на главную
Карта сайта
English version
Вы читаете:

Активные антенны Е-поля

Антенны
4 месяца назад

Активные антенны Е-поля (часть 1)


Многочисленные дискуссии на форуме radioscanner.ru по тематике активных антенн позволили в течение последних пяти лет набрать огромный объём проверенной на практике информации и представить материал широкому кругу читателей. За помощь и поддержку всем участникам разных проектов - большое спасибо. Накопленный за пять лет дискуссионный материал показал, что его необходимо систематизировать в виде классического формата статьи в журнале, вопреки всем трендам ухода информации в виртуальное пространство.

Радиолюбительская деятельность очень часто начиналась с появлением в руках какого-либо радиоприёмника, в наши дни это бытовой всеволновый карманный приёмник. При этом надежды на прекрасный радиоприём питаются от рекламных обещаний и от возможности подключить к приёмнику большую внешнюю антенну. Очень быстро "новорождённый" радиолюбитель сталкивается с проблемой - в городских условиях ловить в эфире якобы нечего.

Классический вариант приёма с телескопической антенной или с закинутой на дерево во дворе проволочной антенной завершается разочарованием из-за помех от местной бытовой электроники в основном не совсем добросовестных изготовителей. Печально то, что и более совершенные радиоприёмники не способны улучшить приём. Причина этого кроется в обстановке с помехами, и только особые решения антенного вопроса смогут дать положительный результат.

Как улучшить или, отчасти, вообще сделать возможным в городских условиях приём в диапазоне 0,01...30 МГц, обсуждается в этой статье об активных антеннах (АА), принимающих в основном электрическую составляющую (Е-поле) электромагнитной радиоволны. Материалы статьи изложены с таким расчётом, что они будут интересны радиолюбителям с небольшим практи ческим опытом по изготовлению радиоустройств. Подходящие для начинающих варианты АА будут подробно описаны в части их изготовления и установки. Будут обсуждены важные свойства ключевых электронных компонентов для АА, схемотехнические решения разной сложности, компоновка и налаживание, конструктивные решения, процедура измерения параметров и результаты практических опытов. Для объективного сравнения качества большинство предложенных конструкций АА проверены на основе единой методики измерения, которая учитывает ограниченные возможности любительских лабораторий.

Радиолюбители в городах редко могут развешивать полноразмерные проволочные антенны для работы на КВ, тем более, для низкочастотных диапазонов. И даже если это возможно, то передаваемый сигнал может быть принят на других континентах, но маловероятно, что приём получится хорошим, поэтому двухсторонняя связь не состоится. Обычная причина такой беды - значительный местный электромагнит ный фон от электрических приборов. Ещё 30 лет назад помехи создавались в основном строчной развёрткой телевизоров, искрами зажигания автомобилей и мощными электроприводами на заводах, "гудели" трамвайные и троллейбусные линии от тиристорных систем управления. А ночью это всё выключалось, и эфир принадлежал во всей своей красоте радиоэнтузиастам. Считалось обычным делом поставить приёмник на подоконник, выдвинуть телескопическую антенну - и пошла "радиорыбалка".

В наши дни любое домашнее хозяйство имеет мощный арсенал источников помех. Не соответствующие стандартам совместимости осветительное оборудование, зарядные устройства и импульсные блоки питания (ИБП), компьютеры, плазменные телевизоры, пылесосы и электроинструменты, диммеры, приводы стиральных машин и др.

бразуют вокруг наших домов электромагнитный "смог", который наводит на антенны и фидеры большие помехи. Их уровень может быть выше среднего уровня радиолюбительских сигналов, и энтузиазм при развёртывании домашней радиостанции быстро гаснет. Не лучше ли забыть о радиохобби в городской квартире и не проще ли подключиться к многочисленным web-SDR (Software Defined Radio - программно определяемая радиосистема, в данном случае - радиоприёмник) в Интернете? Вы можете считать диапазоны 80 и 160 метров, и тем более СДВ-ДВ-СВ совсем не постижимыми и не годными для городского радиолюбителя, пока не поймёте возможностей АА, принципов их работы и секреты при их установке и эксплуатации.

