Длиннопроводные антенны Long Wire (vk6ysf.com)
Антенна длинный провод (частный случай антенны случайный провод) -
провод растянутый между парой опор, с одной стороны к нему подключен
приемник (в нашем случае) или радиостанция. Угол наклона при этом
обычно не оговаривается, так как такая антенна вешается между парой
доступных опор, которых обычно не так уж и много, и вешается провод той
длины которая между этими опорами умещается.
По ссылке выше проведен расчет входного сопротивления провода
длиной 18.7 метров в диапазоне 0-30 мгц с разными углами наклона, от
горизонтального до вертикального расположения полотна.
Видно что входное сопротивление которое нужно согласовать с 50 омами
кабеля может быть от 50 до 5000 Ом, так что балун не обеспечит
идеальное согласование во всей полосе, да никакое устройство такого не обеспечит, он просто уменьшит на порядок рассогласование
между кабелем и антенной в точках с максимальным значением. Для приема
этого вполне достаточно.
Из-за этой зависимости у радиолюбителей есть четко определенные длины
полотна антенны, чтобы на любительские диапазоны попадали минимумы или
максимумы сопротивления полотна. Однако при наличии согласующего
устройства непосредственно у точки питания провод может быть любой
длины. То же относится и к приемным антеннам, уровни сигнала на КВ
достаточно высоки, и даже в точках максимального рассогласования ловит
антенна нормально.
Диаграмма направленности провода в свободном пространстве при разных
отношениях длины волны к длине полотна выглядит так. В реальных
условиях и низко над землей она сильно искажается из-за отражения и
поглощения сигнала. Long-Wire Antennas (on5au.be)
Феррит и тип намотки балуна.
Существуют два типа намотки антенных трансформаторов: магнитный
трансформатор (обмотки отдельно) и ШПТЛ (обмотки представляют косичку
из скрученных проводов). Просто для примера измерим АЧХ разных типов
трансформаторов с разными случайными попавшими под руку ферритами.
М400НН
Трубка с кабеля VGA
Желтое кольцо из БП компьютера
М50ВН
N87
Тут и так все понятно
Как видно у ШПТЛ (вч трансформаторов намотанных скруткой)
характеристики зависят от материала феррита гораздо меньше. По сути при
такой намотке материал феррита влияет только внизу диапазона, где
реактивное сопротивление обмоток уменьшается, но низкочастотный феррит
увеличивает индуктивность на тех частотах и исправляет ситуацию. На
потери в таком трансформаторе влияет только волновое сопротивление
длинной линии которую образуют скрученные провода.
Изоляция
Для антенных трансформаторов работающих на прием важна емкость между
обмотками. Феррит хороший изолятор, так что на емкость между обмотками
влияет только их размер и расстояние между ними. Влияет это на
проникновение помех по оплетке кабеля, чем ниже эта емкость тем выше
сопротивление помехам common mode.
Измеряется с помощью антенного анализатора так: выводы обмоток
закорачиваются, одна обмотка подключается к выходу, другая к входу,
измеряется s21.
Результат предсказуем, у обмоток разнесенных по сторонам кольца емкость меньше.
Соответственно для приемников стоит использовать небольшие кольца из
подходящего феррита (например n87) и мотать магнитные трансформаторы,
чтобы обеспечить хорошую развязку между оплеткой кабеля и полотнм
антенны.
COMMON MODE
Так называются помехи проникающие в радио из сети, прямо по неправильно
подключенному кабелю. Так как амплитуда таких помех максимальна
(источник подключен напрямую ко входу) и они не излучаются в эфир, их
относительно легко забороть.
Для начала посмотрим на разницу напряжений между землей (в моем случае
это арматура здания) и массой сдр радиоприемника подключенного к ПК.
Итого, через делитель 1:10 мы видим амплитуду 1.36 В сигнала
содержащего высокочастотные вспышки. Итого 13.6 вольт. Конечно за
большую часть уровня отвечает синусоидальная составляющая, но даже если
ВЧ вспышки имеют амплитуду в 1 вольт то они явно выше уровнем чем
сигнал с антенны?
Но мы же запитали антенну коаксиальным кабелем, через экран же не проникнет эта помеха?
Проникнет. Глянем на примерную схему учитывающую только пару источников
помех, если мы просто воткнули антенну в кабель (или через un-un) а
кабель-в приемник.
На входе приемника мы получим сумму сигналов с антенны и помех из сети,
т.к. приемник усиливает разницу напряжений между центральным контактов
хода и массой. На центральном контакте у нас напряжение сигнала с
антенны, на массе-напряжение помех из сети. Вуаля, мы ничего не слышим.
