Aktywna szerokopasmowa antena ramowa

Z projektowaniem anten szerokopasmowych wiąże się wiele wątpliwości, ponieważ wymagania związane z ich rozmiarami i zakładanymi parametrami bywają sprzeczne. Opisana w tym artykule antena szerokopasmowa pokrywa zakres fal krótkich do około 50MHz, osiągając znakomitą skuteczność przy racjonalnych wymiarach.

Wstęp

Wielu krótkofalowym DX-owcom brakuje miejsca do zbudowania dużej strojonej anteny; często muszą zadowolić się znacznie mniejszym rozwiązaniem alternatywnym. Nic dziwnego, że niemal zawsze są to anteny aktywne, od których często oczekuje się niemożliwych (no, prawie) do spełnienia efektów. Anteny takie powinny charakteryzować się niskimi szumami, dobrą tolerancją silnych sygnałów, szerokim pasmem ze stałą czułością w całym zakresie i, co nie mniej ważne, nadawać się do użytku w miejscach o wysokim poziomie zakłóceń (czyli w miastach i w okolicach podmiejskich). Niestety, antena aktywna nie może jednocześnie spełnić tych wszystkich oczekiwań. Przykładowo, niskie szumy i szerokie pasmo są wymaganiami wzajemnie sprzecznymi, a wysoka odporność na zakłócenia jest bardzo trudna do osiągnięcia. Jeżeli jednak ten właśnie aspekt jest najważniejszy (a jest tak bardzo często, chyba, że mieszka się na pustyni), jedynym rozwiązaniem pozostaje użycie anteny rombowej lub ramowej, która doskonale reaguje na składową magnetyczną pola wytwarzanego przez nadajnik. Eliminuje ona wiele produkowanych przez człowieka zakłóceń, ponieważ ignoruje składową elektryczną. Wybór anteny ramowej nie rozwiązuje wszystkich trudności, albowiem uzyskanie szerokiego pasma przy takiej antenie nie jest łatwe. Napięcie indukowane w antenie ramowej poniżej częstotliwości rezonansowej jest znacznie niższe niż w rezonansie. Powyżej rezonansu indukowany sygnał przepływa poprzez szeregową indukcyjność ramy. Wraz z pojemnością wejściową wzmacniacza tworzy ona filtr dolnoprzepustowy tłumiący użyteczne sygnały. Zapewnienie właściwego dopasowania biernej części anteny (czyli ramy) do części aktywnej (czyli wzmacniacza) jest więc bardzo ważne. Jednakże otrzymane efekty zawsze będą tylko wynikiem pewnego kompromisu.

