен второй конденсатор С2. Между базами третьего VT3 и четвертого VT4 транзисторов включен пятый резистор R5. Сток первого транзистора VT1, коллекторы четвертого VT4 и пятого VT5 транзисторов, один вывод четвертого резистора R4 и другой вывод седьмого резистора R7 соединены между собой и подключены к источнику питающего напряжения Е.
Резистор R5 включен между базами третьего VT3 и четвертого VT4 транзисторов и соединен с выводами четвертого R4 и шестого R6 резисторов соответственно. Выводы резистора R9 через пятый С5 и шестой С6 конденсаторы соответственно соединены с выходом УМ 1. Физическая антенна подключена к УМ 1 через первый конденсатор С1.
Работает устройство-прототип следующим образом.
Сигнал, принятый антенной (на фиг. 1 не показана) поступает на вход УМ 1. Далее в УМ 1 через емкость конденсатора С1 задается напряжение на резисторах R1 и R2, а также на затворах транзисторов VT1 и VT2, вследствие чего напряжение на стоках транзисторов VT1 и VT2 будет изменяться. Конденсатор С1 выбран таким образом, что фильтр высоких частот, образованный этим конденсатором и последовательно соединенными с ним резисторами R1 и R2, которые применяются для смещения напряжения затворов транзисторов VT1 и VT2, настроен на рабочие частоты устройства. Благодаря напряжению смещения, приложенному к затворам транзисторов VT1 и VT2, и наличию истокового резистора R3 данная структура позволяет получить значительное усиление по току [4].
Первый однотактный истоковый повторитель [4], состоящий из транзистора VT1 и резистора R3, работает с положительной полуволной сигнала. Второй однотактный истоковый повторитель (VT2 и R3) – с отрицательной полуволной сигнала. При этом резистор R3 обеспечивает отрицательную обратную связь (ООС) по току, благодаря этому улучшаются характеристики усилителя, такие как линейность и стабильность.
На базы первого и третьего однотактных эмиттерных повторителей поступают усиленные по току сигналы с первого и второго истоковых повторителей соответственно. Первый однотактный эмиттерный повторитель, состоящий из транзистора VT3 и резистора R7, работает с положительной полуволной сигнала. Третий однотактный эмиттерный повторитель (VT4 и R8) – с отрицательной полуволной сигнала.
Конденсатор С2 обеспечивает шунтирование переменной составляющей сигнала на резисторе R3, конденсаторы С3 и С4 задают напряжение на резисторах R4 и R6, а также на базах транзисторов VT3 и VT4, вследствие чего напряжение на коллекторах транзисторов VT3 и VT4 будет изменяться.
Сопротивление резистора R5 задает напряжение между базами транзисторов VT3 и VT4. Данная структура дает возможность получать значительно усиленный по току сигнал.
Усиленный по току сигнал с первого и третьего однотактных эмиттерных повторителей поступает на базы второго (VT5 и R9) эмиттерного повторителя, работающего с положительной полуволной, и четвертого (VT6 и R9) эмиттерного повторителя, работающего с отрицательной полуволной. Напряжение на резисторах R7 и R8, задает напряжение на базах транзисторов VT5 и VT6, вследствие чего напряжение на коллекторах транзисторов VT5 и VT6 будут изменяться, что обеспечит усиление по току, следовательно, требуемую мощность сигнала на выходе усилителя.
При этом резистор R9 обеспечивает ООС по току. Далее сигнал через конденсаторы С5 и С6 поступает на выход устройства.
УМ 1 соединяет высокоомную антенну с пятидесятиомной линией, вследствие этого, кроме усилительной, он выполняет функцию согласования линий с разным сопротивлением.
Недостатком устройства-прототипа является большая физическая длина антенны, которая требуется для обеспечения требуемого уровня напряжения сигнала на выходе устройства. Вследствие достаточно большой длинны антенны, ее резонанс приходится на рабочий диапазон устройства, что приводит к нелинейности передаточной функции антенны в данном диапазоне.
