АНТЕННЫЙ УСИЛИТЕЛЬ КРАЙНЕНИЗКОЧАСТОТНОГО (КНЧ) ДИАПАЗОНА

Настоящая полезная модель относится к области радиоэлектроники, а именно к радиотехническим комплексам крайне низких частот (КНЧ), и может быть использовано при проектировании и создании выносных антенных усилителей КНЧ диапазона (для плавучих объектов).
Наряду с подсистемами оружия, энергетики, навигации и др. на каждой подводной лодке (ПЛ) имеются подсистемы связи, сбора информации и др.
При проектировании подсистемы наибольшую сложность представляет удовлетворение требований по электромагнитной совместимости (ЭМС) и размещению антенн. При нахождении ПЛ на перископной глубине - для решения задач связи, обсервации и др. почти все радиоэлектронное оборудование должно работать одновременно, не мешая друг другу, используя обширный спектр частот.
[В.И.Соловьев и др. «Связь на море» Л. Судостроение 1978 стр.151].
Антенный усилитель КНЧ диапазона предназначен для обеспечения усиления слабого сигнала в полосе частот КНЧ диапазона не менее чем на 40 дБ., при этом источником сигнала является кабельная буксируемая антенна длиной не менее 1000 метров.
Известен усилитель мощности, патент Японии №56-51685, кл. H 03 F 1/00, 1982. Усилитель содержит выходную двухтактную усилительную схему, сигнал на которую подается с транзистора возбуждения. Между коллектором транзистора и контактом источника питания включен транзистор стабилизации тока и др. элементы.
Известен и дифференциальный усилитель, патент США №3801924, кл. H 03 F 1/00, 1974.
Усилитель предназначен для усиления сигналов с датчиков системы сбора данных, основанный на методе уменьшения смещения нуля усилителя путем использования его в двух режимах.
Наиболее близкой к заявляемому устройству по технической сущности решения вопроса является «Усилитель мощности с непосредственной связью между каскадами» (Андреев В.А. и др. Усилительные устройства: Учебн. Пособие для вузов». Под ред. О.В.Головина, Москва, Радио и связь, 1993, с.293).
Антенный усилитель КНЧ диапазона содержит входной малошумящий каскад, выполненный на двух транзисторах, включенных по схеме с общим эмиттером, последовательно соединенных с дифференциальным усилителем с симметричным входом и нессиметричным выходом, который соединен с повторителем напряжения, а выход повторителя напряжения соединен с каскадом усилителя мощностью.
Однако как аналоги, так и прототип не обеспечивают усиления радиосигналов, принятых на буксируемую антенну и передачи их на бортовой приемник.
Целью настоящей полезной модели является усиление слабых радиосигналов КНЧ диапазона, принятых на буксируемую плавучую кабельную антенну, для дальнейшей передачи их на бортовой приемник.
Поставленная цель достигается за счет того, что в известном усилителе, состоящим из входного малошумящего каскада, соединенного с выходным каскадом усиления мощности, во входном каскаде дифференциальный усилитель является нагрузкой транзисторов и выполнен на двух взаимосвязанных операционных усилителях, выходной каскад представляет собой усилитель мощности, выполненный на повторителе напряжения, состоящего из операционного усилителя с отрицательной обратной связью по сигналу и нагруженного на два канала усиления, работающих в противофазе, причем первое плечо представляет собой инвертирующий усилитель мощности, выполненный на операционном усилителе и
включенным по инвертирующей схеме, при этом нагрузкой усилителя служит двухтактный двойной эмиттерный повторитель напряжения, выполненный на двух комплементарных парах транзисторов, второе плечо представляет собой неинвертируемый усилитель мощности выполненный на операционном усилителе, но включенного по неинвертирующей схеме, причем антенной нагрузкой усилителя служит аналогичный эмиттерный повторитель, при этом выход усилителя соединен с входом бортового приемника КНЧ диапазона.
