PA0RDT Mini-Whip активная приемная антенна от 10 кГц до 20 МГц

Эта статья посвящена разработке приемной антенны  В результате получилась превосходная антенна для приема сигналов от 10 кГц до 20 МГц.

Местные помехи

Перед разработкой антенны я хочу сосредоточиться на ключевой проблеме: локальном шуме. При прослушивании слабых сигналов в ДВ диапазоне вам всегда приходится иметь дело с шумом. Этот шум может исходить от электрооборудования в непосредственной близости.Также может быть вызвано грозовыми разрядами. Как правило, грозы бывают нечасто. Когда вы консультируетесь с литературой и источниками в Интернете, становится ясно, что антенны для ДВ можно условно разделить на два типа: антенны, чувствительные к магнитному полю, и антенны, которые получают электрическое поле. В первую группу входят рамочные антенны. Вторая группа состоит из коротких штыревых антенн. Кроме того, кажется, что локальный шум в основном присутствует в электрическом поле. Таким образом, представляется очевидным (при наличии локального шума) использовать антенну, которая чувствительна только к магнитному полю, например. рамочная антенна. Некоторые из них оснащены дополнительной защитой от электрического поля.

Эксперименты с рамочными антеннами

Вооружившись этими знаниями, я начал с рамочных антенн. Многие модели были активными и пассивными, независимо от того, электрически ли они экранированы или нет. К сожалению, эти антенны имели одну общую черту: местные шумы были очень хорошо приняты. На рисунке 1 показана диаграмма активной рамочной антенны. Это имеет то преимущество, что оно широкополосное и его не нужно настраивать. Усилитель сбалансирован. Для поддержания хорошего баланса петля может быть подключена через высокочастотный изолирующий трансформатор, а центр обмоток контура может быть подключен к земле. Однако это не имеет большого значения. Виток может быть изготовлен из пластиковой трубы длиной четыре метра с одним или двумя витками медной проволоки, размещенной внутри. Внешняя оболочка куска коаксиального кабеля хорошо работает. Эта антенна работает хорошо, пока не появится местный шум. Принимаемый сигнал пропорционален квадрату числа оборотов. Слишком много оборотов дают слишком сильный сигнал, поэтому усилитель перегружается. Более того, самая высокая частота приема намного ниже. Эта антенна работает примерно от 100 кГц до 10 МГц. Поскольку проблема с локальным шумом не была решена, я решил отказаться от всей идеи длинноволнового приема. По-видимому, в городской среде слушать слабый сигнал было невозможно.

Исследование активных антенн.

Когда-то я был на радиорынке в Розмален, и я купил вольтметр по разумной цене. С его помощью можно было бы серьезно измерять некоторые параметры. Это очень старое аналоговое устройство от Wandel & Goltermann. Номер модели SPM-3, он охватывает диапазон от 2 до 612 кГц. Он может измерять от +20 дБм до -100 дБм, и даже до -135 дБм с помощью внешнего настраиваемого предусилителя. Этот прибор также предусмотрен для портативного использования и использует внутренние батареи независимо от сети. В холодный зимний день оборудование было установлено в саду. Во-первых, антенна с активной рамкой была подключена к избирательному вольтметру. Рамочная антенна и избирательный вольтметр не зависели от входной сети. Рамочная антенна находилась на расстоянии одного метра от стены дома, а затем расстояние было увеличено до шести метров. Та же самая процедура была применена и для активной штыревой антенны. Чувствительность каждой антенны измерялась на том же уровне. Когда использовалась рамка, расстояние от стены практически не влияло на уровень шума. С активной антенной штыревой антенной разница была очевидной. Его буквально пришлось держать у стены, чтобы получить столько шума, сколько с рамочной антенной. Измерения проводились на частотах от 150 до 500 кГц. Частота не влияла на общую картину. Поскольку активная штыревая антенна получает только электрическое поле, возможен только один возможный вывод: электрическое поле локального источника шума остается внутри дома и не выходит наружу. Рамочная антенна получает только магнитное поле: магнитное поле локального источника шума излучается за пределы дома. Неудивительно, что петлевая антенна принимает много шума. Позже я нашел в литературе ссылку на этот счет. Теперь стало ясно, какая антенна должна быть: активная штыревая антенна.

