Усилители для резонансных, а также апериодических рамочных и прочих магнитных антенн

Схемы широкополосных бестрансформаторных дифференциальных усилителей для приёмных антенн с диапазоном усиливаемых частот 50 кГц – 150 МГц

Основными поводами для написания этой статьи послужили два обстоятельства:
1. Эксперименты, проведённые с регенеративной резонансной рамочной антенной, показали её заметное преимущество по сравнению с апериодической (широкополосной) рамкой по части отношения сигнал/шум, а соответственно, и количеству принимаемых станций;
2. Среди сообщений, приходящих мне на почту, периодически стали попадаться письма с вопросами о настройке антенного усилителя, описанного И. Гончаренко на странице – "Дифференциальный усилитель для приёмных рамочных и ферритовых антенн".
И хотя я редко отвечаю на вопросы, связанные с чужими устройствами, по поводу вышеупомянутой конструкции всё ж таки отвечу. Попытки изготовить малошумящий антенный усилитель на AD8129, представляющей собой ОУ с 200-мегагерцовой частотной полосой и усилением при разомкнутой цепи ОС 88 дБ – это не самая удачная затея.
Во-первых, установленный Ku = 30 (который для дифференциального входного сигнала будет ещё в два раза выше) – это для резонансной рамки, работающей в городских условиях, величина явно избыточная и создающая предпосылки для появления интермодуляционных искажений при неблагоприятной шумовой обстановке. Попытки существенно уменьшить усиление ОУ приводят к его возбуждению, что, в принципе, для столь высокочастотных микросхем при увеличении глубины ООС является делом привычным. Причём, как я понял, никакого решения на форуме уважаемого автора эта проблема до сих пор не нашла.
Во-вторых, шумовые характеристики антенного усилителя на AD8129 оставляют желать лучшего, и любой стандартный усилитель на дискретных элементах с нормированным коэффициентом шума окажется в этом отношении значительно более предпочтительным.

Однако оставим все перечисленные рассуждения участникам радиофорума, а сами перейдём к сути дела и, собственно говоря, самой статье.

Кто бы там что ни говорил, но резонансное включение магнитной рамочной антенны всегда будет эффективней апериодического (широкополосного). Если не углубляться в детали, то объясняется это довольно просто – существенным увеличением энергии взаимодействия антенны с внешним полем за счёт резонансного накопления энергии принимаемого сигнала.

Известный болгарский специалист в области рамочного антенностроения Шавдар Левков (LZ1AQ) приводит следующие сравнительные тесты резонансной рамочной антенны с апериодической рамкой такого же размера:



Рис.1 Сравнение двух рамочных антенн. Верхняя панорама – это сигнал от 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. Обратите внимание, что отношение сигнал/шум в резонансной рамке на 6–10 дБ выше, чем в широкополосной рамочной антенне. Жёлтые диаграммы – это выходной сигнал усилителя при замене рамок тороидальными катушками с индуктивностями, эквивалентным индуктивностям рамок. Эти диаграммы дают представление о примерном уровне собственного внутреннего шума сравниваемых активных антенн.

Сильно увеличивать добротность приёмных рамок выше приведённого LZ1AQ значения (Q=25) большого смысла не имеет, так как эффективность антенны при этом повышается не настолько существенно, насколько заметно растёт неудобство её эксплуатации, связанное с сужением полосы пропускания и необходимостью постоянной подстройки резонансной частоты.
Поэтому входное дифференциальное сопротивление усилителя, работающего с подобной антенной, следует выбирать исходя из 10...20 кОм. Шунтирование контура рамки именно таким сопротивлением снизит её добротность до относительно комфортных значений.

Что же касается коэффициента усиления, то он не должен быть таким же высоким, как у усилителя для апериодической конструкции, так как ЭДС, наводимая в резонансной антенне довольно высока (по сравнению с широкополосной) и при значительном значении Ku возникает вероятность появления всякого рода нелинейностей.

Поскольку рамочные антенны, имея сопоставимые размеры, могут работать в широчайшем диапазоне частот (от длинных до ультракоротких волн при соответствующем количестве витков), то частотный диапазон антенного усилителя желательно выдержать на таком же высоком уровне. А учитывая то, что трансформатор с таким частотным перекрытием выполнить, мягко говоря, довольно сложно, то схема усилителя должна быть бестрансформаторной.

Итак, тезисы сформулированы, пора переходить к электрической схеме.


