Активная приемная антенна MiniWhip-2

Прошло уже три года (сейчас октябрь 2023г.) с того момента, как я установил на садовом участке активную приемную антенну - модернизированный вариант популярной MiniWhip. За это время антенна доказала свое право на существование, позволяя наблюдать за эфиром в диапазоне от 17 КГц до 30 МГц. Она благополучно пережила 2 грозовых сезона и без проблем перенесла соседство на расстоянии около 10 метров передающей антенны GAP TITAN DX. Конечно, при работе на передачу питание от активной антенны отключалось, но антенный кабель оставался подключенным к приемнику. Если вы не читали материалы, посвященные моей первой версии MiniWhip антенны, - ознакомьтесь с ними, т.к. в дальнейшем я буду ссылаться на них.

Однако за прошедшее время обнаружились и некоторые недостатки конструкции. В частности, чувствительность радиоприемной системы на частотах выше 14 МГц оставляет желать лучшего. В 2020г., когда я проектировал и тестировал активную антенну, прохождение на высокочастотных диапазонах было плохим. Поэтому я не уделил должного внимания работе антенны на верхнем участке КВ диапазона.

Казалось бы, короткая антенна должна лучше работать на высоких частотах, чем на низких. Именно так все и было бы где-нибудь в далеком космосе. В земных условиях шумы эфира, даже вдали от городского электронного смога, во много раз больше на низких частотах, чем на высоких. Поэтому, даже на короткий кусок провода на низких частотах наводится напряжение шумов, которое уверенно чувствует приемник. И, если полезный сигнал превышает этот уровень, его можно услышать. На частотах порядка 30 МГц напряжение шумов, наводимое в аналогичной антенне, будет на 2...3 порядка меньше. Соответственно, в теории, можно услышать гораздо более слабые полезные сигналы. Но тут они уже будут тонуть во внутренних шумах приемника. Если отбросить идею с погружением приемника в жидкий азот, остается один выход - увеличивать длину приемной антенны, чтобы на ней наводилось большее напряжение. Вывод - антенна MiniWhip длиной 10...30 см будет хорошо работать только в диапазоне длинных и средних волн, а также на нижнем участке коротковолнового диапазона.

Кроме недостаточной чувствительности было выявлено и наличие паразитных каналов приема, что говорит о недостаточном динамическом диапазоне усилителя активной антенны. На панораме SDR видны фантомные сигналы, которых реально нет на данных частотах. Особенно заметен этот эффект был на любительском диапазоне 21 МГц. Примерно вот такая получалась картина. В верхней части панорама при работе приемника с полноразмерной антенной GAP TITAN DX, а в нижней - с моей первой версией активной антенны MiniWhip.

В течение всего 2022 г. в журнале «Радио» печатался цикл статей Хайо Лохни, посвященный активным антеннам. Автор проделал поистине гигантскую работу по исследованию и экспериментальной проверке различных вариантов активных антенн для диапазона СДВ-КВ. Прежде, чем приобретать или изготавливать активную антенну для радиоприемника я настоятельно рекомендую внимательно прочитать эти статьи. Не просто пролистать картинки, а именно внимательно прочитать. Очень много полезной информации там можно почерпнуть.

Загрузившись в течение 2022 года всей этой информацией, я решил модернизировать свою первую MiniWhip антенну. Основная цель этой работы - повысить чувствительность на верхнем участке КВ диапазона и увеличить динамический диапазон. По возможности, схема и конструкция должна быть простой и не содержать дефицитных деталей. В разумных пределах, конечно. На транзисторах МП40 ничего путного не получится...

Из всего многообразия предлагаемых вариантов я выбрал АА-1-0 по классификации автора. Этот вариант описан в журнале «Радио» №7 за 2022 г. Вот принципиальная схема усилителя этой активной антенны с моими незначительными изменениями. Оригинал смотрите в упомянутом выше журнале. Здесь я не буду его приводить, т.к. не хочу давать повод для обвинения в нарушении авторских прав.

