обзор разработок активных широкополосных антенн

Дипломная работа бакалавра. Работа сделана лично мной, уникальна в своем роде. ...

СОДЕРЖАНИЕ
Введение………………………………………………………………………………………….5
1. Принцип действия и основные характеристики широкополосной
активной антенны.………………...……………………………………………………………..6
1.1. Обзор активных широкополосных антенн………………………………………6
1.2. Принципы построения широкополосных антенн……………………………...12
1.3. Анализ требований к антенному усилителю…………………………………..18
1.4. Пути обеспечения широкополосности активного излучателя………………...22
1.5. Выводы…………………………………………………………………………...24
2. Методика расчета активной логопериодической антенны…………………………25
2.1. Методика расчета геометрических параметров широкополосной
активной антенны…….……………………………………………………………………...…25
2.2. Методика расчета диаграммы направленности…………………………...……27
2.3. Методика расчета входного сопротивления антенны…………………………31
2.4. Структурная схема активного излучателя……………………………………...33
2.5. Выводы……………………………………………………………………………35
Выводы……………………………………………………………………………………….....36
Перечень ссылок………………………………………………………………………………. 37

В настоящее время качественные характеристики современных подвижных систем связи в основном определяются характеристиками используемых антенных систем.
В связи с ограниченностью посадочных мест на подвижном объекте используют широкополосные антенны, которые обеспечивают одновременную работу в нескольких системах связи. К таким антеннам выдвигаются требования устойчивых входных характеристик и стабильности направленных свойств в широкой полосе частот. Кроме того, к современным антенным системам выдвигаются требования минимальных массогабаритных параметров.
Наиболее сложно обеспечить малогабаритность размеров антенных систем при сохранении диапазонных свойств. Одним из решений данной задачи является применение активных элементов, выполняющих роль широкополосного согласования и усиления. Инте грация антенн и активных элементов позволяет уменьшить размеры антенн, расширить полосу пропускания электрически коротких антенн, улучшить чувствительность приёмных систем, осуществить электронную настройку антенн, улучшить электромагнитную совместимость радиосистем в целом. Поэтому разработка и исследование активных антенн является актуальной задачей.
Целью настоящей бакалаврской работы является обзор разработок активных широкополосных антенн и исследование её характеристик в частотном диапазоне 1…2 ГГц.
Для достижения цели поставленной на этапе бакалаврской работы необходимо:
— провести обзор активных широкополосных антенн;
— проанализировать особенностей их построения;
— провести анализ требований к антенному усилителю.

Рис. 1.6 — Плоская двухзаходная спираль Архимеда
Если проанализировать направленные свойства данной антенны, то можно увидеть, что она обладает двунаправленной характеристикой излучения. Одностороннее излучение можно обеспечить, если с нижней стороны спирали расположить экран или замкнутый короб. Однако наличие экрана или короба приводит к появлению дополнительной частотной зависимости параметров антенны и снижает ее диапазонность.
Идея автоматической отсечки излучающих токов в месте, определяемом частотой генератора, нашла еще одно воплощение в антеннах с логарифмической периодичностью параметров в зависимости от частоты (рис. 1.7), для краткости называемых просто логопериодическими антеннами (ЛПА).
Рис. 1.7 — Логопериодическая антенна
Диаграммы направленности (ДН) плоской логопериодической антенны представляют собой два широких лепестка, ориентированных перпендикулярно плоскости плеч. Излучение в плоскости антенны невелико для всех направлений.
В коротковолновом диапазоне волн неудобно использовать логопериодические антенны, выполненные из сплошного металлического листа, даже при условии его замены сеткой проводов. Как показали исследования, частотно-независимые свойства у ЛПА сохраняются, если тонкий металлический лист заменить проволокой, которая воспроизводит форму границ листа (рис. 1.8).
Рис. 1.8 — Проволочная зигзагообразная (а) и вибраторная (б) конструкции ЛПА
Если конфигурация антенны становится пространственной — клинообразной то ДН приобретает однонаправленность: излучение происходит главным образом в направлении вершины клина — двугранного угла, образованного полуплоскостями, в которых лежат половинки антенн. Вначале с уменьшением этого угла направленность излучения возрастает. Резонирующий элемент является активным вибратором, соседний более длинный элемент является рефлектором, а соседние меньшие — директорами. Пример на рис.1.9.
