Антенна-усилитель

Антенна - усилитель
Полезная модель относится к антенной технике, а именно к электрически «коротким антеннам и может использоваться как малогабаритная, помехоустойчивая приемная антенна в радиосвязи и радиовещании на стационарных и движущихся объектах, к примеру, на автотранспорте и самолетах.
Известна стандартная конструкция пассивной автомобильной антенны, имеющей наружный рабочий электрод в виде штыря, закрепленного с помощью изолятора в противовесе (кузове автомобиля) и соединенного через коаксиальный кабель с входом приемника ( Драбкин А.Л., Коренберг Е.Б. и Меркулов С.Е. Антенны, Радио и связь, М., 1995г).
Электрически «короткие антенны имеют большой входной емкостной импеданс, образованный емкостью рабочего электрода Со. относительно противовеса. Длины волн в полосе приема таких антенн значительно превышают их геометрические размеры и поэтому они работают как емкостные зонды. Подсоединение к С о, погонной емкости соединительной линии приводит к шунтированию выхода антенны и уменьшение её действующей высоты /Z д . Дополнительное снижение h. д происходит из необходимости согласования соединительной линии с входом приемника с использованием реактивных элементов. Предъявляются высокие требования к материалу и чистоте поверхностей изолятора для исключения гальванических токов утечки влияющих на стабильность /2 3 в сложных условиях эксплуатации антенны. Значительные габариты антенны и прием интенсивных внеполосных сигналов самой соединительной линией (антенный эффект фидера) приводит к перегрузкам активного входного элемента в приемнике и появлению нелинейных помех.
Наиболее близким по технической сущности к заявленной конструкции антенны является антенна-усилитель, имеющая рабочий электрод в виде стального стержня длинной 0,4 м, закрепленного изолированно в противовесе и подключенного непосредственно к входу антенного усилителя, а с его выхода принятый сигнал подается на вход приемника (Цыбаев Б.Г., Романов Б.С. Антенны - усилители. Сов. радио, М., 1980г).
Использование антенного усилителя с малой входной емкостью С ву, большим входным R вх и малым R BWX сопротивлением обеспечивают эффективное нерезонансное согласование в широкой полосе частот между рабочим электродом и приемником. Действующая высота антенны соответствует стандартной, имеющей в 3 раза большую геометрическую высоту.
На движущихся объектах существует необходимость использования антенн с малыми, выступающими за его корпус, размерами рабочего электрода, но обладающие повышенными величинами h. д в полосе приема. При простом уменьшении высоты рабочего электрода с использованием емкостного элемента на конце не решает проблему, так как h. д становится критичной к налиМ. loi.HOl.Q 23/00
чию шунтирующих емкостей в окрестности его основания. Эти емкости образуются с выступающими конструктивными элементами кузова, прилегающими к антенне и экранируют её. Как и в случае со стандартной штыревой антенной на стабильность /1 3 прототипа также влияют токи утечки через загрязненную поверхность изолятора. Требование малого С ех и большого / в х на входе усилителя затрудняют осуществлять эффективную частотную селекцию перед первым активным элементом усилителя для исключения нелинейных помех в полосе приема.
Целью полезной модели антенны-усилителя является увеличение действующей высоты и её стабилизация, а также повышение помехозащищенности.
Сущность предлагаемого устройства заключается в том, что в антеннеусилителе, содержащей рабочий электрод, в виде электрического штыря, изолированно закрепленного основанием в противовесе и подключенного к входу антенного усилителя, в отличие от прототипа на рабочем электроде, охватывая его изолированно с боков и с основания по высоте, располагается компенсирующий электрод подключенный к выходу антенного усилителя, работающему повторителем напряжения в полосе приема, а вне её напряжение на его выходе или близко к нулю, или противофазно входному, на компенсирующем электроде, охватывая его изолированно с боков и с основания по высоте, располагается экран соединенный с противовесом.
