Противопомеховая антенна
Ещё одна заметка, которая вряд ли кому интересна. Публикую для воображаемого читателя.
Признаться, меня немало озадачил комментарий, который мне тогда написал shur_ik. Не раз я возвращался мыслями к этой теме и вот наконец у меня дошли очумелые ручки. Штука в том, что радиовещание ведётся электромагнитной волной с линейной поляризацией, причём электрическое поле в ней направлено вертикально, а магнитное - горизонтально:
радиовещательная электромагнитная волна
Рамочные, петлевые и контурные антенны ловят именно переменное магнитное поле. Ловят они его примерно как в сачок - соответственно, улов зависит от пространественной ориентации. Если плоскость сачка расположить строго поперечно к магнитному полю, то и поймается максимум - тогда сигнал с антенны будет самый сильный. Если наоборот плоскость сачка расположить параллельно, тогда весь улов пролетит мимо него. То есть антенна получается направленная, её надо наводить ребром на источник. И благодаря направленности она обеспечивает помехозащищённость. Если источник полезного сигнала и помеха расположены на разных направлениях, то можно повернуть плоскость антенны нормалью на помеху. Тогда магнитное поле от неё в антенну не будет попадать - то есть от помехи можно полностью отстроиться. Понятно, что когда помех несколько на разных направлениях, тут уже всё - неизбежно будешь пропускать хоть что-то. А их всегда много и на разных направлениях. Но на практике часто бывает так, что есть одна особо досаждающая помеха где-то поблизости и крайне желательно отстроиться именно от неё. И вот в последнем случае эта направленная особенность антенны очень пригождается. Но есть один нюанс.
Антенны-то бывают не только рамочные! Бывают штырьевые - все эти всем известные телескопические. А вот они улавливают уже электрическое поле. И хочешь не хочешь, а рамочная антенна будет подрабатывать штырьевой - электрическое поле на неё тоже действует. А теперь ещё раз поглядите на рисунок выше: электрическое поле направлено вертикально - одинаково со всех направлений, от него отстроиться не получится! Сильно облегчает дело, что в рамочной антенне электрическая составляющая даёт гораздо меньший вклад в сигнал. Но если полезный сигнал у нас слабый, а помеха сильная, то даже когда мы полностью отстроились по магнитному полю, она продолжает гадить - порою очень чувствительно. Можно ли что-то с этим поделать? Давайте попробуем. Я уже однажды упоминал, что когда помеху можно выделить в рамках единого признака, её побеждают способом самоустранения: принимают полезный сигнал в двух полярностях - со знаком плюс и со знаком минус. Помеха накладывается - то есть добавляется - к обеим ипостасям одинаково. То есть у нас в результате получается Uсигнала + Uпомехи и -Uсигнала + Uпомехи. Если теперь из первого вычесть второе, получится U = Uсигнала + Uпомехи + Uсигнала - Uпомехи = 2×Uсигнала. В нашем случае исключительный признак у помехи есть - она электрическая.
Рамочная антенна ловит переменное магнитное поле, в результате чего на её выводах образуется ЭДС (электродвижущая сила). Точки подключения у такой антенны две, выдаваемое напряжение меняет полярность при смене полярности подключения (то есть если поменять выводы местами). Штырьевая антенна подключается одной точкой, она улавливает электрическое поле, которое создаёт на ней электрический потенциал. Этот потенциал зависит от геометрических факторов - то есть от размера и пространственного расположения. Наша идея простая: сделать две абсолютно одинаковые рамки и подключить их с разными полярностями. Тогда в силу их одинаковости и электрический сигнал на них получится одинаковый. Магнитный тоже одинаковый - но с противоположным знаком. Вот:
идея противопомеховой антенны
Теперь нужно подать два эти сигнала на дифференциальный усилитель - то есть такой, который усиливает разность двух сигналов - и получим на его выходе усиленный полезный сигнал. Классно придумано, да?! А теперь хорошая новость: во всех современных усилителях активных рамочных антенн сигнал с рамки подаётся именно на дифференциальный усилитель. На са́мом деле нам примерно всё равно, какой потенциал у центральной точки (см. схему выше), её вполне можно открепить от массы, повесив в воздухе: при оформлении разницы в дифференциальном усилителе этот потенциал всё равно уйдёт. То есть схема получается ровно та - нужно только за две одинаковых антенны на схеме считать две одинаковых половинки одной рамки. Вот так. Это раскрывает нам секрет, почему так хорошо и чисто работает антенна MLA-30+. А просто она удаляет все электрические помехи через дифференциальный усилитель.
