Глава 2 АНТЕННЫЕ УСИЛИТЕЛИ (РАДИО И ТВ), АНТЕННЫ
Для увеличения чувствительности радиоприемных средств - радиоприемников, телевизоров, радиопередатчиков используют различные усилители высоких частот (УВЧ). Помещенные между приемной антенной и входом радио или телеприемника, подобные схемы УВЧ увеличивают сигнал, поступающий от антенны (антенные усилители). Использование таких усилителей позволяет увеличить радиус уверенного радиоприема, в случае радиостанций (приемо-передающих устройств -приемопередатчиков) либо увеличить дальность работы, либо при сохранении той же дальности уменьшить мощность излучения радиопередатчика.
На рис.2.1 приведены примеры схем УВЧ, часто используемых для увеличения чувствительности радиосредств. Значения используемых элементов зависят от конкретных условий: от частот (нижней и верхней) радиодиапазона, от антенны, от параметров последующего каскада, от напряжения питания и т.д.
На рис.2.1 .а приведена схема широкополосного УВЧ на одном транзисторе, включенном по схеме с общим эмиттером (ОЭ). В зависимости от используемого транзистора данная схема может успешно применяться до частот в сотни мегагерц.
Необходимо напомнить, что в справочных данных на транзисторы приводятся предельные частотные параметры. Известно, что при оценке частотных возможностей транзистора для генератора, достаточно ориентироваться на предельное значение рабочей частоты, которое должно быть. как минимум, в два-три раза ниже предельной частоты, указанной в паспорте. Однако для ВЧ-усилителя, включенного по схеме ОЭ, предельную паспортную частоту уже необходимо уменьшать, как минимум, на порядок и более.
Рис.2.1. Примеры схем УВЧ.
Радиоэлементы для схемы на рис.2.1.а:
Я 1=51 к (для кремниевых транзисторов), R2=470. R3=100, R4=30-100;
С1=10-20, С2=10-50. С3=10-20, С4=500-3н;
Т1 - кремниевые или германиевые ВЧ-транзисторы, например, КТ315, КТ3102, КТ368, КТ325, ГТ311 и т.д.
Значения конденсаторов приведены для частот УКВ-диапазона.
Конденсаторы типа КЛС. КМ, КД и т.д.
Транзисторные каскады, как известно, включенные по схеме с общим эмиттером (ОЭ), обеспечивают сравнительно высокое усиление, но их частотные свойства относительно невысоки.
Транзисторные каскады, включенные по схеме с общей базой (ОБ), обладают меньшим усилением, чем транзисторные схемы с ОЭ, но их частотные свойства лучше. Это позволяет использовать те же транзисторы, что и в схемах с ОЭ, но на более высоких частотах.
На рис. 2.1.6 приведена схема широкополосного УВЧ на одном транзисторе, включенном по схеме с общей базой. В коллекторной цепи (нагрузка) включен LC-контур. В зависимости от используемого тран- V зистора данная схема может успешно применяться до частот в сотни \ мегагерц.
Радиоэлементы для схемы на рис.2.1.6:
Rl=lK, R2=10K. К3=15к. R4=51 (для напряжения питания ЗВ-5В). Р4=500-3к (для напряжения питания 6В-15В);
С1=10-20, С2=10-20, С3=1н, С4=1н-3н;
Т1 - кремниевые или германиевые ВЧ-транзисторы, например, КТЗ 15. КТЗ 102. КТ368. КТ325. ГТЗ 11 и т.д.
Значения конденсаторов и контура приведены для частот УКВ-диа- j пазона.
Конденсаторы типа КЛС, КМ, КД и т.д.
L1 - 6-8 витков ПЭВ 0.51, латунные сердечники длиной 8 мм с резьбой МЗ, отвод от 1/3.
На рис. 2.1. в приведена еще одна схема широкополосного УВЧ на одном транзисторе, включенном по схеме с общей базой. В коллекторной цепи включен ВЧ-дроссель. В зависимости от используемого транзистора данная схема может успешно применяться до частот в сотни мегагерц.
Радиоэлементы:
Rl=lK, Р2=33к. R3=20K, К4=2к (для напряжения питания 6В): .
С1=1н. С2=1н, С3=10н, С4=10н-33н:
Т1 - кремниевые или германиевые ВЧ-транэисторы, например, j КТ315, КТ3102. КТ368, КТ325, ГТ311 и т.д.
Значения конденсаторов и контура приведены для частот СВ-, КВ-диапазона. Для более высоких частот, например, для УКВ-диапазона, значения емкостей должны быть уменьшены. В этом случае могут быть использованы дроссели Д01.
Конденсаторы типа КЛС, КМ, КД и т.д.
L 1 - дроссели, для СВ-диапаэона это могут быть катушки на кольцах 600НН-8-К7х4х2, 300 витков провода ПЭЛ 0.1.
