Допустим у нас лучший приёмник. Со всеми "наворотами". Да что мелочиться - идеальный приёмник. С любой полосой и избирательностью. Но даже в таком приёмнике ничего нельзя сделать, если помеха стоит точно на частоте полезного сигнала, имеет спектр шире сигнала, а амплитуду намного больше. Но можно в антенной системе...

Прибор для фазирования антенн

Принцип работы

Описываемый прибор предназначен для фазирования сигналов от двух приёмных антенн на входе RX. И позволяетзначительно подавить помеху, приходящую с определенного азимута.

Итак, идеальный приёмник бесполезен, если мощная помеха "накрывает" полезный сигнал. Но может помочь пространственная избирательность направленной антенны. Развернув её минимумом на источник помехи можно улучшить отношение сигнал/помеха (С/П) на входе приёмника в F/B антенны раз.

Для того, чтобы это было возможно, требуется:

Эти ограничения не очень велики. Весьма часто помехи локализованы по азимуту. Например, от завода, передающего центра, искрящей в отдалении ЛЭП, соседа-HAMa, и т.д

Для того, чтобы на неподвижных антеннах получить направленную ДН с возможностью электрического вращения её минимума и предназначен описываемый в этой статье прибор. Идея состоит в том, чтобы сфазировать две разные приёмные антенны.

Принцип работы прибора состоит в том, что в разнесенных в пространстве антеннах одна и та же электромагнитная волна помехи наведет разные по амплитуде и фазе токи. Разность фаз зависит от расстояния между антеннами, направления прихода сигнала и расположения антенн, относительно этого направления.

Если выровнять (аттенюаторами) амплитуды принятой обеими антеннами помехи, и затем довернуть фазу, так чтобы сигналы помехи с обоих антенн стали в точности противофазны, то ясно, что при сложении в сумматоре обеих сигналов произойдет компенсация. Степень ослабления зависит лишь от точности баланса фаз и амплитуд и легко может достигать несколько десятков dB (как в любом балансном устройстве).

Полезные же сигналы имеют другое соотношение амплитуд и фаз на антеннах. И при проходе по тому же пути уже не будут в точности компенсированы, и ослабятся намного меньше.

Выигрыш в отношении С/П на выходе сумматора может колеблется от нескольких до 30..40 dB (зависит от расположения антенн относительно азимута прихода помехи).

Всё это конечно хорошо, но где взять вторую антенну на тот же диапазон? Дело изрядно упрощается тем, что нам нужна приёмная антенна. Поэтому в качестве второй антенны можно с успехом использовать антенны других диапазонов и\или отдельные маленькие приёмные антенны.

Устройств (под разными названиями), реализующих вышеизложенную идею, описано и выпускается немало. Например, в журнале CQ за июль 1997 описан "QRN Squansher MK-II" от W1FB, в журнале "РЛ. КВ и УКВ" за февраль 2001 опубликована статья "Метод фазирования антенн" I4JMY. Промышленно выпускаются приборы MFJ-1026 и ANC-4.

Получаемые результаты зависят в первую очередь от антенн и их взаимного расположения. На следующем скриншоте, показаны, полученные в GAL-ANA результаты фазировки полноразмерной Inverted V на мачте высотой 15 м, и приёмной рамка, со стороной 1м. Расстояние между антеннами 20 м в направлении на север. Диапазон 80 м

Показаны только ДН в секторе 0...900 (остальные 3\4 круга получаются поворотом, и там вид ДН такой же). В довольно широких секторах при помехах приходящие с севера и можно получить значительное улучшение отношения С\П. Для помех же с запада и востока улучшение намного меньше, поэтому для этих направлений для фазировки лучше использовать другую дополнительную антенну.

