Радиоприемные антенны диапазона СВ- ДВ
категория
Практическая электроника
Радио 1998 год, номер 2
В. ПОЛЯКОВ, г. Москва
Простейшие детекторные или транзисторные приемники имеют небольшое усиление и требуют для нормальной работы значительного уровня сигнала на входе, который создается антенной. Работают такие приемники в диапазонах длинных и средних волн (ДВ и СВ), где для отстройки от сигналов соседних по частоте, мешающих радиостанций достаточно даже одного колебательного контура. О приемных антеннах для этих диапазонов и пойдет речь.
Современные радиостанции имеют, к счастью, значительную мощность и создают большую напряженность поля, поэтому принимать их можно даже на детекторный приемник с антенной умеренных размеров. Провод антенны должен располагаться вдоль силовых линий электрического поля принимаемой волны, т.е. по направлению вектора ее электрического поля Е (рис. 1 ,а). На ДВ и СВ радиостанции излучают волны с вертикальной поляризацией, у которых вектор электрического поля Е вертикален, а вектор магнитного поля Н - горизонтален. Соответственно магнитную антенну надо располагать горизонтально (рис. 1 ,б), а электрическую - вертикально (рис. 1 ,в).
Магнитная антенна представляет собой ферритовый стержень прямоугольного или круглого сечения с намотанной на него катушкой, которая одновременно является и катушкой входного, а может быть, и единственного в приемнике колебательного контура. Ферритовый стержень, обладая большой магнитной проницаемостью, концентрирует магнитное поле принимаемой волны в катушке. Располагается антенна обычно внутри корпуса приемника, и поэтому очень удобна. Она обладает направленностью и должна располагаться примерно перпендикулярно направлению на радиостанцию. Если же направление неизвестно, его можно определить, поворачивая корпус приемника, причем минимум приема, когда ось стержня магнитной антенны смотрит на радиостанцию, выражен острее. С какой же именно стороны находится станция (по найденному направлению) определить с помощью магнитной антенны невозможно. К сожалению, напряжение сигнала, развиваемое магнитной антенной, совершенно недостаточно для работы детекторного приемника - требуется один или два транзисторных каскада усиления радиочастоты перед детектором.
Если вы начинаете осваивать радиотехнику с постройки простейшего детекторного приемника, придется воспользоваться электрической проволочной антенной, развивающей значительно большее напряжение. Приемники с магнитными антеннами освоите позднее.
Классическая электрическая антенна -это диполь, представляющий собой прямолинейный отрезок провода, разомкнутый в середине, с подключенной в этом месте двухпроводной линией, соединяющей диполь с приемником (рис. 1 ,в). Диполь располагается вертикально, он имеет собственную резонансную частоту, на которой его длина равна половине длины волны. Но на СВ и тем более ДВ длина волны составляет от 200 до 2000 м. и приемных диполей длиной более 100 м, тем более расположенных вертикально, разумеется, никто не делает. Применяют укороченные диполи, развиваемое напряжение сигнала которых снижается пропорционально уменьшению длины. Правда, есть способ укоротить длину диполя вдвое без ухудшения его работы - использовать заземление (рис. 1,г). Земля будет служить прекрасным противовесом верхней половине диполя и заменит его нижнюю половину. Так делают даже на передающих радиоцентрах, где высота полноразмерной антенны-мачты должна теперь составлять четверть длины волны.
Дальнейшие возможности уменьшения длины диполя (а значит, его высоты -ведь диполь-то вертикальный) состоят в использовании емкостной нагрузки на его верхнем конце. Ток. текущий по проводу снижения, должен перезаряжать эту емкость с частотой принимаемых колебаний. Следовательно, чем больше емкость, тем больше и ток, текущий по проводу снижения и поступающий в приемник.
Верхнюю емкостную нагрузку выполняют по-разному. В простейшем случае используется горизонтальный провод, подвешенный на изоляторах между двумя мачтами или другими подходящими объектами (домами, деревьями). Если он является продолжением вертикального провода снижения, получается Г-образная антенна (рис.2,а). Она имеет слабо выраженную направленность: немного лучше принимаются станции со стороны снижения, поэтому дальний, свободный конец провода лучше протягивать в сторону от радиостанции.
Если провод снижения подключен где-то ближе к середине горизонтальной части, получается Т-образная антенна (рис. 2,6). Она одинаково принимает радиосигналы со всех направлений. Длина горизонтальной части может составлять 10...25 м, делать ее слишком длинной нецелесообразно, поскольку непосредственно в приеме радиоволн она не участвует, а лишь повышает эффективность вертикальной части.
