ШИРОКОПОЛОСНАЯ АКТИВНАЯ ПРИЕМНАЯ АНТЕННА Российский патент 2001 года по МПК H01Q23/00 

Устройство относится к радиотехнике и может быть использовано в области радиосвязи или в измерительной технике.

Благодаря малым размерам и высокой широкополосности активные антенны находят все более широкое применение [1, 2]. Основным недостатком таких антенн, ограничивающих их применение, является слабая защищенность от воздействия реальной совокупности множества сосредоточенных по спектру помех. Последние, поступая на электронные элементы антенны (усилитель, схема защиты), порождает большое количество дополнительных нелинейных помех (главным образом интермодуляционных), которые при попадании в полосу частот сигнала могут существенно ухудшать его прием [3, 4]. По этой причине параметры линейности являются главными параметрами активных антенн и разработчики стремятся добиться максимальной их величины. Но на практике возможности повышения линейности активной антенны оказываются ограниченными, поскольку эти требования обычно входят в противоречие с такими важными параметрами антенны, как чувствительность и широкополосность.

Цель изобретения - повышение помехозащищенности широкополосных активных антенн.

При разработке технического решения учитывались два важных момента:
1. Нелинейные помехи рождаются как в усилителе активной антенны, так и в электронной схеме защиты. Последняя предназначена для предотвращения выхода из строя усилителя при попадании антенны в сильное ВЧ поле, например, от близкорасположенного радиопередатчика, или поле грозового разряда. Поэтому техническое решение должно снижать нелинейные помехи одновременно в обоих этих элементах.

2. Активные антенны очень широкополосны, что является важным их преимуществом перед другими антеннами. Но это является и их недостатком, поскольку их рабочий диапазон перекрывает большие участки радиоспектра, сильно различающиеся энергонасыщенностью помех. Особенно выделяются участки радиовещания ДВ, СВ и УКВ, ДЦВ диапазонов (УКВ вещание, телевидение), в которых уровни помех обычно значительно выше уровней помех в остальных участках диапазона (на 80 дБ и более, фиг. 1). Превышая динамический диапазон активной антенны DDaa, эти помехи порождают множество интермодуляционных помех, взаимодействуя как между собой внутри одного диапазона, так между различными диапазонами [11].

При появлении мощной помехи от близкорасположенного радиопередатчика ухудшение приема происходит в первую очередь за счет интермодуляции мощной помехи с совокупностью помех радиовещания [4, 5].

Известно усилительное устройство [6], в котором для повышения помехозащищенности на входе усилителя установлены режекторные фильтры на участки радиовещания. Недостатком такого технического решения является сложность его применения в активных антеннах. Дело в том, что в таких антеннах в качестве антенных элементов обычно используются электрически короткие монополи или диполи длиной 40-100 см. Их выходное сопротивление определяется небольшой емкостью (4-10 пФ). Включение фильтра приводит к шунтированию выходного сопротивления паразитными емкостями фильтра и, как следствие, к значительному ухудшению чувствительности антенны. Даже включение схемы защиты из обратносмещенных диодов (емкость всего 1-2 пФ) заметно ухудшает чувствительность. Кроме того, фильтр будет существенно (пропорционально степени режекции) ухудшать чувствительность приемного тракта в участках радиовещания, что также нежелательно.

Известна активная антенна [7], в которой для уменьшения интермодуляции радиовещательных сигналов разных диапазанов на выходе антенного элемента включено частоторазделительное устройство и каждый диапазон усиливается своим усилителем, что исключает возникновение интермодуляционных помех, образованных радиовещательными помехами разных диапазонов. После усиления сигналы складываются в трансформаторе. Недостатком такого технического решения является снижение чувствительности из-за шунтирования выходного сопротивления антенного элемента паразитной емкостью частотно-разделительного устройства (как и в предыдущем случае). Кроме того, устройство получается достаточно сложным.

Известно техническое решение повышения помехозащищенности активной антенны [8] путем включения между антенным элементом и входом усилителя электронного автоматического аттенюатора, управляемого от радиоприемника. Чем больше сигнал, тем больше вносимое аттенюатором затухание и в большей мере подавляются помехи. Недостатком такого решения является его применимость только для работы с одним радиоприемником. Кроме того, появляются дополнительные проблемы с линейностью аттенюатора, поскольку сам аттенюатор часто превращается в сильный источник нелинейных помех.

Наиболее близким по своей технической сущности (прототипом) является устройство [9] - активная антенная, содержащая электрически короткий антенный элемент, несимметричный инвертирующий усилитель, вход которого непосредственно подключен к антенному элементу, а выход является выходом активной антенны, схему защиты усилителя от перенапряжений, подключенную параллельно входу усилителя, и реактивный элемент обратной связи, включенный между входом и выходом усилителя.

