Последна редакция 4 януари 2009
Приемане на много слаби сигнали с магнитни антени
Рамкови и феритни антени
Рамка с произволна форма с периметър по-малък от 0.1 от дължината на вълната се нарича рамкова антена. Една нейна модификация е феритната антена (ФА) - бобина навита на пръчка от феритен материал. И двете компактни антени се използуват масово в АМ приемниците на средни и дълги вълни и имат общо име магнитни антени (МА). Представлява интерес с такава антена да се приемат много слаби сигнали – например любителски станции в късовълновия диапазон. Подробно описание и теорията на тези антени може да се намери на много места.
Целта на настоящата статия е да се отговори на два въпроса:
1. Какви са минималните физически размери на една магнитна антена, така че с нея да се приема атмосферния шум – т.е. от там нататък увеличаването на размера няма смисъл.
2. Как трябва да се направи хардуера, така че да се изтиска максимума от МА.
За да не се налага да се търси по други места, по-нататък ще дам някои основни формули и параметри, някои от които са добре известни.
Еквивалентна схема
Еквивалентната схема на една магнитна антена (МА) е показана на Фиг. 1.
Е представя индуктираното напрежение в МА от външното електромагнитно поле;
RA е съпротивлението на излъчване на антената;
RL е общото съпротивлението на загубите;
L е индуктивността на намотката.
С е паразитния капацитет на рамката.
Фиг.1
При приемните антени, когато не са направени от много дебел проводник, RA << RL и следователно RA може да се пренебрегне при следващия анализ.
Тази антена ще има Q-фактор: Q = 2пfL / RL .
Ако МА е затворена (дадена на късо) , в нея протича ток приблизително равен на: I = E / 2пfL .
Ако МА е в резонанс с капацитета С , в нея протича ток приблизително равен: I = E / RL.
Действуващата височина
Важен параметър, характеризиращ една антена, е действащата височина h (нарича се още: ефективна височина, антенен коефициент). Антената е датчик, който трансформира електромагнитното поле в електрически сигнал и h определя чувствителността на датчика.
Е = h e (1)
Е - напрежението на изводите на антената в uV;
е – интензивността на електрическата компонента на електромагнитното поле в uV/m.
h има дименсия в метри.
Формулата за магнитна антена, когато е в оптимална позиция спрямо вектора на полето е:
(2)
λ е дължината на вълната в метри ;
w - брой навивки;
S – площта на напречното сечение на намотката в м2 ;
μR е ефективната магнитна проницаемост на феритната пръчка. μR е винаги по-малка от проницаемостта на феритния материал и зависи и от формата и размерите на пръчката и начина на навиване на бобината. μR = 1 за рамковите антени.
Произведението:
А = w μR S (3)
се нарича ефективна площ на антената.
Използува се и друга еквивалентна формула която дава зависимостта между магнитната компонента на полето и индуктираното напрежение:
Е = (6,28 f w S μR μ0 )H (4)
H е интензивността на магнитната компонента в uА/м ;
μ0 = 4 п 10-7 е магнитна проницаемост на вакуума. f е честотата в MHz.
Двете формули са еквивалентни, като се има предвид, че e/H = 377 [ом] . При електромагнитната вълна в свободното пространство съотношението между е и Н е винаги едно и също – т.нар импеданс на свободното пространство е 377 ома. По-нататък ще се работи с първата формула, защото обикновено интензивността на електромагнитното поле се дава за неговата електрическа компонента в V/m .
За сравнение формулата за полувълнов дипол е:
Е = (λ / п) e (5)
Всички формули до тук се отнасят за ненатоварени антени (измерване на празен ход) и полето се счита за хомогенно.
Какъв сигнал се получава от МА
Нека имаме примерна рамка с ефективна площ А = 0.1 m2 (например кръгова рамка с диаметър 0.36 м). Замествайки параметрите в ф-ла (2) при l = 80 m , за h ще получим приблизително 0.008 м. Нека имаме интензивност на полето 1 uV/m. (Това означава, че потенциалната разлика между две точки отдалечени на 1 м разстояние по градиента на полето ще е 1 uV.) При рамковата ще получим Е = 0.008 uV. За сравнение, на същата честота, един полувълнов дипол според (3), ще дава напрежение Е = 26 uV при ненатоварена антена (измерване на празен ход).
Съотношение сигнал-шум
Съотношение сигнал-шум (SNR – Signal to Noise Ratio) ще разбираме отношение на напрежението на сигнала към това на шума (ефективни стойности). Ще използуваме известната формула на Найкуист за термичния шум на резистор:
Un = (4k T R Bw) 1/2 (6)
Un е ефективната стойност на шумовото напрежение;
k е константа та Болцман;
T е абсолютната температура в градуси по Келвин
R е съпротивлението в ом;
Bw е ширината на честотната лента в Хц в която се измерва шумовия спектър.