В предлагаемой антенне применена компенсация гальванической и части емкостной утечек между рабочим электродом и противовесом (А.С. СССР, №. 1730701, от 02.04.1990г., С.Г. Долгополов. Щелевая антенна // Бюллетень « Открытия. Изобретения № 16, 1992г). Это достигается тем, что на компенсирующий электрод, расположенный изолированно между рабочим и экраном, подается сигнал с выхода повторителя напряжения равный по амплитуде и фазе, возбуждаемому на рабочем электроде сигналу в полосе принимаемых частот. При этом рабочий и компенсирующий электроды становятся равнопотенциальными, и как следствие этого отсутствуют емкостные и гальванические токи между ними. Токи, текущие между компенсирующим электродом и экраном не сказываются на работу антенны, так как текут параллельно низкоомному выходному сопротивлению Явых повторителя напряжения. Как известно, (А.А. Дульзон, В.И. Потапкин, Регистрация электрического поля молнии // Техника высоких напряжений и преобразователи. Вып. 1. Межвузовский сборник. Свердловск, изд. УПИ им. С.М. Кирова, 1977, с. 26) у электрически «коротких антенн в виде емкостных зондов важным фактором является закон распределения собственной емкости С «. вдоль него. Так /Z  х У ненафуженного зонда определяется центром тяжести фигуры, образованной осью абцисс и кривой описывающей функцию d С/oi.fl вдоль него. Отсюда С л рабочего электрода, при наличии компенсирующего, будет образовываться только его верхней нескомпенсированной частью, что приводит к увеличению /7 з относительно противовеса примерно на величину равную половине высоты компенсирующего электрода. При равнопотенциальности рабочего и компенсирующего электродов резко снижаются требования к качеству изолятора между ними. Поднятие изолятора на высоту компенсирующего электрода снижают также
его подверженность отрицательному влиянию метеоосадков в виде снега, дождя и льда, что в совокупности стабилизируют действующую высоту антенныусилителя. Помехозащищенность обеспечивается появившейся возможностью включать частотно зависимые фильтры в низкоомный выход повторителя напряжения и подачей на компенсирующий электрод напряжения эквипотенциального рабочему только в полосе приема, что приводит к появлению частотно зависимой действующей высоты /15(- ) антенны. Вне полосы приема напряжение на выходе повторителя или нулевое, или противофазное входному, что приводит к появлению щунтирующей емкости между рабочим и компенсирующим электродами. Возникает эффективная частотная селекция принимаемых сигналов уже перед входом первого активного элемента в антенном усилителе. Наличие заземленного экрана с внешней стороны компенсирующего электрода способствует помехозащищенности антенны и повышает её эксплуатационные качества.
На фиг. 1,2,3 приведены различные предпочтительные варианты исполнения компенсирующего электрода в предлагаемой антенне-усилителе, где на фиг. 1 конструкция антенны, когда в качестве рабочего электрода используется штырь стандартных размеров, на фиг.2 при укороченных размерах штыря и наличию емкостного элемента на его конце и на фиг. 3 малогабаритная антеннаусилитель, имеющая значительные горизонтальные размеры емкостного элемента.
Антенна-усилитель на фиг. 1 состоит из рабочего электрода 1 в виде стандартного штыря, расположенного изолированно на нем в его нижней части компенсирующего электрода 2 в виде цилиндра подключенных к входу и выходу, соответственно, усилителя 3, работающего на этот выход в режиме повторителя напряжения в полосе приема. На нижней части компенсирующего электрода 2 расположен заземленный экран 4 в виде цилиндра соединенного с противовесом 5. Между рабочим 1 и компенсирующим 2 электродами находится изолятор 6, а между компенсирующим 2 электродом и экраном 4 изолятор 7. Антенный усилитель 3 заземляется на противовес 5, а с его основного выхода усиленный сигнал с помощью экранированной соединительной линии подается на вход приемника. При необходимости рабочий 1 и компенсирующий 2 электроды, а также экран 4 могут изготовляться телескопической конструкции.
На фиг. 2 рабочий электрод 1 имеет меньшие размеры, чем на фиг. 1 за счет емкостного элемента 8 в виде диска на его конце. В этом случае для более эффективной компенсации емкости рабочего электрода 1 в его нижней части и емкости нижней плоскости диска 8 относительно противовеса 5 на верху электрода 2 формируется кромка 9, увеличивающая его торцевую площадь.
Предпочтительная форма компенсирующего электрода для малогабаритной антенны приведена на фиг. 3. Для получения максимальных значений h,$(   полосе приема при минимальных габаритах антенны и сохранения необходимой величины С с , на конце штыря 1 крепится емкостной элемент 8 в виде диска с диаметром сравнимым с высотой его размещения, а кромка 9 компенсирующего электрода 2 имеет борта. В этом случае компенсирующий электрод
2 охватывает штырь по всей высоте, а также нижнюю поверхность кромки и её торцы.
