на главную
Карта сайта
English version
Вы читаете:

Активные антенны Е-поля

Антенны
2 месяца назад

Активные антенны Е-поля. Основные параметры, их измерение и компоненты (часть 5)


В этой части обсуждаются основные параметры АА, их природа, проявление и значимость для эксплуатации. Предлагаются методы измерения, пригодные для радиолюбительских лабораторий. Методы измерений привязаны к применению доступных SDR-приёмников и осциллографов с восьмиразрядным АЦП. Соответственно эти приборы дают достоверные измерения с динамикой до 40 дБ в широкополосном режиме, что было заложено в методику, и это вполне достаточно для сравнения различных АА.

 

Параметры АА и их измерение

Огромное число схем в различных публикациях не просто поддаётся анализу. По их описаниям они все чудесные, и сразу выбрать подходящую схему невозможно, особенно если нет практического опыта. При разработке собственных схем я пришёл к некоторым довольно простым стандартным замерам, которые "выдают" главные параметры АА, весомо отвечающие за качество приёма. При этом я делал ставку на использование бюджетной измерительной техники с восьмиразрядным АЦП и на радиолюбительскую находчивость.

По умолчанию используется измерительная техника с входным и выходным импедансом 50 Ом или 75 Ом. В реальной работе приёмник вместе с кабелем может предоставить совсем иную нагрузку. Поэтому в отдельных случаях нужно делать контрольный замер параметра в рамках всей приёмной системы.

Из-за высокого входного сопротивления АА Е-поля нет смысла проводить измерения и получать численные результаты в виде входной мощности. Рекомендуется измерение сигнала генератора с помощью осциллографа, получая результат как размах входного напряжения.

 

Усиление АУ

Усиление (или коэффициент передачи) АУ в реальной ситуации определяется как отношение выходного напряжения на резистивной нагрузке при КСВ = 1 на фидере к напряжению в точке соединения АЭ с АУ.

У большинства современных радиоприёмников чувствительности и усиления вполне достаточно для работы с короткими проволочными антеннами. Поэтому в большом усилении от АЭ до входа приёмника нет никакой необходимости. На частотах до 30 МГц затухание качественного ВЧ-кабеля не превышает 6 дБ при длине 100 м и не должно вызывать принципиальных проблем. Также для ретро-проектов нет особого смысла увеличивать усиление приёмной системы, поскольку в старых приёмниках нет соответствующей канальной избирательности при большом усилении, в результате страдало бы качество приёма.

Многочисленными опытами установлено, что достаточно иметь коэффициент передачи по напряжению КУ = 0,05...0,5 от АЭ до входа приёмника (50 Ом). Для реализации уверенного приёма с приёмником средней категории на частоте более 10 МГц желательно иметь КУ = 0,25...2.

Альтернативно можно заложить в сам АУ большое усиление, (например, 26 дБ на ОУ AD8129) и за ним поставить аттенюатор на 12...30 дБ. Это можно решить с помощью нескольких технических решений:

-на выходе АУ установить аттенюатор не менее 6 дБ для широкополосного согласования с кабелем снижения;

-кабель нужно принудительно согласовать с КСВ = 1, чем не только обеспечивается равномерная АЧХ системы с максимальной полосой пропускания, но и в значительной степени устраняется антенный эффект кабеля;

-аттенюатор может обеспечить для выхода АУ импеданс сотни ом, поэтому у АУ на ОУ будет мало искажений;

-убирается ёмкостная нагрузка для АУ, а это - главная причина возникновения IM2;

-аттенюатор 10...16 дБ на входе приёмника снизит уровень шумов и помех, поступающих из блока питания и инжектора для АА, что снизит требования к БП;

-входной фильтр приёмника правильно сработает от идеального резистивного импеданса источника и реализует паспортную избирательность;

-возможен переход на средние значения импеданса подбором резисторов аттенюаторов, и даже ламповые приёмники "оживают" в добротном селективном режиме входного избирательного контура;

-на самом кабеле имеется относительно большой уровень сигнала, и проникновение помех на всём протяжении длинного кабеля в составе общих кабель-каналов здания менее критично.