Я только незначительно изменил номиналы некоторых элементов исходя из наличия в своем «ящике с хламом» и добавил на входе и выходе разрядники для защиты от разрядов молнии. В качестве разрядников использовал малогабаритные неоновые лампочки, они гораздо дешевле и доступнее разрядников и проблем с ними в первом варианте антенны не было. Немаловажным достоинством этой схемы активной антенны является отсутствие намоточных элементов и простая наладка.

Наиболее дефицитными в схеме являются транзисторы VT1 и VT2. На их месте по информации из первоисточника можно использовать 2SK544, 2SK241 с любым индексом, а также с небольшой коррекцией платы BF987, 2SK543, BF999. Из всех перечисленных наиболее доступны все-таки 2SK544, на Aliexpress их пока еще можно найти. Причем нужно заказывать не менее 5 штук, т.к. необходимо будет подобрать пару транзисторов по критерию сопротивления канала при нулевом смещении. Мультиметр в режиме измерения сопротивления подключают плюсом к стоку, а минусом к замкнутым между собой истоку и затвору. Измеренное значение сопротивления должно быть 50...200 Ом и отличаться для пары транзисторов не более, чем на 10%.

Ток через транзисторы 2SK544 устанавливается в пределах 10...11 мА подбором резистора R9. Его номинал может получиться 100 КОм ... 2 МОм. Если в пределах этих значений не удается добиться нужного значения тока, можно попытаться подобрать тип диода VD5. Если и так ничего не получается, можно параллельно диоду подключить резистор номиналом не менее 47 КОм. Место на плате для него предусмотрено. Меньший номинал не желателен, т.к. это нарушит термостабилизацию режима транзисторов. Ток можно контролировать по падению напряжения на резисторе R8.

Диоды VD1...VD4 - защитные. Для уменьшения емкости я включил два диода последовательно. Первоисточник рекомендует установить здесь один сдвоенный диод типа BAV99. Если есть в наличии - так и нужно сделать. На месте VT3 в оригинальной схеме BFG591. В этом случае нужно скорректировать рисунок платы, обращая особое внимание на хороший теплоотвод. Металлический корпус 2N5109 хорошо справляется с отводом тепла, для этого транзистора не требуется дополнительного теплоотвода. Рекомендуемый автором ток VT3 - около 50 мА, он может быть установлен подбором номинала резисторов R12...R14. Стабилитрон VD6 не должен открываться при нормальной работе усилителя, он защищает схему от перенапряжения, автор рекомендует установить здесь SMBJ13.0.

Измеренный мной коэффициент передачи схемы по напряжению на частотах до 1 МГц получился около 0,95. Он уменьшается до 0,7 на частоте 15 МГц и до 0,5 на 30 МГц. Измерения проводились на нагрузке 50 Ом, подключенной через кабель RG58 длиной 10 метров. Автор приводит цифру 0,7 на 30 МГц, возможно, такой результат получится при отсутствии кабеля и непосредственном подключении нагрузки. Коэффициент передачи схемы можно увеличить, если параллельно резисторам R15, R18 подключить конденсатор емкостью 0,01 мкФ. Место для него на плате предусмотрено, но в этом случае кабель должен быть хорошо согласован с входным сопротивлением приемника во всей полосе рабочих частот. На практике это требование сложно выполнить, поэтому конденсатор тут лучше не ставить. Антенна и так хорошо работает.

При напряжении питания 12 вольт ограничение сигнала начинается при амплитуде на входе 1 вольт. Автор приводит цифру 1,1 В, что близко к результатам моих измерений. Питание на усилитель подается по кабелю, схема блока питания и инжектора питания в кабель приведены в описании моего первого варианта антенны. Не буду повторять их здесь. Они также далеки от идеала, но вполне справляются со своими задачами. Если вы хотите довести эти узлы до идеала, читайте статью Хайо Лохни в «Радио» №3 за 2022 г.

