Ферритовая антенна для SDR

Автор: sathv
Опубликовано 11.11.2019
Создано при помощи КотоРед.

                                                                     ФЕРРИТОВАЯ АНТЕННА ДЛЯ SDR И "АКТИВНАЯ КАТУШКА".
          Недавно получил заказанный в Aliexpress SDR приемник RTL2832U R820T2 V.3. Так как на частотах ниже 50 МГц его чувствительность мала, появилось желание сделать маленькую антенну хотя бы на часть этого диапазона, пусть не очень удобную в настройке, но простую. Главное- полюбоваться спектрограммами, которые рисует SDRSharp.
           Поскольку первый и последний радиоприемник собирал в далеком безоблачном детстве, выбрал обычную магнитную антенну на сердечнике из ВЧ-феррита и усилитель с входным каскадом на полевом транзисторе и выходом 75 Ом для подключения к RTL или обычному радиоприемнику.
            Преимущества магнитной антенны:
- нечувствительность к электрической составляющей поля, которая преобладает в ближней зоне (для точечного электрического излучателя в спектре КВ это несколько метров, для полноразмерного L= λ/2π ),
- направленность,
- селективность, определяемая добротностью катушки на сердечнике.
            Антенна получилась для не широкой полосы частот- от 5 до 16 МГЦ. Но есть радиовещание и любительские диапазоны- для начала достаточно.
В качестве сердечника ферритовой антенны использованы целые и ломаные ферритовые стержни, штук пятнадцать, проницаемостью 100 или 50. Упаковал их в полиэтиленовую трубку диаметром 40 и длиной 250мм и облил эпоксидкой. Магнитная проницаемость такого "сердечника" получилась около 20, а его неоднородность по-моему представлению не имеет значения. Для обмотки изготовил "литцендрат" из шести проводов ПЭВ диаметром 0,7мм, обернул его сантехнической лентой ФУМ. Добротность полученной таким образом катушки оказалась высокой. На частоте 6МГц 100, а на 16МГц около 80. Стало понятно, что задуманная антенна имеет перспективы- узкую полосу и большое усиление (оно пропорционально добротности).
            Считая, что лучшая борьба с синфазной наводкой это ее исключение в принципе, входной контур МА на ферритовой антенне намотал по возможности симметрично, для связи с усилителем использовал отдельную катушку, настройка контура производится конденсатором без заземленной обкладки, "симметричным"- такой можно найти на даче или в металлоломе. Также, не применено заземление средней точки входной катушки, которое на мой взгляд только вредно.

Схема усилителя показана на рис1. Ее главное достоинство- простота. Из нее же следуют недостатки,- не выполнена температурная стабилизация режимов; выходной транзистор рассеивает большую мощность. Может быть, параллельно катушке связи придется поставить конденсатор емкостью 20-30 пФ, чтобы устранить возбуждение каскада на полевике через емкость сток-затвор. На выходе включен ТДЛ для получения низкого выходного сопротивления. Если увеличивать усиление или запитывать усилитель от сетевого источника питания, сборка "антенна- приемник" может возбуждаться и терять чувствительность. Поэтому усиление установлено 12-20 дБ (генератор на входе нагружен на 75 Ом и нагрузка на выходе такая же), для питания использован аккумулятор 12В.
             Антенна показана на рисунке 2 и 3. Конструкция выполнена из неоднократно переделанного макета, поэтому, скорее, является примером как делать не надо.

Ширина полосы пропускания антенны примерно соответствует полосе контура на сердечнике как видно на рисунке 4.

