RadioRadar - Радиоэлектроника, даташиты, схемы

https://www.radioradar.net/radiofan/antenns/active_e_field_antennas_basic_parameters_measurement_components_part_6.html

Активные антенны Е-поля. Основные параметры, их измерение и компоненты (часть 6)

Уменьшаем амплитуду аттенюатором на -10 дБ (рис. 5) и -20 дБ (рис. 6) на входе анализатора и уви-дим, что при уровне -20 дБ ниже "потолка" имеем интервал в 60 дБ, свободный от собственной интермодуляции.

Рис. 5.

 

Рис. 6.

 

Выбранный метод измерения для сравнения АА на уровне искажений не более -40 дБ будет очень точным и повторяемым для многих радиолюбителей. Этот же сигнал в бюджетном осциллографе АКИП-4116/3 имеет хорошую глубину для замеров, и опреде
ление уровня IM на -40 дБ не составляет проблем (рис. 7). При измерении активирован ФНЧ с частотой среза 20 МГц.

Рис. 7.

 

Измерение спектров с помощью SDR прямой оцифровки может выдать ложные спектры, особенно при сигналах малого и среднего уровней, далёких от перегрузки. Причина лежит в отсутствии "шумового размазывания" неоднородностей кодовой характеристики АЦП. Обычно антенный сигнал приносит достаточно такого шума. Некоторые SDR имеют встроенный шумогенератор (обычно кодового типа), его нужно активировать (dither = ON), если нет внешнего шумового фона размахом 3...5 бит по коду АЦП.

 

Входная ёмкость АА

Входные характеристики и правильная стыковка Ау с АЭ определяют предельные возможности приёмной системы и верхнюю частотную границу хорошего приёма. Исходя из того что все современные высокочастотные ПТ имеют и на КВ высокий входной активный импеданс, хорошее усиление и мало отличаются по шумам, эти параметры не "делают погоды" в АА. Куда влиятельнее оказывается входная ёмкость всего АУ, так как она шунтирует АЭ по отношению к противовесу. Входная ёмкость АУ образует с ёмкостью антенного элемента делитель напряжения, своего рода вредный аттенюатор. Если предположить, что АЭ имеет ёмкость 2...30 пФ (в зависимости от габаритов), а ёмкость АУ - 1...10 пФ, такой ёмкостный аттенюатор может вызвать уменьшение сигнала на ПТ до 3...80 %. Защитные элементы на входе АУ (диоды, разрядники, резисторы отвода статики и подачи смещения) внесут дополнительную существенную ёмкость. Даже проводники на печатной плате при непродуманной топологии могут увеличить ёмкость входного узла на несколько пикофарад.

Измерить эту ёмкость напрямую с помощью RLC-измерителя редко получается, так как тестовый сигнал может вывести диоды и транзисторы в нештатный режим, в результате получим бессмысленный результат. Даже само подключение прибора может внести ошибку, которую трудно оценить.

Очень точный и повторяемый метод измерения ёмкости разных конструкций АА получается, если подключить к входу АУ известную катушку индуктивности и измерить частоту резонанса, при этом АЭ следует отсоединить от АУ. Я практикую это подключением обычного дросселя серии ЕС24 номиналом 10 мкГн. Он имеет собственный резонанс на частоте 27,2 МГц. Это соответствует собственной паразитной ёмкости 3,42 пФ. Если, например, вход АА вместе с дросселем имеет резонансную частоту 15 МГц, то общая ёмкость - 11,2 пФ, а ёмкость АА - 7,8 пФ. Сигнал на дроссель подаётся с помощью короткой излучающей антенны (отрезок провода длиной 5 см) на расстояние несколько сантиметров от него, что обеспечивает очень слабую связь.

На практике такой дроссель может вызвать самовозбуждение АА, так как у АУ имеется высокий импеданс и огромное усиление по мощности (току). Поэтому я припаял параллельно дросселю ещё выводной резистор сопротивлением 5,1 кОм, и добротность уменьшилась до 10. В таком исполнении дроссель с резистором имеют резонанс на частоте 26,3 МГц, их совместная паразитная ёмкость - 3,66 пФ.