Главное направление борьбы с помехами - найти их источник и исправить его работу. Часто в блоках питания и светильниках неизвестных производителей не установлены на печатных платах элементы фильтрации, хотя место для них предусмотрено и при сертификации могли их даже установить. Но так как источники помех у соседей вряд ли доступны для проверки и исправления, придётся научиться вести приём в условиях таких помех. Один из способов решения проблемы с местными помехами - применение магнитных рамочных антенн, особенно в резонансном режиме. По многим параметрам их конструкции и эксплуатации они проблематичны для изготовления начинающими радиолюбителями. А если речь идёт о всенаправленном приёме в диапазоне от 10 кГц до 30 МГц на SDR-приёмник с равномерной АЧХ, стоимость магнитной антенны станет сравнимой со стоимостью профессионального радиоприёмника. В этой статье рассматривается альтернативное направление решения проблемы с домашними помехами - это антенна для приёма Е-поля. Её главное преимущество для радиолюбителя - сравнительно простая и малогабаритная конструкция, с помощью которой можно добиться уже вполне удовлетворительного приёма.

А с продуманной конструкцией, идеальной и правильной установкой, тщательно налаженной АА и умело согласованным приёмником даже приём DX становится удовольствием из городской квартиры, и открывается мир низкочастотных диапазонов.
Ещё в 1970-х годах появились активные антенны Е-поля, но их применение ограничилось решением узко поставленных задач. В автомобильных ДВ-СВ-приёмниках 1980-х этот принцип стал широко распространяться, но с развитием техники эти активные антенны к 2000-м годам исчезли из массового применения. Сегодняшнее широкое применение SDR-приёмников с высоким качеством, динамическим диапазоном 100 дБ и крайне широким частотным диапазоном требует полного соответствия с ними применяемой антенной системы. Резонансный диполь на любительские диапазоны этому не соответствует, а антенные усилители 1980-х годов не обеспечивают линейности. Визуализация на экране SDR-приёмников принимаемых сигналов (популярный водопад) требует полной спектральной чистоты работы АА, т. е. практически без интермодуляции, ведь зрение более критично оценивает результат широкополосного приёма, чем слух при прослушивании одного отдельного узкополосного канала.

Упрощённая схема АА Е-поля

Рис. 1. Упрощённая схема АА Е-поля

 

Упрощённая схема АА Е-поля изображена на рис. 1. WA1 - ёмкостная с выраженной площадью антенна не особо большого размера или толстый металлический штырь длиной на порядок меньше длины волны, подключается к затвору полевого транзистора (ПТ) VT1. Резистор R1 предназначен для отвода электростатики. Входной каскад - истоковый повторитель ИП на транзисторе VT1 в диапазонах от СДВ до КВ имеет очень высокое входное сопротивление и малую входную ёмкость, мало шумит, а усиление по напряжению составляет 0,5...0,95. За ним следует выходной усилительный каскад А1, который формирует сигнал для его передачи через кабель до приёмника в режиме согласования (КСВ = 1) с усилением по напряжению около 1. Обычно питание на аА передаётся через коаксиальный кабель (фантомное питание). Узлы разветвления (С1L1С2 и L2C3С4) разделяют сигнал и питающее напряжение. Со стороны приёмника этот узел получил название инжектор питания. Вот именно таким простым решением и описанием и к тому же многообещающим рекламным описаниям в публикациях заложен частый провал повторения радиолюбительского эксперимента с АА для Е-поля, поскольку не предупредили о важных "секретах" успеха.

 

Использованные сокращения

Кроме уже приведённых выше, в статье использованы следующие сокращения:

АЭ - антенный элемент, это часть АА, которая размером намного меньше и извлекает сигнал из Е-поля, иногда имеет название зонд;

АУ - антенный усилитель, вместе с АЭ образует АА;

МА, ТА - магнитная и телескопическая антенны, встроенные в приёмники;

ДД - динамический диапазон на выходе АУ, это интервал уровней смеси сигналов и помех, при котором все они остаются разделимыми без наложения друг на друга;

ДН - диаграмма направленности антенны;

РТ - рабочая точка для полупроводниковых компонентов;

СДВ - сверхдлинные волны (диапазон частот 3...30 кГц), хотя в практике радиолюбительского приёма подразумеваются сигналы с частотой менее 150 кГц;

С/Ш - отношение полезного сигнала и шума;

С/(Ш+П) - отношение полезного сигнала к совокупности шумов и помех;