Рис. 1.9 — Вибраторные ЛПА в пространстве (а) и на плоскости (б)
Такую плоскую антенну удобно трактовать как линейную решетку симметричных вибраторов монотонно изменяющейся длины, возбуждаемых двухпроводным фидером с перекрещивающимися проводниками. Фидер возбуждается от генератора со стороны вибраторов меньшей длины.
Ещё одним способом получения однонаправленного излучения в логопериодических структурах является применение отражающих экранов расположенных под плоскими антеннами. Причем экран можно также заменить резонансной полостью. Относительно хорошие результаты получены при конструкции с диэлектрическими кольцевыми вставками, представленной на рис. 1.10.
Рис. 1.10 — Логопериодическая антенна на диэлектрической кольцевой подложке
В данной конструкции наружная вставка выполнена из диэлектрика с, а внутренняя с. Главным недостатком такой конструкции является наличие ощутимых потерь в диэлектрике.
В процессе разработки широкополосных антенн также были предложены меандровые антенны. Как следует из названия, их конфигурация определяется линией меандра. Первоначально исследовались антенны с неизменной длиной элементов. Однако такие антенны плохо показывают себя в широком диапазоне частот, и добиться широкополосных свойств от них не удалось. В связи с этим далее исследовались антенны с изменяющейся по некоторому закону длиной элементов. Общий вид такой антенны представлен на рис. 1.11.
Рис. 1.11 — Меандровая антенна
Меандровые антенны являются альтернативой спиральным и логопериодическим конструкциям только в том случае, когда требуемая полоса частот не так велика, менее 500 МГц. При требовании большей полосы частот целесообразно использовать логопериодические или спиральные антенны.
Таким образом, форма плоских частотно-независимых антенн должна быть ограничена логарифмическими спиралями. Особенностью как плоских, так и пространственных эквиугловых спиральных структур является своеобразная автоматическая «отсечка» излучающих токов. Это явление состоит в том, что амплитуды токов, возникающих в плечах спирали под действием генератора, включаемого в центре структуры, резко уменьшаются (в 100 раз и более) после прохождения того витка спирали, периметр которое примерно равен длине волны. Остающаяся невозбужденной внешняя часть структуры может быть обрезана, и это почти не сказывается на характеристике излучения и входном сопротивлении остающейся части. Благодаря отсечке токов в излучении эквиугольной спиральной структуры конечных размеров участвует только центральная часть с диаметром, примерно равным одной трети длины волны (так называемая активная область). При изменении частоты электрические размеры активной области остаются постоянными и в результате возможно создание антенн с достаточно постоянным входным сопротивлением и почти неизменной характеристикой направленности в 20-кратном и даже большем диапазоне частот. Нижняя граница рабочего диапазона определяется из условия равенства длины волны периметру последнего витка структуры. Верхняя граница рабочего диапазона определяется соизмеримостью с длиной волны области возбуждения антенны, где геометрия спиральных линий оказывается нарушенной из-за наличия соединения с фидерной линией.
Итак, можно с формулировать следующие принципы создания частотно-независимых антенн:
— в антенне должно выполняться условие автоматической отсечки излучающих токов, гарантирующее постоянство электрического размера излучающей части антенны (принцип отсечки токов);
— форма антенны должна определяться в основном угловыми размерами (угловой принцип);
— форма щелевой части плоской антенны должна совпадать с формой вибраторной части (принцип дополнительности).
Среди этих принципов первостепенное значение принадлежит принципу отсечки токов. Второй и третий принципы имеют вспомогательное значение, и их нарушение в реальных конструкциях антенн не обязательно приводит к заметному ухудшению частотных свойств [4].
1.3. Анализ требований к антенному усилителю
Вопросы оптимального согласования имеют определяющее значение для первого усилителя в приёмной системе, т.е. и для усилителя в АУ. Согласование входа шумящего усилителя для реализации максимального отношения сигнал/шум в каскадном соединении четырёхполюсников являются предметом исследования многих работ. Оптимальное согласование усилительного прибора – это такое согласование, которое приводит к наилучшей чувствительности приёмной системы. Согласование такого типа является компромиссным между согласованием по усилению и согласованием по шуму, т.к. первое, очевидно, оптимально при очень больших шумах последующего за согласуемым усилителем тракта, а второе - при очень малых, когда усиление усилителя практически не сказывается.