Эксперименты с активными штыревыми антеннами

На рисунке 3 показан схематический рисунок активной антенны. Антенна подключена к затвору транзистора. Источник J310 напрямую подключен ко второму транзистору в режиме эмиттерного повторителя. Через потенциометр 10K устанавливается ток J310.

При минимальном напряжении питания 12 вольт ток стока составлял 10 мА. Точка пересечения третьего порядка на выходе составляла +31 дБм. Точка пересечения второго порядка составляла +67 дБм. Неплохо для этой простой схемы и лучше, чем точка второго и третьего порядка для большинства приемников. Эти цифры были позже подтверждены собственными измерениями. Потребляемый ток этой схемы составляет 40 мА. Активная хлыст-антенна питается напряжением питания через коаксиальный кабель. На диаграмме показано, как RF-сигнал и напряжение питания разделены. С помощью этой антенны было проведено немало испытаний: в саду, и в двух местах в обширном ландшафте Зеландии. Эти места, в окрестностях озера Вейер, свободны от шума. В радиусе 600 или 1000 метров зданий нет. Это сельская местность.

Измерения

Первая серия измерений была о взаимосвязи между длиной антенны штыря и силой принятого сигнала. Они учитывали разницу между сигналом и шумом. Штырь был сплошной медной проволокой диаметром 1,25 мм. Изначально был провод длиной 100 см. Сила сигнала отображается в дБ по отношению к сигналу, полученному штырем 100 см. Это измерение проводилось в открытом поле. Антенна была установлена ​​на высоте 360 см. Качество приема определяется исключительно отношением принимаемого сигнала к принятому шуму. Сила принятого сигнала менее важна, если шум от антенны больше, чем шум приемника.
Был разработан метод измерения отношения сигнал/шум активных штыревых антенн. Сигнал ONO, Остенде, Бельгия, передается на 399,5 кГц. С активной штыревой антенной 100 см относительная сила сигнала составляла -19 дБм. Это был сигнал, читаемый на SPM-3 с предусилителем. Шум антенны был измерен на частоте 399,15 кГц. Измерение проводилось в дневное время, чтобы избежать помех удаленными станциями  Шум антенны составлял около -90 дБм. Измерение было следующим. Приемник был настроен на 399,5 кГц. Сигнал от тестовой антенны был настроен на -40 дБм с использованием аттенюатора RF. Затем на 399,15 кГц был определен уровень шума антенны. В таблице 1 приведены результаты измерений.

Если штырь укорачивается, то уровень сигнала постепенно уменьшается. Штырь длиной 30 см дает сигнал, который на 7-8 дБ ниже, чем у антенны 100 см. Длина штыря не влияет на соотношение между принятым сигналом и принятым шумом. Это подтверждается практикой. На Фарерских островах есть три маяковых самолета, выходящих в дневное время чуть выше уровня шума. Они были получены на кнут длиной 30 см, а также на 100 см.

Мысли…

Глядя на штыревую антенну, мы видим в ней что-то знакомое. Вы видите эти антенны везде — как приемную антенну на автомобиле, или как вертикально поляризованную антенну на 2 м./70 см. Электрически существуют большие различия. Антенна длиной 100 см представляет собой полуволновую антенну на 2 м., где напряжение и ток принимают разные значения по длине штыря. На длине волны 2200 м., любительской полосе 137 кГц, эта антенна ведет себя совершенно по-другому. На частоте 137 кГц штырь является емкостью, которая принимает сигналы от связи с электрическим полем.