Заземление улучшит ситуацию
Тут мы шунтируем источник напряжения помех, но наш проводник заземления
имеет сопротивление, и длину, а значит ток помех текущий через него
будет создавать на активном и реактивном сопротивлении проводника
напряжение которое также будет присутсвовать на корпусе приемника.
Используем дроссель (ака кабель намотанный на феррит)
Тут мы последовательно с сопротивлением заземления для тока помех
включили реактивное сопротивление дросселя. На сигнал с антенны оно не
влияет, а для тока помех образует делитель напряжений, вместе с
сопротивлением земли. Чем ниже будет сопротивление земли, и выше-
реактивное сопротивление Xl дросселя - тем меньше будет уровень помех
на входе.
Проблема только в том что реактивное сопротивление дросселя на НЧ
маленькое и растет с частотой, а помехи common mode как раз максимальны
на НЧ.
На фото ниже показаны потери сигнала помех (несимметричного тока) при
прохождении через таой дроссель ( голубая линия, очень условно, но
видно что потери растут с частотой)
Но есть же другой элемент который может выполнить задачу отсечки
несимметричного тока, и имеет нужную нам частотную характеристику
реактивного сопротивления-трансформатор.
Опять же глянем на голбую линию на графике-на НЧ сопротивление несимметричной составляющей тока (токам помех) огромно.
А вот потери синфазной составляющей (сигнала), тоже голубая линия.
Чем меньше площадь проводов котормыми намотан такой трансформатор-тем
лучше для свойств изоляции несимметричного тока (меньше межобмоточная
емкость, которая и образует сопротивление токам помех), поэтому для
приемников мотать такие устройства лучше на минимальных по размеру
кольцах тоним проводом. Ну или купить готовый на миниатюрном
трансформаторе.
Стоит удалить перемычку соединяющую среднюю точку трансформатора и
оплетку кабеля, для уменьшения затекания токов с оплетки кабеля на
антенну.
Полная схема защиты от common mode без параноидального заземления у меня выглядит так
Заземление в крупном доме, на
арматуру\батарею\специальную шину заземления само по себе шумное, так
как через него текут токи заземления других электроустановок, и на него
наводятся полями создаваемыми разными устройствами напряжения помех.
Соответственно в точке заземления относительно "чистой" земли будет
присутствовать напряжениепомех. Вариант избавиться от него-не
пользоваться им вообще, а вместо заземления повесить второй длинный
луч, необязательно делать лучи одинаковой длины. Ниже табличка со
спектрами низа кв при разных включениях двух лучей 8 и 30 метров длиной
через один или два изолирующих трансформатора (второй 1:1 трансформатор
располагается у приемника и отсекает common mode от оплетки кабеля)..
Балун для SWL
Бытует мнение что в городе или крупном ПГТ прием кв на длинный луч очень плох.
Так вот.
Не очень.
Суть в следующем. Мало кто заморачивается нормальной изоляцией антенны
от оплетки кабеля. Также бытует мнение что использовать заземление в
многоэтажном здании это хорошая идея. Вовсе нет. На арматуре здания
сидит нехилое напряжение помех из-за токов заземления которые текут по
нему, да и даже с несвязанной с землей проводки через емкость наводится
нехилое напряжение помех.
Все это привело меня к мысли что надо обеспечить не только ОЧЕНЬ
хорошую изоляцию между антенной и кабелем для синфазного тока, но и
отнести немного точку запитки от стены, чтобы через емкость между
проводом антенны и арматурой не лезли помехи. Ведь даже если мы сделаем
ультрагигачад-балун с изоляцией по синфазному току в мегаомы, но малого
размера то помеха все равно будет пролезать через емкость между
оплеткой кабеля и полотном антенны.
Я попробовал, и мне понравилось.
Балун состоит из вч трансформатора 9:1 (6 витков вход, 2 витка выход)
на колечке диаметром 6 миллиметров и огромного секционированного
синфазного дросселя на пластиковой трубке. Почему не на ферритовом
кольце как обычно - во первых размер дросселя на феррите будет мал, а
нам нужно растянуть балун по длине, а во вторых - на феррите дроссель
будет иметь заметную емкость между витками, и сильно нелинейную АЧХ
сопротивления, из-за частотных свойств феррита.
По сти я скопировал анодный дроссель ламповых УМ, только намотал его двухпроводной линией.
