RU2169973C1

RU2169973C1 - Broad-band active receiving antenna

Info

Publication number: RU2169973C1
Application number: RU2000101687A
Authority: RU
Inventors: А.М. Бобков; О.Б. Миротворский; В.Х. Певзнер; В.К. Титов
Original assignee: Научно-производственный комплекс "Радиосвязь"
Priority date: 2000-01-24
Filing date: 2000-01-24
Publication date: 2001-06-27

Abstract

FIELD: antenna engineering; antennas operating in ultralong to ultrashort wave bands. SUBSTANCE: antenna that has electrically short antenna element, inverting amplifier whose input is directly connected to electrically short antenna element, amplifier surge protective circuit connected in parallel with amplifier input, and negative- feedback reactance unit inserted between input and output of amplifier is provided, in addition, with frequency- dependent two-terminal network set up of two or more components of different reactivity whose reactance in vicinity of high-power interference frequencies is lower than that of feedback circuit with same kind of reactivity; at other frequencies their reactance is higher. Antenna may be mounted on equipment operating under heavy electromagnetic impacts such as mobile communication equipment on board sea-going ships. EFFECT: enhanced noise immunity, enlarged functional capabilities. 3 cl, 4 dwg

Description

Устройство относится к радиотехнике и может быть использовано в области радиосвязи или в измерительной технике. The device relates to radio engineering and can be used in the field of radio communications or in measuring equipment.

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. Due to the small size and high broadband active antennas are increasingly used [1, 2]. The main disadvantage of such antennas, limiting their use, is poor protection from the effects of a real set of many concentrated spectrum interference. The latter, arriving at the electronic elements of the antenna (amplifier, protection circuit), generates a large number of additional nonlinear interference (mainly intermodulation), which, if it enters the frequency band of the signal, can significantly impair its reception [3, 4]. For this reason, linearity parameters are the main parameters of active antennas and developers strive to achieve their maximum value. But in practice, the possibilities of increasing the linearity of the active antenna are limited, since these requirements usually conflict with such important antenna parameters as sensitivity and broadband.

Цель изобретения - повышение помехозащищенности широкополосных активных антенн. The purpose of the invention is to increase the noise immunity of broadband active antennas.

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.When developing a technical solution, two important points were taken into account:
1. Nonlinear interference is generated both in the active antenna amplifier and in the electronic protection circuit. The latter is intended to prevent the failure of the amplifier when the antenna enters a strong RF field, for example, from a nearby radio transmitter, or a lightning discharge field. Therefore, the technical solution should reduce non-linear interference simultaneously in both of these elements.

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]. 2. Active antennas are very broadband, which is an important advantage over other antennas. But this is also their drawback, since their operating range covers large sections of the radio spectrum, which differ greatly in the energy saturation of interference. The broadcasting areas of the Far East, UHF and VHF, DTSV bands (VHF broadcasting, television), in which the interference levels are usually significantly higher than the interference levels in the remaining parts of the range (by 80 dB or more, Fig. 1) are especially distinguished. Exceeding the dynamic range of the active antenna DDaa, these interferences generate a lot of intermodulation interference, interacting both among themselves within the same range and between different ranges [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]. When powerful interference from a nearby radio transmitter appears, reception degradation occurs primarily due to intermodulation of powerful interference with a set of broadcasting interference [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. Known amplification device [6], in which to increase the noise immunity at the input of the amplifier notch filters are installed on the areas of broadcasting. The disadvantage of this technical solution is the difficulty of its use in active antennas. The fact is that in such antennas, electrically short monopoles or dipoles 40-100 cm long are usually used as antenna elements. Their output impedance is determined by a small capacitance (4-10 pF). Turning on the filter leads to shunting of the output impedance by the parasitic capacitances of the filter and, as a result, to a significant deterioration in the sensitivity of the antenna. Even the inclusion of a protection circuit from reverse biased diodes (a capacitance of only 1-2 pF) noticeably worsens the sensitivity. In addition, the filter will significantly (in proportion to the degree of rejection) reduce the sensitivity of the receiving path in the broadcasting areas, which is also undesirable.

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. An active antenna is known [7], in which to reduce the intermodulation of broadcasting signals of different ranges at the output of the antenna element, a frequency-separating device is turned on and each band is amplified by its amplifier, which eliminates the occurrence of intermodulation interference caused by broadcasting interference of different ranges. After amplification, the signals are added to the transformer. The disadvantage of this technical solution is the reduction in sensitivity due to shunting of the output resistance of the antenna element by the parasitic capacitance of the frequency separation device (as in the previous case). In addition, the device is quite complicated.