К сожалению, линейные широкополосные усилители с КУ = 12...26 дБ, полосой пропускания до 100 МГц и ДД более 100 дБ имеют большое энергопотребление, но для стационарного РПУ это не критично.

Измерения усиления проводятся легче и предсказуемы со стандартными приборами импедансом 50 Ом или 75 Ом. Сначала надо определить уровень сигнала, при котором наступает явное ограничение в активном элементе АУ или в защитных узлах, потом уменьшить амплитуду сигнала в 3...5 раз. В зависимости от конкретной схемы и приборов в наличии может потребоваться в точках подключения приборов установить согласующие резисторы сопротивлением 50 Ом или 75 Ом или даже аттенюаторы. Дополнительно следует провести следующие измерения:

-определить компрессию (уменьшение коэффициента передачи) на 1 дБ (12%). Для этого нужно постепенно увеличивать уровень входного сигнала, так чтобы синусоидальный сигнал стал сжатым на 12 %. Это удобно отслеживать двухканальным осциллографом при наложении изображений искажённого и неискажённого сигналов;

-выявить поведение АА при подключённом кабеле снижения и ожидаемой нагрузке (50 Ом или вход реального приёмника). Некоторые неудачные варианты АУ склонны к самовозбуждению по причине высокого КСВ нагрузки;

-установить температурную зависимость основных параметров, хотя бы в интервале -10 оС...+60 оС;

-определить верхнюю граничную частоту полосы пропускания самого АУ по уровню -6 дБ без учёта антенного элемента. При этом сигнал низкоомного генератора нужно подавать через конденсатор ёмкостью 10 нФ прямо на входной транзистор;

-в усилителях с согласующими трансформаторами надо соблюдать правильный уровень сигналов. Многие ферриты деградируют на низких частотах (ниже 100 кГц) и не допускают большой ам плитуды сигнала из-за насыщения. Замена такого магнитопровода на другие, с увеличенными размерами (сечением), а также снижение подмагничивания по постоянному току могут устранить такой недостаток.

 

Интермодуляционные искажения и устойчивость к импульсным сигналам

На первый взгляд, это два разных понятия, но при подробном рассмотрении суть - одна. В любом случае речь идёт о мощных воздействиях и их взаимодействии между собой. Например, если спектр сигнала молнии находится в основном в диапазоне до 1 МГц, но одновременно имеется мощный сигнал на частоте 12 МГц, тогда из-за нелинейности АУ в диапазоне 12±1 МГц можно получить ложный грозовой спектр, отчего слабые сигналы в диапазоне 25 метров будут повреждены ещё до входа в приёмник, и их уже не восстановить с помощью фильтров.

Поэтому измерение интермодуляционных искажений является достаточным для полной оценки помехоустойчивости. При этом амплитуда тестового двухтонального сигнала должна быть соизмерима с амплитудой ожидаемых импульсных помех и составлять несколько сотен милливольт. Из интермодуляционных помех особенно мешают IM2 и IM3, и их устранение практически избавит АА от всяких весомых искажений.

IM2 нам хорошо известна как процесс смешения сигналов. Если вечером на диапазоне 41 метр работают две мощные радиостанции на частотах 7205 кГц и 7430 кГц, то плохой по IM2 АУ выдаст на выходе ложные сигналы на частотах 225 кГц (разница) и на 14635 кГц (сумма). Именно это явление часто мешает дальнему приёму ДВ и СВ в вечерние часы, так как почти всегда найдётся очень много комбинаций мощных КВ-сигналов с малой разницей по частоте. IM2 - это главный враг широкополосных систем, таких как SDR, видео, а также SSB-детекторы и УМЗЧ. Можно во многих источниках прочитать, что в резонансных усилителях IM2 приносит мало последствий, поскольку полосовые фильтры после усилителя подавляют ложные сигналы. Но IM2 в резонансных УВЧ вызывает смещение по постоянному току или напряжению, и это может вызвать модуляцию по усилению. Этот эффект более знаком под названием кросс-модуляция, и она является последствием IM2.