Фоточки:
Трансформатор
В сборе
Результат. В центре ПГТ на 5000 человек, в железобетонном доме, на
подключенные к балуну лучи 30 метров + 8 метров хорошо слышны SSB на
160 метрах, пираты-АМщики на 1.7 мгц, вещалки. Помехи от лифтов
просачиваются заметно меньше.
AUSTIN TRANSFORMER as a balun.
Вообще-то это разновидность трансформатора с малой межобмоточной
емкостью, который применяется для передачи 50 герц 220 вольт для
питания ламп на мачтах кв антенн.
Это обычный тороидальный трансформатор у которого вторичная обмотка
сделана в виде кольца из провода не закрепленного на сердечнике с
первичной обмоткой.
Малая межобмоточная емкость это как раз то что нужно ля подавления
common mode на нч. Но это магнитный трансформатор, и нужно внимательно
выбирать феррит для сердечника.
Я изготовил макет такого трансформатора на вч (из случайного нч
феррита, вряд ли он будет работать на кв) и тесты с помощью nanovna
показали на 4-5 дб лучшее подавление common mode по сравнению с
миниатюрным шп трансформатором (голубая линия).
Емкость между обмотками напрямую зависит от размеров феррита\вторичной
обмотки (они должны быть одинаковыми, потому что при разных их
диаметрах изоляция ухудшится) но при этом явно увеличится индуктивность
рассеяния.
В общем надо оценивать подавление common mode и потери в
трансформаторе, потому что при наличии высоких потерь итоговый
сигнал/шум может не улучшиться по сравнению с миниатюрным
трансформатором).
Емкость между обмотками напрямую зависит от размеров феррита\вторичной
обмотки (они должны быть одинаковыми, потому что при разных их
диаметрах изоляция ухудшится) но при этом явно увеличится индуктивность
рассеяния.
В общем надо оценивать подавление common mode и потери в
трансформаторе, потому что при наличии высоких потерь итоговый
сигнал/шум может не улучшиться по сравнению с миниатюрным
трансформатором).
Можно ли для приема кв на военный\любительский\сдр приемник использовать кабель 75 Ом?
Если коротко-да.
Если долго то: при любом рассогласовании сопротивлений в цепи источник
сигнала (антенна) - линия (кабель) - нагрузка(приемник) возникают
потери зависящие от частоты. Вопрос в величине этих потерь.
Как видно на частоте при которой длина волны кратна нечетному числу
четвертей волны рассогласование максимально (кабель работает как
трансформатор)
В случае когда частота такова, что длина волны кратна четному числу
четвертей волны (полуволн) рассогласования не происходит (у любителей
это получило название "настроенный вибратор", полуволновой повторитель
и.т.д.)
Так каковы потери? Ну вот замер 50-метровой бухты телевизионного кабеля Sat-703.
NanoVNA откалибрована, диапазон измерений 0-30МГц, выходное и входное
сопротивления анализатора-50Ом, кабель-75. И мы видим скачки КСВ до
1,75 и потери на 30МГц -2.13 дБ. Это рассогласование в идеальном случае, когда сопротивление источника постоянно.
А теперь вспомним что антенна типа "Луч" которой обычно пользуются
начинающие любители пошарить по КВ имеет очень неравномерную
зависимость выходного сопротивления от частоты, в экстремальных случаях
сопротивление может скакать от 5000 Ом на полуволновом резонансе до 30
Ом на четвертьволновом. После антенного трансформатора 9:1 эти
сопротивления превращаются примерно в 250 и 3 Ома. И соответственно это
рассогласование на некоторых частотах вносит куда большие потери чем
замена 50 Ом кабеля на 75 Ом.
Все плохо? Нет, все очень даже хорошо, потому что чувствительность
современных приемников высока, уровень сигналов на КВ большой, и даже с
учетом всех этих потерь приемник подключенный к антенне метров 8 уже
будет включать ослабление чтобы не перегрузиться.
Так что если вы купили SDR, не шарите в таких штуках и не можете
разобраться в любительских срачах на тему применения тв кабелей - смело
включайте через кусок любого тв кабеля, только не забудьте антенный
трансформатор (балун), это куда важнее вне зависимости от сопротивления
кабеля.
Почему усилители для приема КВ в большинстве случаев не нужны
Многие начинающие искренне думают что если они на длинный луч слышат
сигналы с небольшим уровнем то установка усилителя исправит эту
проблему.
Если коротко-нет.
Если долго...
