Лучшее из возможного!

Размер шрифта:  Aa Aa Aa Aa Aa



Антенна для SDR приемника.

Приемник RSP1A и антенна MiniWhip.

Самый лучший приемник или трансивер без антенны – это просто коробочка для украшения рабочего стола. Поэтому, став счастливым обладателем SDR приемника RSP1A, я задумался, а какую же антенну использовать для него. Для наблюдений за диапазоном КВ все виды комнатных антенн сразу отпадают. Электромагнитный смог настолько сильный, что на антенну, размещенную в комнате или на балконе, принять можно разве что несколько мощных вещательных станций из Китая. С приемом местных FM станций на УКВ проблем пока нет, но там одна реклама, а она меня уже достала... Поэтому музыку я слушаю, используя интернет-приемник.

Про длинные и средние волны с комнатной антенной можно вообще забыть. Простейший вариант городской приемной антенны - «веревка» 10-20 метров из окна на столб или дерево. Но лучше все-таки вести наблюдения за эфиром вдали от города. Так что в летнее время я вывожу свою аппаратуру на садовый участок. Там и эфир чище и место для антенны найти проще. К сожалению, даже вдали от города, на антенну, расположенную в непосредственной близости к SDR, прием очень плохой. Ведь рядом стоит компьютер, роутер, светодиодные лампы, телевизор...

От «веревки» из окна на садовом участке я отказался. Места там немного и лишние провода над головой не вызывали восторга у жены. Кроме того, рядом стоит основная передающая антенна GAP TITAN DX для трансивера, излучение которой может повредить входные цепи приемника, если я забуду отключить от него антенну при работе на передачу в эфире. Да и кроме всего прочего, я решил понаблюдать за диапазонами средних, длинных и сверхдлинных волн.

Поиск в Интернет выдал интересный вариант – антенна MiniWhip by PA0RDT. Наверняка многие слышали о ней. В очередной раз подтверждается старая истина – новое, это хорошо забытое старое. Ведь активные антенны известны давно, в Советском Союзе еще в 70-е годы прошлого века они серийно выпускались в автомобильном варианте.

Оказалось, что на Aliexpress можно приобрести плату c установленными деталями для MiniWhip. Ее стоимость 10-15 USD. За кусочек текстолита и пару транзисторов мне это показалось слишком дорого, поэтому я решил сам сделать аналог. Тем более, что комплектующие доступны и стоят в 3-4 раза дешевле.

В приемнике RSP1A предусмотрена подача питания 5 В для активной антенны на антенное гнездо. Показалось заманчивым обойтись без дополнительного блока питания и взять питание для антенны от приемника. Однако при испытаниях обнаружилась одна недокументированная особенность приемника RSP1A. Производитель заявляет нижнюю границу диапазона принимаемых частот 1 КГц. Но вот как выглядит спектрограмма сигнала с приемника на нижней границе диапазона частот. Питание от USB, антенна к приемнику НЕ ПОДКЛЮЧЕНА!

RSP1A при питании от USB

Видно, что на частотах ниже 100 КГц помехи на 20-30 db выше уровня шумов. Возможно, уровень помех будет зависеть от компьютера, от качества установленных в нем фильтров. При включении питания активной антенны (BIAS-T) картина становится еще хуже. Антенна также не подключена.

RSP1A BIAS-T on

В общем-то это и понятно. Ведь в приемнике есть контроллер, а питание берется от USB. Эффективно отфильтровать низкочастотные помехи сложно, особенно учитывая небольшие габариты приемника. Так что от использования BIAS-T для питания антенны пришлось отказаться. Ну а уж если делать внешний блок питания, то от него и сам приемник имеет смысл запитать.

Весь смысл использования антенны MiniWhip в том, что она должна быть вынесена как можно дальше от источников местных помех и поднята как можно выше, не менее, чем на 5 метров над землей. Это значит, что длина соединительного кабеля до приемника получается довольно значительной. У меня получилось около 40 метров.

Уровень эфирных помех с увеличением частоты снижается, а затухание в кабеле, наоборот, увеличивается. Поэтому я решил заменить истоковый повторитель в оригинальной схеме MiniWhip на каскад с общим истоком, чтобы обеспечить хоть какое-то усиление и компенсировать затухание в кабеле. Вот мой вариант схемы усилителя.

