А.Д. Акчурин1, Д.Ф. Хасанов2, А.Л. Сапаев3, А.И. Борщевский4

1–3 Казанский (Приволжский) федеральный университет (г. Казань, Россия)

4 АО «НПО Радиоэлектроника» им. В.И. Шимко (г. Казань, Россия)

1 adel.akchurin@kpfu.ru, 2 khasanv-danir@yandex.ru, 3 sal_16@mail.ru, 4 avgustb@mail.ru

Постановка проблемы. Необходимо выбрать, собрать и испытать несколько схем широкополосного антенного усилителя в сильно перегруженном мощными помехами КВ-диапазоне, основанных как на дискретных транзисторах, так и на компактных монолитных микроволновых интегральных схемах (MMIC). Работающий в К(П)ФУ короткоимпульсный (~30-50 мкс) ионозонд «Циклон» является удачной установкой для проведения испытания таких широкополосных антенных усилителей в жёстких помеховых условиях. Самая удачная схема должна как помочь усилить отражённый ионосферой сигнал, так и не перегрузиться от сильных помех соседних передающих устройств.

Цель. Рассмотреть возможные схемные решения для широкополосных антенных усилителей, способных работать в жёстких помеховых условиях декаметрового частотного диапазона, и по найденному оптимальному схемному решению определить правила подбора схем усилителей и их активных элементов в условиях, когда возможности частотной фильтрации выбранного поддиапазона сильно ограничены.

Результаты. Подобрана и испытана схема широкополосного антенного усилителя, собранного из нескольких каскадов на дискретных транзисторах по схеме с общей базой с бесшумной трансформаторной отрицательной обратной связью и с трансформаторами на длинных линиях в нагрузке. Показано, что предложенный симметричный (двухтактный) вариант такой несимметричной (однотактной) схемы лучше подавляет сильные помехи в нижней части КВ-диапазона.

Практическая значимость. Найдена менее перегружаемая реальными сильными помехами схема на дискретных транзисторах, чем схема на малошумящих MMIC-усилителях. Это преимущество схемы на дискретных транзисторах достигается несмотря на то, что по формальным классическим параметрам, отражающим запас по перегрузке (точка компрессии/блоки­ровки) и по генерации интермодуляционных гармоник из-за действия сильных помех (точка пересечения интермодуляционных искажений 3-го порядка), схемы на дискретных транзисторах не сильно превосходят такие же параметры (а по некоторым даже уступают им) у малошумящих MMIC-усилителей. Это означает, что в сильной шумовой обстановке эти параметры не являются критическими, и стоит также опираться на топологию схемы.

Акчурин А.Д., Хасанов Д.Ф., Сапаев А.Л., Борщевский А.И. Схемотехническое решение для широкополосного антенного усилителя короткоимпульсного ионозонда // Электромагнитные волны и электронные системы. 2025. Т. 30. № 5. С. 121−136. DOI: https://doi.org/10.18127/j15604128-202505-09