Задача предлагаемого устройства состоит в уменьшении длины антенны, что вызовет понижение уровня напряжения на выходе, которое компенсируется усилителем напряжения. Длина антенны уменьшается таким образом, что ее резонанс смещается много выше рабочего диапазона устройства, что приводит к требуемой линейности в рабочем диапазоне.
Для решения поставленной задачи в активную антенну, содержащую усилитель мощности (УМ), выполненный на двухтактном эмиттерном повторителе, состоящем из двух, соединенных параллельно плеч, при этом каждое плечо состоит из однотактного истокового повторителя и двух однотактных эмиттерных повторителей, транзисторы плеч имеют противоположную проводимость, при этом вход УМ подсоединен к антенне, отличающаяся тем, что введены последовательно соединенные фильтр нижних частот (ФНЧ), фильтр верхних частот (ФВЧ) и усилитель напряжения (УН), выходы которого являются выходами устройства, при этом выход усилителя мощности соединен с входом фильтра нижних частот.
На фиг. 2 изображена структурная схема предлагаемого устройства, где введены следующие обозначения:
1 – усилитель мощности (УМ);
2 – фильтр нижних частот (ФНЧ);
3 – фильтр верхних частот (ФВЧ);
4 – усилитель напряжения (УН).
Предлагаемая активная антенна содержит последовательно соединенные усилитель мощности 1, фильтр нижних частот 2, фильтр верхних частот 3 и усилитель напряжения 4. При этом усилитель мощности 1 в предлагаемом устройстве идентичен усилителю мощности устройства-прототипа.
Предлагаемое устройство работает следующим образом.
От антенны (на фиг. 2 не показана) сигнал поступает на вход усилителя мощности 1, который обеспечивает усиление по току, следовательно, требуемую мощность сигнала на выходе усилителя. УМ 1 соединяет высокоумную штыревую антенну с 50-омной линией, вследствие этого, кроме усилительной, он выполняет функцию согласования линий с разным сопротивлением.
Усиленный по мощности сигнал поступает на ФНЧ 2, собранный по классической схеме на LC элементах, работа которого заключается в фильтрации сигналов мешающих радиостанций для предотвращения перегрузки усилителя напряжения 4.
Далее сигнал проходит на вход ФВЧ 3, также собранный по классической схеме на LC элементах, работа которого заключается в фильтрации сигналов мешающих радиостанций средневолнового и длинноволнового диапазона и атмосферных шумов для предотвращения перегрузки усилителя напряжения 4.
Затем сигнал поступает на усилитель напряжения 4, включенный по стандартной схеме, обеспечивающий усиление сигнала по мощности. То есть, при уменьшении длины антенны выходное напряжение сигнала значительно уменьшается, однако УН 4 компенсирует это ослабление путем усиления напряжения выходного сигнала.
На фиг. 3 изображена принципиальная схема предлагаемого устройства, где введены следующие обозначения:
1 – усилитель мощности (УМ);
2 – фильтр нижних частот (ФНЧ);
3 – фильтр верхних частот (ФВЧ);
4 – усилитель напряжения (УН);
R1 – R9 – с первого по девятый резисторы усилителя мощности;
C1 – C6 – с первого по шестой конденсаторы усилителя мощности;
R1.3 – резистор ФНЧ;
L3.1 – катушка индуктивности ФНЧ;
C3.1, С3.2 – первый и второй конденсаторы ФНЧ;
L4.1, L4.2 – первая и вторая катушки индуктивности ФВЧ;
С4.1 – конденсатор ФВЧ;
TV1, TV2 – первый и второй трансформаторы УН;
ДУ1 – дифференциальный усилитель УН;
VT1 – VT6 – с первого по шестой транзисторы УН;
С5.1 – конденсатор УН;
R5.1 – R5.5 – первый и второй резисторы УН;
пит.1
пит.2
U, U – первый и второй источники питающего напряжения.