На следующем скриншоте показана ДН в диапазоне 160 м при фазировке укороченного вертикала с емкостными нагрузками и аналогичной первому примеру отдельной приёмной вертикальной рамки. Расстояние между антеннами 20 м в направлении на запад./

Всё похоже на предыдущий случай - для севера и юга можно в довольно широком секторе "навести" минимум на помеху, а для западного и восточном направлений разумнее использовать другую дополнительную антенну.Минимумы ДН на приведенных скриншотах характеризуют не качество прибора фазирования, а свойства конкретных двухэлементных активных систем. При иных антеннах и ином их расположении подавление может быть как бОльшим, так и меньшим.

Фазируемые антенны весьма желательно иметь согласованными по поляризации.

Вторая антенна должна быть полноценной приёмной антенной. А не "шумовой", как её иногда называют. Неразумны рекомендации размещать короткую проволочку вблизи домашнего источника помех (скажем ТВ или компьютера). Такая проволока кроме донимающих основную антенну помех (которые удастся сфазировать и подавить прибором) примет дополнительно кучу разнообразного домашнего "мусора", которые подавить будет нельзя. Выглядит это так, как будто тот источник помех, с которым мы боремся изрядно слабеет, но зато появляется много, отсутствовавшего ранее "мусора".

Поэтому вторая антенна хотя и может быть небольшой, но размещаться должна неподалёку от основной антенны. Минимальное расстояние между антеннами 0,05l. Очень большое расстояние между антеннами, не приводит к улучшению параметров подавления. Оптимальные со всех точек зрения расстояния 0,15...0,5l.

При моделировании в GAL-ANA  необходимо в источник меньшей антенны вручную поставить намного повышенное напряжение (скажем 10 В), и провести оптимизацию по амплитуде и фазе источника подключенного к бОльшей антенне) по критерию F/B. Причем надо вручную установить очень маленький шаг изменения напряжения (что-то вроде 0,00001V).

Схема прибора и полученные результаты

Требования к прибору фазирования:

Посмотрим как выполняются эти требования в известных конструкциях.

1. Конструкция, разработанная JA1DI (это отсканированная Андреем RW4PL, за что ему большое спасибо, QSL-карточка 7L4IOU).

Использован фазовращатель (на переменных R и С) с малой неравномерностью и затуханием. Для компенсации последнего используется каскад на линейном ПТ. Узел фазовращатель - усилитель в данной конструкции выполнен очень хорошо. Чего нельзя сказать о втором канале и сумматоре - они выполнены как резистивные аттенюаторы, и поэтому вносят большое затухание и имеют малую межканальную развязку.

2. Промышленный и недешевый (около 180$) MFJ-1026. На мой взгляд схема MFJ-1026 весьма халтурна. Не вдаваясь в список "ляпов" его схемы (а он длинный) отмечу лишь что даже при обеих полноразмерных антеннах сигналы проходят минимум через 5 (!) транзисторов. Это до ВСЯКОЙ фильтрации.Естественно результаты такой схемотехники печальны: сигналы, принятые антеннами во всём КВ диапазоне модулируют друг друга на переходах пяти транзисторов. Да же при высокой линейности последних дело не может кончиться ничем, кроме обогащения спектра кучей интермодуляционных составляющих.

В моих условиях в нескольких километрах на горе расположен передающий центр: ТВ, и несколько вещательных станций в СВ и КВ диапазонах. От плохо отлаженного (возбуждение TX или синтезатора вероятно?) передатчика этого центра я и вынужден спасаться. Полоса 9...30 MHz в приёмнике закрыта шумом S9...9+20..40 dB. MFJ-1026 в указанных условияхимел постоянное прямого детектирования мощной "вещалки" в диапазоне 49 м. А в вечернее время добавлялось множество "неучтенных" сигналов, исчезавших при отключении прибора.

Пришлось скомбинировать свою схему. Ничего особо нового в ней нет, но нет и "ляпов". Прибор работоспособен в полосе 1,8...30 MHz. Обеспечивает возможность взаимной компенсации помехи более чем на 60 dB и имеет динамический по интермодуляции не менее 110 dB.

