Юный техник, 2008 № 08

Итак, отрицательная обратная связь (ООС) выравнивает амплитудно-частотную характеристику (АЧХ) усилителя, делая ее более пологой, в то время как положительная (ПОС) — напротив, обостряет АЧХ и дает усиление в узкой полосе частот, узкий резонансный пик.

Так, например, бывает в регенераторах с ПОС. Но, не всегда это верно. Оказывается, можно получить регенерацию и усиление сигнала с помощью ПОС в широкой полосе частот. Такая задача возникает, например, при разработке антенных усилителей для малых активных антенн. Сразу отметим, что усилитель при этом должен иметь очень «гладкую» исходную АЧХ, на графике изображаемую горизонтальной линией. Но современная электроника позволяет делать такие усилители.

Пусть малая штыревая антенна (0,5 м длиной, для определенности) расположена в задней части крыши легкового автомобиля. С приемником (трансивером) на приборной панели она соединена 50-омным коаксиальным кабелем. С учетом всех изгибов кузова его длина получается около 4 метров, а емкость — 400 пФ. Антенна хорошо работает с радиостанцией любительского диапазона 144…146 МГц.

Длина нашей антенны почти равна четверти волны, и она оказывается настроена в резонанс. При этом ее входное сопротивление близко к 50 Ом. Антенна согласована с кабелем, а все радиостанции (трансиверы) имеют стандартный 50-омный вход/выход.

В кабеле — бегущая волна и потери едва достигают десятых долей децибела. Эта антенна вполне прилично принимает станции диапазона FM, но отказывается работать на длинных и средних волнах (ДВ и СВ).

Причина становится понятной, если посмотреть на эквивалентную схему антенны (на ДСВ) вместе с кабелем (рис. 1).

На усилитель А1 и емкость С пока не обращайте внимания. Радиоволны наводят в антенне ЭДС, равную Е∙h_д, где Е — напряженность поля радиостанции, h_д — действующая высота антенны, для коротких штырей она примерно равна половине их длины.

Эта ЭДС невелика, при типичной напряженности поля 1 мВ/м она составит 250 мкВ.

О резонансе столь короткой антенны и речи нет, она имеет емкостное, и довольно большое, сопротивление. Опытным путем установили, что емкость коротких штырей над металлическим основанием (землей) равна 6… 10 пФ/м (у толстых штырей больше, у тонких — меньше).

Возьмем среднее значение С_ант = 4 пФ. Тогда в середине СВ-диапазона (на частоте 1 МГц) емкостное сопротивление антенны будет Х_а = 1/2πfC_ант = 40 кОм!

Если даже приемник совсем не нагружает антенну, то емкостное сопротивление кабеля — всего 400 Ом.

Мы получили емкостный делитель напряжения в 100 раз, а ведь на короткую антенну поле радиостанций наводит и без того слабый сигнал. На приемник в нашем примере поступит всего 2,5 мкВ, что может оказаться меньше, чем его чувствительность! Ситуация еще хуже, если у вас профессиональный приемник с 50-омным входом. Тут получается делитель в 800 раз (40 000/50)!

Это значит, что нужен антенный усилитель с таким же коэффициентом усиления. Но мы не можем беспредельно ослаблять сигнал, а потом его усиливать, ведь собственный шум усилителя остается прежним! Следовательно, такое решение ухудшает отношение сигнал/шум, а значит, и качество приема. Положение еще терпимо, если шум эфира огромен и намного превосходит собственный шум усилителя, но все равно есть предел. Надо искать другие решения.

Одно из них — расположить усилитель с высоким входным сопротивлением около самой антенны, а уже после него включить кабель. Так обычно и делают, но это исключает работу антенны с радиостанцией.

Если вы читали про регенераторы, то уже знаете, что ПОС компенсирует потери в колебательном контуре, теоретически внося в него отрицательное сопротивление. Нам же здесь надо скомпенсировать потери в емкостном делителе, причем в широкой полосе частот. Значит, нужна отрицательная емкость. В природе такой не существует, но ее можно создать средствами радиоэлектроники. Отрицательная емкость создает такой же 90-градусный сдвиг между током и напряжением, как и обычная, но ток должен не втекать, а вытекать из нее! Чтобы создать этот эффект, соединим выход усилителя А1 с его входом емкостью обратной связи (рис. 1).

Усилитель должен быть неинвертирующим и широкополосным, то есть не вносить дополнительных фазовых сдвигов.

Через цепь ОС на вход усилителя потечет ток в том же направлении и в той же фазе, как и от антенны. В результате напряжение на входе усилителя возрастет и потери в емкостном делителе будут частично скомпенсированы.

Расчет показывает, что для полной компенсации потерь в приведенном примере при С_ант = С_ос усиление К должно быть около 50. Тогда на выходе усилителя напряжение сигнала будет равно ЭДС в антенне. Еще увеличивая емкость С_оси К, можно получить дополнительное усиление сигнала, но затем вся система самовозбудится — все, как в обычном регенераторе.

Правда, генерировать он будет не синусоидальные, а релаксационные колебания сложной формы.

Проект практической схемы антенного усилителя, установленного не около антенны (как часто делают), а непосредственно на входе приемника, показан на рисунке 2.