1_5MHz到30MHz寬頻帶短波有源接收天線

1、笫10卷第訓(xùn)哈爾濱船舶工程學(xué)院學(xué)報VoLI0，N211 9 8 9 年 3 丿Jour n al of Harbin Shipbuilding l;ngineciinji itistitulc Mar., 198915MHz到30MHz寬頻帶短波有源接收天線李文興-（電子工程系）摘要人丈對冇源接收天線進行了理論分析。提出了一些寬頻帶短戒有源 接收天線的設(shè)計考慮。定量地給出了串聯(lián)負反饋對互調(diào)失真的改善程皮。并根據(jù) 詐計考慮沒計了 一個短波有源接收天線，其物理高度僅為0.1m, A1.5 -30MHz 克頻帶范囤內(nèi)具冇平坦轉(zhuǎn)頻率特性且失奧較小，莊兩個0.1V/m祓場強下，二 階互誦表減65dI3,

2、三階互調(diào)表成R95dI3：摟狀系饑的嗥盧殺數(shù)在 城市使用 時3dB,莊鄉(xiāng)村使用時7dB.關(guān)鍵詞：冇源接收天線,撅波；有;A天錢.中國圖書資科分類號TN820引 言隨看無線電技術(shù)設(shè)備的小型化，人們廣泛地使用了各種無源電小天線。無源電小天線 系統(tǒng)的缺點是，頻帶窄，效率低。但是將有源器件同天線導(dǎo)線結(jié)合在一起，構(gòu)成一個不可 分割的整體，小型天線系統(tǒng)的性能就會得到改進。本文從有源接收天線的等效電路出發(fā)，推導(dǎo)了有源器件在冇源接收天線中的作用e提 出的垂要設(shè)計考慮為：有源網(wǎng)絡(luò)的前兩級是實現(xiàn)有源接收天線性能的關(guān)鍵，一般要小電流 工作以減小噪聲，從盡可能大的級間對前兩級引入較深的負反饋來改善互調(diào)失真，且第一 級

3、采用共漏極運用的場效應(yīng)晶體管可獲得較佳的有源天線性能。這與冃前的一種看法，即 共源極場效應(yīng)晶體管作為有源網(wǎng)絡(luò)的輸入級能得到最佳性能的看法并不一致4,7,9。目前見到的文獻對于負反饋減小互調(diào)失真問題都是結(jié)合貝體的例子進行定性地說明， 如3,本文定量地給出了串聯(lián)負反饋對互調(diào)失真的改善程度，為有源天線的設(shè)計帶來方便。1有源器件在有源天線中的作用在偶極、單極和環(huán)形等天線導(dǎo)線的饋電處直接加一有源網(wǎng)絡(luò)就構(gòu)成了各種不同的有源 天線。由于受各種因素的限制，口前有源天線主要用于接收。本文就在垂直鞭狀天線導(dǎo)線 底部直接連接輸入級為場效應(yīng)品體管放大器的悄況來說明有源器件在有源天線中的作用。1.1小型化接收天線的一個

4、重要的物理量是它的冇效長度，它直接反映了天線轉(zhuǎn)換電磁波成為導(dǎo).木文于1987年12丿23日收到第1期乍文興：1.5MHz到30MHz寬頻帶短波有源接收天線83波的能力。一般不加載的電小天線的有效長度近似為幾何長度之半。力了提高電小天線的 有效長度，人們使用了各種加載天線，但加載的作用是非常有限的。既使在極限的情況 下，加載的作用使得天線的有效長度最大也不過為天線的兒何長度?，F(xiàn)在我們在天線導(dǎo)線 的饋電處直接加一放大器（見圖1Q）,其等效電路見圖lb第1期乍文興：1.5MHz到30MHz寬頻帶短波有源接收天線83第1期乍文興：1.5MHz到30MHz寬頻帶短波有源接收天線83卡一17麗7血其中：C