ПТ и БТ - полевой и биполярный транзисторы;

JFET - ПТ с затвором в виде p-n перехода;

MOSFET - ПТ с изолированным затвором;

DG-FET - двухзатворный ПТ;

ЭП или ОК - эмиттерный повторитель или схема включения с общим коллектором:

ИП или ОС - истоковый повторитель или схема включения с общим стоком;

ОИ и ОЭ - схемы включения с общим истоком и общим эмиттером;

ДУ - дифференциальный усилитель;

(И)БП - (импульсный) блок питания;

ШПУ - широкополосный усилитель;

ЭШ - эфирный шум, без помех и существенных дальних сигналов, обусловлен природными процессами в атмосфере и космосе.

 

Принцип действия АА Е-поля

Для объяснения принципа работы АА Е-поля можно подходить к этому с разных сторон, применить разные упрощённые модели и выявить важные моменты для улова сигналов и подавления помех в городских условиях эксплуатации. Таким образом, мы найдём для разных практических ситуаций правильные подсказки для творческого решения индивидуальных антенных проблем.

Базовая конструкция АА с малогабаритным АЭ

Рис. 2. Базовая конструкция АА с малогабаритным АЭ

 

Рассмотрим базовую конструкцию АА с малогабаритным АЭ (рис. 2) аналогично тому, как это предложил автор известной антенны Miniwhip [1, 2]. Представим себе над ровной влажной (хорошо проводящей) землёй металлическую трубу (мачту) высотой 2,5 м, которая надёжно заземлена. Для радиосигналов на частоте F = 30 МГц (λ = 10 м) это представляет собой вертикальный резонатор длиной λ/4. На верхнем конце имеется максимум импеданса и в этой зоне резонатор работает явно по напряжению. Если отрезать от трубы верхние 5 см и положить их на изолирующую шайбу толщиной несколько миллиметров, то между этим отрезком и мачтой есть значительная ёмкость и эта часть осталась в некоторой мере в составе резонатора длиной λ/4. Но между отрезком и мачтой имеется некоторая разница по напряжению ВЧ-сигнала. Именно эту разницу мы подаём на усилитель АА, маленький отрезок выполняет роль АЭ, а мачта действует как противовес.

Возникает похожая ситуация, когда мы на природе в руках держим карманный приёмник с телескопической антенной (к примеру PL-660), работающий в КВ-диапазоне. Стоит только положить этот приёмник на сухой деревянный стол, приём станет заметно слабее, а на капоте автомобиля приёмник "оживёт". Это означает, что визуально одноэлементная антенна ищет себе своё дополнение в виде противовеса, который играет важную роль в успехе конструкции АА.

Вывод. АА Е-поля без противовеса практически не работает. Отсутствие противовеса является, наверное, самой частой ошибкой на практике, в том числе и при эксплуатации малогабаритных радиоприёмников с телескопической антенной. В рекламных описаниях миниантенн и миниприёмников этот момент мало отражается. Особенно сверхминиатюрные конструкции должны вызвать опасение и осторожность.

Очень часто в публикациях, посвящённых АА, можно увидеть, что для улучшения работы на печатной плате АА или сразу на первых сантиметрах от неё установлен красивый большой синфаз ный дроссель (часто под названием кабельный дроссель), с которым, по заявлению авторов, улучшается приём. На самом деле приём улучшается, но за счёт чего? Если разобраться в массе публикаций, можно увидеть, что такое решение применяется в сочетании с АУ, имеющими не слишком хорошую линейность. Без этого дросселя вся сигнальная смесь и помехи сосредоточены между противовесом и АЭ. Усилитель может быть перегружен и выдаёт интермодуляционные шумы и помехи. После установки улучшающего дросселя часть напряжения сигналов и помех падает на нём, соответственно на усилитель попадёт меньше. Даже если это деление происходит 50 на 50, уровень интермодуляционных продуктов снизится на 12...18 дБ, и получается картина реального улучшения отношения С/Ш - вроде трюк сработал. Но если посмотреть подробнее, то полезные сигналы тоже уменьшились, примерно на 6 дБ. А если дроссель хороший и АУ малогабаритный, уменьшение может быть на 10 или 20 дБ. Таким образом, эта АА на высокочастотных КВ-диапазонах, где ЭШ меньше, работает плохо, все сигналы сосредоточены на дросселе, а на вход усилителя мало что попадает.

