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ENZYKLOPÄDIE DER FUNKELEKTRONIK UND ELEKTROTECHNIK Antennenverstärker für Breitbandantennen. Enzyklopädie der Funkelektronik und Elektrotechnik
Lexikon der Funkelektronik und Elektrotechnik / Antennenverstärker Der Artikel diskutiert ausführlich die Vorrichtung und die Funktionsprinzipien der Verstärkungsmodule von Breitband-Fernsehantennen. Der Verstärker in der Fernsehempfangsantenne soll primär die durch Rauschen begrenzte Empfindlichkeit erhöhen und sekundär den Verlust des Empfangssignals im Koaxialkabel kompensieren. Fernseher selbst haben einen sehr großen Spielraum für ihre eigene Verstärkung, d.h. haben eine hohe Empfindlichkeit, die durch die Verstärkung begrenzt ist. Sie haben eine etwas schlechtere Empfindlichkeit, begrenzt durch die Synchronisation. Und schließlich ist die niedrigste die durch Rauschen begrenzte Empfindlichkeit. Daher sollte der Faktor, der den Langstreckenempfang bestimmt, der Pegel des Grundrauschens des linearen Pfads sein und nicht die Verstärkung. Der Einfluss von Rauschen wird durch das Signal-Rausch-Verhältnis geschätzt, dessen Mindestwert gleich 20 ist. Bei Fernsehgeräten der dritten bis fünften Generation beträgt die durch Rauschen begrenzte Empfindlichkeit 50-100 μV. Bei einem Signal-Rausch-Verhältnis (S/N) von 20 wird jedoch eine schlechte Bildqualität beobachtet und nur große Details sind verständlich. Um eine gute Bildqualität zu erhalten, sollte am TV-Eingang ein etwa 4-mal größeres Nutzsignal anliegen, d.h. Stellen Sie sicher, dass das s / w-Verhältnis etwa 80 beträgt. Derzeit verwendete Kabel mit einem Wellenwiderstand von 75 Ohm haben je nach Ausführung und Qualität des Dielektrikums eine spezifische Dämpfung von 0,07 – 0,18 dB/m im Meter- und 0,25 – 0,6 dB/m im Dezimeterwellenbereich. Bei einer Kabellänge von 2 ... 4 m kann die Gesamtdämpfung 1,2 - 2,4 dB betragen. Dabei sollte der Verstärker für typische Empfangsbedingungen eine Verstärkung von etwa 3 dB haben. Dazu kommt noch ein Spielraum von 12 ... 14 dB zur Verstärkung schwacher Signale, was aufgrund des geringen Wirkungsgrades breitbandiger kleiner Empfangsantennen notwendig ist. Jeder Verstärker hat sein eigenes Rauschen, das sich mit dem Nutzsignal verstärkt und das Signal-Rausch-Verhältnis verschlechtert. Daher sollte der wichtigste Parameter des verstärkenden Elements seine Rauschzahl K seinш. Zur einheitlichen Beurteilung des Rauschens einer mehrstufigen Strecke gibt es einen Indikator für die reduzierte Rauschzahl Kш, was gleich dem Ausgangsrauschpegel dividiert durch die Gesamtverstärkung ist, d.h. Zuш = Kohne / ZUУ. Da der Ausgangsrauschpegel Kohne hängt zum größten Teil vom Rauschpegel des ersten Transistors ab, verstärkt durch alle nachfolgenden Stufen, das Rauschen der restlichen Stufen kann vernachlässigt werden. Dann Kohne= Kw1КУ, wo kw1 ist die Rauschzahl des ersten Transistors. Daher erhalten wir Kш= Kw1, d.h. die reduzierte Rauschzahl des Verstärkungsteils wird hauptsächlich durch die Rauschzahl des ersten Transistors bestimmt. Dies führt zu dem Schluss, dass die Verwendung des aktiven Teils ein positives Ergebnis liefern kann, wenn die Rauschzahl des ersten Transistors des Verstärkers kleiner ist als die Rauschzahl der ersten Stufe des Fernsehgeräts. Die Rauschzahl hängt auch von der Güte der Anpassung am Eingang des Verstärkers und der Betriebsart des ersten Transistors ab. Der Frequenzbereich des Verstärkers sollte eine Signalverstärkung im Frequenzband des Rundfunkfernsehens f = 48-790 MHz bereitstellen. Um den Dynamikbereich zu erhöhen, muss der Verstärker eine Gegenkopplung haben. Abbildung 1 zeigt ein Diagramm eines einstufigen Verstärkers mit einem Transformatoreingang und einem offenen asymmetrischen Ausgang, der es ermöglicht, das Verstärkermodul über ein Signalkabel fernzuspeisen. Diese einstufige Schaltung ist hochstabil und einfach zu kaskadieren.