IM3 имеет место, когда в усилительном элементе перемешиваются два сигнала в соответствии с выражением 2F1± F2 и 2F2 ± F1. В результате два сигнала большой амплитуды на соседних частотах 7205 и 7215 кГц образуют рядом ложные сигналы на частотах 7195 кГц и 7225 кГц. Но и на частотах 21635 кГц и 21625 кГц проявятся ложные сигналы. Следовательно, на этих частотах приём будет осложнён. Сигналы с частотами от 7195 кГц до 7225 кГц одинаково проходят весь ВЧ-тракт до преобразователя частоты. Поэтому "почистить" приём на частотах 7195 кГц и 7225 кГц можно только устранением IM3.

Сформировать двухтональный сигнал размахом несколько сотен милливольт не составит проблем в радиолюбительской практике. Доступные бюджетные DDS-генераторы это могут, с достаточным качеством. Но для тестирования качественных АА нужно намного больше, несколько вольт. Напрямую состыковать два генератора с большой вероятностью не получится, так как их выходные усилители начинают между собой конфликтовать, что вызывает у них интермодуляцию. Достаточно на выходах установить аттенюаторы 12...20дБ, чем обеспечивается хорошая развязка, но теряется амплитуда.

Схема устройства сложения сигналов двух генераторов

Рис. 1. Схема устройства сложения сигналов двух генераторов

 

Но если задачу поставить проще, то можно реализовать импеданс генератора в несколько килоом к входу АУ, если ёмкость нагрузки не более 15 пФ. Подходящая схема устройства сложения сигналов двух генераторов с частотами 3,9 МГц и 4,1 МГц показана на рис. 1.

Получение большого напряжения на выходе обеспечено за счёт трансформирующего действия Г-образного ФНЧ и сложения сигналов в матрице резисторов сопротивлением несколько килоом. Развязка между входами сумматора ХТ1 и ХТ3 составляет не менее 26 дБ. Сначала сигнал каждого из генераторов проходит через своё двухступенчатое Г-образное согласующее звено. Это обеспечивает трансформацию сопротивления с 50 Ом до 1250 Ом (на конденсаторах С3, С6) через промежуточное значение 250 Ом (на конденсаторах С1, С4) и соответствующий прирост по размаху напряжения. В результате получается расширенная полоса с ровной АЧХ при полной трансформации и можно свободно выбирать частоты генераторов в диапазоне 3....4,1 МГц. Однако действие ФНЧ более эффективно для сигналов с частотой области 4 МГц, тогда расчётное подавление второй гармоники будет 36 дБ, что ослабит требования к генератору. Реально подавление составляет 40 дБ при ёмкости нагрузки 10 пФ (на ХТ7). АЧХ на выходе ХТ6 показана на рис. 2, она измерена в диапазоне 0...8 МГц (500 кГц/дел).

АЧХ на выходе ХТ6

Рис. 2. АЧХ на выходе ХТ6

 

Конденсаторы С2 и С5 нужно подобрать под конкретные дроссели L2 и L4. Расчётное значение - 12 пФ, без учёта паразитной ёмкости ВЧ-дросселей. Поэтому эти конденсаторы подбирают в интервале 4,7...9,1 пФ для максимального подавления ФНЧ на частоте 8 МГц. DDS-генератор АКИП-3904/5 выдаст на выходе двух каналов сигналы размахом по 6 В без нагрузки и по 3 В при нагрузке 50 Ом. Предложенный сумматор позволит получить на выходе ХТ7 двухтональный сигнал общим размахом 8000 мВ на ёмкостной нагрузке 10 пФ. При реализации устройства на печатной плате важно соблюдать расположение дросселей, а в части высокого импеданса минимизировать паразитные ёмкости.

