Простые приёмники АМ сигналов

Мистика коротких антенн

Когда хотят похвалить приемник или отметить высокий уровень поля радиостанции, говорят «принимается даже на кусок провода». В этом разделе автор доказывает и теоретически, и экспериментально, что пресловутый «кусок провода» далеко не самая плохая антенна и при надлежащем согласовании со входом приемника может обеспечить весьма большое напряжение сигнала.

Для радиовещательного приема на длинных и средних волнах раньше применялись повсеместно, да и теперь, несмотря на широкое распространение ферритовых магнитных антенн, все еще часто используются электрические антенны в виде отрезка обычного провода, расположенного по возможности вертикально. Очень часто применяют телескопические штыревые антенны длиной 0,5-1,5 м, выпускаемые промышленностью. Штыревые антенны могут работать в любых диапазонах волн, от ДВ до УКВ.

Такой антенне нужны заземление или противовес. В самом простейшем случае противовесом служит корпус приемника, а если последний имеет сетевое питание, - провода сетевого шнура и самой электрической сети. Маленькой антенне нужен и небольшой противовес. На него должны замыкаться силовые линии электрического поля антенны. Небольшой проволочный противовес по сравнению с заземлением имеет и незначительные потери. Горизонтальные проволочные антенны применяются редко, поскольку все радиостанции диапазонов ДВ и СВ излучают волны исключительно с вертикальной поляризацией, что, как мы уже говорили, связано со свойствами поверхности Земли, близкими к свойствам проводника в этих диапазонах.

Радиолюбителям, особенно тем, кто экспериментировал с простейшими и недостаточно чувствительными приемниками прямого усиления, известно, что короткие проволочные антенны весьма эффективны, в частности, отрезок провода длиной 1-2 м развивает зачастую значительно больший сигнал, чем ферритовая антенна. В чем же секрет, ведь длина проволочной антенны неизмеримо меньше длины волны и по всем канонам она не должна быть эффективной? Попытки проанализировать работу короткой вертикальной радиоприемной антенны, а также оптимизировать ее, привели к очень любопытным, и даже, можно сказать, удивительным результатам, которыми автор и спешит поделиться с читателями.

Оптимизация, в смысле получения максимального напряжения на входе приемника - именно напряжения, а неНастроенная вертикальная антенна мощности! - свелась к исключению конденсатора входного контура и замене его емкостью самой антенны (рис. 4.1). При этом входное сопротивление УРЧ предполагалось бесконечно большим, что при использовании полевого транзистора на ДВ и СВ близко к истине. Входная емкость УРЧ и емкость катушки суммируются с емкостью антенны. При анализе их учитывать не будем. На рис. 4.1 показано также распределение тока в антенне, представляющее собой начальный участок синусоиды, и с большой точностью его можно считать треугольным. Заменив его прямоугольником той же площади, получаем действующую высоту антенны hд, равную половине ее геометрической высоты, hд = h / 2.

Индуктивность катушки подбирается так, чтобы совместно с емкостью антенны получить резонанс на принимаемой частоте. Эквивалентная схема получившейся цепи показана на рис. 4.2. При резонансе емкостное сопротивление антенны - X равно индуктивному X и они компенсируют друг друга, Эквивалентная схема антенной цепипоэтому ток в цепи максимален и равен ε / r, где ε - ЭДС сигнала, развиваемая в антенне, ε = Ehд, где Е - напряженность поля, а r - активное сопротивление цепи. Поскольку напряжение на вход УРЧ снимается с катушки, оно равно току в цепи, помноженному на индуктивное сопротивление катушки U = E hд X / r.

У нас получилась простая и удобная формула для расчета напряжения, развиваемого описанной антенной. Величина X определяется длиной антенны, от которой зависит ее емкость С (7-15 пФ на метр длины, в зависимости от толщины провода), и принимаемой частотой: X = 1 /2?fC. Соответствующую индуктивность также легко найти: L= X /2πf. Напряженность Е должна быть известна, a h измеряется линейкой. Но формулу можно и еще более упростить, заметив, что отношение X / r есть не что иное, как добротность Q антенной цепи: U = ЕhдQ. При короткой антенне с противовесом добротность всей цепи практически равна добротности катушки.