Wzmacniacz MOSFET

Podsumowując powyższe rozważania, aktywna część anteny musi łączyć dobrą tolerancję dużych sygnałów z małymi szumami i dodatkowo, bardzo małą pojemnością wejściową. Schemat przedstawia wzmacniacz umieszczony pomiędzy ramą (o której dalej) a symulowanym zasilaczem. Dwubramkowy MOSFET T1, pełniący rolę wzmacniacza transkonduktancyjnego, wraz z wtórnikiem emiterowym T2 dopasowuje impedancję ramy do impedancji kabla koncentrycznego. Niektórych może zdziwić zastosowanie MOSFETa BF981, który zasadniczo jest przeznaczony tylko do zakresu VHF/UHF. Jednak według danych technicznych jego szumy są małe także dla niższych częstotliwości, o ile jego bardzo wysoka impedancja wejściowa zostanie właściwie dopasowana. Przy stosunkowo niskich częstotliwościach dopasowanie wejścia nie stanowi problemu. Średnica zastosowanej anteny ramowej wynosi około 1m, zaś dla niskich częstotliwości jej małą impedancję można łatwo zwiększyć. Przy wyższych częstotliwościach staje się to jednakże kłopotliwe, ponieważ wtedy zaczyna już odgrywać istotną rolę przetransformowana indukcyjność ramy (około 5uH). Pojemność wejściowa BF981 wynosi około 2pF, a pojemność typowego transformatora wejściowego mieści się pomiędzy 0,5pF a 1pF, jest więc potrzebne jakieś tłumienie dla zapobieżenia niepożądanym rezonansom. Można wprawdzie spowodować takie tłumienie dodając po prostu rezystor, trzeba jednak unikać wszystkiego, co mogłoby tłumić słabe sygnały indukowane w antenie. Konieczny jest więc sposób tłumienia ramy bez niepotrzebnego tłumienia sygnałów. Problem oczywiście nie jest nowy i musiał być już wielokrotnie pokonywany przy projektowaniu stopni w.cz. pierwszych, jeszcze lampowych odbiorników FM. Triody charakteryzowały się niższymi szumami niż pentody, ale tylko przy zastosowaniu techniki neutralizacji (tzw. "neutrodyny"). Jeżeli nie było to możliwe, trzeba było odwoływać się do układu wzmacniacza z uziemioną siatką. Nie była to dobra alternatywa, ponieważ szumy takiego układu były większe, a wzmocnienie niższe. Znaleziono więc wyjście kompromisowe w postaci wzmacniacza między-siatkowego lub międzybazowego. Ten rodzaj układu mostkowego nie wymagał neutralizacji i nie odznaczał się większymi szumami niż układ ze wspólną katodą. Układ zastosowany w opisywanym przedwzmacniaczu nawiązuje do tej techniki i można go nazwać wzmacniaczem międzybramkowym (właściwości elektryczne MOSFETa są bardzo zbliżone do właściwości lampy elektronowej). Łatwo go rozpoznać po tym, że źródło MOSFETa jest połączone z transformatorem wejściowym a nie z masą, masę natomiast łączy się z odczepem transformatora. Wzmacniacz zatem daje się najlepiej sklasyfikować jako układ pośredni pomiędzy układem z uziemioną bramką a układem z uziemionym źródłem. W tym przypadku wybór układu międzybazowego nie wynika z unikania neutralizacji, jak w czasach lamp elektronowych. Głównymi celami są teraz: po pierwsze, dopasowanie i, po drugie, tłumienie. Jak już wspomniano, przy stosunkowo niskich częstotliwościach nie ma żadnych problemów. Impedancja wyjściowa T1 (około 100om) jest zatem bez znaczenia, a napięcie bramka-źródło jest około sześciokrotnie wyższe od napięcia indukowanego w ramie. Poczynając od około 3.4MHz wejście źródłowe zaczyna działać jak oporność tłumiąca, która eliminuje efekty rezonansowe i poszerza pasmo L1. Dzieje się zatem dokładnie to, o co chodziło! Tłumienie, rzecz jasna, obniża poziom sygnał dostarczanego przez ramę. Napięcie wyjściowe ramy jest bardzo małe, MOSFET musi więc dostatecznie wzmocnić je, także na wyższych częstotliwościach. Służy do tego obwód R5-L2, umieszczony pomiędzy drenem T1 a dławikiem L3, którego składowa pojemnościowa jest spora. Rezystor R6 utrzymuje wzmocnienie T1 w racjonalnych granicach. Wzmocniony sygnał jest przesyłany dalej do wejścia odbiornika przez wtórnik emiterowy i bifilarny transformator wyjściowy L4. Od strony odbiornika znajduje się niewielki układ bierny. Potencjometr P1 umożliwia redukcję amplitudy sygnału w sytuacji, gdy zbyt duży sygnał przesterowuje odbiornik. Dławik L5 i kondensator C4 służą do separacji sygnału i napięcia zasilającego, przesyłanych wspólnie kablem koncentrycznym. W większości wypadków układ może być zasilany z odbiornika. W razie potrzeby można jednak użyć najprostszego zasilacza stabilizowanego. Przedwzmacniacz pobiera niewiele, bo tylko 60 do 70mA.

Antena ramowa

Antena właściwa jest pętlą o średnicy około 1m. Najlepiej wykonać ją z rurki metalowej o średnicy 20mm, można użyć także paska blachy o tej samej szerokości lub rurki o przekroju kwadratowym. Rodzaj metalu nie jest istotny. Zwykły drut miedziany nie nadaje się do tego celu z powodu zbyt małej średnicy, a przez to zbyt małej sztywności. Czytelnicy spoza Europy mogą wykonać znacznie większą ramę, uzyskując większy sygnał i lepszy stosunek sygnału do szumu. Do odbioru w Europie maksymalna średnica wynosi około 1m, bowiem obszar ten jest pokryty dużą liczbą krótkofalowych nadajników radiofonicznych i poziomy sygnałów są bardzo duże. Zwiększanie średnicy doprowadziłoby niemal na pewno do blokowania obwodów wejściowych odbiornika. Można oczywiście wykonać ramę o mniejszej średnicy, ale jej osiągi będą gorsze.