Die Antennenanregungspunkte sind direkt mit dem Symmetrierteil des Transformators Tr1 verbunden, der eine breitbandige Anpassung des Antenneneingangs an den Eingang der Verstärkerstufe bereitstellt. Das verstärkende Element VT1 ist gemäß dem Schema mit einem gemeinsamen Emitter verbunden. Dadurch können Sie im Vergleich zu anderen Schaltungsoptionen mehr Bandpassverstärkung und bessere Rauscheigenschaften der Schaltung realisieren. Die Auswirkungen des Einflusses der Grenzfrequenz des Transistors auf die Flanke auf die Änderung der Verstärkung und des Eingangswiderstands im Betriebsfrequenzbereich werden kompensiert, indem in der Schaltung kombinierte frequenzabhängige Rückkopplungen vom Parallel- und Reihentyp verwendet werden. An den Elementen R3, C1, L1 erfolgt eine parallele Rückkopplung. Der Widerstand R3 bestimmt die Anpassung des Verstärkermoduls in den Verbindungsfugen im Meter- und unteren Dezimeterbereich. Im oberen Teil des Betriebsbereichs, wo die Verstärkung um 2–4 dB abfällt, schwächt die Induktivität L1 die Wirkung dieser Rückkopplung ab und gleicht die Amplituden-Frequenz-Charakteristik (AFC) aus. Der Kondensator C1 sorgt für eine Entkopplung der Rückkopplungsschaltung von der Stromversorgungsschaltung und bildet gleichzeitig eine Niederfrequenz-Grenzschicht der Übertragungscharakteristik des Geräts. Die Schaltung R4, C3 ist ein Element der Reihenstromrückkopplung, das die Hauptparameter der Kaskade im Kleinsignalmodus bestimmt: Der Widerstand R4 stellt die Nennverstärkung der Kaskade ein, und die Einstellung C3 steuert den Anstieg des Frequenzgangs im oberen Teil des Betriebsbereichs. Die angegebenen Parameter des Dynamikbereichs werden durch die Wahl des Transistortyps und seiner Betriebsweise bereitgestellt. In der vorgestellten Schaltung wird die DC-Kaskadenbetriebsart durch R4 zusammen mit den Elementen des Basisteilers R1 und R2 eingestellt. Der Kondensator C2 überbrückt R1 und sorgt für eine asymmetrische Verbindung von Tr1 mit der Modulschaltung. Das Verstärkermodul, das auf einem Mittelleistungstransistor der dritten Generation implementiert ist, bietet eine Verstärkung von 15 dB im Frequenzband von 40 bis 800 MHz, die Rauschzahl des Geräts überschreitet 3,5 dB nicht und den Dynamikbereich für Fernsehsignale beträgt 75dB. Die Reduzierung der Rauschzahl und die Realisierung einer höheren Linearität des Geräts ist möglich, wenn in der Schaltung komplexe aktive Elemente mit Kaskodenschaltung verwendet werden oder wenn auf Zwei-Transistor-Kaskaden umgeschaltet wird. In Abb. 2. Der Verstärker in Abb. 2a enthält zwei Breitbandverstärkungsstufen an den Transistoren VT1 und VT2. Das Signal von der Antenne selbst über einen Anpassungstransformator (im Diagramm nicht gezeigt) und den Kondensator C1 tritt in die Basis des Transistors VT1 ein, der gemäß der OE-Schaltung angeschlossen ist.
