на главную
Карта сайта
English version
Вы читаете:

Активные антенны Е-поля

Антенны
3 месяца назад

Активные антенны Е-поля. Первые шаги реализации (часть 3)


Чтобы все теоретические дискуссии про активные антенны (АА) Е-поля нашли подтверждение и имели практический характер, автор предлагает конструкцию несложной испытательной АА. С ней очень эффективно можно ознакомиться с Е-полями вокруг дома и получать первые успехи радиоприёма. При разработке конструкции заложена высокая степень повторяемости и предсказуемости результата, что важно для малоопытного начинающего радиолюбителя. Также разъясняются важные мероприятия по борьбе с помехами.

 

Испытательная активная антенна АА-000

Если без особого опыта начинать работу с АА для Е-поля, то возникает немало индивидуальных вопросов и моментов, на которые даже специалисты не могут дистанционно дать однозначные ответы и советы. Ввиду ранее отмеченных недостатков конструкции АА miniwhip для приёма на СВ и КВ предлагается альтернатива из этой же категории сложности. Схема антенны (АА-000) показана на рис. 1. Она собрана на общедоступных компонентах и с использованием телевизионного кабеля среднего качества с волновым сопротивлением 75 Ом.

Схема антенны

Рис. 1. Схема антенны

 

Главным достоинством этой конструкции является то, что она прощает часто встречающиеся ошибки и неумелые действия начинающего радиолюбителя, на порядок улучшена линейность по сравнению с подлинной АА miniwip. В экспериментах с АА-000 можно постепенно сделать выводы о местной обстановке с помехами, внести улучшения радиоприёмной системы и потом уже решиться на более совершенные конструкции. В этой АА нет катушек индуктивности, а все детали смонтированы на простой макетной печатной плате (рис. 2,а, рис. 2,б).

Макетная печатная плата

Рис. 2. Макетная печатная плата

 

Размеры печатной платы не критичны, не нужно стремиться к миниатюризации, она даже навредит. Рекомендуется использовать плату шириной 46 мм, чтобы можно было бы её разместить в пластмассовой сантехнической трубе DN50. Транзистор VT1 в каскаде ИП имеет очень высокое входное сопротивление, но по напряжению коэффициент передачи составляет примерно Ку = 0,7, а выходное сопротивление - около 300 Ом, тут важен блокирующий конденсатор С3. На затвор транзистора VT1 через резистор R4 подаётся постоянное напряжение смещения с резистивного делителя R2R5. Это необходимо для выведения защитного диода VD1 из неблагоприятного нулевого смещения, а также для увеличения напряжения на резисторе R6, а значит, и напряжения коллектор-база транзистора VT2. Это снизит входную ёмкость транзистора VT2 и выведет его усиление на штатное значение. Эмиттерный ток транзистора VT2 задаёт в основном резистор R9, при этом конденсатор С4 закорачивает ВЧ-сигналы. Это даст возможность более свободной подборки резисторов R7 и R8, чтобы добиться оптимального согласования с кабелем или изменить коэффициент усиления АА. В этом случае они подобраны для кабеля 75 Ом и среднего усиления. Расчётное значение сопротивления параллельно соединённых резисторов R7 и R8 должно примерно соответствовать волновому сопротивлению кабеля. Для кабеля 50 Ом это будет соответственно 150 Ом и 82 Ом. Резистор R3 подбирают в интервале до 1 кОм для лучшего подавления местных УКВ-сигналов. АА рассчитана на работу с современными бытовыми всеволновыми приёмниками, у которых чаще всего входной импеданс не менее 200 Ом и имеется хорошая чувствительность. Если у самого приёмника входной импеданс низкий (PL-8800 на СДВ-ДВ-СВ или Sangean-909), для начала можно просто поменять местами резисторы R11 и R10 (при напряжении питания +12 В).

При разработке схемы было заложено некритичное питание и относительно малый ток потребления. Эту АА можно питать напряжением 9 В, подключив её к конденсаторам С5, С6. Даже при напряжении +7...8 В (от двух Li-Ion аккумуляторов) АА работает ещё удовлетворительно, а повышенное питание до 15 В (подают на контакты ХТ3, ХТ4) пойдёт только на пользу.