Предлагаемое устройство работает следующим образом, электрическое поле наводит в рабочем электроде 1 см. фиг.1 некоторый потенциал, который подается на вход антенного усилителя 3, с его выхода, работающего в режиме повторителя напряжения с коэффициентом передачи К(cj, /) в полосе приема, сигнал подается на компенсирующий электрод 2. При этом для сигналов с частотами в полосе приема рабочий 1 и компенсирующий 2 электроды становятся эквипотенциальными. В этом случае между электродами 1 и 2 емкостные и гальванические токи будут отсутствовать, а емкость С «. будет формироваться только верхней частью рабочего электрода 1, что приводит к увеличению  9({) в полосе приема. Для сигналов, наводимых на рабочем электроде 1 вне полосы приема, на компенсирующий электрод 2 либо не будет подаваться напряжение из-за амплитудно-частотной характеристики повторителя напряжения или напряжение будет иметь фазу противоположную входному сигналу из-за его фазо-частотной характеристики. Таким образом, электронным путем формируется частотно зависимая /7. (  перед входом антенного усилителя. Для сигналов вне полосы приема /  (f) будет иметь величину значительно меньщую, чем в полосе приема. Это объясняется тем, что вне полосы приема через компенсирующий электрод и экран возникают значительные емкостные токи утечек, шунтирующие выход рабочего электрода на противовес. Предлагаемая антенна-усилитель становится помехозащищенной от интенсивных сигналов вне полосы приема, которые на нелинейности входной характеристики усилителя способны вызвать помеху в полосе приема. При сложных метеоусловиях на внешней плоскости противовеса 5 могут накапливаться осадки в виде снега, дождя и льда, но благодаря экрану 4 они не снижают качество изоляторов 6 и 7. Экран также повыщает механическую прочность конструкции антенны.
Промышленная применимость и преимущество полезной модели по сравнение с прототипом подтверждены сравнительными испытаниями. С этой целью использовались две однотипные штыревые антенны с одинаковыми 1р и расположенные рядом на плоскости противовеса в однородном электрическом поле, причем одна из них оборудовалась компенсирующим электродом, подключенным к выходу повторителя напряжения и экраном. Используя поочередно один и тот же усилительный тракт, контролировались их выходные напряжения в частотном диапазоне от 0,1 до 4 МГц.
Электрически «короткие антенны имеют значительную частотную зависимость выходного импеданса, что необходимо учитывать при их согласовании с входом усилителя. При этом нижняя граница полосы пропускания однозначно определяется нижней границей полосы согласования, а верхняя искажением диафаммы направленности, так в случае с электрическим диполем это происходит, если его размеры меньше 1,25 длины волны. Максимальная полоса пропускания достигается при выполнении неравенства Са.  &у, . При компенсации части С d, это возможно при использовании во входных цепях усилителей полевых транзисторов имеющих CBX  ( 1  Ю ) пФ. Действующая высота рабочего электрода /7 3w (i) нагруженного на входную емкость усилителя определяется её значением в режиме холостого хода fl3y ({} и емкостями С х и Csx в виде:
/1з«(Я  зх()/ Й:По мере увеличении площади компенсирующего на поверхности рабочего электродов происходит увеличение  ff)  уменьшение С «.  Максимальная величина /2 (9я (f ) достигается при оптимальном отношении /1 р / /7. / при имеющихся Со, и С ex - Максимальный выходной сигнал с/7 „ 32см получается в антенне-усилителе показанной на фиг.1 при отношении /т. р / fj , 3,4. Выходное напряжение у предлагаемой антенны при этом превышало выходное прототипа в 1,4 раза, что соответствует увеличению её действующей высоты.
Для широкополосного приема наиболее опасным является взаимная модуляция второго порядка (четная двухсигнальная помеха) -f i fz ifi   - и ( частоты сигналов, ( п и - - частота комбинационной помехи равная частоте принимаемого сигнала. Используя прежнюю схему для сравнительного исследования было выявлено, что при равных h р одинаковые нелинейные помехи на выходе усилителя получались при увеличении напряженности поля сигналов -, и -( для предлагаемой антенны в 9,8 раза по сравнению с прототипом.
Высота экрана г1 э не критична в определении эффективности приема и помехозащищенности, можно рекомендовать /l  0,5/2j. Проверка на не критичность к качеству изолятора антенны-усилителя моделировалась закорачиванием рабочего 1 и компенсирующего 2 электродов активным сопротивлением в несколько кило Ом, что не приводило к фиксируемому уменьшению выходных сигналов. Такое же закорачивание рабочего электрода у прототипа на противовес значительно уменьшало его выход.
С.Г. Долгополов
,    г