При одинаковом характере реактивности выходного сопротивления антенного элемента и элемента обратной связи достигается постоянство действующей высоты антенны в очень широкой полосе частот. Отрицательная обратная связь (ООС) существенно улучшает помехозащищенность активной антенны как за счет повышения линейности усилителя (в том числе вследствие снижения уровней помех в выходных каскадах усилителя), так и за счет снижения уровней помех на схеме защиты (параллельная ООС).

Недостатком такого устройства является необходимость введения очень глубоких ООС, исходя из уровней наиболее мощных помех радиоспектра, что приводит к чрезмерному снижению коэффициента передачи усилителя и действующей высоты активной антенны. В результате существенно ухудшается чувствительность приемного тракта во всем рабочем диапазоне частот. Поэтому на практике часто ограничивают минимальную величину действующей высоты значением около 0,2 м, мирясь с большим количеством интермодуляционных помех, создаваемых в активной антенне наиболее мощными станциями.

Для повышения помехозащищенности активной антенны предлагается между входом и выходом усилителя дополнительно включить частотно-зависимый двухполюсник из двух или более элементов с разным характером реактивности, имеющий в области частот мощных помех сопротивление меньше сопротивления элемента обратной связи и одинакового с ним характера, а на остальных частотах - больше (фиг. 2).

На фиг. 2 обозначены:
1 - электрически короткий антенный элемент;
2 - схема защиты усилителя от перенапряжений;
3 - усилитель переменного напряжения;
4 - цепь ООС из одного реактивного элемента;
5 - частотно-зависимый двухполюсник.

Благодаря введенному двухполюснику образуется вторая, параллельная ветвь ООС. Ток ООС I_OC в данном случае будет определяться суммой токов первой ветви ООС (I_OC1), протекающий через реактивный элемент 4, и второй ветви ООС I_OC2, протекающий через частотно-зависимый двухполюсник 5, т.е. I_OC=I_OC1 + I_OC2. Параметры двухполюсника рассчитываются таким образом, чтобы в основной части диапазона (вне области мощных помех) модуль его комплексного сопротивления |Z_OC2| был существенно больше модуля сопротивления реактивного элемента 4 |X_OC1|, чтобы ток ООС усилителя определялся в основном реактивным элементом I_OC≈ I_OC1. В области частот мощных помех величина |Z_OC2| должна становиться меньше |X_OC1| и приводить к увеличению тока ООС I_OC. Увеличение I_OC вызовет повышение глубины ООС и снижение напряжения на входе усилителя (следствие параллельной ООС). Кроме того, если в этой области частот сопротивление Z_OC2, имеющее в общем случае комплексный характер, будет носить в основном реактивный характер Z_OC2 ≈ X_OC2, совпадающий с характером реактивности элемента ООС 4, то действующая высота активной антенны в этой области частот будет оставаться постоянной (частотно-независимой).

Таким образом, введенный двухполюсник будет увеличивать глубину ООС усилителя в диапазоне частот мощных станций на определенную величину и тем повышать помехозащищенность устройства как за счет повышения линейности усилителя, так и за счет снижения напряжения помех на схеме защиты. При этом из-за того, что ООС будет уменьшать и собственные шумы усилителя, снижение чувствительности всего приемного тракта в этой части диапазона будет существенно меньше, чем при других методах снижения уровней помех (например, за счет фильтра на входе усилительного устройства или регулируемого аттенюатора).

Благодаря введению нового элемента и связей достигается положительный эффект, заключающийся в повышении помехозащищенности широкополосной активной антенны без ухудшения чувствительности приемного тракта в большей части диапазона частот и с минимальным ухудшением в области сосредоточения мощных помех.

В устройстве-прототипе в качестве антенного элемента используется электрически короткий монополь (штырь), имеющий выходное сопротивление, определяемое небольшой емкостью C_a, элементом обратной связи служит конденсатор C_OC, а в качестве схемы защиты используется последовательная цепочка из двух обратносмещенных полупроводниковых диодов D1 и D2, точка взаимного соединения которых подключена ко входу усилителя. В данном случае для подавления помех, расположенных в нижней части рабочего диапазона активной антенны (например, помехи радиовещания ДВ, СВ диапазонов), предлагается выполнить частотно-зависимый двухполюсник в виде RLC-последовательного колебательного контура с добротностью, равной или меньше единицы (элементы L_K, C_K, R_K на фиг. 3).

Величина K = 1 + C_к/C_a где C_K - значение емкости конденсатора контура, будет определять степень увеличения глубины ООС в диапазоне мощных помех. Выбрав величину K (обычно 5-10 раз) и значение граничной частоты между диапазоном мощных помех и остальной частью рабочего диапазона, которая равна резонансной частоте контура, легко определить величины индуктивности L_к и сопротивления резистора контура R_к.