В АА можно применить широко распространённые элементы. Взамен транзистора J310 (J309) можно применить более современные низковольтные JFET с короткой ВАХ - BF861, BF862, 2SK2394, 2SK3557, КП341, КП365. Они отлично работают, если сопротивление резистора R2 увеличить до 22 кОм. 

Условно подходят транзисторы BF244B, BF245B, КП303Е, КП307Г, 2N4416, КП312, если приём на КВ не нужен. Коллекторный ток транзистора VT2 - около 6 мА, здесь подойдут различные малосигнальные p-n-p транзисторы с малыми межэлектродными ёмкостями. В моей АА использованы транзисторы J309 и КТ363А, и она успешно работает до частоты 12 МГц. Такой же результат можно получить при использовании транзисторов КТ326Б,КТ3108А, ГТ313Б, КТ343.

Защита для транзистора VT1 в АА-000 - минимальная, диод VD1 замыкает на общий провод импульсы отрицательной полярности, а транзистор VT1 сам отводит положительные импульсы через затвор-сток на конденсатор C3, при этом допускается ток не более 10 мА. Особенно в летнее время не стоит оставлять эту АА на постоянную работу на крыше, ведь она всего лишь испытательная, на "скорую руку" и для опытов.

 

Установка и первый тест

По многолетним опытам выведения АА в эфирное пространство себя хорошо зарекомендовали дешёвые пластиковые сантехнические трубчатые элементы диаметром 50 мм (DN50) для основной конструкции и 32 мм (DN32) для антенных элементов (АЭ). В строительных магазинах найдётся большой ассортимент разных элементов, таких как трубы, соединения, заглушки, переходники, хомуты и крепления. Трубы для бассейнов DN50 с толщиной стенки 3 мм имеют повышенную прочность, их можно удлинить с помощью муфт и клея для ПВХ. Резиновые уплотнения дают достаточную защиту от дождя для первых опытных конструкций, герметик применять не нужно. Далее на рисунках показаны разные варианты простой бюджетной установки АА:

-общая конструкция антенны с "бородой" длиной 2 м (рис. 3,а);

-открытый вывод кабеля (рис. 3,б);

-крепление трубы к балкону (рис. 3,в).

Варианты бюджетной установки АА

Рис. 3. Варианты бюджетной установки АА

 

ВНИМАНИЕ! Конструктивные сантехнические элементы изначально не соответствуют требованиям для конструкции антенн. Рекомендуется их подстраховка прочной верёвкой от падения с крыши.

Не следует делать корпус полностью закрытым и герметичным, поскольку в нём обязательно собирается конденсат. От него можно спастись отверстием диаметром не менее 5 мм в нижней части корпуса, которое надо закрыть тканью от насекомых. Снизу нужно оставить трубу открытой для вентиляции, а сверху достаточно обеспечить защиту от ливня. Надо предусмотреть простую сборку и разборку, лёгкий доступ, так как в начале эксплуатации АА придётся несколько раз скорректировать по размеру АЭ или даже поменять антенный усилитель (АУ).

Для первых опытов не стоит устанавливать ни кабельный дроссель, ни "бороду"-противовес. Кабель будет работать как противовес. Автономное питание от батареи (9 В) для начала даст уверенность отсечения системы от сети 230 В со своими помехами. Желательно и приёмник использовать с автономным питанием, но это не жёсткое условие.

Первое подключение АА к приёмнику должно вызвать заметный прирост шумового фона, и при размещении АА в свободном пространстве мы сразу заметим явное появление радиосигналов - это означает, что первый шаг сделан.

