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.