Большее значение коэффициента усиления может быть получено за счет применения многотранзисторных схем. Это могут быть различные схемы, например, выполненные на основе каскодного усилителя ОК-ОБ на транзисторах разной структуры с последовательным питанием. Один из вариантов такой схемы УВЧ приведен на рис.2.1 .г. Данная схема УВЧ обладает значительным усилением (десятки и даже сотни раз), однако каскодные усилители не могут обеспечить значительное усиление на высоких частотах. Такие схемы, как правило, применяются на частотах ДВ- и СВ-диапаэона. Однако при использовании транзисторов сверхвысокой частоты и тщательном исполнении такие схемы могут успешно применяться до частот в десятки мегагерц. Радиоэлементы:
К1=33к, Р2=33к, R3=39K, К4=1к, R5=91, Р6=2.2к;
С1=10н, С2=100, С3=10н, С4=10н-33н, С5=10н;
Т1 -ГТ311, КТ315. КТ3102, КТ368, КТ325 и т.д.
Т2 - ГТ313, КТ361, КТ3107 и т.д.
Значения конденсаторов и контура приведены для частот СВ-диапа-зона. Для более высоких частот, например, для КВ-диапазона, значения емкостей и индуктивность контура (число витков) должны быть соответствующим образом уменьшены.
Конденсаторы типа КЛС, КМ, КД и т.д.
L1 - для СВ-диапазона содержит 150 витков провода ПЭЛШО 0.1 на каркасах 7 мм, подстроечники М600НН-3-СС2,8х12.
При настройке схемы на рис.2.1.г необходимо подобрать резисторы Rl, R3 так, чтобы напряжения между эмиттерами и коллекторами транзисторов стали одинаковыми и составили 3 В при напряжении питания схемы 9 В.
Использование транзисторных УВЧ позволяет усиливать радиосигналы. поступающие от антенн, в теледиапазонах - метровые и дециметровые волны. При этом наиболее часто применяются схемы антенных усилителей, построенные на основе схемы 2.1 .а.
Пример схемы антенного усилителя для диапазона частот 150-210 МГц приведена на рис.2.2.а. Радиоэлементы:
R1=47K, R2=470, R3=110, К4=47к, R5=470, R6=110. R7=47n, R8=470. R9=110,R10=75;
C1=15, С2=1н, С3=15, С4=?22, С5=15, C6=22, C7=15, C8=22;
T1,T2,T3 - 1Т311(Д,Л), ГТ311Д, ГТ341 или аналогичные.
Конденсаторы типа KM, КД и т.д.
Полосу частот данного антенного усилителя можно расширить в области низких частот соответствующим увеличением емкостей, входящих в состав схемы.
Радиоэлементы для варианта антенного усилителя для диапазона 50-210МГц:
R1=47K, R2=470, R3=110, Р4=47к. R5=470, R6=110. Р7=47к, R8=470. R9=110,R10=75:
C1=47, С2=1н. C3=47, C4=68, C5=47. C6=68, C7=47, C8=68.
T1,T2,T3 - ГТ311А, ГТ341 или аналогичные.
Конденсаторы типа KM, КД и т.д.
При повторении данного устройства необходимо соблюдать все требования, предъявляемые к монтажу ВЧ-конструкций: минимальные длины соединяющих проводников, экранирование и т.д.
Антенный усилитель, предназначенный для использования в диапазонах телевизионных сигналов (и более высоких частот) может перегружаться сигналами мощных СВ-, KB-, УКВ-радиостанций. Поэтому широкая полоса частот может быть неоптимальной, т.к. это может мешать нормальной работе усилителя. Особенно это сказывается в нижней области рабочего диапазона усилителя. Для схемы приведенного антенного усилителя это может быть существенно, т.к. крутизна спада усиления в нижней части диапазона сравнительно низка.
Повысить крутизну амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) данного антенного усилителя можно применением фильтра верхних частот 3-го порядка. Для этого на входе указанного усилителя можно применить дополнительную LC-цепь.
Схема подключения дополнительного LC-фильтра верхних частот к антенному усилителю приведена на рис.2.2.б.
Параметры дополнительного фильтра (ориентировочные):
С=5-10,
L - 3-5 витков ПЭВ-2 0.6, диаметр намотки 4 мм.
Настройку полосы частот и формы АЧХ целесообразно проводить с
Рис.2.2. Схема антенного усилителя МВ-диапазона.
помощью соответствующих измерительных приборов (генератор качающейся частоты и т.д.). Форму АЧХ можно регулировать изменением величин емкостей С, С1, изменением шага между витками L1 и числа витков.