Блок схема устройства приведена на фиг. Она содержит:
А - входной малошумящий усилитель;
Б - выходной усилитель мощности.
Входной малошумящий усилитель А состоит из:
1 - входного каскада;
2 - выходного каскада;
3 - дифференциального усилителя.
Выходной усилитель мощности Б состоит из:
4 - повторитель напряжения;
5 - инвертируемого каскада;
6 - неинвертируемого каскада;
7 - двух усилителей тока;
8 - блока питания.
Входной малошумящий усилитель А имеет два основных узла - пара идентичных входных усилительных каскадов 1, 2 и дифференциальный усилитель 3.
Входные каскады 1, 2 каждого плеча выполнены на транзисторах (типа 2Е325А), включенных по схеме с общим эмиттером параллельной отрицательной обратной связью по напряжению. Для обеспечения малого коэффициента шума каскада при работе с низкоомным источником сигнала, транзисторы включены параллельно и работают в микротоковом режиме.
Нагрузкой каждого входного каскада 1, 2 является дифференциальный усилительный каскад 3 с несимметричным выходом, построенный по схеме на двух взаимосвязных операционных усилителях D1 и D2. Такое построение усилителя обеспечивает по сравнению со стандартной схемой дифференциального каскада на одном операционном усилителе ряд преимуществ. В данной схеме усилителя входное сопротивление велико для обоих входных сигналов и равно входному сопротивлению операционного усилителя при неинвертирующем включении (более 10 Мом в зависимости от типа усилителя). Кроме того, коэффициент усиления такой схемы имеет высокую линейность за счет обратной связи и не зависит от величины входного сигнала. Чтобы выходное напряжение было пропорционально разности входных напряжений, необходимо выполнение равенства выходных резисторов. Коэффициент усиления такого дифференциального каскада равен 26 дБ. Для ограничения полосы усиливаемых частот каждый операционный усилитель охвачен частотно-зависимой обратной связью, образованной R-C элементами, частота среза составляет величину порядка 10 Гц. В качестве операционных усилителей (ОУ) применены малошумящие управляемые усилители типа КР1407УD2, имеющие низкое значение приведенных ко входу уровня шумов на частоте 100 Гц при низкоомном источнике сигнала. Ток по управляющему входу ОУ определяется ограничительным резистором и выбран равным 50 мкМ для обеспечения минимума собственного коэффициента шума.
Выходной усилитель мощности Б имеет три основных узла -повторитель напряжения на входе 4 и два канала усиления мощности сигнала 5 и 6, работающих противофазно на общую нагрузку.
Повторитель напряжения 4 на входе усилителя мощности выполнен на операционном усилителе типа KP140YD2 в неинвертирующем включении со стопроцентной отрицательной обратной связью по сигналу. Такое включение обеспечивает высокое входное сопротивление усилителя, определяемого только входными токами ОУ. Для данного ОУ входное сопротивление
повторителя составляет порядка 100 Мом. Применение высокоомного повторителя дало возможность использовать емкостную развязку выходного усилителя мощности от входного малошумящего усилителя. Развязка выполнена на RC - звене, образованном конденсатором и резистором, который необходим для обеспечения условия перезарядки емкости. Частота среза звена равна 0,04 Гц.
Повторитель напряжения 4 нагружен на два канала усиления, работающих в противофазе.
Верхнее по схеме плечо представляет собой инвертирующий усилитель мощности 5, выполненный на операционном усилителе D2 типа KP1407VD2, включенного по инвертирующей схеме. Нагрузкой усилителя служит двухтактный двойной эмиттерный повторитель напряжения (усилитель тока) 7, выполненный на двух комплементарных парах транзисторов. Токи покоя транзисторов определяются резисторами и составляют около 2 мА. Применение двухтактной схемы усиления при наличии двухполярного питания позволило отказаться от разделительных конденсаторов и использовать непосредственную связь с нагрузкой. Операционный усилитель D2 и эмиттерный повторитель охвачены петлей глубокой обратной связи для повышения температурной стабильности выходных каскадов, образованной делителем на R - элементах. Коэффициент усиления всего усилителя мощности равен 2.