Схема MiniWhip от RA4NAL

Диодные цепочки на входе и выходе защищают усилитель от грозовых разрядов. Дополнительная защита - неоновые лампочки FV1 и FV2 с напряжением зажигания около 60 вольт. На меньшее напряжение разрядников просто не существует. Защитный диод VD9 ограничивает напряженние питания усилителя на уровне 15...16 вольт. Насколько эффективна вся эта защита будет понятно в конце грозового сезона 2021 года. Конденсатор C5 в цепи истока VT1 поднимает усиление на частотах выше 10 МГц, что в какой-то степени компенсирует увеличение затухания сигнала в кабеле. Усилитель обеспечивает максимальную неискаженную амплитуду сигнала на нагрузке 50 Ом около 1,5...2 вольт, потребляемый ток примерно 60 мА при напряжении питания 11-12 вольт.

Частотная характеристика антенны

Частотная характеристика усилителя снималась при подключенной к выходу активной нагрузке 50 Ом. На абсолютную точность измерений не претендую, характеристика снималась по точкам с помощью генератора сигналов, подключенного к входу усилителя и осциллографа, подключенного к выходу. Вполне допускаю некоторую погрешность при измерениях.

Плата MiniWhip

Усилитель монтируется на односторонней печатной плате размером 105x25 мм. Вместо 2N5109 можно использовать BFG591, а BF998 заменить на отечественный КП350, но это потребует доработки платы. Но я бы не рекомендовал такую замену, т.к. КП350 обеспечивает меньшее усиление и, кроме того, в отличии от BF998, в нем нет никакой защиты от статики, паять его нужно, предварительно закоротив выводы и отключив хорошо прогретый паяльник от сети. При экспериментах со схемой я заметил, что при использовании BFG591 в качестве эмиттерного повторителя на нижней полуволне синусоиды появлюяются заметные на глаз искажения. В чем тут дело я не успел выяснить, т.к. неосторожно сжег транзистор BFG591 при экспериментах.

Использовать старые отечественные СВЧ транзисторы типа КТ610 или подобные в эмиттерном повторителе также не имеет смысла, т.к. у них довольно большая входная и выходная емкость, что ограничивает частотный диапазон усилителя. К сожалению, транзистор 2N5109 снят с производства, но на Aliexpress предложений пока достаточноо и по вполне разумной цене. Там же можно заказать и BF998 по цене около 1 USD за десяток. Вообще, лучше приобрести сразу несколько транзисторов - а вдруг принятые меры по защите от грозовых разрядов окажутся недостаточными...

На резисторе R11 рассеивается примерно 350 мВт, поэтому я использовал обычный резистор с проволочными выводами мощностью 0,5 Вт. Конденсаторы C2, C9 и C10 для надежности также с проволочными выводами и рабочим напряжением не менее 100 вольт. Ведь во время грозы на антенне и кабеле снижения возможны импульсные всплески напряжения. Все остальные резисторы и конденсаторы в SMD корпусах типоразмера 1206 или 0805. Резисторы R1 и R4 составлены из двух, включенных последовательно по 1 М. В качестве газовых разрядников я использовал миниатюрные неоновые лампочки с напряжением зажигания около 60 вольт. Неоновых лампочек на Aliexpress почему-то нет, их можно приобрести, например, в Чип и Дип или поискать в своем «ящике с хламом».

Индуктивность катушки L1 определяет нижнюю границу полосы пропускания антенны. Если интересует диапазон сверхдлинных волн, индуктивность должна быть не менее 8 мГ. Я намотал катушку проводом ПЭВ 0,28 мм на ферритовом кольце М2000НМ К20x12x6. Для индуктивности 8 мГ нужно намотать 80 витков, равномерно распределив их по кольцу. Если использовать кольцо типа М1500НМ, число витков должно быть 95. Если частоты ниже 100 КГц не представляют интереса, индуктивность можно уменьшить до 470 мкГ. Номиналы C2 и C6 увеличивать не следует - они ограничивают снизу диапазон рабочих частот антенны улучшая помехозащищенность.

