АНТЕННЫЙ УСИЛИТЕЛЬ КНЧ ДИАПАЗОНА Российский патент 2005 года по МПК H03F3/34 H03F3/20 H03F3/181 

Настоящее изобретение 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 т.д. 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].

Экспериментальные испытания аппаратурного комплекса КНЧ радиолинии, проведенные на реальном объекте, показывают, что имеется влияние собственных помех морского объекта на качество радиоприема. Источником сигнала является кабельная буксируемая антенна длиной не менее 1000 метров. Передается сигнал от усилителя к приемнику по фидеру длиной не более 50 м и представляющему собой витую пару проводов в общем экране (кабель типа КВДНЭ). Кабельная антенна представляет собой плавучий кабель с грузонесущим элементом и скрученной парой проводов внутри. Шаг скрутки проводов около 17 мм, сопротивление погонное одного провода 60 Ом/км. Антенна состоит из двух частей - фидера и собственно антенны.

Длина фидерной части 200 м - это минимальная длина, при которой поля объекта и вихревые токи, порождаемые турбулентностями проводящей среды (морской воды) около движущегося объекта, практически не влияют на уровень шумов антенны. Для уменьшения сопротивления антенны ее активная часть выполняется из соединенных параллельно двух проводов скрученной пары. Расчеты показали, что сопротивление всей антенны, обусловленное только проводами кабеля, будет равно 48 Ом. Сопротивление воды между электродами при стремлении частоты к нулю тоже стремится к нулю и им можно пренебречь. Таким образом, при обосновании усилителя активное сопротивление антенны необходимо принять равным 48-50 Ом.

Рассмотрим другие требования к усилителю, которые вытекают из вышеизложенного.

Симметричный фидер в составе антенны требует строгой симметрии входа усилителя, иначе фидер не будет выполнять своего главного назначения - защищать от синфазных помех, наводимых объектом. Очевидно, что сам усилитель должен быть устойчивым к значительным синфазным помехам. Те же соображения помехоустойчивости исключают возможность гальванического контакта входных цепей усилителя с "землей". При замыкании входных цепей усилителя на "землю" даже разные ЭДС, наводимые в проводах фидера, вызовут разные токи в проводах, так как у них разное сопротивление, и столь короткий электрический фидер не является препятствием для нескомпенсированных или синфазных токов. Понятно, что сам усилитель не должен быть источником тока в антенне, т.е. его вход должен иметь нулевой потенциал относительно "земли". Главный фактор, определяющий подход к построению усилителя, - нижняя граничная частота усиления.

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 другие 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.

Однако известные усилители не обеспечивают усиления радиосигналов, принятых на буксируемую и плавучую антенну, и передачи их на бортовой приемник.

Наиболее близкой к заявляемому устройству по технической сущности решения вопроса является "Антенный усилитель СНЧ диапазона", СНЧ радиоприемник типа "Бункер" (ЦЛ2.003.055 ТУ). Он содержит входной и выходной каскад, дифференциальный усилитель и источник питания. Устройство выполнено по схеме дифференциального усилителя для подавления синфазной помехи, а выходной каскад - по мостовой схеме для обеспечения на симметричном выходе нулевого напряжения при нулевом входном.

Недостатком прототипа является то, что эта схема требует применения интегральных (операционных) усилителей, обеспечивающих достаточно низкий уровень шумов. Кроме того, схема такого усилителя, из-за необходимости обеспечения развязки вторичного источника питания от "земли", получается относительно сложной, кроме того, возникают проблемы с его устойчивостью, стабильностью коэффициентов усиления, и, уход нуля. Уход нуля показывает, насколько выходное напряжение усилителя отклонится от нуля при нулевом напряжении на входе под воздействием температуры или во времени.

Целью настоящего изобретения 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 усилителе, имеющем входной и выходной каскады, дифференциальный усилитель и источник питания выполнены в виде двух блоков А и Б. Блок А представляет собой малошумящий усилитель и содержит два входных каскада, выполненных на транзисторах, включенных на схеме с общим эмиттером, соединенных последовательно с дифференциальным усилителем и источником питания, а второй блок Б представляет собой выходной усилитель мощности и содержит повторитель напряжения, который первым входом соединен с дифференциальным усилителем, а вторым входом с инвертируемым и неинвертируемым усилительными каскадами, которые первым входом соединены между собой параллельно, а вторыми входами соединены с двумя усилителями постоянного тока, причем усилители постоянного тока охвачены петлей отрицательной обратной связи.

Блок-схема устройства приведена на чертеже. 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 - повторителя 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 и с 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 KP1407УD2, 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 KP140УD2 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 KP1407УD2, 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, температурную зависимость параметров усилителя и т.п.

Дифференциальный каскад сам по себе не обеспечивает требуемых шумовых характеристик 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 каскадов усиления, 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.

Два усилителя 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.

Изобретение относится к радиоэлектронике при проектировании плавучих объектов. Технический результат заключается в согласовании с источником сигнала и по выходу с волновым сопротивлением фидера с минимальными искажениями в диапазоне 0,1-10 Гц с коэффициентом усиления не менее 40 дБ. Антенный усилитель, имеющий симметричный вход, содержит входной малошумящий усилитель (МУ), выполненный на двух входных каскадах (1, 2) на транзисторах (Т), включенных по схеме с общим эмиттером, дифференциальный усилитель (ДУ) (3), повторитель напряжения (ПН) (4) и выходной усилитель мощности (УМ). При этом ДУ (3) является нагрузкой Т каскадов (1, 2) и выполнен на двух взаимосвязанных операционных усилителях (ОУ), ПН (4) включен на входе выходного УМ и нагружен на два канала усиления выходного УМ с инвертирующим и неинвертирующим ОУ (5, 6), соединенными параллельно по входу и нагруженными на идентичные усилители тока (УТ) (7), выполненные на двухтактных эмиттерных повторителях с двумя комплементарными парами Т. 1 ил.

Антенный усилитель КНЧ диапазона, имеющий симметричный вход и содержащий входной малошумящий усилитель, выполненный на двух входных каскадах на транзисторах, включенных по схеме с общим эмиттером и соединенных последовательно с дифференциальным усилителем с несимметричным выходом, повторитель напряжения и выходной усилитель мощности, отличающийся тем, что дифференциальный усилитель является нагрузкой транзисторов двух входных каскадов и выполнен на двух взаимосвязанных операционных усилителях, повторитель напряжения включен на входе выходного усилителя мощности для использования емкостной развязки, выполненной на RC-звене, образованном конденсатором и резистором, между входным малошумящим усилителем и выходным усилителем мощности, при этом повторитель напряжения нагружен на два канала усиления выходного усилителя мощности с инвертирующим и неинвертирующим каскадами, работающими в противофазе, соединенными параллельно по входу и нагруженными на идентичные усилители тока, причем инвертирующий и неинвертирующий каскады выполнены на операционных усилителях, а усилители тока выполнены на двухтактных эмиттерных повторителях, содержащих две комплементарные пары транзисторов.