5、,為天線導(dǎo)線的電容,E為夭線所在點的場強；恥為夭線導(dǎo)線的有效高度;人卩為放大器的電壓放大倍數(shù)；G為放大器的輸入電容；Vi和V。分別溝放大器的輸入. 輸出電壓。-則由圖”得：.1廠1 + CJCR 小根拯接收天線有效冉度的定文，可得有源接收天線的右效高度為:VoAr顯見，由于放大器電壓放大倍數(shù)的存在，使得有源接收夭線的有效奇度增加。這時， 有源天線的尺寸就與放大倍數(shù)冇關(guān)。當(dāng)要求有源天線同某一無源天線具有和同的有效高度 吋，有源夭線的尺寸會比無源天線的尺寸縮小到（1 + C./CQ /人分Z-。放大器的電 圧放大倍數(shù)較大時，有源天線的尺寸就會較夫地縮小。當(dāng)然，有源天線的尺寸也不能無限 制地縮小，這

6、主要是受到夭線導(dǎo)線小電阻“I和放大器內(nèi)部噪聲的限制，有源夭線小型化 的實質(zhì)就是用有源器件來補償由于天線尺寸的減小而引起的有效高度的隆低。1.2獲得寬頻帶同樣由圖“可得：Vr.=壯（3） + CJC3電小夭線的加是個幾乎不隨頻率變化的雖，因此也就幾乎和頻率無關(guān)，就是 說在天線導(dǎo)線同放大器之間傳輸電壓沒有帶寬的眼制。這樣，有源接收天線的通頻帶寬度 就取決于放大器的通頻帶寬度。當(dāng)放大器,的帯寬做得很寬時，就實現(xiàn)了有源天線的寬頻帶 接收。這種夭線導(dǎo)線和放大器之間的阻抗匹配稱為肛抗水準匹配。2短波有源接收天線的設(shè)計考慮設(shè)計短波有源接收天線的基本原則是使接收系統(tǒng)的靈敏度最佳。有源天線有效高度的 提高和固有

7、噪聲的減小，便縮小天線尺寸成為可能。非線性失真的減小和信號控制能力的 增強，提鬲了有源天線的抗干擾能力。為使接收系統(tǒng)的靈敏度最佳，有源天線中相互豹響 的天線導(dǎo)線部分和有源網(wǎng)絡(luò)部分的設(shè)計要綜合地進行考慮。基本的役計思想為：從減小有源夭線的固有噪聲和非線性失真的旳度出發(fā)，給出有源 網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計考慮，再確定天線導(dǎo)線的尺寸，使得接收系統(tǒng)的靈敏度最佳。2.1有源網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計考慮”有源網(wǎng)絡(luò)是實現(xiàn)有源天線的關(guān)鍵。冇源夭線的設(shè)計同無源仝線的設(shè)計一樣是使按收系 統(tǒng)的靈敏度最佳。所不同的是有源天線中，對單極子天線導(dǎo)線這個容性源來說，天線導(dǎo)線 和右源部分之間傳遞的是電壓，所以，這與無源天線或天線加放人器系統(tǒng)有著顯著的區(qū)

8、 別。2.1.1噪聲考慮 有源天線的同有噪聲主要來源于有源器件，并主要由網(wǎng)絡(luò)的前級決定， 尤其以第一級更為重要，第一級冇源器件選取的氐則是要具有盡可能低的噪聲，較高的截 止頻率和盡可能大的增益。并考慮到非線性失真，選用低噪聲、高截止頻率的場效應(yīng)晶體 管，共漏極運用較為合適。岡為對于截止頻率較高的場效應(yīng)晶體管（例如3DJ4、fT 300MHz）來說，可以證明共漏極連接和共源極連接具冇基本相同的噪聲系數(shù)，并且共漏 極連接輸入電容小，在天線導(dǎo)線這個容性源下能捉供差不多的功率增益，共漏極比共源極 運用稍少，但是，共漏極作為輸入級運用，山于其檢出陽抗低，宜于同第二級進行噪聲匹 配，深度的負反饋可以減小互