Налаживание усилителя заключается в установке указанных на схеме режимов транзисторов путем подбора номиналов резисторов R3 и R9. При этом ток через VT1 должен быть около 10 мА, а через VT2 – около 50 мА. Обратная связь по постоянному току на второй затвор VT1 через резистор R6 стабилизирует его режим при изменении температуры. Для эмиттерного повторителя дополительных мер по температурной стабилизации не требуется.

Для питания приемника и усилителя я сделал внешний блок питания и самодельный кабель для ввода питания 5 вольт в приемник и 12 вольт в антенну. Шина USB в RSP1A работает в режиме High Speed на частоте 480 МГц, поэтому потребуется хороший экранированный, желательно с ферритовыми защелками, USB кабель. На одном конце должен быть штекер USB-A для подключения к компьютеру. Необходимо также приобрести еще один штекер USB-A и розетку USB-A для установки на плату блока питания, а также штекер USB-B для подключения к приемнику.

Кабель и разъемы USB

Никакие разрезания и пайка в кабеле недопустимы, поэтому разъем на другом конце кабеля придется безжалостно отрезать. Соединяем все это вот по такой схеме. Кабель для подключения к блоку питания можно не экранировать.

Кабели для RSP1A и антенны

А вот схема блока питания.

Схема блока питания

Это классический трансформаторный блок питания. Для получения напряжения 12 вольт использована схема выпрямителя с удвоением напряжения. Желательно, чтобы обмотки трансформатора были пространственно разнесены на сердечнике. На вторичной обмотке напряжение должно быть около 9 вольт при токе до 0,5 А. Выпрямительные диоды любого типа с допустимым прямым током не менее 1 А. LM317 можно заменить на 7812, включенную по типовой схеме аналогично 7805. Использовать импульсный блок питания от роутера или зарядник от телефона бессмысленно – помех будет еще больше. Катушка L1 аналогична по конструкции и количеству витков катушке в схеме усилителя антенны.

Питание для антенны вводится в кабель вот по такой схеме.

Питание по кабелю

Переменный резистор R1 выполняет роль аттенюатора. Решение не совсем корректное, но в диапазоне КВ вполне приемлемое. L1 также аналогична катушке в схеме усилителя антенны. Только в данном случае ее желательно экранировать. Я использовал металлическую крышку от старого переменного резистора типа СП. Печатные платы этих двух схем не привожу, т.к. они определяются габаритами используемых деталей и имеющимися в наличии корпусами.

А вот так выглядит приемник со всеми дополнительными модулями. Резистор аттенюатора у меня смонтирован в отдельном корпусе.

RSP1A и блок питания

Вот какая получается картина на моем компьютере с внешним блоком питания. Это уже вполне приемлемо.

RSP1A с внешним питанием

Собственно антенна представляет из себя полоску медной фольги размером 20x300 мм. Тут желательно подобрать оптимальные размеры исходя из уровня шума в месте установки антенны так, чтобы получить максимально возможную чувствительность, но избежать перегрузки. Подойдет и алюминиевая фольга, но вместо пайки придется использовать болтовое соединение. Если не жалко стеклотекстолита, можно объединить усилитель с антенной на одном куске фольгированного стеклотекстолита.

Вся конструкция помещается в сантехническую пластиковую трубу 32x500 мм. Никакие разъемы ставить нет необходимости, кабель просто подпаивается к плате. Конечно, нужно предусмотреть его дополнительное крепление, чтобы не оторвать контактные площадки от платы. Труба крепится к токопроводящей заземленной мачте высотой не менее 5 метров. Желательно, чтобы высота мачты превышала высоту всех окружающих строений. Если мачта диэлектрическая, вдоль нее нужно пропустить провод заземления или соединить оплетку кабеля с землей около мачты.

MiniWhip в корпусе

С теоретическими основами работы антенны можно ознакомиться на сайте PA3FWM -
http://wwwhome.cs.utwente.nl/~ptdeboer/ham/tn/tn07.html.
http://wwwhome.cs.utwente.nl/~ptdeboer/ham/tn/tn09d.html.

Перевод этих статей есть на сайте RA0SMS -
http://www.ra0sms.ru/p/mini-whip.html.

Для тех, у кого нет желания вдаваться в теорию, привожу дословно основные выводы.

MiniWhip имеет вертикальную поляризацию.