Нека съпротивлението на загубите RL на примерната рамка да е 1 ом.Замествайки в (6) R =1 ом, стайна температура T= 2930 К и ширина на лентата Bw =1000 Хц ще се получи: Un = 0.004 uV. Това е шумът генериран от резистора на загубите. При този пример сигнал с интензивност 1 uV/m ще бъде само два пъти по-голям от термичния шум. Дори и при идеален приемник, без собствени шумове, теоретичния ограничаващия фактор е термичния шум на RL . В същото време при полувълнов дипол (RA = 75 ом, l = 80 m) това съотношение ще е: 26 uV / 0.035 uV = 743 пъти! (0.035 uV е термичният шум на 75 ohm - съпротивлението на излъчване на дипол).
Ако се вземат предвид (2) и (6) ще се получи следната формула за SNR:
(7)
Ако заместим А от (3), ефективността на антената да приема слаби сигнали се определя от простото съотношение:
(8)
Това е интересно заключение и не ми беше известно. Ровейки в литературата и Мрежата разбрах, че съм открил велосипеда отново. В една много ранна публикация “Ferromagnetic Loop Aerials For Kilometric Waves,” Wireless Engineer, Feb. 1955, pages 41-46, J. S. Belrose авторът (VE2CV) е извел една формула за максималното отношение сигнал-шум, което може да се постигне с ФА. За съжаление не можах да намеря тази статия, но Langford http://www.kongsfjord.no/ я цитира и споменава, че в същност се касае за термичен шум. Тази формула е дадена и в ARRL Antenna book ed. 2005 Chapter 5, но от там не става ясно, че това всъщност е отношението на сигнала към термичния шум от ФА. Формула на Belrose за съотношението сигнал-шум Е/Un е:
Е/Un = 66. 3 w mR (Bw) -1/2 S (Q f/L) 1/2 е (9)
Анализът на ф-ла (9) всъщност показва, че тя е произлязла от (2), (6) и дава същите резултати. В този вид формулата е малко неудобна и неясна защото в нея влизат взаимозависими параметри – например стойността на Е/ Un не зависи изобщо от L , тъй като Q е пропорционално на L и L се съкращава. Така дадена формулата само замъглява простия факт, че SNR зависи само от ефективната площ и съпротивлението на загубите!
За да няма двусмислие от тук нататък съотношението сигнал термичен шум ще се озночава съкратено с SNRt.
Какво съотношение сигнал към термичен шум (SNRt) е необходимо
Известно е, че атмосферния шум и този произведен от човека са ограничаващия фактор за приемане на слаби сигнали на къси вълни. На Фиг. 2 е дадена зависимостта на външния шум от честотата. Може да се преизчисли стойността дадена за 7 MHz (-9dB uV/m @ 9KHz ) за лента 1KHz, като ще се получи ефективна стойност еn около 0.1 uV/m @ 1KHz ширина на лентата.
Фиг.2
Друга подобна графика е дадена на Фиг.3 като лентата на пропускане е 1КХц .
Фиг.3
Означения: 1 - средно ниво на атмосферните смущения през деня;
2 - през нощта; 3 — при местна гръмотевична буря; 4 - средно ниво на промишлени смущения в град;
5 - в селска местност; 6 - ниво на космическите смущения. (от „ Радиоприемные устройства: Учеб. пособие для вузов” / Под ред. Н.В. Боброва. — М.: Сов. радио, 1971)
Анализирайки двете графики ще вземем стойността 0.2 uV/m като една средна стойност на интензивността на полето на атмосферния шум за целите на следващите изчисления. Това е един доста нисък шум: например поле с такава интензивност ще индуктира в точките на захранване на полувълнов дипол на 14 MHz 0.7 uV.
Взимане на сигнала от МА
Един от начините е антената да бъде част от настроен паралелен трептящ кръг. Тук към С трябва да се включи и паразитния капацитет на навивките на рамката. При резонанс напрежението U паралелно на кръга е:
U= Q Е (8) където Q = 2пfL/ RL
Ще считаме, че паралелният кондензатор е с ниски загуби и неговият Q-фактор е >1000. Това е вярно за въздушни кондензатори и някои качествени кондензатори с твърд диелектрик. Във всички случаи анализът не се променя защото винаги можем към съпротивлението на загубите RL да добавим и това на кондензатора. Виж в Приложение 2 как влияе Q-фактора на кондензатора.
Нека индуктивността L = 2 uH за избраната по-рано примерна МА . На 3.8 МХц при RL = 1ом, Q-фактора ще е 50 и еквивалентното резонансно съпротивление на кръга ще бъде около 2.5 Ком. При интензивност на полето е =1 uV/m , напрежението паралелно на кръга в резонанс ще е U = 0.4 uV. Термичния шум ще бъде около 0.2 uV - той също се е увеличил Q пъти. Съотношението сигнал-шум е останало пак 2. Важно е още веднаж да се почертае, че съотношението сигнал-шум при фиксирана честота не зависи от това дали кръга е в резонанс. То зависи само от съотношението на ефективната площ към квадратен корен от съпротивлението на загубите (ф-ла 7). При резонанс само се повишава значително напрежението на сигнала, както и на шума, на изводите на паралелния трептящ кръг!