На практике часто требуется, чтобы при переходе в область частот мощных помех глубина ООС увеличивалась как можно резче. Например, на частотах радиодиапазона в районе 1,5...3 МГц уровни внешних атмосферных шумов могут быть очень низкими [10], и здесь для сохранения высокой чувствительности тракта желательно не увеличивать глубину ООС. В то же время совсем рядом, в СВ диапазоне, часто располагаются мощные станции радиовещания, и глубина ООС здесь должна "успеть" достичь большой величины. Поэтому предлагается в заявляемое устройство последовательно с реактивным элементом отрицательной обратной связи в виде конденсатора 4 вести параллельную RC-цепочку 6 (фиг. 4). На высоких частотах глубина ООС определяется последовательным соединением C_OC и конденсатором RC-цепочки C_OCC, а на нижних - по прежнему, параллельным соединением C_OC и C_K. Дополнительное увеличение глубины ООС за счет введения RC-цепочки равно K = 1 + C_OC/C_OCC. Введение частотной зависимости в двух ветвях ООС увеличивает крутизну повышения глубины ООС приблизительно на 6 дБ/октаву.

Благодаря улучшению помехозащищенности предложенная активная антенна может быть использована в сложной помеховой обстановке, складывающейся в районе больших городов или на подвижных объектах связи (например, на морских судах).

Литература
1. Цыбаев Б.Г., Романов Б.С. Антенны-усилители. - М.: Сов. радио, 1980. - 240 с.

2. Вершков М.В., Миротворский О.Б. Судовые антенны. - 3-е изд., перераб. и доп. - Л., Судостроение, 1990. - (Библиотека судового инженера-связиста).

3. Sosin B.M. HF active antenna performance requirements and realization // Communication & Broadcasting - Summer. 1976. - pp. 29-34.

4. Бобков А.М. Требования к линейности широкополосной активной антенны в условиях воздействия мощной помехи // Радиотехника - 1988. - N 9. - с. 30-32.

5. Бобков А.М., Иванов Ю.А., Семенов В.М., Шапиро Д.Н. Результаты экспериментального исследования эффективной избирательности радиоприемников с различным построением входных каскадов // Техника средств связи, Серия ТРС. - 1983. - Вып. 8. - с. 59-66.

6. RFDU - Radio Frequence Distribution Units // Проспект ф. Cubic Communication. - 1986.

7. Заявка ФРГ N 0S3243052, МКИ H 01 Q 23/00.

8. Патент ФРГ N 2701412 МКИ H 03 G 3/20.

9. Патент ФРГ N 3124331, МКИ H 01 Q 23/00 (прототип).

10. Документы X пленарной ассамблеи МККР. Отчет 332. Распределение по земному шару атмосферных помех и их характеристики. - М.: Связь, 1965. - 80 с.

11. Бобков А.М. Вероятность попадания интермодуляционных помех в полосу частот сигнала // Радиотехника. - 1989. - N 12. - с. 13-15.

Изобретение относится к области широкополосных активных приемных антенн СДВ-УКВ диапазона. Техническим результатом является повышение помехозащищенности активных антенн по отношению к наиболее мощным помехам радиоспектра. Для достижения поставленной цели в антенну, содержащую электрически короткий антенный элемент, инвертирующий усилитель, вход которого непосредственно подключен к электрически короткому антенному элементу, схему защиты усилителя от перенапряжений, подключенную параллельно входу усилителя, и реактивный элемент отрицательной обратной связи, включенный между входом и выходом усилителя, между входом и выходом усилителя введен частотно-зависимый двухполюсник, состоящий из двух или более элементов с разным характером реактивности, имеющий в области частот мощных помех сопротивление меньше сопротивления элемента обратной связи и одинакового с ним характера реактивности, а на остальных частотах - больше. Повышение помехозащищенности активных антенн существенно расширяет область их применения. В частности, появляется возможность их установки на объекты со сложной электромагнитной обстановкой, включая подвижные объекты связи (например, на морские суда). 2 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Широкополосная активная приемная антенна, содержащая электрически короткий антенный элемент, нессиметричный инвертирующий усилитель, вход которого непосредственно подключен к электрически короткому антенному элементу, а выход является выходом активной антенны, схему защиты усилителя от перенапряжений, подключенную параллельно входу усилителя, и реактивный элемент отрицательной обратной связи, включенный между входом и выходом усилителя, отличающаяся тем, что между входом и выходом усилителя включен частотно-зависимый двухполюсник, состоящий из двух или более элементов с разным характером реактивности, имеющий в области частот мощных помех сопротивление меньше сопротивления элемента обратной связи и одинакового с ним характера реактивности, а на остальных частотах - больше. 2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что частотно-зависимый двухполюсник выполнен в виде RLC-последовательного колебательного контура с добротностью, равной или меньшей единицы. 3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что последовательно с реактивным элементом отрицательной обратной связи в виде конденсатора введена параллельная RC-цепочка.