Montaż

Od płytki trzeba odciąć część przeznaczoną do umieszczenia w odbiorniku. Główna część płytki jest przewidziana do bezpośredniego połączenia z końcami pętli ramy (punkty C i D). Montaż jest prosty, jednak sposób umieszczenia T1 i wykonanie cewek wymaga dodatkowych komentarzy. MOSFET T1 należy przylutować od strony ścieżek w taki sposób, aby napis na jego obudowie był widoczny od strony elementów przez otwór w płytce. Wyprowadzenie drenu jest dłuższe od pozostałych. W układzie jest w sumie pięć indukcyjności. Trzy z nich L1, L2 i L4 trzeba wykonać samemu, zaś dwie L3 i L5 - są do nabycia. Na L2 składa się 20 zwojów miedzianego drutu emaliowanego o średnicy 0,4mm bez rdzenia. Nawija się go na wałku o średnicy 6mm, na przykład na słupku dystansowym do płytek drukowanych. L1 i L4 nawija się na pierścieniach ferrytowych G2.3-FT16. Cewka L1 ma 24 zwoje nawinięte drutem o średnicy 0,4mm z odczepem po 4 zwoju: L1A - 4 zwoje, L1B - 20 zwojów. L4 nawija się bifilarnie drutem o średnicy 0,3mm, równocześnie dwa uzwojenia po 4 zwoje. Bifilarne uzwojenie jest nawijane dwoma drutami, biegnącymi jeden wzdłuż drugiego. Wszystkie cewki nawija się ciasno, czyli bez odstępów. Na koniec parę słów o obudowie. Powinna to być obudowa z tworzywa sztucznego. Jeżeli antenę instaluje się na zewnątrz, musi być wodoszczelna. Złącza K1, K2 i K3 powinny być solidne, typu BNC.

Strojenie

Do nastrojenia anteny aktywnej nie potrzeba kosztownego sprzętu pomiarowego, w zupełności wystarczy multimetr, odbiornik krótkofalowy i dobry słuch. Zacząć należy od doprowadzenia napięcia drenu T1 do poziomu przewyższającego połowę napięcia zasilania o 1V, czyli do 7V, gdy napięcie zasilające wynosi 12V, albo do 8,5V, gdy napięcie to wynosi 15V. Należy następnie sprawdzić wieczorem, czy natężenie sygnałów na pasmach 41 m, 31 m i 25m jest dostateczne. Poprawa w porównaniu ze zwyczajną anteną prętową powinna być wyraźna. W przeciwnym wypadku należy starannie sprawdzić układ. Jeżeli antena wydaje się działać dobrze należy stroić odbiornik na częstotliwość 21...21,5MHz (pasmo 13m) i uważnie słuchać zakłóceń w postaci harmonicznych, ćwierkania, gwizdów i produktów modulacji wzajemnej. Jeżeli zakłócenia nie znikają na skutek zmniejszania potencjometrem P1 poziomu sygnałów wejściowych, trzeba ostrożnie pokręcając potencjometrem P2 doprowadzić efekty zakłócające do minimum. Następnie, po dostrojeniu odbiornika do jakiegoś słabego sygnału w paśmie 13m, trzeba sprawdzić, czy ta regulacja nie pogorszyła stosunku sygnału do szumu. W razie potrzeby niewielką poprawę można uzyskać delikatnie korygując położenie suwaka P1. Strojenie anteny wieczorem jest możliwe zimą i wiosną do końca kwietnia. W miesiącach letnich najlepszą porą będzie północ.

Wymiary płytki: 105x40mm

Wykaz elementów:

Schemat ideowy

Schemat montażowy

Wzór płytki

Opracowanie na podstawie EE 4/95 -kopia ze strony http://www.elektroda.net (pliki ogólnodostepne)