Прибор предназначен для работы в цепи RX антенны и поэтому коммутация RX-TX не предусмотрена. Если у вас в TRX общее гнездо антенны, то вводится коммутация RX/TX - S2 заменяется на реле, включающее обход прибора при TX.

Сигналы с обеих антенн сначала проходят идентичные пути: защита- аттенюатор - ФВЧ.

Защита состоит из малогабаритных лампочек накаливания (6,3...13,2 V/0,1...0,2A) и диодных ограничителей. На приёме влияние минимально - сопротивление холодной нити накаливания несколько Ом, а диоды закрыты. При передаче же на антенны (как минимум на вторую - чисто приёмную) наводится изрядный сигнал от передающей антенны. При этом лампа накаливания загорается, её сопротивление возрастает до нескольких десятков Ом, а остаток "глотают" диодные ограничители. В моём случае такая защита надежно показала себя в следующих условиях:

Правда, на некоторых диапазонах защитная лампа светится в полный накал. Кстати, это помогает представить напряженность поля недалеко от вашей передающей антенны и заодно является индикатором нормального излучения - раз защитная лампочка светится как обычно, значит всё в порядке с передачей.

Аттенюаторы используются телевизионные или из комплекта измерительных приборов. В крайнем случае можно поставить делителем переменный резистор группы "В" на 510...680 Ом.

ФВЧ содран мною из MFJ-1026. Это минимальная фильтрация помех от СВ-вещания. Если планируется использовать лишь несколько диапазонов, то имеет смысл вместо ФВЧ установить полосовой фильтр (или несколько). Расчёт такого фильтра делается автоматически в RFSimm99, примеры готовых фильтров можно найти тут.

Далее сигнал с первой антенны поступает на фазовращатель (позаимствованный из схемы JA1DI) - С7..С15, S4, R4. Вместо КПЕ установлен переключатель и набор постоянных конденсаторов. Это позволило решить две проблемы - получить min паразитную ёмкость на корпус и большое перекрытие. Не следует относится к переключателю S4 как к диапазонному - и на 28 MHz может потребоваться ёмкость 270 пФ, и на 1,8 MHz иногда нужна 1 pF. Всё зависит от взаимного расположения и типа антенн, а также от направления прихода помехи.

Усилитель на T2 с небольшим запасом компенсирует потери в фазовращателе. T2 это единственный активный элемент схемы (сравните с MFJ-1026) и именно он определяет динамический диапазон всего устройства. Ток стока T1 достаточно велик - 25....40 mA и линейность весьма высока.

Tr5 и R6 - сумматор с высокой развязкой и малыми потерями. Rвх по обеим входам - по 100 Ом. Если с выхода T2 получить 100 Ом не представляет труда, то на втором входе для согласования с трактом 50 Ом пришлось установить Tr2 для перехода 50\100 Ом.

В верхнем положении S1 на вход Tr5 поступает сигнал со второй антенны. При малом сигнале придется включить УВЧ на T1. В данном варианте Rвх УВЧ 300 Ом, усиление по напряжению + 15 dB, Rвых=50 Ом. Этот усилитель может быть любым, из числа используемых с маленькими приёмными антеннами. Тут большой простор для подгонки под конкретные антенны. Не относите проблемы с линейностью этого УВЧ к описываемому прибору (а при включении УВЧ динамический диапазон, конечно, снизится). УВЧ к маленькой приёмной антенне требуется и без прибора фазировки.

Конструкция и детали

Несмотря на несложную схему, корпус (экранированный - это вход приёмника!) должен быть немаленьких размеров, т.к. на передней панели расположены минимум 7 органов управления. Причем 4 из них (R4, S4 и оба аттенюатора) должны быть снабжены удобными шкалами.

Удобно следующее расположение органов управления:

Если у вас есть несколько антенн, которые могут быть использованы в качестве второй (что, имея в виду рис. 1 и 2 желательно), то поставьте на входе второго аттенюатора переключатель выбора второй антенны.

