Приёмная антенна КВ с МШУ

[ES1LL]

В наш цифровой век всё больше внимания уделяется дигитальным способам передачи информации как по проводам, так и по воздуху. Также на рынке уже давно и плотно лежат тонны всяких электрических приблуд для бытового использования. Но врядли кто то (среди стандартного пользователя) задумывался какой мусор вся эта радость выбрасывает в эфир в виде помех. Задумывается над этим 99% радиолюбителей, которые в условиях города помимо грохота и нч гудения в эфире хотят принять ещё и что то полезное в виде голоса зовущей станции. За городом обстановка совсем другая и её мы рассматривать не буем.
Так что же делать бедному радиолюбителю, который живёт в городе да ещё зачастую в многоэтажном здании, наводнённом всяческими преобразователями, выбрасывающими электромагнитный мусор в эфир?

Кажется есть свет в конце тоннеля и это свет не от приближающегося поезда

В конце 80-х - начале 90-х годов в Европе и США среди радиолюбителей стало модно работать на ВЧ-диапазонах на
“магнитные рамки”. Следует отметить, что дальние связи при работе
“магнитнойрамки” на передачу были возможны лишь благодаря тому, что этому способствовала активность Солнца. При обычном
состоянии ионосферы работать на магнитную антенну на передачу крайне
сложно. Широко используют “магнитные рамки” и в качестве антишумовых
антенн.
На западе рамочную антенну с периметром рамки менее 0,1 длины волны называют “magnetic loop” (магнитная петля), рамочную
антенну с периметром более 0,4 длины волны называют просто “loop”
(петля).

Диаграмма направленности рамочных антенн имеет вид восьмерки (рис.3). Благодаря этому антенны и используют для пеленгации.
Если плоскость рамки лежит в плоскости принимаемой волны, то токиI₁ и I_2, наводимые в вертикальных сторонах рамки, имеют разные фазы вследствие их разного удаления от источника сигнала.
При этом работают только вертикальные стороны рамки 1-2 и 3-4,
горизонтальные стороны рамки 2-3 и 1-4 в этом случае не участвуют в
приеме сигнала, имеющего вертикальную поляризацию (1). Если плоскость
рамки составляет 90°
с плоскостью приема волны (рис.4), то токи I₁ и I₂ равны по величине и фазам, и их сумма будет равна нулю. Все это верно только для симметричной рамки.




В реальных случаях всегда наблюдается асимметрия рамки, которая обусловлена влиянием каких-либо
предметов на рамку. В результате этого ее диаграмма направленности
искажается, и проявляется “антенный” эффект рамки. Это происходит из-за
того, что токи, текущие в разных сторонах рамки, не будут симметричными.

Так как рамка реагирует только на магнитную составляющую поля (2), из этого положения нашли
простой выход: рамку электрически экранируют (рис.5). В этом случае в
зазоре экрана разность потенциалов возникает только за счет
противофазных токов наведенной волной на внешней поверхности экрана.
Рамка имеет одинаковую емкость относительно экрана, и в ней наведутся
только противофазные токи. Для дальнейшего улучшения симметрии рамки
используют ее симметричное включение к приемнику, причем в этом случае
используют и трансформатор с электростатическим экраном, который
значительно уменьшает “антенный” эффект рамки (рис.5б).



Очевидно, что для эффективной работы экранированной рамки необходимо, чтобы экран и рамка были выполнены как можно более качественными (скажем, экран – толстая медная труба, а рамка – толстый медный провод). В противном случае и без того малый КПД рамок
будет уменьшен.

В радиолюбительской практике рамочные антенны, в основном, используются как приемные антишумовые
антенны. Чувствительность современных приемных устройств обычно
значительно выше уровня электромагнитного шума в месте приема. Используя
рамочную антенну типа магнитной рамки можно не только значительно
ослабить электрическую составляющую помех, которая обычно преобладает в
шумовом спектре, но и провести селекцию сигнала по направлению. В этом
случае мы имеем ослабление помех и выделение полезного сигнала. Особенно
полезно использование рамок на НЧ диапазонах, где реализуемая
чувствительность приемника, в основном, определяется наличием помех на
этих диапазонах.