Преимущество нерезонансных антенн-усилителей заключается в том, что при интеграции антенны и активного элемента можно отказаться от согласования антенны с линией передачи (фидером), что расширяет возможности по увеличению полосы частот и уменьшению габаритов антенн.
Резонансные антенны-усилители обладают преимуществом уменьшения габаритов, но они предназначены для работы в относительно узкой полосе частот. Таким образом, преимущество простого широкополосного согласования в резонансных антеннах-усилителях отсутствует. Однако, идея построения резонансных АУ заключается в таком оптимальном согласовании собственно антенны и усилительного прибора, чтобы обеспечить при этом наилучшее отношение сигнал-шум на выходе приёмной системы в заданной полосе частот. Основная проблема для резонансных АУ (как и для входных цепей приёмника) – проблема оптимального согласования источника сигнала (собственно антенны) с линейным шумящим усилительным прибором для получения максимального отношения сигнал/шум в заданной полосе частот. В общем случае эта проблема решается при использовании области допустимых проводимостей источника сигнала по коэффициенту эффективности. Область допустимых проводимостей источника сигнала представляет собой область на комплексной плоскости, определяющую допустимые значения полных проводимостей источника сигнала, при которых приёмная система с активной антенной имеет заданное превышение в соотношения сигнал/шум по сравнению с эталонной пассивной системой. Коэффициент эффективности показывает, во сколько раз изменяется отношение сигнал/шум в радиоприёмной системе при включении активной антенны вместо пассивной, т.е. показывает энергетический выигрыш при использовании в приёмном тракте активной антенны:
, (1.1)
где , - отношения мощности сигнала и шума активной и пассивной систем, приведённых на вход приёмника.
Таким образом, в процессе проектирования резонансных АУ путем сложного теоретического анализа находят область допустимых проводимостей источника сигнала (комплексного сопротивления собственно антенны), при которой коэффициент эффективности не опускается ниже заданного уровня. Этот анализ включает в себя согласование по мощности и по коэффициенту шума. Исходя из реально получаемых значений области допустимых проводимостей источника сигнала, определяют параметры собственно антенны и усилительного прибора.
Широкая полоса пропускания в нерезонансных АУ достигается за счёт отказа от согласования собственно антенны и активной схемы. Максимальная ширина полосы пропускания на частотах ниже 30 МГц обеспечивается при непосредственном соединении короткого вибратора и транзистора; при этом, чем выше входное сопротивление транзистора, тем более широкополосной и более эффективной является резонансная АУ. Оптимальное согласование является одной из составляющих, обеспечивающих высокую чувствительность, однако степень рассогласования собственно антенны с входом усилительного прибора будет определять широкополосность устройства.
Характер выходного сопротивления вибратора зависит от длины вибратора и частоты принимаемого сигнала. Для наилучшего согласования необходимо, чтобы входное сопротивление усилителя было гораздо больше, чем выходное сопротивление вибратора. При этом реактивная составляющая выходного сопротивления вибратора оказывает минимальное влияние на вход усилителя.
Таким образом, главной задачей при проектировании нерезонансных АУ, является повышение входного сопротивления усилителя настолько, чтобы напряжение на выходе усилителя не зависело от частоты, а находилось в постоянных пределах. При этом нужно создать условия, чтобы при высоком входном сопротивлении усилителя его коэффициент шума был сравним с шумами внешнего пространства, т.е. чтобы не ухудшилось отношение сигнал/шум.
Разрабатываемый усилитель должен одновременно относиться к двум группам: к группе широкополосных усилителей и к группе усилителей высокой чувствительности.
Соответственно, необходимо учитывать основные требования обоих групп при проектировании усилителей.
Широкополосные усилители (ШУ) – устройства, усиливающие сигналы в широком диапазоне от заданной граничной нижней частоты fН до некоторой верхней граничной частоты fВ. Основное требование к ШУ - обеспечение равномерного усиления сигнала в широком диапазоне частот с заданным коэффициентом усиления. Для создания ШУ необходимо применять высокочастотные усилительные приборы, принимая при этом специальные меры по расширению (коррекции) полосы пропускания.