             Хотя сравнение активной антенны с полноразмерной очень условно, без объективной оценки не обойтись. Для этого использован короткий вибратор с длиной плеча 0,5м. SDRSharp (в качестве S-метра) показывает, что он проигрывает ферритовой антенне примерно 20 дБ (пренебрегая шумом усилителя). Эффективная длина (действующая высота) короткой антенны считается равной ее половине, т.е. 0,5м. Напряжение большее в 10 раз (20 дБ) дает антенна длиной 5м. Эффективная длина полуволнового диполя равна λ/π . Если взять длину волны 30 с небольшим метров, то действующая высота диполя окажется 10 м. Тогда 10/5=2 раза или 6дБ, т.е. усиление ферритовой антенны относительно диполя будет -6дБ.
            Для оценки помехозащищенности антенны сравнил ее с телескопической антенной транзисторного радиоприемника при наличии близкого источника помех- тиристорного регулятора паяльника. С ферритовой антенной помеха заметно меньше,
точнее сказать нельзя, потому что сравнивал на слух, учитывая действие АРУ. Корпус из жестяной банки, использованный как экран, заметного эффекта не дал.
            Для резонансной антенны важно иметь представление о коэффициенте ее передачи вне полосы пропускания. Например, при настройке на станцию на частоте 9705 КГц ее уровень составляет -10дБ, а при отстройке на 100КГц уровень полезного сигнала снижается до -40дБ. Ослабление в полосе помехи составляет 30дБ- не впечатляет и грозит перегрузкой приемника при хорошем прохождении радиостанций, но усложнять конструкцию нет смысла.
            По моему мнению получилась конструкция, которая пригодна для демонстрации возможностей SDR. Но мне больше понравилось слушать радио с транзисторным приемником- старым ВЭФ-202, подключив выход магнитной антенны к сложенной телескопической антенне приемника(она подключена непосредственно к отводу входных КВ контуров ), а общий провод к земле приемника. Забытый радиоприемник стал более чувствительным и меньше забивается помехами. Но антенну нельзя располагать слишком близко к радиоприемнику,- видимо, в некоторых случаях она ловит сигнал гетеродина и приемник перегружается. То же касается и подключения к SDR- на системный блок антенну нельзя ставить точно, поскольку он создает помехи в широком спектре.
             Казалось бы, можно отвлечься от радиоприема, но захотелось узнать,- до каких частот можно собирать антенны с многовитковыми катушками? Реализуемы ли они в диапазоне УКВ-ФМ вещания? Для этого была намотана катушка с собственной резонансной частотой выше 110 МГц, к ее части подключен антенный усилитель SWA-9001. А в качестве элемента настройки резонансной частоты предусмотрено небольшое изменение длины катушки . То есть, даже не требуется схема- достаточно рисунка на рис.5.  

              Там же предполагаемая эквивалентная схема. Существенно, что резонансные катушки являются именно приемными, преобразующими электромагнитное поле в ток трансформатора связи. Они не удлиняющие, используемые для согласования сопротивлений.
Для краткости назовем устройство "активная катушка "- АК.
             О свойствах АК можно судить сравнивая ее с квадратной рамкой на 100 МГц, висящей под крышей дома. По данным SDRsharp'а как S-метра на частоте 100,9 МГц (там работает маломощный УКВ передатчик) и, конечно, при выключенной АРУ SDR выигрыш АК составляет около 6дБ. Если добавить 4,7дБ усиления рамки, то получается, что усиление АК относительно изотропного излучателя составляет 10дБ.
Данных по продаваемым активным антеннам я не нашел, но по ширине их диаграммы направленности и шумам можно предположить, что они сопоставимы с антеннами усилением 5-15дБ .
АК настроена на диапазон 90-100 МГц, там работают более далекие радиостанции, за которыми интересно наблюдать. Полученная АЧХ приведена ниже
F, MHz     |90 |95 |100 |105
K, dBi      |5   |10 | 10 |  3
Рядом с этим диапазоном АК напоминает рамку, а еще далее штыревую антенну.
           В АК использован антенный усилитель SWA-9001с симметричным входом и входным сопротивлением 300 Ом, подключенный к 4му и 8му виткам катушки. Катушка из круглой четырехмиллиметровой медной шины имеет 13 витков (т.е. 12витков и по +/- полвитка на настройку), диаметр 55мм и длину 230мм. Резонансная частота подстраивается добавлением к основной катушке небольшого отрезка, вставляемого в гильзу на концах катушек (рис.6).
АК показана на рис.6 и рис.7.
           Надо учесть, что на УКВ и ДМВ шум усилителя становится существенным. Поэтому абсолютные цифры выигрыша в усилении не гарантируют такого же улучшения качества.
           На этом уже точно все (закончился медный провод).

Все вопросы в Форум.

Эти статьи вам тоже могут пригодиться:

Рабочая антенна диапазона FM