Для Г- и Т-образных антенн нужны две опоры - в этом их недостаток, Если позволяют местные условия, можно протянуть антенну типа "наклонный луч" от окна, куда входит снижение, до ближайшего высокого объекта (конька крыши, дерева). Свободный конец провода надо изолировать одним-двумя фарфоровыми изоляторами (подойдут старые ролики от электропроводки).
При закреплении антенны на деревьях постарайтесь не ломать ветки и не обкручивать стволы проволокой - деревья от этого страдают и гибнут, у них ведь нет средств защититься от варваров! Лучше всего повесьте на подходящую развилку ветвей очень свободную и ни в коем случае не затягивающуюся петлю из пеньковой или хлопчатобумажной веревки, а уже к ней привязывайте провод, идущий к первому изолятору антенны, или сам этот изолятор.
Учтите, что деревья качаются от ветра, поэтому провод надо подвешивать с большим "провисом", чтобы он не оборвался. Диаметр провода антенны не имеет значения и выбирается только из соображений механической прочности. Вполне подойдет медный обмоточный провод в эмалевой изоляции, смотанный со старых (выброшенных) трансформаторов. Даже при диаметре 0,5 мм его прочность на разрыв достигает 4 кг, возрастая пропорционально квадрату диаметра. Этого вполне достаточно, к тому же антенна получается очень легкой и, к слову сказать, почти невидимой с земли.
Две другие антенны (рис. 2,в,г), монтируют на одной мачте - вертикальном деревянном шесте, при необходимости укрепляемом оттяжками. Небольшой и легкий шест можно закрепить на коньке крыши, более длинный и тяжелый лучше устанавливать на земле. Оттяжки сделайте из синтетического шнура или капроновой лески диаметром 0,8...1 мм -она прочна, упруга, стоит недорого. Кстати, если, прогуливаясь по берегу речки, найдете запутанный и выброшенный рыбаками моток лески, не поленитесь поднять его и распутать. Пригодится.
В антенне, изображенной на рис. 2,в, верхняя емкостная нагрузка образована проволочным "колесом" произвольной формы и конфигурации, соединенным с проводом снижения и изолированным от мачты фарфоровым изолятором. Изолятор нужен на случай дождливой и сырой погоды, когда влажное дерево мачты становится хоть и плохим, но проводником, и может ухудшить работу антенны, Аналогично выполнена широко известная "метелочная" антенна, в которой вместо "колеса" используют пучок проволок, соединенных со снижением и расходящихся веером от изолятора. Делать ее не рекомендуем, потому что пучок получается тяжелым, а работает антенна неэффективно, поскольку проволоки расположены слишком близко друг к другу. Лучше взять всего 6 или 8 проволок длиной около 0.5 м и развести их в стороны наподобие спиц. Этого уже достаточно, но можно еще соединить концы спиц тонким медным проводником.
Роль емкостной нагрузки в так называемой "зонтичной" антенне (рис. 2,г) выполняют верхние части растяжек длиной по 2...3 м. выполненные из проводов, соединенных в центральной точке со снижением. Концы проводов изолированы от растяжек изоляторами. Если же растяжки сделаны из лески, являющейся хорошим диэлектрикам, можно обойтись и без изоляторов, связав леску с проводом. Обычно ставят три или четыре растяжки.
Мы рассказали об антеннах, конструкция которых подойдет сельским жителям - у них больше возможностей в выборе места и материалов для изготовления мачт антенн. Размеров намеренно не приводим, поскольку, в пределах разумного (высота не более 10...15 м, длина не более 20...30 м), чем выше и длиннее антенна, тем громче будет работать детекторный приемник. Желающим углубиться в теорию рекомендуем прочитать статьи в [Д-3]. Дополнительные сведения о конструкции антенн можно найти в [4].
Антенна бесполезна без заземления — ведь куда-то должны стекать высокочастотные токи, идущие по снижению! Детекторный приемник без заземления работать вообще не будет, а чувствительный транзисторный "захлебнется" от помех -как показывает опыт, при использовании заземления прием слабых станций улучшается, а уровень помех снижается, и очень значительно. Кроме того, антенне нужна грозозащита, поэтому заземление надо делать в первую очередь.