Обычно для приема используются настроенные рамки (рис.7).


При использовании магнитных рамок в качестве приемных антенн проблема КПД остро не стоит. Это означает, что можно использовать конденсатор с твердым диэлектриком или воздушный с
трущимися контактами. Рамка может быть многовитковой, вследствие чего
размеры ее могут быть уменьшены. Провод, используемый для рамки, может
быть тонким, часто применяют коаксиальный кабель для выполнения
магнитных приемных рамок. В этом случае внутренняя жила и есть сама
рамка, а экран кабеля выполняет роль экрана рамочной антенны.

В нашем случае будет использоваться нерезонансная магнитная антенна, что слишком упрощает конструкцию в виду отсутствия переменного конденсатора, который как то надо крутить, антенна то у нас будет на крыше! Если антенна будет дома, то можно поставить конденсатор и настраивать рамку в резонанс, однако и шум на резонансе будет возрастать.

В любом случае стоит попробовать оба варианта (нерезонансная и резонансная).

Как отмечалось выше : Очевидно, что для эффективной работы экранированной рамки необходимо, чтобы экран и рамка были выполнены как можно более качественными (скажем, экран – толстая медная труба, а рамка – толстый медный провод). В противном случае и без того малый КПД рамок
будет уменьшен.

Поэтому будем использовать то, что есть в наличии.
А в наличии есть медная трубка 10мм водопроводная.

Долго искал в инте про диаметр антенны. Вариантов много: от 80см до 400см. Буду брать где то посередине: тоесть 160см.

Внутненний провод одножильный 2,5кв.мм

ЕСЛИ У КОГО ТО ЕСТЬ ОПЫТ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ПОДОБНЫХ КОНСТРУКЦИЙ - ОТЗОВИТЕСЬ !

Так как рамка у нас нерезонансная, то вместе с помехами мы ослабляем и полезный сигнал. Поэтому нужен усилитель. Хороший вариант МШУ предлодил Игорь Гончаренко DL2KQ. Вот его статья:

Для приемных рамочных антенн (типа "флагов") требуется усилитель. С уровнем шума и усилением проблем нет. Это сделать легко.

Но такие антенны из-за маленького полезного сигнала требуют от усилителя очень высокого коэффициента ослабления синфазной составляющей (КОСС или по английски CMRR от
Common-Mode Rejection Ratio), т.к. иначе принятые оплеткой
питающего кабеля паразитные сигналы полностью испортят работу антенны (что часто
и случается и служит источником мнения, что работают такие антенны так себе).

Проще всего это реализовать, сделав усилитель дифференциальным с большим КОСС.Причем нужен именно усилитель. Структурная схема вида:
симметрирующий трансформатор + несимметричный усилитель хорошего результата не даст.
Даже у лучших таких трансформаторов коэффициент подавления синфазной составляющей
на 1,8 и 3,6 MHz (а приемные антенны нужны в основном на НЧ диапазонах) редко
превышает 40 dB (речь о высокоомных трансформаторах). А нам
этого мало: типичное
усиление приемной антенны -30 dBi, её
отношение F/B еще 20 ... 30 dB, значит нам требуется минимум 50 ... 60 dB ослабления
синфазной составляющей.

Дифференциальные же усилители такое подавление могут иметь. Но для этого они должныбыть интегральными. Идея сделать дифкаскад на дискретных транзисторах разбивается
о практическую невозможность подобрать пару транзисторов с точностью 0,3 ... 0,1 %
(это те же 50 ... 60 dB подавления, только выраженные в процентах).

Обычное выполнение дифференциального каскада на операционном усилителе такое подавление дает,но имеет для нас тот недостаток, что входные импедансы обоих входов получаются
разными. От этого антенна теряет симметрию.

Решением, полностью нас устраивающим, является применение специализированногодифференциального усилителя AD8129.Ниже 4 MHz он имеет КОСС выше 80(!) dB и два дифференциальных входа с равным и очень
высоким (> 4 MOhm) импедансом. Отдельным плюсом AD8129 является то, что
дифференциальные входы не используются для установки усиления, т.е. их не надо
нагружать чем-либо дополнительным.