При стандартния начин на отнемане на сигнала с трептящ кръг, границата е собствената резонансна честота на МА поради паразитния капацитет. Остава открит въпросът как да се отнеме сигнала, когато сме над резонансната честота. Едно решение е да се свържат паралелни индуктивности към антената, като резонансната честота се повишава, а големия брой навивки остава. Ако паралелната индуктивност е идеална (с Q-фактор безкрайност), то тя няма да шуми и решението е намерено. В Приложение 1 е направен анализ на ефекта от паралелна индуктивност. Например ако свържем паралелна бобина със същата индуктивност и Q-фактор като антената, на същата приемана честота, отношението сигнал-шум ще се намали 2 пъти (Виж ф-ла 12). За сметка на това работният обхват по честота ще се увеличи почти с 50%. В много случаи този компромис е приемлив, защото все пак се придобива възможност да се увеличи работната честота без да се променя механичната конструкция на антената.
Изчислителна таблица
От дадените по-горе формули е направена една изчислителна таблица в Exel: Magn_loop_SN.xls. С нея могат да се изчислят всички параметри на антената. Как се прави изчислението: Първо се измерва Q-фактора на рамката на работната честота и съответно нейната индуктивност. След това се попълват входните параметри на таблицата, като единствено съпротивлението на загубите RL се наглася с няколко опита на такава стойност, че в колоната за Q-фактора да се получи измерената стойност. Това е направено нарочно, защото R е физически параметър и не зависи от други параметри. Въвежда се интензивност на полето е за която искаме да изчислим SNRt.
Увеличаване на ефективността на антената
При приемане, е интересно увеличаването на съотношението сигнал-шум. Няма да се интересуваме от абсолютното ниво на сигнала U стига то да не е много малко и чувствителността на основния приемник да е недостатъчна. Ако трябва да се конструира МА на определена честота, то според ф-ла (7) трябва да се увеличават навивките w или напречното сечение S т.е. да се увеличи ефективната площ А. За да се намали шума трябва да се намали загубното съпротивление RL . RL косвено зависи от w или напречното сечение S, както и от честотата поради скин ефекта и е трудно да се оцени на пръв поглед къде е оптимума. Не е лошо, човек да си поиграе с таблицата и да въведе няколко дори хипотетични данни за да види ефекта. Ще изброя, какви мерки могат да се вземат за да се увеличи SNRt.
1. Ниско съпротивление: проводникът трябва да бъде с максимален външен диаметър. – може да се използува и тръба. Материалът да е мед или алуминий.
2. Увеличаване на площта : при фиксирана дължина на проводника, най-голяма ефективна площ се постига с една навивка (площта расте с квадрата на линейния размер).
3. Форма на рамката: при фиксирана дължина на проводника, окръжността има най-голяма площ сравнена с всички други геометрични фигури.
4. Увеличаването на навивките: това не води до пропорционално увеличаване на SNRt . Съпротивлението на загубите зависи от скин-ефекта, но при при повече от една навивка се добавя и съпротивлението от ефекта на близост. Зависимостта е сложна (виж http://www.ece.mcmaster.ca/faculty/nikolova/antenna_dload/current_lectures/L12_Loop.pdf ). Според данните от тази публикация изчислих, че рамка имаща 4 пъти по-голяма ефективна площ А която е постигната с w = 4 навивки, ще има само 1.7 пъти по-добро SNRt. Според мое мнение, когато конструкцията позволява, рамковата антена трябва да се прави с една навивка от максимално дебел проводник. Ако се слагат повече навивки, те трябва да са раздалечени една от друга поне на 3 – 4 диаметъра на проводника, за да се намали ефекта на близост.
При ФА остава единствено увеличението на броя на навивките и проницаемостта на сърцевината. Избраният феритен материал трябва да има ниски загуби на работната честота.
Като заключение може да се каже, че една рамкова антена с една навивка ще има висок Q-фактор и ще работи прекрасно с много големи кръгови капацитети на честоти доста по ниски от проектираната
На Фиг.4 е дадена една полезна графика. По нея може да се определи каква минимална ефективна площ А на рамката е необходима за да се осигури 10 дБ SNRt при интензивност на полето 0.2 uV/m. Дадени са три криви за три различни стойности на Q-фактора на рамката. Стойността 0.2 uV/m е някакво средно ниво на атмосферния шум в тиха местност – т.е. с рамка изчислена от графиката ще имаме чувствителност ограничена само от атмосферния шум. Може да се направи корекция на площта ако се вземе предвид нивото на атмосферния шум за конкретния обхват от Фиг.2 и 3 Допълнително, ефективна площ на рамката трябва да се увеличи поне с 20 -30% защото кривите са теоретичния минимум изчислен с помощта на формулите дадени по-рано. Тази графика важи само за кръгова рамка с една навивка.