9、調(diào)失真是它不可抹殺的優(yōu)點。因曲，從減小噪聲和互調(diào)失真 兩方面出發(fā)，有源網(wǎng)絡(luò)的輸入級疫用共漏極場效應(yīng)晁本管要優(yōu)于便用共源極場效應(yīng)晶體 管。場效應(yīng)晶冰恃作為輸入圾，本身的固有噪聲是較小的，但在電小夭線導(dǎo)線這個低電 肌、高容抗源下，般其有效功率增益小于1】7 。因此，第二級的噪聲要仔細地考慮，要 盡可能的同第一級進行噪聲匹配。一個fl好的設(shè)計要求是有源網(wǎng)絡(luò)的噪聲主要由第一級決 定。2.1.2非線性失真的考坨 有源夭線中，非線性失真一般是指互調(diào)失真。為了減小噪 聲，有源網(wǎng)絡(luò)的前兩級要在小電流條件下工作，以后的各級對噪聲的影響不大，主要考慮非 線性失真，可以運用大電流。因此，在前兩級產(chǎn)生的互調(diào)失真就大。

10、并且互調(diào)失真一經(jīng)產(chǎn) 生就很難消除。為了減小互調(diào)失真，可以在有源網(wǎng)絡(luò)中引入各種負反饋，重要的是要在盡 可能大的回路（開環(huán)）對有源網(wǎng)絡(luò)的前兩級引進較深度的負反饋來改善由運用小電流所引 起的互調(diào)失其。其串聯(lián)負反饋對互調(diào)失真的改善程度由互調(diào)改善因子決定（推導(dǎo)見附錄）： 二階2= -401og（l+KF）dB三階43= -601og（l + KF）dB仁和乩特確地給出了建立負反饋之后互調(diào)失真的改逢程度。改善的程度同反饋深度有 關(guān)，其大小取決于反懺深度的強弱。采用開環(huán)增益校大的負反饋，可以較多地減小其互調(diào) 失真，即如果開環(huán)增益做得盡可能地大，H符合帶寬和穩(wěn)定性的要求，可得到較佳的結(jié) 呆?？梢圆捎酶鞣N負反饋

11、方式，但采用的負反饋不能嚴重地降低其噪聲性能，必須滿足低 噪聲的條件。2.1.3匹配形式的選擇 一般說來，在有源接收天線中，夭線導(dǎo)線部分與有源部分之間 有兩種匹配方式：噪聲匹配和阻抗水準匹配。噪聲匹配會使有源天線的噪聲最小，但倍噪 比帶寬也會同時減小。阻抗水準匹配，雖然會便有源天線的噪商增加，但它可以得到很大 的信噪比帶寬，并便夭線導(dǎo)線和有源部分之間的傳輸電壓繪大。因此，設(shè)計要根據(jù)帶寬的第1期李文興1.5MHz到30MHz寬頻帶短波有源接收天線8584喑爾濱船舫工程學(xué)院學(xué)報第10卷要求來選擇匹配方式。寬頻帶有源天線，般要采用阻抗水準匹配。對單極子天線導(dǎo)線來 說，用輸入級為場效應(yīng)晶體管的有源例絡(luò)

12、宜接同天線導(dǎo)線相連接。因為對較寬頻帶的有源 天線，即使采用任意復(fù)雜的激勵網(wǎng)絡(luò)進行噪聲匹配都是無法實現(xiàn)的8 。2.2天線導(dǎo)線部分的設(shè)計考慮天線的形式確定為垂直極化的鞭狀天線。因為垂立極化的鞭天線具有效率高，機械結(jié) 構(gòu)方便合理等優(yōu)恵，易受干擾是它的缺點，但天線的小型化會使抗干擾的作用增加。右源天線中，并不是一個具冇低噪聲、高線性的有源網(wǎng)絡(luò)和任慮的天線導(dǎo)線相連接，就 能得到一副性能良好的有源天線。因為天線導(dǎo)線與有源網(wǎng)絡(luò)連接妁方氏不同，會得到不同的 系統(tǒng)噪聲系數(shù)；夭線導(dǎo)線的尺寸改變時，山于所接收的外部噪聲不一樣，也會得到不同的噪 聲系數(shù)。為便系統(tǒng)的靈敏度最佳，天線的尺寸必須根據(jù)有源網(wǎng)絡(luò)固冇噪聲大小和圖