Кто не дружит с непосредственными измерениями ВЧ-параметров, может измерить входную ёмкость АУ подачей прямоугольного импульса умеренной амплитуды через высокоомный резистор. Например, из пяти резисторов по 100 кОм надо составить последовательную сборку сопротивлением 500 кОм с собственной ёмкостью менее 0,1 пФ. Такая сборка резисторов с предполагаемой входной ёмкостью АУ 2...10 пФ имеет постоянную времени 1...5 мкс, за такое время напряжение растёт до 63 % конечного значения. Важно в этом методе учесть при перерасчёте другие резисторы входного узла, которые тоже параллельны входной ёмкости на НЧ, иначе можно получить в результате расчёта слишком малую входную ёмкость АА. Можно использовать и синусоидальный сигнал, подавая его на сборку резисторов, и измерить верхнюю граничную частоту полосы пропускания 150...30 кГц (по уровню -3 дБ).

 

АЧХ

Безусловно, АЧХ АУ должна соответствовать рабочему диапазону АА несмотря на то, что она формируется из многих параметров и обстоятельств. Методы измерения АЧХ и усиления немного расходятся, особенно, когда спорными остаются параметры АЭ на разных частотах. Поэтому на практике был использован только один метод - подача тестового сигнала от генератора (50 Ом) на входной транзистор АУ Даже если аЭ с собственной ёмкостью 20 пФ на входе АУ не отключать, получаем с генератором 50 Ом граничную частоту 150 МГц, что обычно намного выше граничной частоты АУ.

Используя современные элементы для поверхностного монтажа, без особых усилий можно сделать АУ с полосой до частоты 200 МГц и даже более. Но это не значит, что это нужно на практике. Бывают ситуации, когда на входе АУ требуется фильтр для подавления отдельных местных помех, например, от диспетчерских служб или местных УКВ- и ТВ-станций. В этом случае надо подбирать импеданс генератора близко к импедансу реального ёмкостного зонда (АЭ) в области ожидаемой граничной частоты. Хороший выбор для первых тестов АА для высоких КВ с метровым АЭ - это подключить к выходу генератора сопротивлением 50 Ом последовательную цепь из резистора сопротивлением 150 Ом и конденсатора ёмкостью 24 пФ.

 

Шумы в АА

Измерение абсолютного значения шума в домашних условиях сложно решаемая задача. В Аа для Е-поля есть четыре источника, которые могут вызывать заметное зашумление тракта, - это входной транзистор, высокоомные резисторы, элементы защитных цепей и "грязное" питание. При соблюдении простых правил радиолюбитель может отказаться от сложных измерений шумовых параметров АА и исходить из того, что сам АУ шумит всего на 10...50 % больше теоретического предела с идеальными компонентами. Тогда радиоприём до частот 30 МГц ограничен практически уже не собственным шумом АА, а нелинейностью тракта, максимально допустимым размером АЭ, позицией антенны и условием прохождения радиоволн.

 

Выбор полевого транзистора

У n-канальных JFET транзисторов серий J310, BF862, КП303, КП312, КП903, КП341, КП365 от природы мало шума, так как изолирующая зона затвора образуется за счёт электрического поля в кристалле, и дефекты материала мало на это влияют. У MOSFET-транзисторов зона затвора жёстко привязана к его конструкции, и её производственные дефекты напрямую вызывают нетепловые случайные шумовые явления длительностью более микросекунды. Поэтому эти транзисторы могут внести в сигнал существенный шум на частотах менее 1 МГц. В случае сомнения о пригодности MOSFET-транзисторов для применения в АА рекомендуется сделать однокаскадный усилитель по схеме с ОИ на транзисторе J310 (ещё лучше на BF862) как эталонный и сравнивать подобранный MOSFET-транзистор при таком же усилении (подбором нагрузки в стоке). "Измерительным прибором" может служить домашний аудиоцентр, к входу которого и подключают выход такого усилителя. Оценку проводят по чистоте шума (белый равномерный шум) и его интенсивности.

По опыту, современные ВЧ MOSFET-транзисторы 2SK544, BF998 шумят мало на частоте менее 1 МГц. Также пригодна и классика - транзисторы серий КП305, КП306, КП350, КП902, КП905. Сомнительно работают ключевые ПТ 2N7000, BS170 и прочие, хотя быстродействующий 2N7002 бывает "чистым". Очевидно, что технология изготовления GaAs-транзисторов улучшилась за последние 40 лет, и современные изделия могут на частотах более 100 кГц показать достаточный результат для АУ, например, транзисторы NE30018 или 3П344.