 

Оценка качества АА-000

Испытательная АА-000 по разным причинам имеет сравнительно большую входную ёмкость - около 9 пФ, но об этом позже. Ограниченная линейность не позволяет установить большой АЭ, и это вместе с входной ёмкостью ударит по приёму на КВ. Усиление по напряжению от АЭ до приёмника с указанным инжек-тором составляет скромно Ку = 0,16. Однако это вполне достаточно для приёмников PL-660, PL-880 и аналогичных, а также для большинства SDR. На рис. 4 показана эфирная обстановка в один из вечеров (21 ч по местному времени) в сентябре 2017 г. в диапазоне СВ и 160 м (0,47...2 МГц) при приёме SDR-приёмником Perseus (14 разрядов). Видно, что диапазон не пустует, прохождение было среднее, установлены сетевые фильтры по питанию.

Спектры сигналов антенны

Рис. 4. Спектры сигналов антенны

 

С проволочной антенной большие участки этого диапазона завалены местными помехами, и приём совсем невозможен. АА была смонтирована на деревянной палке у окна балкона четвёртого этажа с выносом на 1 м от балкона, здание четырёхэтажное, тогда крыша была ещё шиферная. Но и в 2022 г на Южном Урале можно было принимать множество станций из дальних стран на ДВ и СВ, да и на 160 м оказалось, что есть жизнь.

Для правдивой оценки нужно отметить, что АА Е-поля может работать только там, где есть это Е-поле. Такую обстановку мы найдём на природе, на крыше, на балконах верхних этажей, но явно не в квартирах железобетонных зданий и крайне редко у окна на первом этаже высотного здания.

Импульсные помехи с размахом до 400 мВ на входе (короткие непериодические пики) в аА-000 не приводят к заметному изменению рабочих режимов транзисторов. При подаче двухтонального сигнала общим размахом 1400/300 мВ с частотами 1,9 и 2,1 МГц получился уровень интермодуляции третьего порядка - IM3 = -40/-76 дБ [1, 2]. Однако уровень IM2 = -28/-42 дБ не позволит использование АЭ размером более 30 см при размещении АА на крыше. Замеры сделаны с коаксиальным кабелем длиной 15 м с чисто резистивной нагрузкой 75 Ом. АА-000 работает на порядок чище, чем подлинная АА miniwhip. Конечно, она далеко не отвечает капризным запросам радиолюбителя, но она может выявить понятным и однозначным образом все местные проблемы.

Как показала практика, даже если новая антенна не особо устраивает, целесообразно её оставить на несколько дней и тестировать в разное время суток, при разном прохождении, при разных обстоятельствах по помехам, а затем составить более комплексную оценку по качеству для составления новых планов.

 

Обстановка в эфире

Схемотехнику АУ следует выбирать с учётом суммы сигналов и помех. Существует метод составления схемы по статистике векторов и сигналов. Это - классика и хорошо подходит для узкополосных систем с мягкой передаточной характеристикой. Но когда мы переходим к широкополосным системам и оцифровке непосредственно антенного сигнала, надеяться на "среднюю температуру в больнице" не стоит. Любое превышение кодового пространства АЦП приводит к тяжёлым последствиям в последующем процессе обработки. Поэтому весь тракт до АЦП должен быть готов для переработк и полного пикового размаха суммы из сигналов и помех. А обработка с применением законов статистики и векторов происходит уже после АЦП.

Ионосфера земли настолько сильно меняется в течение года и суток, что годовая сигнальная динамика на длинных проволочных антеннах легко достигает 120 дБ. Некоторые экспедиции в южном полушарии Земли наблюдали до 140 дБ реальной динамики сигналов, когда помех совсем нет и задействованы огромные антенны для работы на отдельный дальний континент. Если это формально пересчитать на АЭ длиной 1 м в нерезонансном режиме, то его сигнальная динамика будет около 100 дБ. Это надо предусмотреть при разработке схемотехники линейных АУ на профессиональном уровне, но не менее 80 дБ в любом случае.

Мощный импульсный спектр атмосферных процессов до частоты 1 МГц не должен вывести АУ из равновесия рабочих режимов, чтобы этот НЧ-спектр не обогатился гармониками в области КВ или через механизм интермодуляции не накладывался бы на КВ-сигналы. Хорошая АА при летней общей грозовой обстановке обеспечит надёжный чистый приём на КВ, и на экране SDR мы не увидим интермодуляционные размазанные следы грозовых помех на КВ-диапазонах, их там фактически нет от природы.