Усилители высокой чувствительности – усиливают сигналы малой интенсивности (0,01 мкВ – 10мВ). Основная задача, которую необходимо решать при их проектировании, - обеспечение заданного отношения сигнал/шум, приведённого к определённому участку цепи. Поэтому наряду с обеспечением заданного коэффициента усиления и полосы пропускания, большое внимание уделяется расчёту общего уровня шумов на выходе устройства.
Таким образом, усилитель должен усиливать слабый сигнал (до 10 мВ) при полосе частот 27МГц с минимальными шумами. Одним из гарантов выполнения этих требований является полевой транзистор на входе усилителя.
Для нерезонансных АУ в области частот до 30 МГц целесообразно использовать полевые транзисторы [5]. В отличие от биполярных транзисторов, полевые транзисторы имеют очень высокое входное сопротивление (до десятков МОм). Поэтому и усилительные каскады на полевых транзисторах обладают большими входными сопротивлениями [6].
Основными преимуществами полевых транзисторов являются высокое входное сопротивление (до 10 МОм), малые низкочастотные шумы, малые нелинейные и интермодуляционные искажения, большой динамический диапазон, высокая стабильность и малая чувствительность к радиационному излучению. Выбор именно полевого транзистора обоснован, прежде всего, с точки зрения уменьшения шумов усилительного элемента при работе от высокоомного источника сигнала. Коэффициент шума полевого транзистора при малом сопротивлении источника сигнала достаточно велик и при RГ = 1кОм лежит в пределах 30-50 дБ. Оптимальное же сопротивление источника сигнала 1-10 МОм. Следовательно, полевые транзисторы целесообразно применять в случае высокоомного источника сигнала, поскольку они обеспечивают меньший коэффициент шума, нежели биполярные транзисторы.
Проведём краткий анализ относительно использования того или иного типа транзистора.
Как известно, минимально возможная шумовая температура транзистора реализуется при условии
, (1.2)
Для нерезонансных АУ полное сопротивление источника ZА коротких антенн, как правило, весьма отличается от Z0f и шумовая температура Ту значительно больше Tу min, что, как указывалось, допустимо из-за наличия больших внешних шумов, поступающих в АУ.
Для коротких штырей на рассматриваемых частотах допустимы следующие приближения:
Ra<<, (1.3)
т.е. ёмкостное реактивное сопротивление штыря намного превышает его активную часть сопротивления;
Ra<< R0F, (1.4)
т.е. активное сопротивление штыря намного меньше входного активного сопротивления транзистора;
>> X0F, (1.5)
т.е. выходная реактивность штыря намного больше реактивной составляющей входного сопротивления транзистора.
Таким образом, на частотах до 30 МГц транзисторы чётко разделяются на три группы. Транзисторы первой группы первой группы представляются эквивалентной схемой с одним источником напряжения шума uш, а источник тока шума отсутствует.
Средняя шумовая температура внешнего пространства Т, например для частот 2-3 МГц составляет около 10 6 К и, как показывает практика, сравнима с шумами полевого транзистора. Большой уровень шума транзистора объясняется очень сильным рассогласованием малого сопротивления собственно антенны относительно оптимального сопротивления источника, необходимого для согласования полевого транзистора по шумам.
Ко второй группе относятся высокочастотные биполярные транзисторы. Эквивалентная схема с их включением имеет источник тока шума. Недостатком их является сильная частотная зависимость Ту от частоты, поскольку в них с повышением частоты уменьшается Ха и увеличивается Ra.
К третьей группе относятся средне- и низкочастотные биполярные транзисторы. В их эквивалентной схеме присутствуют и источник тока шума, и источник напряжения шума.
В целом, полевой транзистор обеспечивает такое же отношение сигнал/шум, как и биполярный, хотя их Z0f сильно отличаются.
1.4. Пути обеспечения широкополосности активного излучателя
Широкополосность устройства можно обеспечить при условии, что иммитанс собственно антенны (полное входное сопротивление) был гораздо меньше входного сопротивления каскада, примерно в 100 раз. Тогда можно говорить о том, что изменение иммитанса собственно антенны от частоты не влияет на величину постоянной составляющей напряжения сигнала на выходе усилителя.