В выходных каскадах иногда применяют СВЧ-транзисторы. При их взаимодействии с кабелем или от неудачного размещения на плате они могут "незаметно" генерировать СВЧ-колебания. В таком случае АА вроде работает, но странным образом шумит, и при прикосновении к ней перестаёт шуметь, но получается странный приём УКВ- или ТВ-станций на КВ. Обычно установка резисторов сопротивлением 10...100 Ом в цепях электродов транзисторов позволяет устранить этот эффект. Иногда помогает установка в цепь питания дополнительного блокирующего SMD-конденсатора ёмкостью 1 нФ, особенно в каскаде ЭП, прямо у коллектора.

На уровень шума сильно влияет выбор схемы включения транзистора. Потенциально схема с ОИ позволит получать минимальный абсолютный шум, так как сигнал на 100 % воздействует на участок затвор-исток транзистора, если оставить ООС от стока минимальной. Потенциально схема ОС (она же ИП) шумит большестемжетранзис-тором. Причина простая - на участок затвор-исток попадает не всё сигнальное напряжение из-за ООС в цепи истока. Поэтому эта схема хуже по шуму на 1...2 дБ однозначно, отчасти - и на 10 дБ при неудачном её составлении. Транзисторы нужно выбирать с малыми ёмкостями и большой крутизной, тогда с качественными изделиями уровень шума будет меньше атмосферных шумов на частоте вплоть до 30 МГц.

 

Резисторы

В АА с коротким АЭ шумы резисторов могут стать весомыми. Кроме природного теплового шума, который не зависит от качества изделия, имеется шумовая ЭДС, зависящая от качества изготовления, сечения токопроводящего слоя, материала и падения напряжения на резисторе. У малошумящих резисторов в документации указано значение удельного ЭДС (мкВ/В). Этот эффект больше проявляется у резисторов с сопротивлением более 100 кОм, кото-рые применяются в цепи затвора входного транзистора. Влияние этого шума можно снизить подбором металлоплёночных резисторов серий МЛТ, ОМЛТ, С2-хх. Целесообразно к высокоомным резисторам вообще не прикладывать постоянного напряжения вообще. На рис. 8 показаны два варианта схемы входной цепи, якобы одинаково работающие, но с разным успехом. На резисторе R2 практически нет постоянного напряжения, поэтому шум минимальный. Этот вариант можно улучшить установкой фильтрующего конденсатора параллельно резистору R1. В неправильной схеме к тому же ещё и входная паразитная ёмкость больше, так как оба резистора добавят свою.

Рис. 8.

 

Немалое влияние на шумы усилителя АА для Е-поля могут оказать грязный флюс и не отведённая электростатика, электрохимия от коррозии. Поэтому готовую конструкцию надо тщательно почистить, покрыть защитным лаком, использовать качественные соединения между АЭ и АУ.

 

Стабилизаторы напряжения

Популярные стабилизаторы питания (серии 78хх) обеспечивают высокую надёжность аппаратуры, но в схемах АА они могут вызывать существенное ухудшение всего качества приёма. Проблема состоит в их шумах и не только, а серия 78хх этим страдает. Практически все, и даже заявленные как "малошумящие" стабилизаторы генерируют существенный шум на частотах до 0,1...1 МГц. Если специально не подавить этот шум, через инжектор питания он легко проникает к приёмнику. Хорошей практикой можно считать, чтобы к стандартной схеме стабилизатора добавить дополнительный ФНЧ с частотой среза не более 1 кГц. Например, RC-цепь из резистора сопротивлением 10 Ом и конденсатора ёмкостью 100 мкФ создают ФНЧ с частотой среза 150 Гц. Ухудшение стабилизации от установки резистора мало критично в АА, но можно вместо резистора 10 Ом поставить дроссель индуктивностью 1 мГн (активное сопротивление - 0,2 Ом), и получается ФНЧ с частотой среза 500 Гц при хорошей стабилизации и улучшенной фильтрации на частотах более 10 кГц.

Конденсатор большой ёмкости, установленный прямо на выходе стабилизатора, ничего не даст, кроме проблем с динамикой стабилизации. Выходной импеданс стабилизатора 0,01 Ом даже с конденсатором ёмкостью 100 мкФ образует ФНЧ с частотой среза в диапазоне ДВ.