 

Домашние импульсные помехи

При домашней обстановке выходного дня в многоквартирном доме были зафиксированы импульсные сигналы с помощью АА-000, установленной над балконом. АЭ был длиной 20 см, из приёмной системы убраны все фильтры от импульсных помех. Для наглядности я выбрал только события с большой амплитудой. Сигнал, который выдаёт моя дрель при выключении, показан на рис. 5,а. Сигнал, показанный на рис. 5,б, появляется при отключении привода стиральной машины соседей, она ещё с механическим управлением. Эти сигналы слышно на всех частотах, вплоть до 20 МГц. А вот так холодильник у соседей включается (рис. 5,в).... и выключается (рис. 5,г).

Импульсные сигналы

Рис. 5. Импульсные сигналы

 

Импульс (рис. 5,д) несколько раз в час наблюдается круглосуточно, он - мощный и низкочастотный, а его источник я не смог определить. Вероятно, это от мощного оборудования местного горного предприятия (мощность - 8 МВт). В среднем за минуту в моём четырёхэтажном доме таких мощных "событий" наблюдалось до 20.

Чтобы домашние помехи не испортили приём, АА должна быть в состоянии их линейно передавать, как это делает любая "железная" антенна. Поэтому схему АА нужно сконструировать с запасом на несколько сотен милливольт входного сигнала, при этом оставив искажения на уровне менее -40 дБ. Местные радиолюбительские станции и диспетчерские службы также могут создать на аА подобные напряжения, и это не должно повлиять на приём слабых сигналов на других частотах.

 

Сравнение АА с проволочной антенной

Рано или поздно дело доходит до сравнения антенн. Чтобы не делать преждевременные и неверные выводы, надо сначала понять различия у своих антенн. Нужно определиться, что хотим понять, сравнивая преднамеренно "яблоки с грушами".

Во-первых, простые вертикальные АА имеют круговую горизонтальную ДН, а проволочные антенны могут иметь явно выраженные преимущественные направления, к тому же и глубокие минимумы в ДН. Не всегда отсутствие приёма у проволочной антенны стоит понимать как её плохую работу или при писывать АА мистические сверхспособности. Также антенны принимают разную поляризацию, могут коренным образом отличаться и по этой причине. К примеру, на диапазоне 80 метров радиолюбительские сигналы своего региона в основном идут с горизонтальной поляризацией и принимаются с ослаблением вертикальной АА. Можно делать поспешный вывод и забраковать АА. Но если охотиться за дальними сигналами с вертикальной поляризацией, ситуация будет в пользу АА. Оценку работы антенн надо всегда привязать к тому, какое отношение С/(Ш+П) у них на выходе. И тут с АА намного больше свобод бороться с помехами, выбрав оптимальное место и способ установки, да ещё бывают и горизонтальные АА Е-поля, а ещё с электронным управлением ДН. Но пока останавливаемся на простой вертикальной АА.

Спектры сигналов проволочной антенны длиной 10 м

Рис. 6. Спектры сигналов проволочной антенны длиной 10 м

 

Спектры сигналов антенны АА

Рис. 7. Спектры сигналов антенны АА

 

У городского радиолюбителя уже считается счастьем, если можно закрепить небольшую проволочную антенну на соседней крыше или, лучше по помехам, - на ближайшем дереве. Спектры сигналов проволочной антенны длиной 10 м (рис. 6) и качественной АА (этот раз АА-1-0, позже следует её описание) - на рис. 7 сняты в сентябре 2017 г. вечером в 21 ч, разница во времени - 1 мин. Они очень наглядно опишут городскую обстановку. Уровень собственного шума SDR-приёмника в широкополосном и скоростном режиме лежит на уровне -110 дБм (белая линия, полоса пропускания - 10 кГц). Проволочная антенна длиной 10 м висит на уровне подоконника четвёртого этажа перпендикулярно к зданию. Застройка города в основном четырёхэтажная, капитальная, 1960-х годов. Согласование осуществлено трансформатором 450/50 Ом к SDR-приёмнику Perseus. АА-1-0 установлена на высоте 2 м над балконом последнего этажа. АЭ имеет объёмную форму полушара-зонтика диаметром 20 см. Коэффициент передачи по напряжению от аЭ до входа SDR-приёмника - 0,5.