1. Lerner I.M. Capacity estimation method with linear computational complexity of narrow-band ionospheric decameter channels with PSK-N-signals // T-Comm. 2023. V. 17. № 9. P. 55–66. DOI 10.36724/2072-8735-2023-17-9-55-66.
2. Лернер И. М., Файзуллин Р. Р., Хайруллин А. Н., Шушпанов Д.В., Ильин В.И., Рябов И.В. Повышение удельной пропускной способности как фундаментальная проблема теории связи. Стратегия развития в постшенноновскую эпоху. Часть 1. Ретроспективный обзор методов приема и обработки сигналов в частотно-селективных каналах связи при скоростях передачи информации выше скорости Найквиста // Успехи современной радиоэлектроники. 2023. Т. 77. № 1. С. 37–50. DOI 10.18127/j20700784-202301-02.
3. Лернер И.М., Файзуллин Р.Р., Хайруллин А.Н., Шушпанов Д.В., Ильин В.И., Рябов И.В. Повышение удельной пропускной способности как фундаментальная проблема теории связи. Стратегия развития в постшенноновскую эпоху. Часть 2. Ретроспективный обзор методов приема и обработки сигналов в частотно-селективных каналах связи при наличии межсимвольных искажений // Успехи современной радиоэлектроники. 2023. T. 77. № 2. С. 16–33. DOI 10.18127/j20700784-202302-02.
4. Лернер И.М., Файзуллин Р.Р., Шушпанов Д.В., Ильин В.И., Рябов И.В., Хайруллин А.Н. Повышение удельной пропускной способности как фундаментальная проблема теории связи. Стратегия развития в постшенноновскую эпоху. Часть 3. Ретроспективный обзор методов оценки пропускной способности частотно-селективных каналов связи при наличии при наличии межсимвольных искажений и использовании ФМн-n и АФМн-N-сигнала // Успехи современной радиоэлектроники. 2023. T. 77. № 3. С. 24–33. DOI 10.18127/j20700784-202303-02.
5. Лернер И.М., Ильин Г.И. Об одной возможности увеличения скорости передачи при наличии дестабилизирующих факторов в системах связи, использующих взаимную интерференцию символов // Физика волновых процессов и радиотехнические системы. 2017. Т. 20. № 4. С. 24–34.
6. Лернер И.М. Методы оценки пропускной способности с учётом требуемой помехоустойчивости фазовой радиотехнической системы с последовательной передачей информации в среднеширотных узкополосных КВ-каналах связи // Вестник Поволжского государственного технологического университета. Серия: Радиотехнические и инфокоммуникационные системы. 2023. № 1(57). С. 24–40. DOI 10.25686/2306-2819.2023.1.24.
7. Лернер И.М. Способ повышения пропускной способности радиотехнической системы с последовательной передачей информации в узкополосных КВ-каналах связи на базе теории разрешающего времени // Вестник Поволжского государственного технологического университета. Серия: Радиотехнические и инфокоммуникационные системы. 2023. № 1(57). С. 6–23. DOI 10.25686/2306-2819.2023.1.6.
8. Cones H.N., Cottony H.V., Watts J.M. A 600-ohm multiple-wire delta antenna for ionosphere studies // Journal of Research of the National Bureau of Standards. 1950. V. 44. № 5. P. 475–488.
9. Heald G., McKean J., Pizzo R. Low Frequency Radio Astronomy and the LOFAR Observatory. Springer international Publishing. 2018. 251 p. DOI 10.1007/978-3-319-23434-2.
10. Ellingson S.W., Clarke T.E., Cohen A., Craig J., Kassim N.E., Pihlström Y.M., Rickard L.J., Taylor G.B. The Long Wavelength Array // Proceedings of the IEEE. 2009. V. 97. № 8. P. 1421–1430. DOI 10.1109/JPROC.2009.2015683.
11. Carr J.J. Secrets of RF Circuit Design. 3rd ed. NY: McGraw-Hill. 2001. 509 p.
12. Ред Э.Т. Схемотехника радиоприемников. М.: Мир. 1989. 152 с.
13. Ред. Э.Т. Справочное пособие по высокочастотной схемотехнике: Схемы, блоки, 50-омная техника. М.: Мир. 1990. 256 с.
14. Krauss H.L., Bostian C.W., Raab F.H. Solid State Radio Engineering. NY: John Wiley & Sons. 1980. 534 p.
15. Gonzalez G. Microwave transistor amplifiers: Analysis and Design. Englewood Cliffs. NJ: Prentice Hall. 1984. 245 p.
16. Hayward W., DeMaw D. Solid State Design for the Radio Amateur. 2ed. ed. Newington: American Radio Relay League. 1986. 256 p.
17. Ludwig R., Bretchko P. RF Circuit Design: Theory and Applications. London: Prentice Hall. 2000. 653 p.
18. Kenington P.B. High Linearity RF Amplifier Design. Boston: Artech House. 2000. 531 p.
19. Carr J.J. RF Components and Circuits. Elsevier Science. 2002. 398 p.