Der Arbeitspunkt des Transistors wird durch die durch den Widerstand R1 bestimmte Vorspannung eingestellt. Die dabei wirkende Gegenspannungsrückkopplung (NFB) linearisiert die Kennlinie der ersten Stufe, stabilisiert die Lage des Arbeitspunktes, reduziert aber deren Verstärkung. In der ersten Stufe findet keine Frequenzkorrektur statt. Die zweite Stufe wird ebenfalls an einem Transistor gemäß dem Schema mit OE und OOS für Spannung durch die Widerstände R2 und R3 hergestellt, hat aber auch einen Strom OOS durch den Widerstand R4 im Emitterkreis, der den Modus des Transistors VT2 stabilisiert. Um einen großen Verstärkungsverlust zu vermeiden, wird der Widerstand R4 im Wechselstrom durch den Kondensator C3 nebengeschlossen, dessen Kapazität relativ klein gewählt ist (10 pF). Infolgedessen erweist sich die Kapazität des Kondensators C3 bei den niedrigeren Frequenzen des Bereichs als signifikant und die resultierende Wechselstromrückkopplung verringert die Verstärkung, wodurch der Frequenzgang des Verstärkers korrigiert wird. Zu den Nachteilen einer solchen Verstärkerschaltung gehören passive Verluste im Ausgangskreis am Widerstand R5, der so geschaltet ist, dass sowohl die konstante Versorgungsspannung als auch die Signalspannung an ihm abfallen. Der Verstärker in Abb. 2b, das ebenfalls zwei nach dem Schema mit OE zusammengesetzte Kaskaden aufweist. Er unterscheidet sich vom vorherigen Verstärker durch eine bessere Entkopplung der Versorgungskreise durch L-förmige Filter L1 C6, R5 C4 und eine erhöhte Verstärkung aufgrund des Vorhandenseins des Kondensators C5 im OOS-Kreis (R3 C5 R6) der zweiten Stufe und des Übergangskondensators C7 am Ausgang.
Bei Kaskaden an Transistoren, die nach der OE-Schaltung geschaltet sind, ist der Einfluss von internen Verbindungen und Kapazitäten von Transistorübergängen am größten. Sie äußert sich in der Begrenzung der Bandbreite und der Neigung des Verstärkers zur Selbsterregung, deren Wahrscheinlichkeit umso größer ist, je höher die Verstärkung ist. Um es zu bewerten, ist das Konzept der Stabilitätsschwelle bekannt - der Grenzwert der Verstärkung, oberhalb dessen der Verstärker zum Generator wird. Als Maßnahmen zur Verbesserung der Stabilität kann die Einbeziehung von Transistoren in eine Kaskodenschaltung mit OE-OB vorgeschlagen werden. Die Kaskodenschaltung der Transistoren VT1 und VT2 (Abb. 3) ermöglicht es, eine gute Unidirektionalität zu realisieren und eine große Bandbreite des Verstärkermoduls zu erhalten. Dies ermöglicht es, auf die Verwendung von Signalrückkopplung zu verzichten und die Amplituden-Frequenz-Charakteristik sowie die Eingangs- und Ausgangsimpedanzen der Verbindung zu stabilisieren und zu korrigieren. Hier werden im Modus der Übertragungsfaktor und die Verbindungsparameter der Schaltung eingestellt. Um den Einfluss parasitärer Induktivitäten der gemeinsamen Anschlüsse zu verringern, die die Verstärkung der Kaskade bei hohen Frequenzen verringern, sind die Emitteranschlüsse der Eingangstransistoren direkt mit dem Gehäuse verbunden und der Betriebsmodus wird durch einen festen Basisstrom stabilisiert. Die Hochfrequenzabschaltung wird durch die Induktivität L1 gesteuert, die in der Kollektorschaltung des Endtransistors enthalten ist.