Ну и, наконец, динамический диапазон антенны. Автор приводит цифры интермодуляционных искажений IM2 = IM3 = -50 dB при амплитуде входного сигнала 1000 mV. Измерения проводились при подаче на вход усилителя двух одинаковых по амплитуде сигналов частотой 3,9 и 4,1 МГц. Интермодуляционные искажения IM2 образуются на частотах F1 +/- F2, а IM3 - на частотах 2F1 +/- F2 и 2F2 +/- F1, когда в усилителе смешиваются два сигнала частотой F1 и F2. Я попытался провести подобные измерения, но не довел эту работу до конца. Дело в том, что возникла непредвиденная задержка с доставкой комплектующих Почтой России. Посылка более месяца пролежала в почтовом отделении моего города, прежде чем я смог ее получить. А хотелось установить антенну в рабочее положение до окончания летнего сезона, так что времени на эксперименты у меня осталось мало. Тем не менее вот такую картину я получил.

В верхней части сигналы с генератора, их амплитуда 500 mV. Видно, что сами генераторы дают интермодуляцию 3-го порядка на уровне примерно -62 dB. В средней части картина, которая получается при подаче этих сигналов на первый вариант усилителя MiniWhip. IM3 примерно на уровне -40 dB, причем видны и искажения более высоких порядков. Наконец, нижний рисунок - для второго, описываемого на этой страничке варианта усилителя активной антенны. IM3 около -50 dB, искажения более высоких порядков не наблюдаются. Несомненно, если точнее подобрать ток выходного каскада, можно улучшить результат. Следовало бы подбирать R12...R14 наблюдая за уровнем интермодуляционных искажений. Но не дошли до этого ноги... Да и измерительные приборы у меня на бюджетном уровне. Но, в принципе, и так, как показали полевые испытания, антенна неплохо работает.

Усилитель смонтирован на плате из двухстороннего фольгированного стеклотекстолита толщиной 2 мм (2, а не 1 мм - это для уменьшения емкости между слоями). Размеры платы 85 x 28 мм. Под входным каскадом второй слой фольги удален для уменьшения емкости. Все резисторы и конденсаторы, кроме C2 и R9 в корпусах для поверхностного монтажа типоразмера 1206. Можно использовать и 0805, кроме резисторов в выходном каскаде, через которые протекает большой ток. Конденсатор C2 с проволочными выводами, это на всякий случай, чтобы не сгорел во время грозы. R9 тоже с проволочными выводами, так оказалось проще развести плату. Кроме того, у меня оказался ограничен выбор высокоомных SMD резисторов, а этот резистор требует точной подборки при наладке. Вот чертеж платы со стороны монтажа и установки SMD компонентов.

А это конфигурация фольги на противоположной стороне. Но вид тоже снизу, как бы сквозь плату. В конце странички есть ссылка на чертеж в Sprint Layout, печатать нижнюю сторону нужно установив галочку «зеркально». С верхней стороны ненужная фольга удаляется резаком.

Авторский вариант печатной платы можно скачать с сайта журнала «Радио». Автор рекомендует разместить усилитель антенны в пластиковой трубе диаметром 50 мм, на мой взгляд, это только увеличит ветровую нагрузку и не даст никаких преимуществ. Я разместил усилитель и активный элемент антенны в сантехнической трубе наружным диаметром 32 мм и длиной примерно 1300 мм. В качестве активного элемента использовал плоский шлейф на 40 проводов длиной 1 метр. Думаю, из фотографии понятно, что это такое.

Шлейф достаточно жесткий и дополнительного крепления в трубе не требует. Все его проводники подпаиваются к входу усилителя и, т.к. они легко ломаются в месте подпайки, это место защищается термоклеем. С левой стороны, со стороны подпайки кабеля снижения, видны 3 полоски, вырезанные из жести от банки с краской. Они служат для соединения общего провода с заземленным противовесом. К плате они припаяны и для надежности дополнительно закреплены винтами. В качестве мачты-противовеса я использовал 3-х метровую алюминиевую трубу диаметром 22 мм. Собираем антенну вот так.