Принципиальная схема усилителя показана на следующем рисунке. Черным цветом на ней показаны элементы, устанавливаемые в любом случае, красным - только
при работе с ферритовой магнитной антенной, зеленым – только при работе с рамкой.

Коэффициент усиления (в данном случае он равен 30) по напряжению задается отношением
резисторов R7/R6. Эти резисторы никак не влияют на входной импеданс по рабочим
входам (выводы 1 и 8 микросхемы DA1).

Питание микросхемы двухполярное (обратите внимание, в схеме две разные земли).Фильтры L1-C2-C4 и L2-C3-C5 развязывают питание (это в дополнение к КОСС).
Среднюю точку (землю усилителя) задает стабилизатор DA2.

Питание на усилитель может поступать по общему коаксиальному кабелю (как показано на схеме). Для дополнительной развязки от грязи с внешней стороны оплетки
установлен развязывающий дроссель T2. Он намотан НЧ ферритовом сердечнике, его
индуктивность >1 mH. Радиочастотный дроссель L4
разделяет питание и выходные ВЧ сигналы.

Если питание на усилитель поступает не по коаксиалу, а по отдельному проводу, то L4 не нужен, а T2 делается двухобмоточным. В таком случае обе обмотки T2
мотаются в одну сторону (как в любом дросселе питания) а + напряжение 12 В
подается на вход DA2 через вторую обмотку T2.

Выход усилителя через R8 подключен к разделительному ВЧ трансформатору T1, смалой межвитковой емкостью и отношением обмоток 1:1. Этот трансформатор нужен для развязки по синфазному
сигналу между
землей усилителя и оплеткой коаксиального кабеля снижения. Резистор R8
согласовывает трансформатор Т1
(у самого DA1 выходное сопротивление низкое).

Защитные диоды VD7 VD8 (любые кремниевые высокочастотные) предотвращают перегрузкуприемника (DA1 может выдать до 5 В амплитуды, что не всем приемникам понравится).
С7 разделительный.

Элементы L3, С10 разделяют в шеке питание усилителя и вход приемника.
Дроссели L3, L4 с индуктивностью от 200 мкГн и выше.
Но вернемся из шека ко входу усилителя: выводам 1 и 8 DA1. Как ужеупоминалось, это высокоомные дифференциальные входы с высоким (> 80 dB) КОСС.
С ними надо решить три проблемы:

Привязать по постоянному току. Это делают резисторы R3, R4. Их номинал не очень важен (кроме работы с ферритовой магнитной антенной, см. ниже) от
100 k до 1 M. Но отчаянно важна их идентичность: их придется подобрать на
цифровом тестере с отличием не более 0,1% (лучше еще меньше). Иначе они
перекосят вход
усилителя, с соответствующим снижением КОСС.

Защитить входы при работе передатчика. Пара ВЧ диодов VD5, VD6 с этим справляется.

Подключить антенну и нужные ей элементы. Это зависит от того какая антенна будет использоваться:

Если это рамка, например "флаг", то она подключается прямо ко входам. Дополнительно устанавливается резистор R2 с сопротивлением, равным
входному рамки (обычно несколько сотен ом)

Если это ферритовая магнитная антенна, то R2 отсутствует, а устанавливаются варикапы перестройки VD1 -VD4 (я использовал
BB640) и цепи управления ими из шека: R1, R5, C1, C9. Кроме того, при работе
с ферритовой магнитной антенной (МА) надо подумать над номиналом R3 и R4.
Он определяет добротность контура антенны (конечно, помимо холостой добротности
самой катушки антенны). В зависимости от индуктивности, холостой
добротности МА и желаемой полосы пропускания (без перестройки) и
следует выбрать номиналы R3, R4.

На следующем рисунке показан спектр в полосе 100 kHz на выходе описываемого усилителя при
номиналах R3 R4 по 390 k и подключенной ферритовой магнитной антенне на стрежне
с μ = 400 диаметром 8 mm и длиной 100 mm. Диапазон
160 м, антенна находится внутри помещения, поэтому кроме полезных сигналов видно
еще и множество помех и степень их ослабления:

 На выходе уровень эфирного шума на резонансе МА составляет - 93 dBm (вертикальная шкала на
рисунке в dBm), т.е. 5 uV, что примерно соответствует уровню шума с полноразмерной
антенны. Если надо изменить усиление, то делается это делителем R7/R6. AD8129
может обеспечить усиление до 100 раз на НЧ КВ диапазонах.