Bereichsanpassung und Stabilisierung der Ausgangsimpedanz des Moduls erfolgen durch resistiv-kapazitive Schaltungen. Das Kaskodenschema ermöglicht es, wenn der optimale Betriebsmodus der Transistoren implementiert wird, eine verringerte Intermodulationsverzerrung zu erhalten. Bei Vorhandensein einer MV-UHF-Antenne, die strukturell aus zwei elektrisch nicht verbundenen Antennen besteht, kann ein Verstärkermodul verwendet werden, das die Signale von jeder von ihnen verstärkt, zusammenfasst und über ein Kabel an den Fernsehempfänger überträgt . Der Verstärker wird über das gleiche Kabel mit Strom versorgt. Ein schematisches Diagramm eines solchen Verstärkungsmoduls ist in Abbildung 4 dargestellt. Es enthält zwei unabhängige Verstärkungskanäle. Das Signal von der MV-Antenne wird den Kontakten XT1, XT2 zugeführt, an die die Eingangsstufe des MV-Kanals angeschlossen ist, die gemäß der Differenzverstärkerschaltung auf den Transistoren VT1, VT2 aufgebaut ist. Dies ermöglicht Ihnen eine gute Anpassung an hochohmige Antennen sowie die Unterdrückung von Gleichtaktrauschen.
Am Eingang der Kaskade sind die Spulen L1, L2 installiert, die die Ansammlung statischer Elektrizitätsladungen an einigen Antennen beseitigen, sowie die Dioden VD1 - VD4, die den Verstärker vor Blitzentladungen schützen. Auf dem VT5-Transistor ist eine zusätzliche Verstärkerstufe aufgebaut. Der Kanalübertragungskoeffizient beträgt 15…20 dB. MV-Signale werden durch einen L6 C19 L7-Tiefpassfilter mit einer Grenzfrequenz von 250 MHz zum Kabel geleitet. Durch das gleiche Filter und die Induktivität L5 erhält der Kanal die Versorgungsspannung von dem Stichkabel. Außerdem lässt das Filter keine LDC-Signale durch. Der UHF-Verstärkungskanal besteht aus zwei identischen Verstärkerstufen, die in Reihe geschaltet sind. Der erste von ihnen ist gemäß einer galvanisch gekoppelten Schaltung an den Transistoren VT3, VT4 montiert, wodurch bei Änderung der Temperatur und der Versorgungsspannung automatisch in den angegebenen Betriebsmodus und dessen Aufrechterhaltung gewechselt wird. Am Eingang der Kaskade ist ein C1 L3 C2 Hochpassfilter mit einer Grenzfrequenz von 450 MHz eingebaut, der niederfrequente Signale und Rauschen unterdrückt. Ein ähnliches Hochpassfilter C21 L9 C22 am Ausgang der zweiten Stufe lässt die UHF-Signale durch und lässt die VHF-Signale nicht durch. Folglich entkoppeln die Filter an den Ausgängen der Kanäle diese gegenseitig. Die Spule L4 sorgt für die Koordination zwischen den Kaskaden des UHF-Kanals und die Korrektur des Gesamtfrequenzgangs. Die Gesamtkanalverstärkung beträgt 32…36 dB. Der UHF-Kanal wird vom Stichkabel durch die L8-Induktivität gespeist. Das Verstärkermodul wird mit 12 V bei einem Strom von mindestens 70 mA versorgt. Dabei ist zu beachten, dass Module mit Kaskadenkettenstruktur in der Regel eine größere Linearität der Übertragungskennlinie bieten, was zum einen mit der Möglichkeit der getrennten Abstimmung der Kaskaden verbunden ist (Optimierung der Übertragungskennlinie, Matching Modes u Dynamikbereichsparameter), bei denen die Überlastschwellen den Staffellauf erhöhen und den Übertragungskoeffizienten proportional erhöhen. Eine vergleichende Analyse von technischen Lösungen und funktionalen und energetischen Eigenschaften der Module zeigt, dass es sinnvoll ist, beim Design von Verstärkermodulen für aktive Breitbandantennen Schemata mit kettengeschalteten Kaskaden mit kombinierten frequenzabhängigen Rückkopplungen als Grundstrukturen zu wählen. Darüber hinaus wird in der ersten Stufe die Rückkopplungstiefe basierend auf dem erforderlichen Wert der Rauschzahl und der Stabilität der Anschlussimpedanz ausgewählt. Die Arbeitsweise und der Transistortyp der Ausgangsstufe werden maßgeblich durch die erforderliche Belastbarkeit des Moduls bestimmt. Veröffentlichung: library.espec.ws
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