Широкополосная активная рамочная антенна с усилителем Левкова
Загоняем маленькую рамочную антенну в режим короткого замыкания для получения низких шумов и плоской АЧХ в широком диапазоне частот
Болгарин Шавдар Левков (LZ1AQ) – это практически наш Владимир Тимофеевич Поляков, то есть довольно известный в мировом радиолюбительском сообществе разработчик
электронных устройств,
а также большой и активный популяризатор радиолюбительского творчества. В нашей стране Левков в основном известен своими разработками в
области различных приёмных (в основном укороченных антенн). Поэтому и знакомство с этим маститым радиолюбителем мы начнём именно с такой небольшой рамочной
антенны, а также схемы широкополосного усилителя для неё:
Wideband Active Small Magnetic Loop Antenna
[http://lz1aq.signacor.com]
Широкополосные малые магнитные рамки используются уже 3-4 десятилетия, и мне было любопытно посмотреть, какого результата можно с их помощью достичь,
а также оценить их полезность в качестве широкополосной антенны для SDR.
Антенну следует использовать с усилителем, поскольку ток в контуре рамки очень мал.
Этот усилитель должен обладать очень низким входным сопротивлением, так как для достижения плоской АЧХ в широком диапазоне частот контур рамки должен
работать в режиме короткого замыкания.
Диаметр рамки составляет около одного метра. Она должна быть выполнена максимально толстым проводником. Материалом может быть медь или алюминий –
добротность контура большого значения не имеет. Более важным фактором является низкая индуктивность контура. Петля диаметром 1 м из алюминиевого провода
d=3,4 мм обладает индуктивностью около 4 мкГн. Позже я использовал рамку диаметром 0,9 м. Петля изготовлена из двухстороннего стеклотекстолита (Рис.1).
толщиной 1,5 мм и шириной 20 мм, что снизило её индуктивность до 3 мкГн. Для городских районов, где уровень шума намного выше, можно использовать
рамки меньшего диаметра.
Рис.1 Конструкция рамочной антенны и активного усилителя Левкова
Принципиальная схема усилителя активной рамочной антенны приведена на Рис.2.
Рис.2 Схема активного усилителя Левкова для рамочных антенн
Усилитель представляет собой дифференциальный усилитель с входными каскадами с общей базой. Дифференциальное входное сопротивление усилителя составляет
около 3 Ом на частоте 1 МГц. Это сопротивление возрастает с частотой (на частоте 30 МГц оно составляет 7 Ом), что обеспечивает равномерность коэффициента
антенны (фактор антенны) в широкой полосе частот. Также этот низкий входной импеданс снижает чувствительность антенны к электрическому полю до
минимального уровня.
Коэффициент усиления усилителя выбран из тех соображений, чтобы вместе с рамочной петлёй фактор антенны составлял примерно 0...+6 дБм-1.
В этом случае уровень шума усилителя будет примерно на 10...15 дБ выше типового уровня внутреннего шума трансивера с чувствительностью -130 dBm.
Дальнейшее увеличение коэффициента усиления только увеличит уровень нелинейных искажений.
Применение дифференциального усилителя позволяет снизить выходной уровень нелинейности 2-го и всех чётных порядков на 20...30 дБ. Искажения второго порядка
являются основным источником паразитных сигналов в этой антенне, а степень их снижения зависит от
идентичности пар транзисторов и обмоток (L4, L5) выходного широкополосного трансформатора.
Популярные транзисторы PN2222A имеют достаточно линейную характеристику, коэффициент шума 4 дБ и приемлемую мощность рассеивания.
Использование малошумящих транзисторов не приводит к существенному улучшению уровня шума.
При этом для уменьшения искажений 2-го порядка следует использовать согласованные по h21 пары транзисторов.
Коллекторные токи первой и второй пары составляют: 25 мА и 40 мА соответственно. Транзисторы работают без радиаторов.
Если рамку предполагается использовать для высоких частот вплоть до 50 МГц, то пару выходных транзисторов следует выбирать с FT > 1ГГц, например, BFR96 или что-то
подобное.
Поскольку фактически рамочная антенна работает в режиме короткого замыкания, в данной схеме классического согласования антенны с входом усилителя нет.
Я смоделировал несколько решений с входными широкополосными трансформаторами и получил небольшое снижение уровня шума на некоторых частотах.
Но поскольку это снижение было незначительным, то я оставил самое простое решение без трансформатора.
Входной НЧ фильтр (C5, L1, R21, C10, L2, R22) служит для уменьшения сигналов из диапазона FM-вещания. Добротность фильтра регулируется резисторами R21, R22.
У меня рядом с городской квартирой расположены мощные FM-станции, так что без этого фильтра возникают нелинейные искажения. Если поблизости нет
FM-передатчиков, то этот фильтр можно не использовать.
Этот усилитель может выдерживать поля очень высокой интенсивности без дополнительной защиты. Например, рамка была установлена в 20 м от полноразмерного
антенного излучателя с усилителем мощностью 1,5 кВт и безупречно работала в течение 48 часов радиолюбительского конкурса SW.
Резистор статического рассеяния номиналом 100 кОм может быть подключен между общей точкой антенного усилителя и землёй.
Возможные синфазные токи уменьшаются за счёт использования разделительных трансформаторов, дросселей и балунов между усилителем и подключаемыми
устройствами.
Технические характеристики активной рамочной антенны Шавдара Левкова:
Диаметр петли: 1 м, 1 виток;
Материал петли: алюминиевая жила диаметром 3,4 мм;
Индуктивность: 4 мкГн;
Коэффициент (фактор) антенны Ka : 6 дБм-1 при 10 МГц (рассчитано по модели spice) –
входной сигнал 1 мкВ/м выдает выходное напряжение 0,5 мкВ;
Неравномерность: В пределах 3 дБм-1 в диапазоне 0,5 – 30 МГц; (рассчитано по модели spice);
Минимальный уровень шума: >= 0,7 мкВ/м (рассчитано по модели spice);
Источник питания: внешний, 13,5 В > 150 мА;
Динамический диапазон: Точка 1 дБ компрессии >= 130 дБмкВ/м (выходное напряжение 5,6 В/м пик-пик, по модели spice).
Сравнительный тест данной рамочной антенны и полноразмерной 60-ти метровой "long wire", проведённый автором в сельской местности, на
мой взгляд, большого интереса не представляет ввиду очевидности выявления победителя.
А вот сравнение этой рамки с низкодобротной (Q=25) резонансной
рамочной антенной весьма интересно и, к сожалению, полученный результат свидетельствует явно не в пользу широкополосной конструкции.
Рис.3 Сравнение двух рамочных антенн. Верхняя панорама – это сигнал от настроенной резонансной низкодобротной (Q=25) рамки. Нижняя – от широкополосной.
Обе петли имеют диаметр 0,86 м и расположены на расстоянии около 5 м друг от друга. Само собой разумеется, что резонансная рамочная антенна подключена
совсем к другому усилителю.
Обратите внимание, что отношение сигнал/шум в резонансной рамке на 6–10 дБ лучше, чем в широкополосной рамочной антенне.
На жёлтые диаграммы особого внимания можно не обращать. Это выходной сигнал усилителя, когда рамки заменены тороидальными катушками с такими же
эквивалентными индуктивностями, как и соответствующие рамки. Данные кривые дают представление о примерном уровне собственного внутреннего шума сравниваемых
активных антенн.
|