20. Hickman I. Practical Radio-Frequency Handbook. 3rd ed. Oxford: Newnes. 2002. 279 p.
21. Hayward W., Campbell R., Larkin B. Experimental methods in RF design. ARRL Press. 2003. 512 p.
22. Gilmore R., Besser L. Practical RF circuit design for modern wireless systems. Active circuits and systems. Boston: Artech House. 2003. 569 p.
23. Pozar D.M. Microwave Engineering. 4th ed. Wiley. 2011. 752 p.
24. Vizmuller P. RF Design Guide: Systems, Circuits, and Equations. Norwood: Artech House. 1995. 281 p.
25. Головин О.В. Профессиональные радиоприемные устройства декаметрового диапазона. М.: Радио и связь. 1985. 288 с.
26. Косточкин М.Л., Аржанов В.А. Анализ методов повышения линейности усилителей // Радиотехника и связь. 2011. № 2. С. 205–209.
27. Абранин Э.П. Высоколинейные широкополосные усилители с обратной связью // Радиотехника. 1987. № 4. С. 31–32.
28. Abranin E.P., Bruck Yu.M. Highly linear broadband amplifiers with lossless feedback. Part 1: Theory // International Journal of Electronics. 1990. V. 68. № 5. P. 743–756. DOI 10.1080/00207219008921216.
29. Abranin E.P., Bruck Yu.M. Highly linear broadband amplifiers with lossless feedback. Part 2: Experience of development // International Journal of Electronics. 1990. V. 69. № 3. P. 345–357. DOI 10.1080/00207219008920320.
30. Вольский А.В. Применение трансформаторных обратных связей в широкополосных усилителях // Молодой учёный. 2019. № 51(289). С. 232–234.
31. Hickman I. Practical Radio-Frequency Handbook. 3rd ed. Oxford: Newnes. 2002. 279 p.
32. Trask C. Lossless Feedback Amplifiers: Theory and Advanced Techniques // QEX 2008. P. 1-10.
33. Косточкин М.Л., Аржанов В.А. Антенный усилитель КВ-диапазона с высокой линейностью // Динамика систем, механизмов и машин. 2012. № 3. С. 258–260.
34. Egan W.F. Practical RF system design. NY: Wiley Interscience, John Wiley & Sons. 2003. 386 p.
35. Тхор А.С. Исследование амплитудно-частотных характеристик высоколинейных, широкополосных, малошумящих усилителей для малых декаметровых радиотелескопов // Сборник статей XXVI Междунар. науч.-исслед. конкурса «Студент года 2023». Пенза: Наука и Просвещение. 2023. С. 10–14. 
36. Рекомендация МСЭ-R P.372-17 (08/2024) Серия P: Распространение радиоволн Радиошум. [Электронный ресурс] – Режим доступа: https://www.itu.int/dms_pubrec/itu-r/rec/p/R-REC-P.372-17-202408-I!!PDF-R.pdf, дата обращения 21.05.2025.
37. Deal W.R., Radisic V., Qian Y., Itoh T. Microwave Active Circuits and Integrated Antennas // Electrical Engineering Handbook. 2005. P. 691–706. DOI 10.1016/B978-012170960-0/50048-7.
38. Dye N., Granberg H. Radio Frequency Transistors. Principles and Practical Applications. 2nd ed. Boston: Newnes. 2001. 317 p.
39. Carr J.J. Chapter 16 – Radio Receiver Basics // The Technician’s EMI Handbook. 2000 P. 163–195. DOI 10.1016/b978-075067233-7/50016-8.
40. Winder S., Carr J. Newnes Radio & RF Engineer's: Pocket Book. 3 ed. Newnes. 2002. 344 p.
41. Дэвис Дж., Карр Дж. Карманный справочник радиоинженера. М.: Издательский дом «Додэка-ΧΧΙ». 2002. 544 с.
42. Besser L., Gilmore R. Practical RF circuit design for modern wireless systems. Passive Circuits and Systems. Boston: Artech House, 2003. 539 p.
43. Jessner A. Industrial interference and radio astronomy // Advances in Radio Science. 2013. V. 11. P. 251–258. DOI 10.5194/ars-11-251-2013.
44. Razavi B. RF Microelectronics. Pearson Education. 2011. 960 p.
45. Рембовский А.М., Ашихмин А.В., Козьмин В.А. Радиомониторинг: задачи, методы, средства. Изд. 4-е, испр. М.: Горячая линия-Телеком. 2015. 640 с.
46. Colantonio P., Cipriani E., Giannini F. Chapter 4 – Microwave power amplifiers: Design and technology // Microwave Wireless Communications, From Transistor to System Level. 2016. P. 135–208. DOI 10.1016/B978-0-12-803894-9.00004-4.
47. Акчурин А.Д., Юсупов К.М. Система управления ионозонда «Циклон» // Научно-технические ведомости Санкт-Петербургского государственного политехнического университета. 2010. № 108. С. 49–56.
48. Акчурин А.Д., Юсупов К.М., Шерстюков О.Н., Ильдиряков В.Р. Выделение быстротекущих и мелкомасштабных неоднородностей на одноминутных ионограммах ионозонда Циклон // Гелиогеофизические исследования. 2013. № 4. С. 101–110.