Фиг.4
Практически схеми с предусилвател
На Фиг.5 e показана ФА с предусилвател. Предусилвателят работи като изтоков повторител съгласуващ високото резонансно съпротивление на трептящия кръг с нискоомния вход на повечето късовълнови приемници. Усилването по напрежение на практика се осъществява в трептящия кръг: коефициентът на усилване е Q пъти. Преимущество на FET повторителят е, че кръгът на ФА практически не се товари от активно съпротивление и се запазва висок работен Q-фактор. Еквивалентният шумов ток на гейта е много малък при полевите транзистори и това също намалява внесения шум при работа с източници с много високо вътрешно съпротивление.
Фиг.5 
Фиг.5а
Предусилвателят трябва да има такова усилване , че изходния шум (усиления термичния шум + собствения) да превишава поне с няколко децибела собствения шум на основния приемник. Собственият, приведен към входа, шум на трансивърите е от порядъка на 0.1 – 0.3 uV eff при лента 1000 Хц, така че усиления шум трябва да бъде над това ниво. Q-фактора на на рамковата или ФА трябва да варира между 100 и 200 и толкова ще бъде коефициентът на усилване на усилвателя.
Използуван е хубав високочестотен JFET с ниски собствени шумове – 2N5486. По каталог коефициентът му на шум е 1.2 dB за честоти до 100 МХц при 1Ком входно съпротивление. Не зная дали екстраполацията е вярна за много по-високи входни съпротивления, но ще приемем, че е така. Работния обхват е от 1.8 до 20 МХц. ФА има 36 навивки на пръчка с диаметър 11 мм и дължина 200 мм. Материалът е неизвестен, но измерванията показаха, че ФА има висок Q-фактор. Има среден извод на 18 навивка. Навивките на ФА са така подбрани, че да има минимален паралелен капацитет на 3.8 МХц. Изходът е развързан от усилвателя чрез широколентов симетриращ трансформатор 1:1.
Интересен е начинът на съгласуване за по-високочестотните диапазони. Настройката на става като паралено на антената се свързват допълнителни индуктивности. Те не трябва да имат индуктивна връзка с ФА и не са навити на феритна пръчка. Ако се превключват изводи, то те трябва да са така направени, че използуваната част от намотката да бъде в центъра на пръчката защото само тогава ФА работи в оптимален режим. В случая, например е възможно да се настрои ФА на 7 МХц с пълния брой навивки (без извод) и включване на паралелна индуктивност от 12 mН или да се превключи към средния извод и тогава се настройва с около 30 пф. Описаната схема позволява да се изберат различни положения за съгласуване и да се експериментира за оптимално приемане.
За да се намалят загубите, променливия кондензатор (пластмасов – от транзисторен концертен приемник) е свързан между двата статора . По този начин се избягва един плъзгащ се контакт с евентуално високо преходно съпротивление и източник на дефекти.
Захранване е автономно - от 2.4 в (2 акумулатора) и токът е около 8 мА. Транзисторът работи добре при такова напрежение и е излишно да се използува по-високо, защото само ще се увеличи размерът и консумацията на конструкцията. Динамичният диапазон е приличен. По принцип сигналът от ФА е с много ниска амплитуда, входния кръг е много селективен и на практика не се забелязват претоварвания на предусилвателя при нормални условия на приемане. ФА е монтирана в пластмасова кутийка показана на Фиг.6
Фиг.6
Когато се върти променливият кондензатор настройката се усеща по рязкото нарастване на шумовете.
Забележка: При много висок Q –фактор >200 и високо резонансно съпротивление усилвателят може да започне да осцилира поради паразитния капацитет между изтока и затвора на транзистора.
На Фиг. 7 е показана друга конструкция, при която към клемите може да се свържат различни рамкови или феритни антени. Променливият кондензатор е въздушен, като двете секции са свързани паралелно. При тази конструкция може да се свърже и допълнителен външен кондензатор или бобина за разширение на работния диапазон. На снимката е показано свързването на рамка с диаметър 50 см от много лек алуминиев проводник (3.4 мм диам). Тази конструкция е много удобна за експерименти, но клемите трябва да имат здрава резба, за да може рамката да се затегне здраво. На другата снимка е показан допълнително свързан външен постоянен кондензатор за да се настрои рамката на 3.5 MHz.
Фиг.7
За да се приемат с този предусилвател много слаби станции при ниско ниво на атмосферен шум е необходимо той да се включи към приемник с чувствителност по-добра от -135 дБм (MDS @ 500Hz). Това е обикновено стандартната чувствителност на трансивърите и свързочните приемници на КВ.