Устройство является активной антенной, состоящей из последовательно соединенных усилителя мощности 1, ФНЧ 2, ФВЧ 3 и усилителя напряжения 4. Усилитель мощности 1 идентичен усилителю мощности устройства-прототипа. К входу УМ 1 подключена антенна (на фиг. 3 не показана).
ФНЧ 2 состоит из двух конденсаторов С3.1 и С3.2 конденсаторов, одни выводы которых соединены с общей шиной, а между другими выводами включена катушка индуктивности L3.1, причем точка соединения конденсатора С3.1 и катушки индуктивности L3.1 через резистор R3.1 подключена к выходу УМ 1. Кроме того, точка соединения конденсатора С3.2 и катушки индуктивности L3.1 является выходом ФНЧ 2 и соединена с точкой соединения первой катушки индуктивности L4.1 и конденсатора С4.1, являющейся входом ФВЧ 3.
ФВЧ 3 содержит первую L4.1 и вторую L4.2 катушки индуктивности, одни выводы которых соединены с общей шиной, а между другими выводами включен конденсатор С4.1.
пит.2
Усилитель напряжения 4 содержит первый трансформатор TV1, первичная обмотка которого является входом усилителя напряжения 4, а вторичная обмотка соединена с входом ДУ1. Средняя точка вторичной обмотки первого трансформатора TV1 через конденсатор С5.1 подсоединена к общей шине. Параллельно выходам ДУ1 включены: цепочка из последовательно соединенных первого R5.1 и второго R5.2 резисторов и первичная обмотка второго трансформатора TV2, средняя точка которой подсоединена ко второму источнику питающего напряжения U. И соединена с входом питания ДУ1. Вторичная обмотка второго трансформатора TV2 включена между общей шиной и через третий резистор R5.3 – с объединенными выводами четвертого R5.4 и пятого R5.5 резисторов, другие выводы которых являются выходами устройства.
Выход ФВЧ 3 (точка соединения второй катушки индуктивности L4.2 и вывода конденсатора С4.1) соединен с входом усилителя напряжения 4, являющийся первичной обмоткой первого трансформатора TV1.
Предлагаемое техническое решение позволяет уменьшить габариты активной антенны без ухудшения ее коэффициента передачи, путем регулирования уровня выходного сигнала при помощи усилителя напряжения. При этом уменьшая длину физической антенны, добиваемся линейной передаточной функции антенны в ее рабочем диапазоне частот, путем смещения резонанса много выше по частоте от верхней частоты работы. ФНЧ и ФВЧ используются для предотвращения перегрузки усилителя напряжения, которая происходит из-за помех вне рабочей полосы частот, и устранения возможных помеховых сигналов, присутствующих на частотах резонанса.
В качестве усилителя мощности можно использовать двухтактную схему эмиттерного повторителя, приведенную в прототипе, в качестве ФНЧ – классическую схему фильтра на L-элементах, например, [5], в качестве ФВЧ – классическую схему фильтра на LC-элементах, например, [5], в качестве усилителя мощности можно использовать, например, операционный усилитель LT5514, включенный по стандартной схеме [6], в качестве антенны могут быть использованы, например штыревая или конусная антенны.
Источники информации
1. Б.Г. Цыбаев, Б.С. Романов «Антенны – усилители» Москва «Советское радио» 1980 стр. 159.
2. О.Ф. Бокк, Э.Н. Родионов, В. П. Чернолихова «Входной тракт радиоприемных устройств» Воронеж ОАО «Концерн «Созвездие», 2010 стр. 67, 71, 106, 166.
3. Chris Trask «Complementary Push-Pull amplifiers for Active Antennas: A Critical Review» стр. 9.
4. П. Хоровиц, У. Хилл «Искусство схемотехники» Издание 5-е переработанное, Москва «Мир» 1998 стр. 70-100.
5. С.И. Баскаков «Радио/технические цепи и сигналы» Москва «Высшая школа» 2003 стр.343 – 348.
6. https://www.analog.com/media/en/technical-documentation/data-sheets/5514f.pdf.