В целом проволочная антенна приносит больше энергии благодаря своему размеру и согласованию на кВ. По моим давним наблюдениям, на частотах 6...8 МГцона работает хорошо. Видимо, она работает в согласии окружающими зданиями. Но это уже всё хорошее (кроме малых затрат и забот), что можно об этой проволочной антенне сказать в городской ситуации.

На частотах менее 2 МГц горизонтальная проволочная антенна плохо ловит радиосигналы, потому что они в основном приходят с вертикальной поляризацией. К тому же растёт её импеданс, и на нагрузке 450 Ом она уже менее эффективна. Особенно на частотах ниже 1 МГц в условиях городского двора она ловит одни помехи, слабые сигналы в них тонут.

В то же время маленькая АА принимает радиосигналы на СДВ-ДВ-СВ с вертикальной поляризацией, не собирая при этом помехи со всего двора. Высокий импеданс АЭ поддерживается усилителем. Уровни смеси из сигналов и помех с обеих антенн, поступающие на приёмник, - одинаковые на ДВ-СВ, но у активной антенны отношение С/Ш на 10...20 дБ лучше для полезных сигналов. А на частотах менее 100 кГц приём с проволочной антенны совсем никакой, одни помехи, а АА нормально ловит все межконтинентальные сигналы на СДВ На частотах более 8 МГц увидим интересный момент. Использованная здесь качественная АА-1-0 обеспечивает приемлемое отношение С/Ш на высоких частотах. В то же время прово лочная антенна обеспечивает хорошее отношение С/Ш и с большим суммарном уровнем. Но она помехи со всего двора ловит, видны "арки" шумового фона. Поэтому даже на частоте 15 МГц в городских условиях по критерию отно шения С/(Ш+П) выиграет качественная АА-1-0.

Нужно отметить, что существует ряд известных проволочных антенн, которые и в городе дают приемлемый результат на многих диапазонах. Но их установка в надёжном и безопасном исполнении является сложным и затратным мероприятием, не говоря уже о согласии соседей и организаций ЖКХ. Испытательная АА-000 на КВ работает похуже, шумит больше на частотах выше 7 МГц. Но это не меняет суть сравнения с ней. Эта же АА-1-0 в сентябре 2017 г. по утрам давала спектр сигналов, показанный на рис. 8, в котором на ДВ-СВ помехи совсем небольшие, зато эфир на высокочастотных КВ-диапазонах уже "проснулся".

Спектры сигналов антенны АА-1-0

Рис. 8. Спектры сигналов антенны АА-1-0

 

Насколько поможет разобраться с местными городскими помехами и со схемотехникой, это показывает утренний спектр (рис. 9) спустя полтора года, в мае 2019 г. К тому времени уже работала почти профессиональная АА-1-4 с метровым АЭ и реализован комплекс мероприятий по подавлению местных помех. По всему КВ-диапазону до частоты 30 МГц обеспечена высокая чувствительность. Поминутный максимум радиовещательных КВ-сигналов в вечернее время может доходить до уровня -20 дБ по этой шкале. Эта же АА-1-4 в апреле 2020 г. была установлена при DX-испытаниях у озера в Псковской области.

Спектры сигналов антенны

Рис.9. Спектры сигналов антенны

 

Попадание домашних помех в приёмный тракт

Правильно установленная АА должна принимать только те сигналы и дальние помехи, которые в точке её установки имелись бы без присутствия этой АА. Это звучит банально, но именно в несоблюдении этого правила скрывается причина частого провала проектов с АА Е-поля, в отличие от рамочных антенн.