Используя описанные схемотехнические решения и современные высокочастотные транзисторы (сверхвысокочастотные транзисторы - СВЧ-транзисторы) можно построить антенный усилитель ДМВ-диапазона. Этот усилитель можно использовать как с УКВ-радиоприемником, например, входящим в состав УКВ-радиостанции, или совместно с телевизором.
На рис.2.3 приведена схема антенного усилителя ДМВ-диапачона.
Полоса частот 470-790 МГц, усиление - 30 дБ, коэффициент шума -3 дБ, Входное и выходное сопротивления - 75 Ом, ток потребления - 12 мА. Одной из особенностей данной схемы является подача напряжения питания на схему антенного усилителя по выходному кабелю, по которому осуществляется подача выходного сигнала от антенного усилителя к приемнику радиосигнала - УКВ-радиоприемника. например, приемника УКВ-радиостанции или телевизора.
Антенный усилитель представляет собой два транзисторных каскада. включенных по схеме с общим эмиттером. На входе антенного усилителя предусмотрен фильтр верхних частот 3-го порядка, ограничивающий диапазон рабочих частот снизу. Это увеличивает помехозащищенность антенного усилителя. Радиоэлементы:
К1=150к, R2=1.K. R3=75K. R4=680:
C1=3.3, С10=10, С3=100, С4=6800, С5=100,
Т1.Т2 - КТ3101А-2, КТ3115А-2. КТ3132А-2.
Конденсаторы С1.С2 типа КД-1, остальные - КМ-5 или К10-17в.
L1 - ПЭВ-2 0.8 мм, 2.5 витка, диаметр намотки 4 мм.
L2 - ВЧ-дроссель, 25 мкГн.
На рис.2.3.6 приведена схема подключения антенного усилителя к антенному гнезду ТВ-приемника (к селектору ДМВ-диапазона) и к дистанционному источнику питания 12 В. При этом, как видно из схемы, питание на схему подается через коаксиальный кабель, используемый и для передачи усиленного ДМВ-радиосигнала от антенного усилителя к приемнику - УКВ-радиоприемнику или к телевизору. Радиоэлементы подключения, рис.2.3.6:
С5=100:
L3 - ВЧ-дроссель. 100 мкГн.
Рис.2.3. Схема антенного усилителя ДМВ-диапазона, б - схема подключения.
Монтаж:
на двустороннем стеклотекстолите СФ-2 навесным способом, длина проводников и площадь контактных площадок - минимальные, необходимо предусмотреть тщательное экранирование устройства. Регулировка:
токи коллекторов регулируются R1 и R3, Т1 - 3.5 мА, Т2 - 8 мА;
форму АЧХ можно регулировать подбором С2 в пределах 3-10 пФ и изменением шага между витками L1. И коротко об антеннах.
Хорошая антенна - одно из основных условии эффективной работы радиосредств: передатчиков, радио и телеприемников. Существуют разные антенны и их конструированию и эксплуатации посвящены специализированные издания. Здесь же необходимо отметить некоторые основные положения.
Антенны для передатчиков.
Простейшая антенна - штырь из толстой медной проволоки. Удобно в качестве штыревой антенны использовать телескопическую антенну. Оптимальная длина антенны данного типа соответствует четверти длины радиоволны (L/4, где L - длина волны ВЧ-иэлучения). Например, для частоты 74 МГц (верхняя частота отечественного УКВ-диапазона) длина антенны передатчика - 1 м, для частот 87-108 МГц - 0.6-0.8 м, для частоты 144-145 МГц - 0.5 м, для 430 МГц - 15 см, а для 900 МГц - 7-8 см. Однако для диапазона 27 МГц четверть длины волны составляет примерно 2.5 м. Антенна такой величины, конечно, неудобна в эксплуатации. В этом случае приходится уменьшать ее длину, но при этом используют различные схемотехнические решения, компенсирующие данное уменьшение.
При уменьшении длины штыревой антенны менее оптимальной величины излучаемая мощность уменьшается, а ток выходного каскада передатчика может значительно увеличиться. Это уменьшает мощность излучения, эффективность работы (отношение мощности излучения к мощности потребления энергии от источника питания), дальность, время функционирования автономного источника питания (сухих элементов, аккумуляторов), увеличивает нагрев выходного транзистора, что может привести к выходу его из строя и прекращению работы передатчика.
Антенну необходимо согласовывать с выходным каскадом радиопередатчика. Для мощного передатчика использование несогласованной антенны или его включение вообще без антенны (без нагрузки) может привести к выходу из строя транзистора оконечного каскада передатчика.
Рис.2.4. Схемы измерителей, используемых для настройки антенн передатчиков.