Таким образом, само существование антенны MLA-30+ уже доказывает, что концепция рабочая и противопомеховая антенна возможна. Она позволяет отстраиваться от магнитных помех и внутри себя нейтрализует помехи электрические. Но только электрические. Все прочие магнитные помехи, от которых мы не отстроились, в антенну будут беспрепятственно проникать - тут мы упираемся в теоретический предел возможного. Ибо, как я тоже упоминал ранее, кроме направления признаков отличия помехи от полезного сигнала не существует.
Теперь также можно дать ответ на вопрос про антенну YouLoop. Производителями утверждается, что она защищает от помех. Да, действительно защищает - но только от электрических и ровно в той же мере. То есть даёт ровно тот же результат, что и MLA-30+ (что у меня и подтвердилось на практике) - но обеспечивает это другим способом. У YouLoop рамка получается экранированная и электрическое поле в неё просто не попадает - соответственно и навредить не может. Тут, кстати, становится ясно, почему антенна YouLoop показывает результат чувствительно хуже, если подсоединить её к усилителю от антенны MLA-30+. В таком случае к одному из плечей дифференциального усилителя оказывается подключён внешний экран, который теперь наоборот превращается в помехоуловитель. И этот результат как раз косвенно ещё раз доказывает, что и MLA-30+, и YouLoop - действительно противопомеховые антенны. Если ими пользоваться по инструкции, да.
На этом можно было бы и успокоиться, но мне не давала покоя моя внешняя ферритовая антенна для приёма средних и длинных волн. Ведь очевидно, что всё сказанное выше действует и на неё - но в ней никаких противопомеховых механизмов уже нет. А значит, можно попробовать устроить - благо, теперь ясно, что именно нужно сделать и как. Намотать две одинаковые половины, подключить с разной полярностью, а потом друг из друга вычесть. Вычесть с помощью специального трансформатора двумя одинаковыми обмотками, которые с разной полярностью работают на одну:
схема противопомеховой ферритовой антенны
Понимающие люди тут могут с ходу заявить, что это лажа и трансформатор надо подключать не напрямую, а через два истоковых повторителя. Идея очевидная и уж конечно я попробовал. Пользы не увидел, а только сильно заострился резонансный горб (понятно почему). Так что в данном случае сложнее не значит лучше. Собственно антенну намотал двумя параллельными проводами диаметром 0,8 мм, 40 витков:
Далее последний виток первой катушки соединяется с первым витком второй - получается центральная точка:
А далее всё упаковывается в термоусадку. В жёлтую, извините - чёрная кончилась:
Трансформатор намотал на ферритовом кольце скруткой из трёх проводов 0,2 мм до полного заполнения. В моём случае получилось 33 витка. Конструкция должна быть максимально симметричной - для того и скрутка. Она гарантирует, что не только будет одинаковое число витков - но и сами витки будут одинаковые. Да и гораздо проще так мотать. Для подключения скрутку нужно с обоих концов расплести. А выяснить, который вывод от которой катушки, можно через прозвонку тестером. Важный момент - марка феррита. Как, кстати, и с антенной. В моём случае марка - 400НН, для данной задачи подходит лучше всего. Такой феррит относительно высокочастотный. То есть магнитную проницаемость имеет довольно высокую, а свои свойства начинает терять только с частоты 3,5 МГц. У ферритов есть закономерность: чем выше магнитная проницаемость (что есть хорошо) - тем ниже критическая частота (что плохо). 400НН - это просто самый оптимум вообще.