За приемници с по-ниска чувствителност е предложена схемата на Фиг. 8 Тук има един допълнителен широколентов усилвател с заземен емитер с усилване около 12 dB. Изходът е развързан отново с широколентов симетриращ трансформатор 2:1. Товарният импеданс е от 50 до 75 ома. Транзисторът трябва да е с гранична честота Ft > 300 MHz . Популярният PN2222 работи добре до 18 MHz, след това усилването започва да спада. Шумовото число на транзистора трябва да е прилично – до NF = 6 dB за да не се усеща влошаване на SNR. Най-добри резултати получих с един стар BFY90 – усилвателят е равномерен до 30 MHz. Паралелно на входните клеми са свързани резистор 2 Мом и диоден ограничител. Единствената им цел е да предпазят гейта на транзистора, когато към клемите не е свързана рамка. В една стационарна конструкция тези елементи могат да се махнат.
В една таблица MA_table.gif съм направил частична извадка от изчислителната таблица за няколко антени, които съм изпробвал. Дадени са техните размери и какво SNRt ще се получи с тях. Вечер, на 3.5 и 7 MHz и с двете рамкови антени се приема атмосферния шум. Високочестотната феритна антена е почти на границата да има достатъчна чувствителност пак за тези обхвати.
Фиг.8
Симетриране
Важен момент в конструкцията е връзката с основния приемник да се направи през широколентов и галванически развързан трансформатор за да не се нарушава симетрията. Симетрирането на изхода, а не на входа при антената, е много по-лесно и широколентово. Развързването може да се направи и с токов балун както е показано на Фиг. 5а Свързването на предусилвателя без трансформатор директно към приемника е еквивалентно на свързване на масивни проводящи тела към единия край на МА. Диаграмата на МА ще се промени съществено и може да престане да има насочени свойства. Допълнително могат да протекат и значителни токове на несиметрия от местни шумови източници, които ще предизвикват появата на допълнителни смущения – рамката започва да работи като къса асиметрична пръчка (щир). Тове е и причината, батерията да се свърже през два дросела, които развързват масивното метално тяло на батерията от високочестотната част. Предусилвателите са свързани с основния приемник чрез коаксиален 50 ома кабел.
Използуването на екранирана МА (както се прави при приемниците за радиозасичане) е нож с две остриета. Трябва да знаем много добре какво правим като поставяме електростатичен екран, защото вместо да подобрим можем за развалим симетрията. Най-сигурният начин е физически платката да има минимален размер. Използуването на променлив кондензатор, като изводите се взимат между двата статора също е добре за симетрията, особено ако кондензаторът е с голям размер.
.
Практически измервания
Абсолютните измервания на чувствителността на МА са трудни и изискват специализирана апаратура. Беше направен експеримент в реални условия, като МА се сравняваше с референтна пълноразмерна антена. За да е обективно сравнението с референтната антена е необходимо да се използуват два еднакви приемника и то по едно и също време. Целта на този експеримент е да се определи средното съотношение сигнал-шум за едната и другата антени. При пълноразмерната референтна антена, нивото на атмосферния шум превишава значително собствения шум. При МА това може да не вярно. Ако съотношението SNR при двете антени е едно и също при един същи входен сигнал, то МА е с достатъчна чувствителност, ограничена е само от атмосферния шум и няма смисъл тя да се увеличава по размер.
За тази цел беше използуван двуканален приемник с директно преобразуване на честотата разработен преди това за софтуерно радио. Виж http://www.lz1aq.hit.bg/docs/SDR/SDR.htm. Модифициран беше входния смесител и трансформатора както е показано на Фиг. 9.
Фиг. 9
Такава модификация позволява да се получат два независими приемника с общ хетеродин. Изходните сигнали се подават на двата канала на звуковата карта и се обработват от дву-канален спектрален анализатор, който изчислява два независими спектъра.
Условия на експеримента:
Място: Двор на къща в село. Сравнително тихи електромагнитни условия без близки индустриални или битови източници на шум. Слънчевата активност е в абсолютния минимум. Същия ден числото на Волф беше 0.
Референтна антена: Асиметрично захранен дипол с обща дължина 80 м. Средна височина 15 м над земята. За съгласуване е използуван антенен тунер и 1:1 токов балун.
Магнитна рамка: Кръгла рамка с една навивка и диаметър 0.5 м . Ефективна площ около 0.2 м2. Проводникът е алуминиев с диаметър 3.2 мм. Индуктивност 1.7 uH. В Таблица 1 са дадени параметрите получени чрез измерване на Q-фактора. S/N е изчисления SNRt при термичен шум и входен сигнал 0.2 uV/m. Q-факторът измерен с уред MQL-6 (INCO Poland).
Таблица 1
Антената е поставена на маса с височина около 1 м над земята извън къщата на тревна площ. Използуван е предусилвател само с повторител според Фиг.5. Само последната Фиг.14А е с предусилвател с допълнително 12 dB усилване (Фиг.8). Коаксиален кабел с дължина 8 м свърза предусилвателя с приемника.