PA0RDT-Mini-Whip ©

Если мы согласны с тем, что штыревая антенна является емкостью, связанной с электрическим полем, форма ее больше не важна. Антенна работает до тех пор, пока она имеет достаточную емкость. Это может быть медная поверхность на печатной плате. Чтобы убедиться, что это так и есть, я построил буферный усилитель как на рисунке 3 на односторонней печатной плате. «Штырь» состоял из медной области 35 мм х 140 мм. Эта часть была изолирована от усилителя промежутком 10 мм. Затем снова проводились измерения сигналов DCF39, WW-309 и ONO-399,5.

Измерения проводились в саду возле дома. Результаты измерений приведены в таблице 3.

Мы видим, что антенна ведет себя как емкость.  Просто посмотрите данные на площадь 35 мм x 100 мм и 35 мм x 50 мм. Интересен уровень сигнала, принимаемый антенной. Это значение зависит от времени суток. Самое высокое значение в начале вечера. С диполем 2×20 метров это значение составляло -15 дБм. Диполь имел 4:1 балун и 15-метровый коаксиальный кабель, подключенный к измерителю мощности радиочастоты. В pa0rdt-Mini-Whip с медной поверхностью 35 мм x 140 мм уровень принимаемого сигнала составлял -11 дБм. При 35 мм х 40 мм уровень составлял -17 дБм.  На фото 3 представлен pa0rdt-Mini-Whip. Эта активная антенна имеет длину всего 10 см. Установленная на высоте 4 метра, она обеспечивает тот же уровень сигнала, что и дипольная антенна на частоте 3,5 МГц.

Определение размеров

Сила полученных сигналов определяется размером емкости, т.е. размером поверхности меди. Если эта мощность слишком велика, буферный усилитель перегружен. Если емкость слишком мала, то приемник получает недостаточно сигнала. Перегрузка создает интермодуляционные продукты. Избыточный сигнал на входе буфера создает продукты интермодуляции в качестве непрерывного шума S5 в любительском диапазоне 21 МГц. На приемнике с узким входным фильтром интермодуляционный шум будет такой же сильный, как на приемнике с широким входным фильтром. С медной поверхностью 30 мм х 140 мм сигнал в вечернее время имеет максимум -11 дБм. На сильных радиовещательных станциях с частотой 7150 кГц и 7250 кГц имеются продукты интермодуляции третьего порядка на частотах 7050 кГц и 7350 кГц. Однако, слушая 7 МГц, я не могу их воспринимать. Помехи, вызванные интермодуляцией третьего порядка, по-видимому, не представляют проблемы. Интерференция, вызванная интермодуляцией второго порядка, вызывает гораздо большее беспокойство. При максимальном уровне сигнала -11 дБм, широкополосный шум присутствует на частоте 21 МГц. Это позволяет принять практически все сигналы. Если мы сделаем медную поверхность 30 мм х 40 мм, то максимальный сигнал будет -17 дБм. Интерференция на 21 МГц теперь полностью отсутствует. Резисторы на входе буферного усилителя образуют делитель напряжения. Значения могут быть отрегулированы для ослабления входного сигнала. Размер входного сигнала также зависит от высоты, на которой установлен Mini-Whip. Он показывает относительную силу сигнала до высоты 4,8 метра. Это измерение проводилось в открытом поле. Высота не влияет на отношение сигнал / шум.

На рисунке 8 показана принципиальная схема окончательной версии pa0rdt-Mini-Whip ©. Схема построена со стандартными компонентами и является улучшением схемы рис. 3. Точка пересечения второго порядка больше +70 дБм. Точка пересечения третьего порядка лучше, чем +30 дБм. Измеренные значения составляют 78 дБм и 33,5 дБм. У каскада на 2N5109 можно выставить значение тока изменением резисторов 10K и 2K2. Интермодуляция меньше, и мощность, рассеиваемая в транзисторе, также меньше. 2N5109 не нуждается в дальнейшем охлаждении. Если J310 сгорит, 2N5109 останется целым.