Большое количество переменных резисторов и переключателей позволяет легко смонтировать весь прибор навесным монтажом, с обычными для HF техники требованиями.

Настройка и работа с прибором

Если монтаж сделан безошибочно прибор работает сразу.

Работа с прибором:

  1. Выберите диапазон, где имеется устойчивый мешающий шум или сигнал. Может подойти несущая АМ вещательной станции. В принципе, можно подать через тройник один и тот же сигнал с генератора на оба входа. АРУ приёмника - отключить.
  2. Первый аттенюатор в положение max затухания, а второй - в min. Запоминаем уровень помехи, принимаемый второй антенной (если он мал - включаем УВЧ).
  3. Второй аттенюатор в max затухание (если был включен УВЧ - отключаем). Вращая первый аттенюатор добивается примерно такого уровня помехи, как и был со второй антенной.
  4. Возвращаем второй аттенюатор в min затухание (если надо - включаем УВЧ). Работая одновременно R4 S4 и S3 ищем минимум. Особая примета минимума - резкое возрастание помехи при переключении S3 (вместо противофазности она становится синфазной).
  5. Добившись минимума (хотя бы неявно выраженного) осторожным вращением обоих аттенюаторов углубляем его.
  6. Циклически повторяем пункты 4 и 5 с уменьшающейся амплитудой регулирования.
  7. Если минимум упорно не отлавливается, возможно причина в неудачном сочетании направления прихода помехи и расположения второй антенны (см. рис.1). Попробуйте на помехе (или несущей) приходящей с другого направления или же подключить что-то другое в качестве второй антенны.

При правильной настройке мешающий сигнал (помеха, шум) буквально "проваливается" в "яму" глубиной несколько десятков dB. Причем полезный сигнал при этом (если направление его прихода не совпадает с помехой) изменяется совсем немного – на несколько dB максимум.

Несколько примеров, что можно выжать при правильной настройке даны ниже. Все это звуковые файлы формата mp3, размером от 20 до 60 kB, время звучания от 15 до 40 секунд.

10 MHz CW 14 MHz CW 14 MHz SSB 18 MHz CW 18 MHz SSB
18 MHz CW1 18 MHz SSB1 21 MHz SSB 21 MHz CW 24 MHz CW
24 MHz CW1 24 MHz SSB1 24 MHz SSB    

А это картинка индикатора PSK31. Полоса с резко уменьшенным шумом в середине - включенный прибор. Шумы сверху и снизу - прибор отключен.

АРУ во всех примерах включена, чтобы видеть именно улучшение отношения сигнал/шум.

Процесс подавления помехи весьма кропотлив и трудоёмок. Поэтому имеет смысл завести таблицу настроек прибора для каждого диапазона. Записав при удачной настройке положения всех органов управления, в дальнейшем можно очень быстро перестраивать прибор.

Вот например, фрагмент моей личной таблички, по подавлению шумовой помехи от упомянутого передающего центра:

Band

S1 +15 dB Gain 2 S4 R4 Phase S3 Gain 1 Подавление

10

On 70% 9 60% 180 гр. 100% 3..4 балла

18

On 60% 3 65%...75% 0 гр. 70% 3..4 балла

21

Off 90% 5 70% 0 гр. 100% 4...5 баллов

24

On 20% 2 90% 180 гр. 100% 5...6 баллов

При правильной настройке любое изменение положений ручек прибора (даже уменьшение усиления в любом канале) приводит к резкому возрастанию шума (поскольку нарушается баланс подавления).

Не обладая никакими магическими свойствами (лишь пространственная избирательность с одним узким и глубоким минимумом), данный прибор тем не менее весьма полезен. Особенно HAM-ам, страдающим от мощных постоянных локальных источников шума и помех. Мне, например, при первом же, испытательном включения прибора, удалось провести уверенное RTTY QSO с P5/4L4FN на 21 MHz. При отключенном же приборе сигнал был неразличим в шумах.

Внешний вид прибора:





На главную - Main page