Приемник: Двуканален приемник с директно преобразуване на честотата и чувствителност -128 dBm @ 500Hz. По-подробно виж в http://www.lz1aq.hit.bg/docs/SDR/SDR.htm. Измерено прослушване между двата канала < -32 dB.
Софтуер и компютър: Notebook Dell Inspiron 1501. При измерването компютърът работеше с акумулаторите и импулсното му захранване беше изключено за де се избегнат смущения. Звукова карта Creartive Live USB 24bit. Софтуерен спектрален анализатор Spectralab v.4.32.13 http:/www.soundtechnology.com/
Спектрите са правени в късовълновите (1.5 до 14 MHz) любителски обхвати. Те са абсолютно синхронни – правени са с два еднакви приемника с общ хетеродин и по едно и също време. Това, че двата канала са дефазирани на 90 градуса няма значение, защото се измерват само амплитудите на сигналите. Скалата на амплитудата е логаритмична (в децибели) и дава относителната амплитуда на всеки сигнал на обхвата. Честотата на преобразувания входен сигнал е по абцисата. Това всъщност е разликата между честотата хетеродинния осцилатор и входния сигнал. Честотата на дискретизация е 96 КХц, като ширината на лентата на приемане е също 96 КХц, защото огледалният канал не е потиснат – т.е. има сигнали както над така и под честотата на осцилатора. Телеграфните сигнали са вълните с тесни и остри пикове. SSB сигналите са с широк спектър. Нивото на атмосферния шум е ясно изразено – това е базовата линия. Спектрите са усреднени от 30 до 100 сек за да се избегне влиянието на фадинга. За всяка антена поотделно се измерва съотношението сигнал-шум и се прави сравнение с същата величина при другата антена за едни и същи спектрални ивици. Скалите в двата канала не са калибирирани и усилването спрямо вънщното електромагнитно поле за двата канала е различно. Ние измерваме само съотношенията сигнал-шум в всеки от каналите поотделно и после ги сравняваме.
Фиг. 10 3.5 MHz, Ниско ниво на атмосферен шум през деня. SNR е с 6 дБ по-добро при дипола.
Ефективната площ или Q-фактора на МА са недостатъчни при тези условия.
На този обхват рамката е с Q = 160 и капацитет 975 pF.
Фиг. 11 3.5 MHz, Вечер, с същите антени. Обхватът е отворен и атмосферения шум е сравнително по-висок.
Няма значима разлика в SNR при двете антени.
Фиг. 12 7 MHz Ниско ниво на атмосферен шум. SNR е с 10 дБ по-добро при дипола.
На този обхват рамката е с Q-фактор 215 и капацитет 300 pF.
Фиг. 13 7 MHz ,Вечер, с същите антени. Обхватът е отворен и атмосферения шум е сравнително по-висок.
Няма достоверна разлика в SNR при двете антени.
Фиг. 14 14 MHz, Много ниско ниво на атмосферен шум. По груби оценки нивото на шума в този ден беше под 0.1 uV.
SNR е почти с 20 дБ по-добро при дипола. В този случай има и недостатъчна чувствителност на основния приемник. (-128 dBm @ 500Hz).
Използуването на предусилвател с още 12 dB усилване е оправдано и ще подобри SNR , но недостатъчно.
На този обхват рамката е с Q-фактор 250 и капацитет 75 pF.
Фиг. 14 А 14 MHz, Ниско ниво на атмосферен шум. При МА е използуван допълнително усилване от 12dB според Фиг.8.
SNR на МА е само с 2-3 dB по-лошо от това на референтната антена.
Проведените експерименти не са прецизни защото има неуточнени фактори:
– Действителното абсолютно ниво на атмесферния шум.
– Различната диаграма на насоченост на двете антени.
– Референтната антена е на много по-голяма височина от МА и нейната диаграма на излъчване е по-добра при ниски ъгли към хоризонта. Това автоматично води до повишаване на нейния SNR особено за по-далечните станции.
Въпреки това експериментът позволява приблизително да се оцени дали МА е ограничена по чувствителност от физическите си параметри. Още веднаж искам да подчертая, че този експеримент показва единствено дали МА може да приеме външния атмосферен шум. Ако това е така, повече няма смисъл да се подобряват параметрите на МА. Резултатите от този експеримент в общи линии потвърждават изводите от теорията.