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. A technical solution is known to increase the noise immunity of an active antenna [8] by switching on an electronic automatic attenuator controlled from a radio receiver between the antenna element and the input of the amplifier. The larger the signal, the greater the attenuation introduced by the attenuator and the greater the suppression of interference. The disadvantage of this solution is its applicability only for working with one radio receiver. In addition, additional problems arise with the linearity of the attenuator, since the attenuator itself often turns into a strong source of nonlinear interference.

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. The closest in technical essence (prototype) is the device [9] - an active antenna containing an electrically short antenna element, an asymmetrical inverting amplifier, the input of which is directly connected to the antenna element, and the output is the output of the active antenna, the amplifier’s overvoltage protection circuit connected parallel to the input of the amplifier, and a reactive feedback element connected between the input and output of the amplifier.

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). With the same nature of the reactivity of the output resistance of the antenna element and the feedback element, a constant antenna height is achieved in a very wide frequency band. Negative feedback (OOS) significantly improves the noise immunity of the active antenna both by increasing the linearity of the amplifier (including due to a decrease in noise levels in the output stages of the amplifier) and by reducing interference levels in the protection circuit (parallel to OOS).

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. The disadvantage of this device is the need to introduce very deep OOS, based on the levels of the most powerful interference of the radio spectrum, which leads to an excessive decrease in the gain of the amplifier and the active height of the active antenna. As a result, the sensitivity of the receiving path is significantly impaired in the entire operating frequency range. Therefore, in practice, the minimum effective height is often limited to a value of about 0.2 m, reconciled with a large number of intermodulation interference generated by the most powerful stations in the active antenna.

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). To increase the noise immunity of the active antenna, it is proposed between the input and output of the amplifier to additionally include a frequency-dependent bipolar of two or more elements with different types of reactivity, having a resistance in the frequency range of powerful interference less than the resistance of the feedback element and the same nature, and at other frequencies - more (Fig. 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.In FIG. 2 are indicated:
1 - electrically short antenna element;
2 - protection circuit of the amplifier against overvoltage;
3 - AC voltage amplifier;
4 - chain of environmental protection from one reactive element;
5 - frequency-dependent bipolar.

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).Thanks to the introduced bipolar, a second, parallel branch of the OOS is formed. The OOS current I _OC in this case will be determined by the sum of the currents of the first OOS branch (I _OC1 ) flowing through the reactive element 4, and the second branch of the OOS I _OC2 flowing through the frequency-dependent bipolar 5, i.e. I _OC = I _OC1 + I _OC2 . The bipolar parameters are calculated so that in the main part of the range (outside the region of powerful interference) the modulus of its complex resistance | Z _OC2 | was significantly greater than the resistance modulus of the reactive element 4 | X _OC1 | so that the OOS current of the amplifier was determined mainly by the reactive element I _OC ≈ I _OC1 . In the frequency interference region, | Z _OC2 | should become smaller | X _OC1 | and lead to an increase in the current OOS I _OC . An increase in I _OC will cause an increase in the OOS depth and a decrease in the voltage at the amplifier input (a consequence of parallel OOS). In addition, if in this frequency range the resistance Z _OC2 , which is generally complex, will be mainly reactive in nature Z _OC2 ≈ X _OC2 , which coincides with the nature of the reactivity of the OOS 4 element, then the active height of the active antenna in this frequency range will remain constant (frequency independent).

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). Thus, the introduced two-terminal network will increase the depth of the amplifier's OOS in the frequency range of powerful stations by a certain amount and thereby increase the noise immunity of the device both by increasing the linearity of the amplifier and by reducing the interference voltage in the protection circuit. Moreover, due to the fact that the OOS will also reduce the amplifier’s own noise, the decrease in the sensitivity of the entire receive path in this part of the range will be significantly less than with other methods of reducing noise levels (for example, due to a filter at the input of an amplifier device or an adjustable attenuator) .

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. Thanks to the introduction of a new element and connections, a positive effect is achieved by increasing the noise immunity of a broadband active antenna without affecting the sensitivity of the receiving path in most of the frequency range and with minimal deterioration in the area where powerful interference is concentrated.

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).In the prototype device, an electrically short monopole (pin) is used as an antenna element, having an output impedance determined by a small capacitance C _a , a capacitor C _OC serves as a feedback element, and a series circuit of two reverse biased semiconductor diodes D1 and D2 is used as a protection circuit , the interconnection point of which is connected to the input of the amplifier. In this case, in order to suppress interference located in the lower part of the active antenna operating range (for example, radio broadcasting interference in the LF, CB ranges), it is proposed to perform a frequency-dependent two-terminal network in the form of an RLC-series oscillatory circuit with a quality factor equal to or less than one (elements L _K , C _K , R _K in Fig. 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.The value K = 1 + C _k / C _a where C _K is the capacitance of the capacitor of the circuit, will determine the degree of increase in the depth of the OOS in the range of powerful interference. By choosing the value of K (usually 5-10 times) and the value of the cutoff frequency between the powerful interference range and the rest of the operating range, which is equal to the resonant frequency of the circuit, it is easy to determine the inductance L _k and the resistance of the loop resistor R _k .