Получается так, что и на НЧ-диапазонах такой дроссель уменьшает помехи, поступающие из здания, и приём реально улучшается. Но и сами сигналы уменьшаются. В целом этот дроссель приносит и пользу, и вред одновременно, поэтому его место просто не здесь. Если есть высококачественная АА с высокой линейностью, такой дроссель пользу не принесёт, так как нет интермодуляции, а сигналы он точно "обрушит".

Вывод. Нет смысла на печатной плате или близко к усилителю располагать кабельный синфазный дроссель. Он сильно уменьшит уровень полезных сигналов, так как "раздробит" противовес. Если такой дроссель улучшает отношение С/Ш, вероятно, усилитель не особо линейный, и надо с этим разбираться. Можно для начала просто уменьшить размеры АЭ и получить те же улучшения, как с дросселем, но это всё только полумеры.

В обширных публикациях о распространении радиоволн всегда указывают, что при установке антенн высоко над грунтом растёт напряженность поля. Следовательно, мы постараемся и нашу активную антенну поднять выше. К примеру, в надежде на значительный эффект вы потратились на хорошую металлическую мачту высотой 10 м. Но с разочарованием смотрим на экран SDR-приёмника и понимаем, что на высокочастотных КВ-диапазонах кое-что не так пошло. Придётся вспомнить о резонансной частоте мачты над землёй. При высоте 10 м для сигналов на диапазоне 15 МГц (λ = 20 м) мачта является резонатором λ/2, и на верхнем конце имеется максимум по току, минимум по напряжению. Маленькая АА (тот же отрезок на рис. 2) с ёмкостным щупом будет работать плохо на частоте 15 МГц, в области 7 МГц и 20...25 МГц - хорошо, около частоты 30 МГц - снова с провалом и т. д.

Вывод. Высоту мачты над свободной поверхностью для малогабаритной АА надо выбрать не более λ/4 для максимальной частоты приёма. При превышении значения λ/2 появятся дополнительные глубокие провалы в вертикальной ДН. Это правило применимо, если вся мачта проводящая и использована в качестве противовеса. То есть для радиоприёма до частоты 10 МГц такая конструкция работала бы нормально.

Подобные провалы в чувствительности можно наблюдать на высоких зданиях с малой площадью фундамента. Однако провалы при этом не столь остро выражены, как на идеальной мачте, они могут быть заметно глубокими, и простая Аа на крыше "загадочно" не работает.

В диапазонах СДВ-ДВ-СВ заземлённая мачта работает очень далеко от резонансного режима, соотношение геометрической высоты к длине волны малое, но принцип "чувствительного отрезка" на верхушке с противовесом снизу остаётся. На низких частотах энергетический уровень эфирных шумов и помех намного выше, и в итоге миниатюрная активная приёмная система выдаёт достаточное (!) отношение С/Ш, чем, собственно, и определяется успешный радиоприём. Если условно принять эффективность АА с геометрической высотой мачты 2,5 м на частоте 30 МГц как 100 %, то на частоте 300 кГц она имеет относительную эффективность около 1 %. Но и ЭШ на 300 кГц в 100...1000 раз выше, чем на 30 МГц. То есть эта широкополосная антенна не нарушает законы физики действия антенн, никакого чудесного обхода классической физики нет. Она прекрасно сопрягает физические свойства ионосферы и атмосферы Земли по передаче радиоволн с возможностями современных усилителей. Даже так: небольшой КПД АА на низких частотах выручает при подавлении местных помех из собственного дома. Для миниатюрных АА стоит инженерная задача не по извлечению из пространства сигнала с максимально возможной энергией, а по созданию лучшего соотношения сигнала к совокупности шумов и помех (С/(Ш+П)! Поэтому в тихих сельских условиях маловероятно, что с помощью миниатюрной АА будет улучшение приёма, там по-деревенски надо вешать длинный провод. Единственный повод для применения АА за городом - ограничение по размерам антенны и месту её расположения или специальные требования к антенне.

В городских условиях использование длинной антенны приведёт к тому, что она соберёт помехи всего двора. А малогабаритная антенна может быть установлена в позиции подальше от всех источников помех или в тихом месте, где помехи имеют минимальный уровень.

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