Използуване на МА при местни смущения
Напоследък електромагнитната обстановка в населените места особено големия град се влоши рязко. Най-съществен дял за това имат кабелните телевизионни и интернет мрежи и захранващата мрежа. В голям процент от случаите това се дължи на импулсните изправители, които нямат добри филтри и излъчват в много широк спектър. Тава излъчване е особено силно в така наречената близка зона (разстояния по-малки от дължината на вълната). Полетата от близката зона спадат много бързо с разстоянието - на втора или на трета степен. Има един мит, че рамковите антени са по-безшумни от пълноразмерните. В същност те могат да бъдат по-безшумни само ако са поставени на подходящо място и така насочени, че да елиминират някакъв източник на шум, който се приема с голямата антена. МА е много чувствителна към магнитната компонента на полето в т.нар близка зона. Източници на силно магнитно поле напр. кинескоп или трансформатор влияят на МА и внасят силни смущения. Все пак интензивността на полето в близката зона спада с квадрата или куба от разстоянието и в повечето случаи е достатъчно да се отдалечи МА на няколко метра и смущенията напълно изчезват.
Една рамкова антена поставена в близката зона не е най-добрия избор, но чрез подходящо завъртане може да се намери положение, при което смущението намалява. За една голяма антена опъната ниско или близо до сграда вероятността да бъде в близката зона на смущението е по-вероятна отколкото за една физически малка антена. Би могло да се предположи, например, че може да се намери такова място за рамковата антена, което е достатъчно отделечено от местните източници на шум и по-този начин да се окаже, че тя е по-безшумна от голямата. Трябва да се има предвид, че в близката зона всеки метър отделеченост има значение.
Едно от най-важните преимущества на ФА пред рамковата антена е нейната компактност и възможността много точно да се локализират източниците на смущения в близката зона. Между другото това е единствената антена, с която мога да приемам някакви любителски станции в лаборатория пълна с компютри, мрежи, лумининсцентно осветление и друга техника. ФА има и друго преимущество пред рамковите – тя може да работи много близо до метални повърхности с висока ефективност и е удобна за работа от автомобил. Аз я закрепвам на тавана на колата. По време на пътуване, като приемник използувам Алинко DX70 или приемник с директно преобразуване - любителските станции се чуват прекрасно, да не говорим за концертните. Пътувайки с колата може да следи за електромагнитната чистота на ефира.
Използуване на МА за приемане на DX
Интересно е да се види, каква антена трябва да се направи, която до известна степен да е равностойна на пълно-размерната антена за приемане на DX станции. От направения анализ и от графиката на Фиг. 4 се вижда, че тя не трябва да е много голяма. Бих предложил следните разумни минимални размери на рамки за съответните НЧ диапазони:
За 1.8 и 3.5 MHz : 1 нав. D= 0.88 m, А= 0.6 м2 Q>150 L = 3 uH, проводник d = 4 mm, материал мед или алуминий. Предусилвател само повторител.
Универсална: 1 нав. D= 0.5 m, А= 0.2 м2 Q>200 L = 1.7 uH, проводник d = 4 mm, материал мед или алуминий. Ако основния приемник е с чувствителност < 130 dBm трябва да се сложи и допълнителния усилвател 12 dB. Това е антената с която са правени експериментите. Тази антена работи на всички обхвати от 1.8 до 28 MHz. Конструкцията е лека (алуминий) и когато обхватът е отворен приема всичко, което се приема с голяма антена. Тази антена има недостатъчна чувствителност при много ниски нива на атмосферен шум: в дневните часове на ниските обхвати и на високите обхвати при лошо прохождение.
За DX връзки трябва да се има предвид още и следното: дори МА да има голяма ефективна площ и атмосферния шум да превишава значително собствения, нейното усилване при ниски ъгли към хоризонта е малко и тя не може да конкурира големи приемни антени от рода на беверидж.
Изводи:
1. Ограничаващ фактор на чувствителността при МА е термичния шум на съпротивлението на загуби.
2. Дадена е по-удобна формула за съотношението сигнал-термичен шум на магнитна антена, в която влизат взаимно независими параметри – ефективната площ и съпротивлението на загуби.
3. За да се реализира максималната чувствителност е необходимо да се използува предусилвател с малък собствен шум. При използуване на антената в резонансен кръг, най-прост и удобен усилвател е истоковия повторител. За малки рамки се налага да се добавя допълнителен усилвател.
4. Показано е как да се извърши съгласуване на магнитната антена за честоти над нейната естествената резонансна честота, чрез свързване на паралелни индуктивности.
5. За да не се наруши симетрията на антената, при свързване към друга апаратура, се използува широколентов разделителен трансформатор на изхода на предусилвателя.
6. Теоретично е оценена минималната необходима ефективна площ на рамката, при която нивото на атмосферния шум ще превишава собствения шум на рамката. Дадена е удобна графика за определяне на площта на рамката в зависимост от честотата и Q-фактора.
7. Направен е експеримент за оценка на реалната чувствителност на МА, като е сравнена с пълноразмерна антена.
8. Няма голям смисъл да се прави рамка с много навивки. От гледна точка на съотношението сигнал-шум е най-изгодно е да се увеличава максимално площта с 1 навивка. Рамки с 1 навивка и много голям кръгов капацитет работят задоволително, което прави възможно с една рамка да се покрие голям диапазон от честоти.