Заземление очень важно: если антенна заземлена только в помещении, где она подключается к приемнику с помощью коаксиального кабеля, уровень шума будет очень велик. Заземление может быть не связано напрямую с реальной землей - большой кусок металла, даже если он не подключен непосредственно к земле, может иметь достаточную емкость, чтобы служить землей.

Сила принимаемого сигнала прямо пропорциональна высоте антенны над землей.
Мачта из металла или диэлектрика - не важно. Однако, если мачта является проводником, металлическая пластина антенны должна быть установлена выше мачты.

Антенна MiniWhip - всенаправленная, за исключением сигналов, приходящих почти вертикально.

Ориентация или форма металлической пластины не имеют значения. Это может быть и просто провод.

Если нет желания самому делать активную антенну, можно приобрести вариант от RA0SMS на его сайте или на Aliexpress классику PA0RDT. Однако, исходя из собственного опыта, думаю, проработают они до первой серьезной грозы. Кабель снижения до дома я проложил в земле. Он защищен гофрированной трубой и закопан ниже уровня сельскохозяйственных работ. Около ввода в дом, как рекомендовано в статье, я поставил 5 ферритовых защелок, сделав по одному витку кабеля на каждой. Это существенно уменьшило уровень шума с антенны, установленной на металлической заземленной мачте на высоте 7 метров над землей. Длина кабеля – 40 метров.

Наконец, самое главное. Практические испытания. Вот несколько спектрограмм с MiniWhip.

Длинные волны. На 225 КГц иногда по вечерам слышно какую-то польскую станцию.

Длинные волны

Средние волны. Оказывается, в темное время суток там довольно много хорошо слышимых станций. Правда, русскоязычных я слышал всего две. Прием возможен только вдали от городского электронного смога.

Средние волны

Любительский диапазон 40 метров вечером. Идет контест, диапазон буквально забит телеграфными, SSB и цифровыми станциями.

Диапазон 40 метров

Диапазон 20 метров в тот же вечер. Много станций работают FT8, есть и телеграфисты.

Диапазон 20 метров

Выше 14 МГц прохождения практически не было. Я сравнивал работу MiniWhip со своей основной антенной – GAP TITAN DX. Это вседиапазонный вертикал высотой 9 метров. Испытания показали, что MiniWhip работает нисколько не хуже, особенно на низкочастотных диапазонах. Картинки c GAP TITAN DX почти не отличаются от MiniWhip, поэтому я их не привожу. Да и объективная оценка все равно проблематична, т.к. на переключение антенны требуется некоторое время, а прохождение все время меняется.

А вот так я принимал на MiniWhip сигнал уникальной радиостанции Гриметон из Швеции, которая работала позывным SAQ 5 июля 2020 года на частоте 17,2 КГц.

SAQ 17,2 KHz

Это единственная, сохранившаяся до наших дней в работоспособном состоянии радиостанция с электромашинным генератором. Она выходит в эфир дважды в год – в ближайшее к 2 июля воскресенье и в канун Рождества. День 2 июля считается днем Александерсона, главного конструктора этой радиостанции.

5 июля 2020 года во время передачи велась прямая трансляция со станции, которую смотрели on-line более 1000 человек по всему миру, несмотря на то, что это был воскресный июльский полдень (MSK). Особо следует отметить профессиональную работу видеооператора. Сигналы SAQ были приняты радиолюбителями всего мира, в основном, конечно, в западной Европе. В России подтвердили прием всего менее 10 наблюдателей. Я тоже отправил рапорт о приеме и получил QSL.

QSL from SAQ

Конечно, некорректно сравнивать антенну MiniWhip с полноразмерной направленной антенной. Однако, на мой взгляд, это неплохой вариант для вспомогательной всеволновой приемной антенны. Особенно для наблюдений за диапазоном средних, длинных и сверхдлинных волн. Необходимо заметить, что в городских условиях в качестве комнатной или балконной, антенна не эффективна. Кроме шумов ничего принять не удастся. А вот в сельской местности MiniWhip имеет право на существование. Особенно, если место на участке ограничено, а в доме много всевозможных электронных гаджетов.

Внешний блок питания приемника нужен только в случае, если интересует прием на длинных и сверхдлинных волнах. При наблюдении за частотами выше 100-200 КГц вполне допустимо питать приемник RSP1A от USB порта компьютера.

© 2020г


ZIP Плата в Sprint Layout и схема в sPlan