 

Элементы защитных цепей

Защитные цепи не должны шуметь вообще, но при неграмотном исполнении могут генерировать шум. Защитные диоды при обратном смещении имеютёмкость 0,3...2 пФи на входную цепь АУ импедансом 1 МОм могут пропускать шум на частотах более 0,1 МГц. Поэтому надо напряжение смещения диодов хорошо фильтровать и следить за тем, чтобы ограничивающий это смещение диод (стабилизатор) не работал в режиме с постоянным током и малым импедансом. Стабилитроны в штатном режиме генерируют существенный широкополосный шум. Их правильно использовать при напряжении примерно на 30 % меньше паспортного напряжения стабилизации.

Встречно-параллельное включение защитных диодов без обратного смещения при современных видах помех - устаревший способ защиты и может быть источником загадочного шума при наличии мощных местных сигналов и помех. По результатам многочисленных опытов в АА с небольшим АЭ следует установить не менее двух пар встречно-параллельно включённых защитных диодов последовательно, если, конечно, нет другого схемного решения. К этим диодам надо ещё добавить параллельно включённый резистор сопротивлением 1...10 МОм, который заодно служит для отвода набирающихся статических электрических зарядов.

 

Элементы цепей блокировки

Элементы цепей блокировки должны снизить уровень шумов и помех. Однако при неудачной реализации эффект может быть обратным или просто неудовлетворительным. Для изготовления конденсаторов большой ёмкости и малого объёма (SMD-конденсаторы) применяются особые диэлектрики из керамики, которые, к сожалению, имеют побочные свойства. Кроме микрофонного эффекта, у больших плоских конденсаторов эта керамика меняет свою проницаемость под действием напряжённости поля. Можно иметь дело с конденсатором, у которого заявлена ёмкость 100 нФ, но который при напряжении 10 В имеет всего лишь 50 нФ. Рекомендуется в таких случаях устанавливать конденсатор с запасом по ёмкости 50...100 %.

Импортные дроссели серий ЕС24 и CECL при малых токах имеют свою заявленную индуктивность, при предельно допустимом токе она снижается на 10...30 %. Отечественные дроссели серий ДМ (расширенный диапазон по температуре) и ДПМ при малых токах имеют индуктивность на 10...30 % больше и при номинальном токе выходят на номинальную индуктивность. При большом превышении тока индуктивность может полностью пропасть, и дроссель будет работать как будто без ферритового магнитопровода.

Нужно учитывать и паразитную ёмкость дросселей. Она образует с индуктивностью параллельный контур, и при резонансе дроссель идеально отсекает прохождение помех на частоте собственного резонанса. Но на частотах выше резонанса за счёт паразитной ёмкости дроссель постепенно теряет способность подавлять помехи. Дроссель индуктивностью несколько миллигенри может свободно пропустить помехи в диапазоне КВ.

Когда изготавливается АА для приёма в диапазоне от несколько килогерц до 50 МГц, один дроссель не перекроет весь диапазон. Описание фильтров на основе трёх дросселей было ранее в схеме универсального инжектора питания.

 

Шумы, размер АЭ и критическая частота

Особенно при работе с АА категории miniwhip замечаем "загадочный" эффект - на СДВ-ДВ приём хороший, на СВ - так себе, но на КВ приём "тупит". Вроде применённые СВЧ-транзисторы J310/2N5109 на КВ должны работать хорошо, да и когда измеряем АЧХ, АУ "тянет" до нескольких десятков мегагерц. А где спрятан "тормоз"? Разъяснение даст диаграмма на рис. 9.

Рис. 9.

 

Диаграмма показывает условие работы АА на частотах 0,03...30 МГц при шумах радиоэфира (голубая линия) КШ ЭФИР. Этот шум здесь приведён в немного упрощённом и обобщённом виде для наглядного изложения материала.

В нижней части диаграммы отображена эффективность коротких АЭ длиной 10, 30 и 100 см. При условии, что их габариты намного меньше длины волны, вполне допустимы простой пропорциональный перерасчёт и занесение прямых линий в логарифмической диаграмме. Но так как эффективность АЭ ещё зависит от входной ёмкости АУ, реально эти линии должны уходить вниз. Мы пока моделируем с хорошим АУ с очень малой ёмкостью.
Шум от АУ предполагаем на уровне 6 дБ для понимания не крайней критичности этого параметра, и в реальных АА обеспечивается значение не хуже того.