Конечно, для нормального приёма, антенна должна быть вынесена куда-нибудь подальше и повыше от местных источников помех.

Красная часть схемы нас не интересует. Ставим резистор 620 Ом и подключаем к нашей рамке.

Источники: DL2KQ, cqham.ru

Сейчас конструкция на стадии проектирования платы под SMD компонены. Буду дополнять по мере продвижения.

Вся SMD рассыпуха (кроме Т1 и Т2) и усилитель есть в Oomipood !
Трансформатор Т1 можно изготовить самому или купить с ebay.


[ES1LL]

Итак, наконец то пришли мои SMD детальки из Oomipood.
Засел в sprint layout 6 portable, отрисовал плату с учётом размеров деталек.

Так как питание усилителя будет по отдельным проводам, то согласно рекомендациям автора, из схемы исключил L4, а Т2 сделал двухобмоточным.

Получилось как то так:



Печатная плата делалась методом ЛУТ. Вспомнил молодость. Тонер конечно местами дал проплешины, но для бета-варианта сойдёт.
На вход усилителя поставил реле. Дело в том, что приёмная антенна будет располагаться недалеко от передающей, а это выведет усилитель из строя
когда буду работать 100Ваттами.
Поэтому система будет сделана так, что когда на усилитель подаётся питание, реле размыкает контакты и рамка
не закорочена. При переходе на TX питание с усилителя снимается и реле
замыкает вход усилителя накоротко.

Вот что получилось в итоге 40 минутного шаманства:


Впереди сверление, облуживание и пайка смд.

[ES1LL]

Немного новых фоток:

Общий вид антенны.
Алюминиевая трубка диам. 25мм. Две распред. коробки.
Внутри антенны продет медный провод 2.5мм^2

Усилитель.

[ES1LL]

Продублировал с форума DL2KQ:

Немного о первом тестовом включении усилителя. Из измерительного оборудования: свисток на RTL2832+ конвертер на КВ.
При первом запуске усилителя проверил чтобы ничего не грелось.
Однако чип после минутной работы довольно сильно нагрелся (вход закорочен
перемычкой). Померил напряжение питания: одно плечо +5,8В второе -5,3В
Предположил, что видимо накосячил с землёй и поэтому *накрыл* компоненты с
усилителем медной фольгой, которую припаял к общему проводу.
Микросхема греться перестала (видимо был возбуд) - фольга прикасается к
поверхности микросхемы и поэтому нагрев легко отслеживать.

Подключил уcилитель к конвертеру, запустил программу HDSDR. Там нижняя граница
шума где то -125Дб. S-метр показывает 1 балл. При подключении усилителя с
 закороченным входом уровень шума возрос где то на 2Дб. По S-метру до ~2
 баллов.
Подвесил рамку в подвале 9 этажки к потолку рядом с лампами дневного света.
Далее подключил рамку. Уровень шума по S-метру поднялся до 5 баллов.
Полез на 40м ловить вещательные станции. И наловил довольно много! Из Китая сигнал был на 59+5 с QSB.
На 80м выловил спец. станцию на диплом 5 океан с сигналом 55-57
На 160м ничего не выловил
Впереди испытания на крыше 9 этажки.
Полагаю, что усилитель работает.

Теперь немного про Т2.
Питание у меня отдельное. Т2 мотал на кольце тёмнозелёного цвета. Обе обмотки
содержат по 15витков провода 0,4мм. Вот про намотку я не совсем понял из
 статьи.
Мотал так, что начала обмоток находятся в одной точке, а дальше витки расходятся, т.е одна катушка пошла вправо, вторая - влево и
 вконце также заканчиваются вместе. Обмотки более-менее равномерно по
кольцу.
Так вот поигрался с этим трансформатором, меняя начала и концы обмоток и ничего в уровне шума не заметил. Может намотал
неправильно. Надо попробовать с батарейкой запитать.