Верхний конец трубы закрывается заглушкой и все это в сборе крепится к будке специального назначения, которая имеет заземленный металлический каркас. Фотография в начале странички.

Таким образом, вся конструкция герметизирована и надежно заземлена, кабель закопан в землю ниже уровня сельскохозяйственных работ. На вводе в дом на него надеты ферритовые защелки, чем их больше, тем лучше. Более подробно это показано в описании моего первого варианта MiniWhip. Как показали сравнительные испытания этой антенны и GAP TITAN DX, они почти равноценны. Но активная антенна работает во всем диапазоне частот от сверхдлинных волн до 30 и более МГц, а GAP TITAN только на любительских участках от 7 до 30 МГц. Вот так теперь выглядит диапазон 21 МГц.

Сигнал с активной антенны кажется чуть меньше, чем с полноразмерной, но картинки зафиксированы с некоторым интервалом по времени, а прохождение постоянно меняется. И никаких фантомных сигналов не видно.

Остановлюсь еще на одной, далеко не очевидной на первый взгляд конструктивной особенности активных антенн. Для обеспечения оптимального согласования с высокоомным входом усилителя длина активного элемента не должна превышать одну десятую длины волны на самом высокочастотном участке диапазона рабочих частот. Для 30 МГц получается предельное значение 1 метр. Именно такую длину я и выбрал в расчете на хорошую линейность усилителя.

Для работы активной антенны обязательно нужен противовес. У него тоже есть ограничение по длине. Она не должна превышать четверть длины волны самого высокочастотного участка. При дальнейшем увеличении длины противовеса снижается чувствительность, которая становится минимальной при его длине кратной половине длины волны. Почему это происходит, читайте опять же в первоисточнике - журнале «Радио» №2 за 2022 г.

Получается, что для КВ диапазона длина противовеса не должна превышать 2,5 метра. Я несколько отошел от этого требования, т.к. при уменьшении высоты над землей снижается также и уровень полезного сигнала, а уровень местных помех растет на всех диапазонах. У меня получилось 3 метра трубы плюс около 2 метров место ее крепления над землей. Пришлось пойти на некоторое снижение эффективности на ВЧ диапазонах. Но, надеюсь, что в какой-то степени падение чувствительности скомпенсирует металлический каркас будки, который будет играть роль земли на ВЧ диапазонах.

Обойти ограничение на высоту установки антенны над землей можно, если установить ее на пластиковой мачте, подключить противовес из нескольких проводов длиной 2,5 метра и на таком же расстоянии от усилителя установить на кабеле снижения запорный дроссель. Но тут возникают сложности с заземлением и защитой от разрядов молнии.

Справедливости ради замечу, что никто не отменял и простой кусок провода из окна в качестве приемной антенны. Выбор всегда есть. Но основное преимущество короткой активной антенны в том, что ее можно вынести подальше от местных помех. Например, даже в городе, если вам удастся получить доступ на крышу, активная антенна потенциально позволит обеспечить неплохой прием на всех диапазонах. Если вы проживаете на последнем этаже, есть вариант разместить антенну на балконе, подняв ее до уровня крыши. Все определяется местными условиями.

Конечно, эта схема активной антенны не самая лучшая. Хайо Лохни в своих статьях описывает много других вариантов, но, к сожалению, они либо не перекрывают весь спектр частот от СДВ до верхней границы КВ, либо содержат много намоточных элементов, либо собраны на экзотических транзисторах, которые непонятно где искать. Ну, где сейчас найти, например, КП905 и КТ914. Если они у кого-то и были раньше, то сейчас их уже нет, т.к. вся эта золотая экзотика вольно или невольно давно переведена в разряд драгоценного лома.

Всем хорошего приема и 73!

© 2023г.