9. Направена е изчислителна таблица, с чиято помощ се изчисляват основните параметри на антените и съотношението сигнал-шум. Таблицата помага да се оптимизира конструкцията на антената.
Приложение 1. Отношение сигнал-шум при настройка на рамкова антена с паралелни индуктивности
За да се улесни анализа, ще работим с проводимости и генератори на ток, тъй като става дума за паралелно свързани елементи. Еквивалентната схема от Фиг.16а може да се преобразува в паралелна схема на Фиг.16в (паралелните кондензатори са премахнати, защото те не оказват влияние върху анализа). Целта е да се сравни съотношението сигнал-към термичен шум на схемата от Фиг.16в и тази от Фиг.16с, която е с добавена паралелна индуктивност, като амплитудата на генератора на антенен сигнал Е в двата случая е една и съща.
Фиг.16
Анализът ще се опрости ако приемем, че XL0 >> R0 и няма нужда работим с комплексни стойности. С допустима за практиката грешка това е така ако Q-фактора на бобините е >50. В такъв случай имаме следните зависимости:
IA = E/ XL0 G0 = 1/(RL X2L0) и YL0 = 1/ XL0
Мощността на сигнала между точките 1 и 2 ще е: PS = IA 2/YL0 .
Мощността на шума от проводимостта G0 между точките 1 и 2 ще е: PN = (4k T G0 Bw) / YL0
Съотношението сигнал-шум (по мощност) ще стане:
(9)
Когато се добави паралелна индуктивост ще се получи схемата на Фиг. 16с и аналогично съотношението сигнал шум ще е:
(10)
Ще въведем коефициент на влошаване на сигнал-шум по мощност KD като разделим (9) на (10).
(11)
Сега ако преминем в импеданси, които са по-употребявани величини и вземем предвид, че G = 1 / (QXL)
(12)
Където Q е качествения фактор на съответната бобината.( KD е съотношение на мощности за разлика от SNRt което дефинирахме като отношение на напрежения. Ако се работи в децибели,това няма да има значение)
Формулата (12) ни дава количествена представа за интуитивно почти очевидни неща, че допълнителната бобина трябва да е с голям Q-фактор и не трябва много да се различава по стойност от антената. Например ако свържем паралелна бобина със същата индуктивност и Q-фактор, отношението сигнал-шум ще се намали 2 пъти по мощност (3dB). За сметка на това работната честота ще се увеличи почти с 50%. В много случаи този компромис е приемлив, защото все пак се придобива възможност да се увеличи работната честота без да се променя механичната конструкция на антената.
Правилният въпрос в същност е малко по-друг : Какво е съотношението сигнал-шум на една и съща честота, когато се сравнят две антени – едната с по-малко навивки, а другата с повече и включена паралелна индуктивност, така че двете да се настройват с еднакъв кръгов капацитет? Паралелната индуктивност внася някакви допълнителни загуби, но това вероятно се компенсира до известна степен от ефекта на центриране на намотката (при ФА) и запазване на голям брой навивки. Прецизни измервания не съм правил защото не са прости, но експерименти на живо приемане показват, че този начин на настройка най-малкото не е по-лош от този с превключване на изводи.
Приложение 2. Отношение сигнал-шум при настройка на рамкова антена с паралелен кондензатор
Същата формула (12) важи и за свързване на произволен реактивен елемент паралелно на антената – например кондензатор. Тогава тази формула ще ни даде колко се влошава SNRt от крайният Q-фактор на кондензатора:
(13)
Нека QL = 200 и QC = 1000 и веригата да е в резонанс т.е. XL = XC . Тогава КD = 1.2 и SNRt ще се влоши с 0.8 dB от загубите в кондензатора.
Допълнителни връзки и книгопис.
ARRL Antenna book ed. 2005 Chapter 5
Small Antenna Design, Douglas B. Miron, 2006, Elsevier Inc. ISBN-13: 978-0-7506-7861-2
Приемнье феритовые антенны , Госэнергоиздат 1963, В.И.Хомич ,
N4YWK http://www.vlf.it/octoloop/rlt-n4ywk.htm
Nikolova N. http://www.ece.mcmaster.ca/faculty/nikolova/antenna_dload/current_lectures/L12_Loop.pdf
http://www.antentop.org/004/files/tr004.pdf
Butler VK5BR http://users.tpg.com.au/ldbutler/VLF-LFLoopAerial.htm
http://users.tpg.com.au/ldbutler/Loop18MHz.htm
Grechihin A. http://rf.atnn.ru/s4/an-b92.html
Ferrite Rod Antennas for HF? R.H.M. Poole, BBC WHP091 http://www.bbc.co.uk/rd/pubs/whp/index.shtml
Форуми: http://www.radioscanner.ru/forum/index.php?action=vthread&forum=5&topic=22993&page=52
Чавдар Левков LZ1AQ април- юни 2008