Согласование антенны с выходным каскадом передатчика осуществляется с помощью специальных LC-фильтров различной конструкции. , Это может быть, например, П-фильтр. Меняя величины емкостей и ин-дуктивностей (одной или нескольких) выходного (согласующего) фильт- \ ра добиваются максимальной величины излучаемой мощности. J
Кроме этого в радиопередатчиках и радиостанциях вместо традици- • онных штыревых антенн используют антенны других конструкций, позволяющие уменьшить их физические размеры. Например, применяют спиральные антенны, отличающиеся значительно меньшими габаритами, чем телескопические. Это особенно важно для сравнительно низ- i ких частот, например, для диапазона 27 МГц. ¦
Контроль величины излучаемой мощности при согласовании (при настройке) выходного фильтра можно выполнить с помощью специ- ¦ альных схем-индикаторов. Данные схемы предназначены для измерения напряженности ВЧ-поля, генерируемого излучающей антенной ра- * диопередатчика. Антенну измерителя сначала располагают вблизи с антенной передатчика. По мере настройки излучающей антенны (согласования) передатчика и роста мощности излучения необходимо постепенно удалять антенну индикатора-измерителя напряженности ВЧ-поля от антенны передатчика.
Примеры схем индикаторов-измерителей, облегчающих процесс настройки передатчиков, приведены на рис.2.4:
на рис.2.4.а - простейшая схема (С1=10, С2=1н; D1.D2 - Гp.50^).
на рис.2.4.6 - схема с усилителем на ОУ (С1=10, С2=1н; D1.D2 -ГД507, R1=100K-1M, R2=100-lK, К3=10к-100к, К4=100-10к, R5=100-Юк, ОУ - любой, например, серии 140, R3 - установка коэффициента усиления, R5 - установка нуля). Второе устройство обладает значительно большей чувствительностью.
Использование индикаторов-измерителей.
Использование данных устройств, как это уже отмечалось, сводится к достижению максимальных показаний измерительных приборов в процессе согласования антенн передатчиков (настройки фильтров согласования). При этом на начальном этапе настройки антенны передатчика обе антенны - передатчика и индикатора, как уже отмечалось, располагают в непосредственной близости друг к другу. В дальнейшем по мере роста мощности излучения (в процессе настройки) расстояние между антеннами постепенно увеличивают. Антенны для приемников.
Рис.2.5. Схемы подключения к антенне нескольких приемников (УКВ и ТВ):
а - двух,
б - трех и более,
в - двух при низком затухании сигнала.
Для низких частот (ДВ-, СВ-, реже КВ-диапазон), как правило, используют - магнитные антенны (входные контурные катушки на ферритовых стержнях), для высоких частот (KB-, УКВ-диапазон) - телескопические антенны (в простейших случаях) и различные сложные антенные конструкции (чаще для ТВ-приемников).
Как правило, согласование штыревой антенны не представляет большой проблемы. Основная задача - обеспечить минимальное влияние антенны на параметры входного контура приемника - радиоприемника и телевизора. Но при этом необходимо передать от антенны на вход приемника максимальное значение полезного сигнала. С повышением частоты радиосигнала сложность этой проблемы возрастает. Усложняется схема согласующего устройства и при увеличении числа потребителей (радиоприемников) сигнала от антенны.
Необходимость в согласующих устройствах - распределителях сигналов от антенн обусловлена не только стремлением передать максимальные величины (части) полезных сигналов на приемники, но и минимизировать взаимное влияние приемников друг на друга.
На рис.2.5. приведены схемы согласования антенн с несколькими приемниками: УКВ-радиоприемниками и телевизорами. Соединение с антенной производится с помощью стандартного 75-омного коаксиального кабеля. Согласование антенны с несколькими приемниками радиосигналов возможно как с помощью достаточно простых реэистив-ных делителей, так и с помощью достаточно сложных схем, использующих в своем составе ВЧ-трансформаторы, ВЧ-дроссели и т.д.
На рис.2.5.а представлена схема оптимального подключения к антенне двух приемников (УКВ-радиоприемников и телевизоров) с помощью делителя на резисторах.
На рис. 2.5. б приведена схема оптимального подключения к антенне трех и более приемников (УКВ-радиоприемников и телевизоров) с помощью делителя на резисторах.
Схема согласования антенны и нескольких приемников с помощью делителя на резисторах, конечно, проста, но значительно ослабляет полезный сигнал. Это нередко требует последующего усиления с помощью антенного усилителя. Ослабление сигнала от антенны может быть уменьшено при использовании соответствующих схем-согласователей с ВЧ-трансформаторами.
На рис.2.5.в представлена схема оптимального подключения к антенне двух приемников (УКВ-радиоприемников и телевизоров) с помощью схемы, использующей ВЧ-трансформаторы. Данная схема обеспечивает передачу от антенны на приемники сигналов большей величины (большей доли) радиосигнала, т.е. согласование с антенной сопровождается меньшими потерями полезного сигнала.