Уровень домашних помех за стенами дома стремительно убывает. Встречно растёт напряжённость Е-поля снаружи здания, и уже на расстоянии 2...3 м от стен возможен уверенный приём. На крыше с карманным приёмником в руках мы нашли якобы хорошую позицию для АА, но после её установки в этом выбранном месте последует глубокое разочарование. А что изменилось? Неужели все соседи переместили свои телевизоры, ЖКХ поменяло проводку в доме или поставили новый лифт с импульсным приводом? Всё это маловероятно. Главное изменение на крыше - это появление нашей новой АА, и искать причины нужно тут.

Помехи от источников внутри здания могут приниматься через АА по двум сценариям. Сильный источник помех (без фильтров и заземления) может сформировать огромную зону излучения вокруг здания, и тогда помехи почти неотличимы от дальних помех. В таком случае есть много вопросов к этому источнику помех. Вероятно, его правильное подключение к высоковольтной сети по правилам ТБ уже исправит ситуацию. К подобным источникам помех относятся, в том числе, вспомогательные насосы в ЖКХ при бюджетном их подключении. Лифты могут выдать помехи от ненадлежащего подключения частотных преобразователей. Также газовые колонки или вспомогательные газовые агрегаты отдельных домов и квартир могут создать подобные помехи. Некоторые интернет-провайдеры используют кабели недопустимо плохого качества или не заземляют его экран, что вызывает отчасти ужасные помехи по всему диапазону КВ и может даже быть причиной плохой работы самого Интернета.

Но чаще всего имеет место второй сценарий, когда наш новый, аккуратно проложенный дорогой ВЧ-кабель, соединяющий АА с приёмником и его кабелем питания 230 В, поймает все помехи внутри здания и доведёт их до АА. Всё это в совокупности работает как проволочная антенна, установленная в основном внутри здания и частично на улице.

На стыке от фидера к АУ, АЭ и пространству имеем резкий перепад по импедансу, это является местом излучения "набранных" из дома помех в пространство через АЭ и крайней части фидера. Получается, что мы навели порядок на крыше, а потом пришли на неё со своим мусором. Часть энергии приведённых на крышу помех попадает в АУ и дальше в приёмник. Получается всё по-научному, поэтому очень важна чистота в лаборатории и надо продолжить уборку, но теперь уже в своей хате.

 

Синфазный дроссель, он и кабельный

Кабельный дроссель

Рис. 10. Кабельный дроссель

 

Чтобы по проводам не протекали ВЧ-токи, в электронных устройствах широко используют дроссели, чаще всего на линиях питания. Если поменять простой провод на кабель из нескольких отдельных проводов, то, по сути, ничего не меняется по подавлению ВЧ-токов, однако мы можем этими проводами между собой реализовать другие функции, такие как подачу питания или передачу сигнала. На рис. 10 показан такой кабельный дроссель, он у меня служит для того, чтобы через кабель питания 230 В в измерительную систему чувствительного осциллографа (АЦП 14 разрядов) не попали ВЧ-токи в диапазоне частот 100 кГц...2 МГц. При этом переменный ток питания с частотой 50 Гц протекает через дроссель в двух разных направлениях, в итоге получается индуктивность, близкая к нулю.

В качестве магнитопровода могут служить различные крупные ферритовые изделия от телевизоров прошлого века, важно, чтобы он был замкнутым. В этом случае блуждающие по помещению ВЧ-токи домашних помех не утекают через щуп и осциллограф в сеть 230 В и не попадают на входной усилитель, путь им отсечён. Можно улучшать обстановку в лаборатории ещё дросселями для лабораторного блока питания и других измерительных приборов. Так можно чистить радиоприёмную систему или современные УМЗЧ, работающие в режиме класса D и излучающие на СВ и КВ импульсные спектры ШИМ с существенными уровнями.

Продолжение следует

Авторы: Хайо Лохни, Германия/Россия, г. Гай Оренбургской обл., И. Моногаров, г. Псков


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