Рис.2 Схема дифференциального усилителя для резонансной магнитной антенны с полосой усиливаемых частот 50 кГц...150 МГц

Усилительный каскад на транзисторах Q3, Q4 – это аналог дифференциального усилителя, выполненный на комплементарных (разной проводимости) транзисторах. Для использования в составе широкополосной рамочной антенны подобный каскад был изначально предложен в статье, опубликованной в журнале Elektor Electronics – №1/ 2000, после чего перепечатан различными изданиями и успешно опробован многочисленной радиолюбительской братвой.
Однако в чистом виде такой каскад имеет некоторые, но весьма существенные недостатки в виде: некоторой разницы сопротивлений входных импедансов, приводящей к в снижению коэффициента подавления синфазной составляющей, а также самих величин этих импедансов. Для полноценного согласования с апериодической рамочной антенной этот импеданс оказывается слишком высоким, а для согласования с резонансной рамкой – слишком малым.

Эмиттерные повторители на транзисторах Q1, Q2 призваны повысить и нормализовать (привести к определённому уровню) значения дифференциальных входных сопротивлений усилителя.
Для наилучшего результата пару этих транзисторов следует подобрать по коэффициентам передачи тока, которые должны быть по возможности максимально высокими и максимально близкими.
Кстати, Q3 и Q4 также будет полезно подобрать с близкими β.

Элементы R1, R2, D1, R4 образуют цепь смещения эмиттерных повторителей и дифференциального усилителя, задавая их режимы по постоянному току.

Резисторы R3 и R5 определяют дифференциальное входное сопротивление усилителя, которое при приведённых номиналах составляет ~ 20 кОм.

Каскад на транзисторе Q5 – это эмиттерный повторитель, согласующий выход антенного усилителя с 50-омным сопротивлением кабеля. В случае значительного отдаления усилителя от приёмника (длине кабеля свыше 10 метров) в выходном каскаде следует использовать более мощный СВЧ транзистор (например, BFR91), увеличив ток его покоя до 40...45 мА.

При указанных на схеме номиналах элементов коэффициент усиления устройства составил:
около 13 дБ по каждому из входов и около 19 дБ при подаче дифференциального сигнала на оба входа.
Коэффициент подавления синфазной составляющей, равный отношению модулей коэффициентов усиления дифференциального и синфазного сигналов, составляет:
54 дБ для частот 50...500 кГц;
48 дб для частоты 2 МГц;
35 дб для частоты 10 МГц;
28 дб для частоты 30 МГц;
Максимальная выходная амплитуда неискажённого сигнала без нагрузки: 6 В (pk-pk);
Максимальная выходная амплитуда неискажённого сигнала на 50-омной нагрузке: 1.5 В (pk-pk).

Светодиод D1 – любой с падением прямого напряжения около 3В. Наиболее подходящими являются маломощные приборы белого или синего цвета свечения.

Налаживание усилителя сводится к установке на коллекторе Q4 значения напряжения – 3,9 В.
Производится это посредством подстроечного резистора R2, причём перед началом настройки этот резистор (во избежание превышения тока транзисторов) следует установить в состояние нулевого сопротивления (по схеме – средний вывод вниз).

Усилительный каскад на транзисторах Q3, Q4 также может служить основой и для нерезонансной (апериодической) рамочной антенны. Поскольку на частотах, отличающих от частоты собственного резонанса рамки (около 14МГц для экранированной рамки d=70см), такая петля обладает очень низким сопротивлением, то для приемлемого согласования входное сопротивление усилителя также должно быть низким, а его коэффициент усиления должен в несколько раз превышать Ku усилителя для резонансной конструкции.

Приведём схему усилителя и для такой апериодической магнитной антенны.

Рис.3 Схема дифференциального усилителя для апериодической (не- резонансной) магнитной антенны с полосой частот 50 кГц...150 МГц

Здесь всё выполнено по аналогии с предыдущей схемой, изображённой на Рис.2, за исключением того, что входные эмиттерные повторители заменены на усилительные каскады с общей базой.

Входные резисторы R1 и R2 служат для ограничения Ku усилителя до значений 30 дБ по каждому из входов и около 36 дБ при подаче дифференциального сигнала на оба входа. Значения данного параметра приведены с учётом подключения к выходу усилителя 50-омной нагрузки.

Дифференциальное входное сопротивление усилителя с учётом этих резисторов составляет ~ 30 Ом.

Налаживание усилителя сводится к установке на коллекторе Q4 значения напряжения – 2,7 В, что можно сделать посредством точного подбора номинала резистора R16.