переходной трансформатор
Готовая сборка укладывается в подходящий корпус с выводом наружу через разъём SMA типа «мама»:
готовая противопомеховая ферритовая антенна
Настало время проверять. Чтобы всё было видно, загоняем всё в SDR-свисток. Смотрим и слушаем, что получилось. Разумеется, в сравнении с простой, не противопомеховой антенной на таком же ферритовом стержне:
сравнение простой и противопомеховой ферритовых антенн
Click to viewКак видим, уровень полезного сигнала остался примерно тем же, а уровень помех упал примерно на 10 дБ - что позволяет слышать станции, которые до этого тонули в шуме. Призна́юсь честно: вот ни хрена я не ожидал настолько хорошего результата. Прямо даже удивился. Награда мне за труды и отбитость. А вот так оно выглядит уже на живом приёмнике HRD-747 (он же Retekess TR110):
проверка противопомеховой ферритовой антенны на радиоприёмнике HanRongDa HRD-747
Как видим, шум помех действительно становится заметно слабее, а который остаётся, становится менее трескучим. Отрадно, отрадно - что ещё тут скажешь. И на этом опять же можно было бы успокоиться - уже во второй раз. Но тут как-то назойливо начал меня скрести вопрос: а нахрена был нужен этот геморрой? Всё равно эту антенну подключать лучше не напрямую, а через усилитель. А я выше что писа́л? - про дифференциальные усилители - как раз для таких случаев. Взять такой от активной рамочной антенны - к нему и прицепить, получится ровно то. И размер уже будет не как с метровым обручем у MLA-30+, а компактный. И уже не нужно возюкаться с этими трансформаторами, со сложной намоткой антенны двумя проводами... В общем, намотал похожую антенну одним проводом:
ферритовая антенна для противопомехового подключения
она же в защитном кожухе из термоусадки
И знаете что? С усилителем MLA-30+ нихрена не заработало. Походу, входные фильтры в нём с такой антенной совсем не дружат. Но замечательно заработало с усилителями от антенн AMLA150 и EMECO:
активная ферритовая антенна AMLA150
активная ферритовая антенна EMECO
она же с обратной стороны, там тоже батарейка типоразмера «крона»
Вот сравнение наших трёх антенн на свистке SDR:
А вот их работа на живом приёмнике HRD-747:
Как видим, разницы примерно не заметно. И я скажу кое-что посильнее: разницы нет даже по сравнению с MLA-30+. Вот эти ферритовые антенны принимают так же хорошо. А кроме того, в отличие от неё, могут неплохо принимать длинные волны! И при этом они компактные, почти карманные - а у той метровый обруч. Или у YouLoop - тоже здоровенная дура. Ну и в чём тогда её смысл?! И в чём чудо показанных?! Я скажу, в чём чудо: чудо в феррите. И в нём же ответ на вопрос. Эти антенны здо́рово ловят средние волны - но не вывозят даже самые длинные из коротких. На более высоких частотах феррит теряет свои свойства. А MLA-30+ прекрасно принимает что средние, что короткие. Про YouLoop уж не говорю - она даже авиадиапазон принимает прекрасно. Но если выше средних не надо - решение я изложил.
Можно ли тут что-то добавить ещё? В принципе, можно. Изначально ведь речь шла о том, чтобы одолеть электрические помехи. Или, что то же самое, повысить для них отношение сигнал-шум. Полезный сигнал у нас, я напоминаю, магнитный. То есть ту же задачу можно решать, повышая уровень магнитного сигнала, не затрагивая электрический. Возможно ли такое сделать? О да, возможно. Достаточно увеличить длину ферритового стержня. Намотанная катушка та же самая - соответственно, электрические наводки в ней тоже остаются те же самые. А вот магнитный сигнал становится сильнее. Собственно, поэтому и улучшался приём при простом удлинении ферритового стержня во внешней магнитной антенне - безо всех этих хитрых технологий. На этом месте приходит очевидная идея: прибавить одно благо к другому. То есть применить противопомеховые технологии, а ферритовый стержеть удлинить тоже. Прелесть ферритовых стержней в том, что их можно делать составными - всё равно будет работать. Длина одного стержня - 20 см. Если слева и справа прикрепить по такому же, это даёт прирост магнитного сигнала где-то 3-4 дБ. Если ещё по одному - ещё 2-3 дБ. Итого получается пять стержней общей длиной один метр. Я их скрепил тугими многослойными бумажными гильзами:
Ну и давайте сравним, что нам это даёт:
Как видим, сила сигнала увеличилась где-то на 7 дБ. Но и общий уровень помех тоже увеличился на 7 дБ. То есть в отношении сигнал-шум мы не выиграли вообще. И, соответственно, не выиграли в качестве приёма. Почему так произошло и что это значит? А это значит, что после принятых ранее мер электрические помехи вообще перестали играть хоть сколько-то значимую роль. И когда мы эту роль ещё более уменьшаем, не происходит ничего заметного. Все помехи у нас теперь магнитные - и если усиливать только магнитный сигнал без электрического, отношения сигнал-шум нам это не увеличит. То есть мы натурально достигли теоретического максимума возможного. Что, вообще-то, есть новость хорошая. С чем всех (то есть себя) и поздравляю.
В принципе, тут ещё остаётся кое-какое поле для изысканий. Но о нём в другой раз (если случится). Всем удачи.
P.S. Про помянутое выше продолжение изысканий тут.