Нижнее по схеме плечо представляет собой неинвертируемый усилитель мощности 6, выполненный на операционном усилителе того же типа, но включенного по неинвертирующей схеме. Нагрузкой усилителя служит аналогичный эмиттерный повторитель, также выполненный на двух комплементарных парах транзисторов.
Предлагаемый усилитель, предназначен для усиления слабых сигналов КНЧ диапазона, принятых на буксируемую плавучую кабельную антенну, для дальнейшей передачи их на бортовой приемник.
Антенный усилитель КНЧ диапазона имеет симметричный вход. Его входной малошумящий усилитель А обеспечивает оптимальное согласование с источником сигнала как по шумовым свойствам, так и с его выходным сопротивлением, а также обеспечивает основное усиление радиосигнала во всем тракте.
Заявляемый усилитель построен по принципу усилителя постоянного тока с дифференциальным каскадом и однофазным несимметричным выходом. Основу его составляет дифференциальный каскад, усиливающий разности двух входных напряжений. Применение дифференциального каскада диктуется в основном проблемой подавления синфазной помехи, воздействующей на вход усилителя, к которой можно отнести также нестабильность напряжения питания, температурная зависимость параметров усилителя и т.п.
Дифференциальный каскад сам по себе не обеспечивает требуемые шумовые характеристики в силу его принципа построения, поэтому для снижения уровня шума, приведенного ко входу усилителя в целом, на каждом из двух входов дифференциального усилителя включен дополнительный входной каскад. Он дополнительно снижает до требуемого уровня шумы, приведенные ко входу последующего дифференциального усилителя, и тем самым, всего усилителя в целом. Кроме того, он обеспечивает согласование низкоомного источника сигнала с входным сопротивлением усилителя. Это достигается выбором оптимального схемного решения с применением малошумящих транзисторов.
Выходной усилитель мощности Б обеспечивает требуемое значение уровня сигнала, усиленного входным малошумящим усилением, на низкоомной нагрузке, входном сопротивлении бортового приемника, с минимальными искажениями. То есть, по сути, он является усилителем тока.
Выходной усилитель мощности Б построен по принципу мостовой схемы, обеспечивающей на симметричном противофазном выходе нулевой уровень напряжения при отсутствии входного сигнала.
Структура усилителя разделена на два усиления, работающих в противофазе с одинаковым коэффициентом усиления на общую нагрузку. На входе усилителя мощности включен высокоомный повторитель напряжения. Он необходим для повышения входного сопротивления усилителя мощности с тем, чтобы осуществить емкостную связь между входными малошумящими усилителями и выходными усилителями мощности. Это позволяет гальванически развязать каскады, для предотвращения влияния температурных и временных нестабильностей входного каскада на работу выходного каскада. Повышенное входное сопротивление требуется для уменьшения габаритов разделительного конденсатора. С выхода повторителя полезный сигнал разветвляется на два независимых канала, работающих на общую нагрузку. Неинвертируемый 6 и инвертируемый 5 каскады каждого плеча нагружены на идентичные усилители тока 7, обеспечивающие требуемую мощность на нагрузку.
Усилители тока 7 охвачены петлей отрицательной обратной связи для снижения нелинейных искажений сигнала, а также для обеспечения температурной стабильности каскадов по постоянному току.
Антенный усилитель КНЧ диапазона питается от двухполярного источника напряжением ±12 В.
Предлагаемый усилитель обеспечивает:
- согласование по входу с выходным сопротивлением кабельной антенны;
- согласование по выходу с волновым сопротивлением фидера и входным сопротивлением бортового приемника КНЧ диапазона. Усиление сигналов обеспечивается в диапазоне 0.1-10 Гц, при этом коэффициент усиления составляет не менее 40 дБ.