13、2國際 無線電咨詢委員會（CCIR）第332號報告給出的外部噪肖曲線來確定。圖3給出了某一冇源 網(wǎng)絡(luò)與不同天線導(dǎo)線尺寸相接時，有源天線的噪聲系數(shù)（標準的）隨頻率的變化關(guān)系。曲 線分別對應(yīng)天線導(dǎo)線尺寸為0.1、02、0.4, 0.8和lm.0.20.5 12510 205001000/(MHz)5第1期李文興1.5MHz到30MHz寬頻帶短波有源接收天線855第1期李文興1.5MHz到30MHz寬頻帶短波有源接收天線85圖43設(shè)計實例筆者根據(jù)設(shè)計考慮設(shè)計了一個1.5MHz到30MHz的寬頻帶短波冇源接收天線見圖4。整個冇源夭線是由天線導(dǎo)線部分和裝在圓簡底坐內(nèi)的有源網(wǎng)絡(luò)組成。其天線導(dǎo)線部分是山 1

14、0cm高的鞭狀天線和直徑為10cm的加載圓盤構(gòu)成。有源網(wǎng) 絡(luò)的加入沒有改變天線導(dǎo)線的輻射/了向圖。冇源網(wǎng)絡(luò)共有四 級，一個和天線導(dǎo)線進行阻抗水準匹配的輸入級，該級采用低 噪聲、高截止頻率的場效應(yīng)晶體管并共漏極運用，因而使得天 線導(dǎo)線部分感應(yīng)的信號絕大部分出現(xiàn)在冇源網(wǎng)絡(luò)的輸入端。兩個晶體管共源極放大級。井在冇源網(wǎng)絡(luò)的第二級引入了較 深的電壓串聯(lián)負反饋，以減小互調(diào)失真。末級為晶體代射馳 器，肚輸出阻抗低，易于同特性阻抗為50。的高頻傳輸線匹 配。天線的宜流供電和交流輸出采用同一傳輸線來完成，并 便用隔離網(wǎng)絡(luò)來進行分離。該冇源夭線的測試結(jié)果如下。任兩個lOOmV/m的干擾場強下，二階互調(diào)衰減JG5d

15、B,接收系統(tǒng)的噪聲系數(shù)在城市使用時3dB,在鄉(xiāng)村使用時7dB電壓增益任1.5MHz到30MHz的寬頻帶范圍內(nèi)為80.5cIB直流供電+ 12V由于該天線的尺寸小，機械性能好，可作為車載天線和用在一些不能使用大天線的地 方。也可做為天陣中的單元天線，組成小型天線陣使用。參考文獻1 Copeland J R,Robertson W J.Verstractc R G. JEEE Trans. Antennas and Propagation, 1964, VoL, AP 12227-2332 Meinke H. NTZ., 1966,H. 12(19)6977053 I.indetmeier# In

16、GSymp.on Auitennas and Propagation, Sendai JapanIE A P-30 (G)8 Lindenmcier URSISymp. on Electromagnet Waves, 1980,423A： 1*99 Nordholt E H,Willigcv D IEEE 7 ruis. on Antennas and propagation 1980,AP-28(6)x&04-91010 CCIR-Rop。 332(1964)258-311 Burhars K W. Radio-Elect ron, 1983,5132-135附 錄互調(diào)改善因子的推導(dǎo)負反饋對

17、互調(diào)失真的改善程度，可以從晶體管正向轉(zhuǎn)移特性匚肌e和負反饋的方框圖得到。串聯(lián)負反饋的方框圖如下：其中：K為開環(huán)放大倍數(shù)，F(xiàn)為反饋系數(shù)，X；為 輸入電壓，為反饋電壓，X。為輸出雖（電壓或電 流），AX = XXf為晶體管的輸入電壓。設(shè)輸入電壓包括一個佶號頻率和兩個干擾頻率JX ( =+ Vr( cos 卩 + V2 cos(d2t則開環(huán)時：i = AV, COS9 + BVj V2】C05(5 + 2)t + COS(0! 一 心2)門+ C V f V2cos(w2 + V( VJcos(c 2u)z)tJ + 閉環(huán)時:1 ( V tCOS(y + V1(1053+ V2COS02f )(2)5第1期李文興1.5MHz到30MHz寬頻帶短波有源接收天線855第1期李文興1.5MHz到30MHz寬頻帶短波有源接收天線85將（2）代入（1）得：586哈爾濱船的工程學(xué)院學(xué)報第10卷cg(i + 2” + C03(3 (1+XF)2 it has a flat frequency response from 1,5 MHz to 30 MHz and low dis tortion 訂or tw