Во избежание искажений в магнитопроводе катушек индуктивности нужно подобрать более габаритные дроссели, например, серия дросселей ЕС24 критична ещё при суммарном размахе 1000 мВ, поэтому были использованы дроссели серии CECL. Конденсаторы должны быть из керамики NP0, низковольтные диэлектрики с "кривой" зависимостью С = f(U) не годятся. Спектр суммарного сигнала на контакте ХТ7, измеренный с помощью SDR PERSEUS (dither = ON), показан на рис. 3.

Спектр суммарного сигнала на контакте ХТ7

Рис. 3. Спектр суммарного сигнала на контакте ХТ7

 

Интермодуляционные искажения в катушках индуктивности составляют -76 дБ при максимальном сигнале, и она убывает почти пропорционально с уменьшением амплитуды сигнала, что характерно для ферритовых изделий. То есть при суммарном размахе сигнала 800 (80) мВ на контакте ХТ7 теоретически уровень интермодуляционных искажений будет не более -96 (-116) дБ. На практике изначальная интермодуляция от двухканального DDS-генератора составляет -80...-100 дБ, в зависимости от развязки по питанию усилителей в генераторе. В своём АКИП-3904/5 за счёт усиления развязки я смог добиться уровня -90 дБ.

Самые простые и доступные варианты отображения выходного спектра на выходе АУ - измерение с помощью SDR-приёмника или с помощью цифрового осциллографа с функцией анализатора спектра. Большинство бюджетной аппаратуры с восьмиразрядным АЦП позволяет надёжно обнаружить IM3 на уровне -40...-50 дБ. Это вполне хорошая основа для общего обсуждения и сравнения АА, так как импульсные помехи на уровне -40 дБ станут на слух почти не слышны на фоне полезного сигнала. Далее, при таком уровне искажений ещё действуют общетеоретические законы перерасчёта значений IM2 и IM3. При этом АУ работает ещё далеко от компрессии и перегрузки. Поэтому в данной статье применена методика, при которой преднамеренно устанавливались искажения на уровне -40 дБ, и указывается необходимый для этого уровень входного двухтонального сигнала (размах по напряжению).

Частота тестового сигнала должна быть не более 0,3 верхней частоты полосы пропускания АУ, чтобы вторая гармоника им не подавлялась, иначе результат будет ложно хорошим. Также не стоит сильно увеличивать разность частот двух тестовых сигналов, для отображения на экране оптимальной будет разница 2...10 %.

Рис. 4.

 

Но сначала надо проверить сам анализатор спектра (SDR-приёмник или осциллограф) на его собственную интермодуляцию, чтобы обеспечить чистоту эксперимента с АУ. Для этого увеличим уровень сигналов до "потолка" (рис. 4). Более простые приборы в таком режиме показывают мощный уровень IM3, например, для анализатора спектра HMS-X от фирмы Rohde& Schwarz получаем тревожный уровень -36 дБ! Даже пики сигналов на 1 дБ ниже "потолка". Очевидно, что анализатор перегружен. Поэтому надо всегда иметь в виду, что сами приборы тоже имеют ограниченный ДД для комбинированных сигналов, особенно это касается бюджетной цифровой аппаратуры с супергетеродинным трактом до АЦП (так называемые SDR-свистки, анализаторы спектра HMS-X, автономные SDR на микросхеме MSi001).

Продолжение следует

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


Рекомендуем к данному материалу ...

Мнения читателей

Нет комментариев. Ваш комментарий будет первый.

Вы можете оставить свой комментарий, мнение или вопрос по приведенному выше материалу:

Поля, обязательные для заполнения

Изготовление печатных плат