В качестве примера сосчитаем сигнал от достаточно удаленной ДВ или СВ радиостанции с напряженностью поля 10 мВ/м, принимаемой на отрезок провода длиной 2 м (hд = 1 м). Добротность антенного контура положим равной 100. Перемножьте величины сами - и то, что получите, вас удивит: U = 1 В! Этого напряжения вполне достаточно для детектирования сигнала даже без УРЧ, но надо сделать некоторые оговорки. Во-первых, катушка должна иметь довольно большую индуктивность. В нашем примере даже в середине СВ диапазона, на частоте 1 МГц, реактивное сопротивление X составляет около 10 кОм, индуктивность - около 1,5 мГн, а резонансное сопротивление антенного контура, равное XQ, близко к 1 МОм. Входное сопротивление УРЧ или детектора должно быть еще больше. Такова плата за высокое напряжение, развиваемое антенной.

Возникает вопрос, а нельзя ли катушку большой индуктивности в схеме рис. 4.1 заменить, как это обычно и делается, обычным колебательным контуром? Конечно, можно, но развиваемое на контуре напряжение сигнала будет меньше. Избавляя читателя от довольно трудоемкого математического анализа, сообщим только, что напряжение сигнала уменьшается примерно пропорционально отношению емкости антенны к полной емкости контура. Объясняется это тем, что дополнительные реактивные токи, протекая через сопротивление катушки, вызывают и дополнительные потери. Ясно, что собственная емкость катушки и входная емкость УРЧ также играют вредную роль, уменьшая развиваемое напряжение. В приведенном примере, применив стандартную средневолновую катушку индуктивностью 200 мкГн с подключенным параллельно ей конденсатором емкостью около 130 пФ для настройки на частоту 1 МГц, мы получим на контуре напряжение сигнала около 0,15 В, что, в общем-то, тоже не так уж мало.Эквивалентная схема антенной цепи без потерь

Далее ради интереса предположим, что катушка идеальна и не имеет потерь. Теперь эквивалентная схема будет выглядеть, как на рис 4.3. Кстати, в этом случае можно безболезненно уменьшить индуктивность катушки и подсоединить параллельно контурный конденсатор. Получившийся контур придется настроить на несколько более высокую частоту, чем нужная, на которой он будет обладать тем большим индуктивным сопротивлением, чем меньше расстройка. Подбирая расстройку, получаем индуктивное сопротивление контура X, в точности равное емкостному сопротивлению антенны X, и снова приходим к эквивалентной схеме рис. 4.3. Практически настройка производится, как обычно, по максимуму напряжения сигнала на контуре и соответствует точному резонансу контура на нужной частоте, с учетом емкости антенны.

Что же представляет собой теперь активное сопротивление антенной цепи? Раньше оно складывалось из сопротивления потерь катушки и сопротивления излучения антенны, причем последнее было значительно меньше и мы им пренебрегли. Теперь сопротивление потерь катушки равно нулю, конденсатор, если он есть, также практически не вносит потерь, и остается только сопротивление излучения. Как известно из теории, для коротких антенн  при укорочении антенны напряжение даже возрастает!

Предвижу возражения, что этот фантастический результат получен для нереальных условий, когда потери в катушки отсутствуют, а ее добротность стремится к бесконечности. Разумеется, мы не собираемся окунать катушку в жидкий гелий, чтобы получить сверхпроводимость и отсутствие потерь - это можно сделать, но слишком дорого и хлопотно. Давным-давно известен и широко используется другой способ - компенсация потерь в катушке с помощью положительной обратной связи, или регенерация. При подходе к порогу самовозбуждения в регенераторе эквивалентная добротность контура намного возрастает, а с ней увеличиваются и напряжение сигнала и чувствительность. Получается, что легенды о необыкновенных приемных качествах Q-умножителей, использующих регенерацию во входном контуре, возникли совсем не на пустом месте! Здесь же лежит и объяснение того, что если цепь с высокой добротностью не должна принимать радиоволны, то экранировать ее надо очень и очень тщательно.

На длинных и средних волнах регенерацию во входном контуре используют нечасто, в основном потому, что при большой добротности сужается полоса пропускания и ослабляются высшие частоты звукового спектра AM сигналов. Но на коротких волнах и требуемые полосы поуже и частоты повыше, поэтому там большую добротность входного контура можно только приветствовать. Измерения автора показывают, что получить довольно стабильную добротность 10 000 в хорошо спроектированном Q-умножителе вполне реально. Посчитаем, какое напряжение разовьет довольно слабый сигнал с Е = 10 мкВ/м в нашей антенне длиной 2 м, присоединенной к такому контуру: U = EhдQ = 0,1 В! Комментарии, как говорят, излишни. Q-умножители заслуживают отдельного раздела, пока же вернемся к реальным антеннам ДВ и СВ.

Читать дальше - Истоковый детектор на полевом транзисторе