Уровни и шума, и сигнала на КВ при использовании полноразмерных антенн
обычно высоки, и уровень шума поступающий из антенны выше собственного
уровня шума приемника, то есть соотношение сигнал\шум упределяется
шумами эфира а не приемника. Если мы установим в такой тракт усилитель
имеющий некий уровень усиления и некий коэффициент шума Кш то он усилит
одинаково и шум и сигнал, при этом добавив своего шума, на выходе мы
получим уровень сигнал\шум ниже чем на входе, ниже на Кш.
Все меняется если мы используем маленькую антенну (активные антенны
тому пример), приемник с низкой чувствительностью, или работаем на
высоких частотах, там где уровни атмосферного шума мизерные. Уровень
шума поступающий с антенны вполне может быть ниже собственного шума
приемника. Установив усилитель мы тоже испортим уровень сигнал\шум на
его выходе на величину Кш, НО при этом мы поднимем уровни над шумами
приемника, и в итоге получим лучший Кш.
В случае работы с полноразмерными антеннами лучшее что можно сделать -
бороться с помехами, при чем первым делом забороть common mode, так как
они по сути напрямую подключены ко входу приемника через оплетку
кабеля, а уровень их огромен.
Мини-вип не ловит.
Вы подключили минивип как надо, и ничего не слышите. При этом антенна
работает (при отключении питания уровень шума сильно падает).
Антенна в порядке, дело в common mode помехах (распространяющихся по
оплетке кабеля). Дело в том что на массе компьютера образуется немалое
напряжение помех. Вот пример - напряжение между массой пк и
заземлением. 13,6 вольт! В основном это синус 25кгц, но есть
частые вспышки ВЧ сравнимой амплитуды!
Через USB кабель и массу приемника по кабелю это напряжение передается
на массу антенны. А выходное напряжение антенны это усиленная разность
напряжений между электродом антенны и массой. Соответственно на выходе
мы имеем сумму напряжений сигналов из эфира и напряжения помех на
массе, которое много выше.
При этом самый радикальный метод борьбы с ними (развязка вч
трансформатором) не сработает - трансформатор отрежет путь питанию
антенны, и замкнет его.
Минивип-вполне нормальная антенна( за исключением абсурдно маленького
приемного электрода), антенны такой же схемы, но с другими
транзисторами и штырем длиной около метра выпускались для нужд бундесвера, например. Сравните схемы.
Мини-вип:
RFT AAk-1000
Отличается только усиленной защитой, двухтактным каскадом на выходе, ну и транзисторами, здесь используется КП905 на входе.
RFT AAK-1000 внешний вид.
Более сложная версия AAK5240 (кроме несимметричного вертикала есть еще
два диполя запитанных через широкополосный фазовращатель, для получения
круговой ДН.
Проблема в условиях использования несимметричной активной антенны с высоким входным сопротивлением. Если установить ее
где-нибудь на даче, вдалеке от дома, хорошо заземлив кабель в месте
установки то ловить она будет прекрасно. Но в городских условиях
(установка на стене дома, не заземляя кабель хотя бы) дает нулевые
результаты.
Если вы купили именно вип для установки на окне в многоквартирном доме можно:
1 Прикрутить штырь нормального размера, около метра хотя бы (больше
важна емкость электрода нежели длина, некоторые умудрялись подключать
вип к длинному лучу).
2 Заземлить на арматуру кабель или массу антенны.
3 Установить синфазные дроссели (намотать кабель на ферритовое кольцо,
поставить USB кабель с ферритовыми бочонками к sdr, нормальный сетевой
фильтр к ПК (лучше все это вместе).
4 Более радикальный метод-поставить развязывающий трансформатор между
антенной и приемником и питать ее от линейного трансформаторного БП
через хорошие вч дроссели, конечно заземлив массу антенны на арматуру.
На мой взгляд проще купить (или собрать самому) активную магнитную
рамку. Благодаря дифференциальному входу с низким сопротивлением она
нечувствительна к common mode и телодвижений не требует для нормальной
работы - включил и уже ловит. А усилитель не требует полевых
транзисторов - собрать можно хоть на кт386, практически по любой
устраивающей схеме, мой самодельный усилитель рамки на трех кт386 (дифф
вход с ОБ+выход с ОК) работал куда лучше не только минивипа но и MLA30
(шумел на несколько дб меньше)
Например pa0fri протестировал много вариантов простых усилителей для
активных рамок и собрать один из них можно не прибегая к полевым
транзисторам, которые не у каждого в коробке с деталями найдутся. PA0FRI's active loop antenna (xs4all.nl)
Ну или такой вариант, с половинкой усилителя рамки Шавдара Левкова.
Короче на несимметричных вибраторах свет клином не сошелся, рамки в использовании дома куда удобнее их.