Дополнение: принёс антенну домой, подключил к трансиверу. Шум 59+5 Замыкаю накоротко вход микросхемы, шум 2 балла...
Картина одинаковая как от батареек, так и от БП.
Далее убрал Т2 и взял выход с R8 через развязывающий конденсатор. Шум на 160м 1 балл, на 80м - 3 балла и на 40м -7 баллов.
Видимо придётся ставить самодельный T2. Я брал готовый  TX1-R5

[ES1LL]

Вчера продолжил шаманить. Отпаял Т2 который SMD. Намотал на 43 материале. Результат - то же самое. Когда рамка в резонансе, шумы доходят до 59+10.
Поменял микросхему, бестолку. При закороченном входе шумы 3 балла стабильно на всех диапазонах.
Засада какая то.

[ES1LL]

В общем спроектировал новую печатную плату и сегодня попробую воплотить в железе.
Если шумы останутся на прежнем уровне, то придётся что то творить с трансформаторами...

[ES1LL]

Итак. после долгих шаманств с антенной и общения с Игорем на его форуме получилась вот такая схема и конструкция.



Т2 намотал на кольце зелёного цвета, индуктивность получилась где то 3mH.
L4 намотал на кольце жёлтого цвета от фильтра питания какой то разломанной материнки.

Выглядит всё это вот так:


Экспериментальный вариант без КПЕ.

Итоги всего шаманства:

Вынес на крышу, подключил. На 40м работает прекрасно!
Шум в резонансе 55-56, станции идут до 59+15

На 7215 гремело радио из Китая аж до 59+60 !

На 80м рамка не в резонансе: шум 1-2 балла. Станции идут до 4 баллов.
На 160 рамка не в резонансе: шум 1-2 балла. Станций не слышал.

[ES1LL]

Вот так она работает на 80м.
http://www.youtube.com/watch?v=cYlSclpB0mY

[ES1LL]

В качестве поворотного устройства для антенны взят мотор от спутниковой антенны, *хобот* которого спилен и на него насажена труба внутр. диаметром 55мм.
Трубу пришлось брать из чёрного металла, т.к ради 20см отрезка не стал покупать 5м алюминиевой (меньше не продают).
В трубу вставлен профиль, который держится в трубе на шпильках, расположенных крестообразно снизу и сверху.
Швы и болты промазаны мастикой и покрашены вместе с корпусом краской по металлу.
Конструкция в сборе весит больше антенны около 2кг.
В моторе переделана система остановки (переставлены концевики). Управление реверсивное по 2 проводам с перекидкой полярности.
Фото сего чуда:

[ES1LL]

Для переключения диапазонов буду использовать реле и конденсаторы.
Схема будет выглядеть таким образом:


При подаче питания реле К1 работает на размыкание и рамка подключена ко входу усилителя. При снятии питания, рамка закорачивается чтобы при передаче на соседнюю антенну не спалить вход усилителя.
При отсутствии питания реле К2 антенна резонирует на 80м, при подаче питания переключается на 160м.

[ES1LL]

Финальный вариант. Высыхает после покраски.

Управление по 5 проводам:
3 провода питания и 2 на поворотку.
На провода надеты ферритовые защёлки.
Антенна правда не совсем круглая

[ES1LL]

andyjohnson,
Я создал новую ветку по магнитным антеннам в т.ч по передающим. http://hf-uhf.eu/forum/36-240-1 и перенёс наши сообщения туда.

[andyjohnson]

Видел, понял.

[ES1LL]

Доделал и поставил на крышу.

[ES4AW]

Сравнение антенн MiniWhip и диполя https://www.youtube.com/watch?v=QXBOGIJIDug.

Также часто полезно читать комменты, где деляться ссылками. Под этим видео хорошо отзывались про эту антенну

http://www.lz1aq.signacor.com/docs....nna.htm

RA0SMS собирает рамку с предусилителем на микросхеме как у тебя

http://www.qrz.ru/classif...._264464

и даже продаёт на eBay

http://www.ebay.com/itm....3084711