Рассмотрим вопрос повышения входного сопротивления до такого уровня, чтобы шумы каскада не превысили шумы внешнего пространства.
Входное сопротивление усилителя определяется величиной входного сопротивления усилительного прибора, стоящего на входе и к которому подсоединён выход собственно антенны. Входное сопротивление большой величины имеют полевые транзисторы, т.к. их стоко-затворная характеристика имеет наибольшую крутизну S [7].
Также входное сопротивление каскада можно увеличить путем увеличения сопротивления резистора, подключенного параллельно в цепь затвора полевого транзистора. Но этим можно создать дополнительные шумы в цепи затвора, обусловленные тепловыми шумами резистора, находящегося под напряжением смещения затвора порядка единиц вольт, которые затем усилятся вместе с шумами внешнего пространства.
Таким образом, надо оптимизировать входное сопротивление усилительного каскада так, чтобы максимум использовать входное сопротивление самого транзистора, а остальное – обеспечить резистором, включённым параллельно затвору.
Для максимизации входного сопротивления самого транзистора выбор его типа надо осуществлять из условия наибольшей крутизны стоко-затворной характеристики. Затем выбрать режим питания транзистора (рабочую точку) так, чтобы, во-первых, обеспечить линейность его работы при заданном динамическом диапазоне сигналов; во-вторых, рабочая точка лежала в области наибольшей крутизны стоко-затворной характеристики и в-третьих, попытаться обеспечить при этом небольшой начальный ток стока, т.к. чем больше начальный ток стока, тем больше шумят элементы выходной цепи каскада. Этим обеспечивается минимизация сопротивления резистора RЗ. Коэффициент шума полевых транзисторов зависит от работы транзистора. С увеличением напряжения смещения на затворе он увеличивается, что обусловлено уменьшением крутизны характеристики полевого транзистора. При увеличении напряжения на стоке коэффициент шума увеличивается, но в меньшей степени, по сравнению с действием напряжения смещения. Оптимальный режимом для полевых транзисторов является режим малых напряжений на затворе и стоке.
Как видно из рисунков 2.3 и 2.4 комплексное сопротивление собственно антенны длиной 1 м в заданном диапазоне частот будет меняться от ZA180 Ом на 30 МГц и до ZA(1..2 – j103..104)Ом на 3 МГц. Таким образом, реализация входного сопротивления усилительного каскада порядка 1 МОм обеспечит широкополосность АУ.
Из вышеуказанного можно сделать вывод, что непосредственное соединение антенны и усилителя с высоким входным сопротивлением позволяет получить широкополосную приёмную систему для заданного диапазона волн 3..30 МГц при малых размерах собственно антенны. Чувствительность приёмной системы с такой нерезонансной АУ, как показано в [5], может быть существенно лучше чувствительности приёмной системы с пассивной антенной значительно больших размеров, чем собственно антенна в АУ. Наличие между антенной и усилителем линии передачи даже небольшой длины резко сужает полосу пропускания такого устройства.
1.5. Выводы
Основными проблемами при разработке антенных систем являются:
- формирование направленного излучения;
- решение задач согласования при малых габаритных размерах излучателей;
- обеспечение работы антенной системы в широком диапазоне частот.
Так как заданную направленность излучения можно сформировать за счёт применения антенной решётки с правильно подобранным амплитудно-фазовым возбуждением элементов, то основной проблемой останется обеспечение согласования элементов антенной решётки в широком диапазоне частот. Недостатки активных антенн: активные элементы выделяют тепло, разброс их характеристик приводит к дополнительным искажениям поля.
2. МЕТОДИКА РАСЧЕТА АКТИВНОЙ ЛОГОПЕРИОДИЧЕСКОЙ АНТЕННЫ

2.1. Методика расчета геометрических параметров широкополосной активной антенны
Логопериодическая антенна (ЛПА) пред­ставляет собой сплошную структуру, набор щелевых и вибраторных излучате­лей увеличивающихся размеров. На рис. 2.1 представлены основные геометрические параметры ЛПА.
Рис. 2.1 — Основные геометрические параметры ЛПА