Соответственно "неэффективный" АЭ и шум от АУ по задаче должны позволить радиоприём, в идеале дать услышать шум естественного радиоэфира, когда нет сигналов и нет местных помех. Для короткого АЭ3 длиной 10 см красная линия (шум АУ и неэффективность АЭ вместе) пересекает линию КШ ЭФИР при критической частоте, равной 60 кГц. Даже на ДВ уже не услышать с ней эфирный шум, слышен только шум входного транзистора при отсутствии сигнала - это подозрительно ровный и спокойный шум. А на КВ уровень сигналов должен быть на порядок больше уровня шума эфира, чтобы он поднялся над шумом входного транзистора. Вот ситуация с подлинной АА miniwhip и её вялого КВ-приёма. Но её автор на СВ и КВ ничего не обещал, он решил вопрос о том, насколько можно укоротить АЭ для уверенного приёма на СДВ.
Для АЭ2 длиной 30 см ситуация немного лучше. Это примерно наша испытательная АА-000. Но и она на КВ не добирается до эфирных шумов, ещё на СВ начинает "затуманивать" приём, критическая частота составляет несколько сотен килогерц. На КВ не хватает около 10 дБ для получения требуемой чувствительности. Этим "болеют" большинство web-SDR, работающие с простыми мини-АА.

Намного лучше получаем результат для АЭ1 длиной 100 см. На средних КВ слышен шум радиоэфира на свободных частотах, критическая частота составляет несколько мегагерц. Однако, если не хватает линейности в АУ, то интермодуляционный шум может превышать эфирный шум. С нашей испытательной АА-000 это в вечернее время произойдёт легко, поэтому АЭ длиной 1 м ей "не по зубам".

Из этой диаграммы видно, что на КВ-приём критическим образом влияет размер АЭ. Напрямую с размером связана линейность АУ для отсутствия IM-шумов. Следующий в порядке весомый параметр - это входная ёмкость АУ. Лишняя входная ёмкость легко приводит к потерям в несколько децибелл по отношению С/Ш, которые уже никак не спасти с супермалошумящим транзистором. Отсюда можно сделать важный вывод, что паспортный КШ транзистора не особо критичен, практически все популярные ВЧ ПТ последних десятилетий годны для использования в АА.

Можно улучшать работу АА на высоких КВ, если предусмотреть в области
20...30 МГц некоторое трансформаторное согласование к затвору. Фиолетовая линия в диаграмме отобразит нарастающее согласование к 30 МГц, и в итоге с метровым АЭ можно услышать любой сигнал, который "высовывается" из эфирного шума. Это реализовано в известной профессиональной АА 1980-х годов КАА-1000 (RFT/ГДР), а на её входе установлен транзистор КП902.

 

Не нарушены ли законы физики?

Ваша инженерная интуиция, наверное, не хочет смириться с тем, что для приёма ДВ короткий АЭ сработает, а для приёма КВ нужен большой Аэ, разве не должно было быть наоборот? Правильно подозреваете, однако "беспорядок" создаётся шумами от атмосферы и ионосферы. Были бы мы в дальнем космосе, далеко от солнца, весь радиоэфирный шум был бы на уровне шума переохлаждённого входного транзистора. И тогда был бы смысл на километровые АЭ для СДВ, чтобы ловить доли микровольт. Земной эфир при таких километровых антеннах вызывает сотни милливольт шумов и грохота, которые с тем же успехом легко ловить микровольтами на АЭ длиной 10 см для усиления в транзисторе. А на высоких КВ земной эфир уже настолько тихий, что придётся увеличить АЭ. Но и здесь полноразмерная антенна особо не нужна для решения вопросов общего радиомониторинга.

 

Краткие выводы

Поскольку предельная чувствительность АА ухудшается, в первую очередь, из-за интермодуляционного шума, надо понимать, как можно реализовать линейность в АУ. К сожалению, применение ООС во многих АА приносит неприятные побочные эффекты и отчасти может превратиться в ПОС из-за высокоомных ВЧ-цепей. В следующем разделе обсудим получение линейного режима БТ в АУ и подробно обсудим капризы и проблемы широко распространённой АА miniwhip.

Автор: Хайо Лохни, Германия/Россия, г. Гай Оренбургской обл.