Усилитель приемной антенны

Дифференциальный усилитель для приемных рамочных и ферритовых антенн.

 

Для приемных рамочных антенн (типа "флагов") требуется усилитель. С уровнем шума и усилением проблем нет. Это сделать легко.

Но такие антенны из-за маленького полезного сигнала требуют от усилителя очень высокого коэффициента ослабления синфазной составляющей (КОСС или по английски CMRR от Common-Mode Rejection Ratio), т.к. иначе принятые оплеткой питающего кабеля паразитные сигналы полностью испортят работу антенны (что часто и случается и служит источником мнения, что работают такие антенны так себе).

Проще всего это реализовать, сделав усилитель дифференциальным с большим КОСС. Причем нужен именно усилитель. Структурная схема вида: симметрирующий трансформатор + несимметричный усилитель хорошего результата не даст. Даже у лучших таких трансформаторов коэффициент подавления синфазной составляющей на 1,8 и 3,6 MHz (а приемные антенны нужны в основном на НЧ диапазонах) редко превышает 40 dB (речь о высокоомных трансформаторах). А нам этого мало: типичное усиление приемной антенны -30 dBi, её отношение F/B еще 20 ... 30 dB, значит нам требуется минимум 50 ... 60 dB ослабления синфазной составляющей.

Дифференциальные же усилители такое подавление могут иметь. Но для этого они должны быть интегральными. Идея сделать дифкаскад на дискретных транзисторах разбивается о практическую невозможность подобрать пару транзисторов с точностью 0,3 ... 0,1 % (это те же 50 ... 60 dB подавления, только выраженные в процентах).

Обычное выполнение дифференциального каскада на операционном усилителе такое подавление дает, но имеет для нас тот недостаток, что входные импедансы обоих входов получаются разными. От этого антенна теряет симметрию.

Решением, полностью нас устраивающим, является применение специализированного дифференциального усилителя AD8129. Ниже 4 MHz он имеет КОСС выше 80(!) dB и два дифференциальных входа с равным и очень высоким (> 4 MOhm) импедансом. Отдельным плюсом AD8129 является то, что дифференциальные входы не используются для установки усиления, т.е. их не надо нагружать чем-либо дополнительным.

Принципиальная схема усилителя показана на следующем рисунке. Черным цветом на ней показаны элементы, устанавливаемые в любом случае, красным - только при работе с ферритовой магнитной антенной, зеленым – только при работе с рамкой.

Коэффициент усиления (в данном случае он равен 30) по напряжению задается отношением резисторов R7/R6. Эти резисторы никак не влияют на входной импеданс по рабочим входам (выводы 1 и 8 микросхемы DA1).

Питание микросхемы двухполярное (обратите внимание, в схеме две разные земли). Фильтры L1-C2-C4 и L2-C3-C5 развязывают питание (это в дополнение к КОСС). Среднюю точку (землю усилителя) задает стабилизатор DA2.

Питание на усилитель может поступать по общему коаксиальному кабелю (как показано на схеме). Для дополнительной развязки от грязи с внешней стороны оплетки установлен развязывающий дроссель T2. Он намотан НЧ ферритовом сердечнике, его индуктивность >1 mH. Радиочастотный дроссель L4 разделяет питание и выходные ВЧ сигналы.

Если питание на усилитель поступает не по коаксиалу, а по отдельному проводу, то L4 не нужен, а T2 делается двухобмоточным. В таком случае обе обмотки T2 мотаются в одну сторону (как в любом дросселе питания) а + напряжение 12 В подается на вход DA2 через вторую обмотку T2.

Выход усилителя через R8 подключен к разделительному ВЧ трансформатору T1, с малой межвитковой емкостью и отношением обмоток 1:1. Этот трансформатор нужен для развязки по синфазному сигналу между землей усилителя и оплеткой коаксиального кабеля снижения. Резистор R8 согласовывает трансформатор Т1 (у самого DA1 выходное сопротивление низкое).

Защитные диоды VD7 VD8 (любые кремниевые высокочастотные) предотвращают перегрузку приемника (DA1 может выдать до 5 В амплитуды, что не всем приемникам понравится). С7 разделительный.

Элементы L3, С10 разделяют в шеке питание усилителя и вход приемника.

Дроссели L3, L4 с индуктивностью от 200 мкГн и выше.

Но вернемся из шека ко входу усилителя: выводам 1 и 8 DA1. Как уже упоминалось, это высокоомные дифференциальные входы с высоким (> 80 dB) КОСС. С ними надо решить три проблемы:

  1. Привязать по постоянному току. Это делают резисторы R3, R4. Их номинал не очень важен (кроме работы с ферритовой магнитной антенной, см. ниже) от 100 k до 1 M. Но отчаянно важна их идентичность: их придется подобрать на цифровом тестере с отличием не более 0,1% (лучше еще меньше). Иначе они перекосят вход усилителя, с соответствующим снижением КОСС.

  2. Защитить входы при работе передатчика. Пара ВЧ диодов VD5, VD6 с этим справляется.

  3. Подключить антенну и нужные ей элементы. Это зависит от того какая антенна будет использоваться:

    1. Если это апертодическая рамка, например "флаг", то она подключается прямо ко входам. Дополнительно устанавливается резистор R2 с сопротивлением, равным входному рамки (обычно несколько сотен ом)

    2. Если это ферритовая магнитная антенна или резонансная 1...2-х витковая рамка, то R2 отсутствует, а устанавливаются варикапы перестройки VD1 -VD4 (я использовал BB640) и цепи управления ими из шека: R1, R5, C1, C9. Кроме того, при работе с ферритовой магнитной антенной (МА) надо подумать над номиналом R3 и R4. Он определяет добротность контура антенны (конечно, помимо холостой добротности самой катушки антенны). В зависимости от индуктивности, холостой добротности МА и желаемой полосы пропускания (без перестройки) и следует выбрать номиналы R3, R4.

На следующем рисунке показан спектр в полосе 100 kHz на выходе описываемого усилителя при номиналах R3 R4 по 390 k и подключенной ферритовой магнитной антенне на стрежне с μ = 400 диаметром 8 mm и длиной 100 mm. Диапазон 160 м, антенна находится внутри помещения, поэтому кроме полезных сигналов видно еще и множество помех и степень их ослабления:

На выходе уровень эфирного шума на резонансе МА составляет - 93 dBm (вертикальная шкала на рисунке в dBm), т.е. 5 uV, что примерно соответствует уровню шума с полноразмерной антенны. Если надо изменить усиление, то делается это делителем R7/R6. AD8129 может обеспечить усиление до 100 раз на НЧ КВ диапазонах.

Конечно, для нормального приёма, антенна должна быть вынесена куда-нибудь подальше и повыше от местных источников помех.

 

Update от 14.01.2015. Вот отзыв UK8AFV на описанный усилитель. Там же чуть выше есть печатная плата.

 



Beer Sheva, 26.09.2014

На главную - Main page