Выше 15 МГц, входная емкость J310 играет определенную роль. В обычной активной штыревой антенне вы заметите не так много. Штырь на более высоких частотах работает все больше и больше, как обычная антенна, и это компенсирует потери. На pa0rdt-Mini-Whip этот эффект можно уменьшить, вставив катушку индуктивности между «антенной» и затвором J310, последовательно с входной емкостью схемы. Наилучшая резонансная частота составляет около 25 МГц. Индуктивность можно использовать от 5 до 10 мкГн. На рис. 9 показано, как подается питание pa0rdt-Mini-Whip.

Резистор 1K гарантирует, что при подключении приемника на вход приемника не подается питание (пик тока при заряде емкости в 1 мкФ). Компонент Z называется «Bourns multifuse». Это самовосстанавливающийся предохранитель. В случае короткого замыкания напряжение прекращает поступать. Если питание выключить и включить, предохранитель будет восстановлен. Очень удобно при экспериментировании.

Pa0rdt-Mini-Whip на практике

Я хотел бы много рассказать, но я буду краток. Антенна отлично работает от 10 кГц. Генератор SAQ в Гриметоне, Швеция, принял на частоте 17,2 кГц с уровнем сигнала на 15 дБ выше полосы шума. Авиационные маяки в диапазоне 200-600 кГц могут быть хорошо приняты с этой антенной. Я слышал более 1250 различных NDB: от Alert в северной Канаде до островов Зеленого Мыса на юге, от Казахстана на востоке до Пуэрто-Рико на западе.

На рисунке 10 показан скриншот ARGO, показывающий сигнал NDB PVQ на 376 кГц.  Месторасположение — «Put River Deadhorse», Аляска, на расстоянии 6288 км. Это был первый раз, когда эта станция была принята в Европе. Сигнал поступает по пути, проходящему через Северный полюс. Pa0rdt-Mini-Whip также хорошо работает на частоте 137 кГц. На рисунке 11 показан снимок экрана, на котором показаны пять различных трансатлантических станций.

Антенна работает также хорошо работает на КВ, особенно на диапазонах 160, 80 и 40 метров. Я слушал CQ WW контекст осенью 2004 года с 12.30 до 14.30 по местному времени, принимал JA3AEP. Ничего особенного, скажете вы, но это было на 7 MHz.

Эта антенна должна быть установлена как можно дальше от препятствий. Любое экранирование электрического поля ухудшает прием. В доме она работает очень плохо. Она часто висит на дереве на высоте пяти метров. Для активности /P не забудьте взять короткую мачту, желательно пластиковую (фото 8).

Заключение

В этой статье сказано, что локальный шум, присутствующий в электрическом поле на низких частотах, не распространяется вне дома. Шум, присутствующий в магнитном поле, распространяется снаружи в том числе. Mini-Whip ведет себя на ДВ, подобно емкости, связанной с электрическим полем. Также форма штыря не имеет значения. Штырь может быть заменен, например, медной поверхностью на плате. На основании этой информации была разработана активная антенна, в которой антенна встроена в плату: pa0rdt-Mini-Whip ©. Большое внимание уделялось настройке. Pa0rdt-Mini-Whip © в текущей реализации имеет длину всего 8 дюймов и может принимать от 10 кГц до 20 МГц. Для тех, кому нужна небольшая приемная антенна, я рекомендую изготовить для себя pa0rdt-Mini-Whip ©. Если у вас имеются проблемы с изготовлением, вы всегда можете связаться со мной по этому электронному адресу: [email protected].

Данная статья является переводом оригинала от PA0RDT Mini-Whip. К сожалению ссылку на оригинал я не нашел, имеется лишь скачанный давно PDF файл с описанием.

Скачать оригинальную статью можете здесь: drive.google.com

Вступайте в нашу группу в ВК — https://vk.com/radioreceiver