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.In practice, it is often required that when moving into the region of powerful interference frequencies, the OOS depth increases as sharply as possible. For example, at radio frequencies in the region of 1.5 ... 3 MHz, the levels of external atmospheric noise can be very low [10], and here, to maintain a high sensitivity of the path, it is advisable not to increase the depth of the OOS. At the same time, very close, in the NE range, powerful broadcasting stations are often located, and the depth of the environmental protection system should have time to reach a large value here. Therefore, it is proposed in the inventive device in series with the reactive element of the negative feedback in the form of a capacitor 4 to conduct a parallel RC chain 6 (Fig. 4). At high frequencies, the OOS depth is determined by the serial connection C _OC and the capacitor of the RC chain C _OCC , and at the lower frequencies, as before, by the parallel connection C _OC and C _K. An additional increase in the OOS depth due to the introduction of the RC chain is K = 1 + C _OC / C _OCC . The introduction of the frequency dependence in the two branches of the OOS increases the steepness of increasing the depth of the OOS by approximately 6 dB / octave.

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). Due to the improvement of noise immunity, the proposed active antenna can be used in a complex jamming environment that develops in the area of large cities or on mobile communication facilities (for example, on sea vessels).

Литература
1. Цыбаев Б.Г., Романов Б.С. Антенны-усилители. - М.: Сов. радио, 1980. - 240 с.Literature
1. Tsybaev B.G., Romanov B.S. Amplifier antennas. - M .: Owls. Radio, 1980 .-- 240 p.

2. Вершков М.В., Миротворский О.Б. Судовые антенны. - 3-е изд., перераб. и доп. - Л., Судостроение, 1990. - (Библиотека судового инженера-связиста). 2. Vershkov M.V., Mirotovsky O.B. Ship antennas. - 3rd ed., Revised. and add. - L., Shipbuilding, 1990. - (Library of a ship communications engineer).

3. Sosin B.M. HF active antenna performance requirements and realization // Communication & Broadcasting - Summer. 1976. - pp. 29-34. 3. Sosin B.M. HF active antenna performance requirements and implementation // 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. 4. Bobkov A.M. Requirements for the linearity of a broadband active antenna under the influence of powerful interference // Radio Engineering - 1988. - N 9. - p. 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. 5. Bobkov A.M., Ivanov Yu.A., Semenov V.M., Shapiro D.N. The results of an experimental study of the effective selectivity of radios with different construction of input stages // Technique of Communications, Series TRS. - 1983. - Vol. 8. - p. 59-66.

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

7. Заявка ФРГ N 0S3243052, МКИ H 01 Q 23/00. 7. Application of Germany N 0S3243052, MKI H 01 Q 23/00.

8. Патент ФРГ N 2701412 МКИ H 03 G 3/20. 8. The patent of Germany N 2701412 MKI H 03 G 3/20.

9. Патент ФРГ N 3124331, МКИ H 01 Q 23/00 (прототип). 9. The patent of Germany N 3124331, MKI H 01 Q 23/00 (prototype).

10. Документы X пленарной ассамблеи МККР. Отчет 332. Распределение по земному шару атмосферных помех и их характеристики. - М.: Связь, 1965. - 80 с. 10. Documents of the Xth plenary assembly of the CCIR. Report 332. Globe distribution of atmospheric interference and their characteristics. - M.: Communication, 1965. - 80 p.

11. Бобков А.М. Вероятность попадания интермодуляционных помех в полосу частот сигнала // Радиотехника. - 1989. - N 12. - с. 13-15. 11. Bobkov A.M. The probability of intermodulation interference falling into the signal frequency band // Radio engineering. - 1989. - N 12. - p. 13-15.

Claims

1. A broadband active receiving antenna comprising an electrically short antenna element, an asymmetric inverting amplifier, the input of which is directly connected to an electrically short antenna element, and the output is the output of an active antenna, an overvoltage protection circuit of the amplifier connected in parallel with the amplifier input, and a negative reverse reactive element connection connected between the input and output of the amplifier, characterized in that between the input and output of the amplifier included frequency-dependent bipolar ir, consisting of two or more elements with a different nature of reactivity, having a resistance in the frequency domain of powerful interference is less than the resistance of the feedback element and the same nature of reactivity, and more at other frequencies.

2. The device according to claim 1, characterized in that the frequency-dependent bipolar is made in the form of an RLC-series oscillatory circuit with a quality factor equal to or less than one.

3. The device according to claim 2, characterized in that a parallel RC circuit is introduced in series with the reactive negative feedback element in the form of a capacitor.