Во многих случаях заземление у вас уже есть, если имеется водопровод. Трубы водопровода проходят в земле и не изолированы от нее. Неплохим заземлением служат трубы центрального отопления, они хоть и изолированы, но в современных многоквартирных домах электрически соединяются с общим контуром заземления дома, в любом случае разветвленная тепловая сеть служит отличным противовесом антенне. К газовым трубам подключаться запрещается, а электрическая сеть служит источником таких мощных помех, что лучше держаться от нее подальше - это справедливо и с точки зрения безопасности.
Если же водопровода нет и живете вы в деревянном сельском доме с печным отоплением, обойдите внимательно свое хозяйство - наверняка найдется металлическая труба, глубоко забитая в землю. Она и послужит заземлением. Отлично работает арматура водозаборной скважины, подойдет ограда на металлических столбах - можно соединить несколько столбов проволокой, проложенной вдоль изгороди, чтобы получились и заземление и противовес одновременно. Если же и этого нет, придется воспользоваться вариантом, неоднократно описанным еще в двадцатых годах: выкопать в удобном месте яму, желательно до уровня фунтовых вод или хотя-бы до уровня, где грунт не промерзает, положить в нее старое ведро, лист железа или корыто (важна площадь, а не название) с припаянным проводом потолще, присыпать сверху солью и древесным углем (чтобы улучшить электропроводность) и закопать, утрамбовывая. Заземление готово.
Антенну надо сразу же снабдить грозовым переключателем и разрядником, чтобы обезопасить себя от атмосферного электричества. Когда-то выпускались грозовые переключатели с разрядником, выполненные в виде небольшого рубильника. Они удобны, хоть и не совсем безопасны: опоздав заземлить антенну, можно случайно во время грозы коснуться рукой контакта, соединенного с отключенной антенной, чего делать не рекомендуем. Переключателем вам послужит тумб лер или электрический выключатель SA1 любой конструкции (рис. 3,а).
Грозовой переключатель монтируют на плате из любого изоляционного материала, закрепленной на стене или раме окна вблизи ввода снижения. Разрядником F1 служат две металлические пластины с зубчиками, между которыми оставлен зазор около 1 мм. Параллельно разряднику советуем подключить любую неоновую лампу VL1 - ее вспышки будут сигнализировать об электризации антенны. Вы с удивлением обнаружите, что произойти это может не только при грозе, но и в трескучий мороз при снежной метели.
А что будет, если грозопереключатель не сделан, а конец снижения антенны никуда не присоединен и брошен, скажем, на подоконнике? Антенна накопит большой заряд, ее потенциал может повыситься до десятков и сотен тысяч вольт (мы не шутим!). Тогда прикосновение к снижению станет смертельно опасным (так убило Рихмана, сподвижника Ломоносова), от провода снижения могут проскакивать большие искры, вызвав пожар. Так что обязательно делайте заземление!
Самым же радикальным способом грозозащиты (не исключающим "неонку" и разрядник!) будет постройка детекторного приемника по простейшей схеме с настройкой индуктивностью (рис. З.б). Катушку, которая "навсегда" гальванически соединит антенну с заземлением, лучше намотать довольно толстым проводом (диаметром 0.3...0.5 мм) на каркасе из любого изоляционного материала. Подойдет отрезок пластмассовой трубы, используемой в сантехнике, пластиковая бутылка из-под шампуня или крема и т.п. Намотку ведут в один слой виток к витку. При диаметре каркаса 20...40 мм для приема радиостанций в диапазоне СВ нужно около 100 витков, в диапазоне ДВ - около 300. В последнем варианте можно сделать отвод от 100-го витка катушки и установить переключатель диапазонов. Для настройки служит ферритовый стержень от магнитной антенны любого транзисторного приемника, вдвигаемый в катушку.
Лучшую селективность, т.е. отстройку от сигналов мешающих станций дают детекторные приемники с настроенной антенной цепью, схемы которых показаны на рис. 4. Если антенна большая и катушка связи L1 имеет большую индуктивность, лучше применить последовательную схему настройки (рис 4,а). а при короткой антенне и малой индуктивности L1 - параллельную (рис. 4,6). Катушки наматывают на отдельных каркасах и настраивают отдельными конденсаторами переменной емкости (КПЕ) С1 и С2. Можно настраивать катушки и ферритовыми стержнями от магнитных антенн. Настройка получается довольно сложной -регулировать надо три параметра: две частоты настройки контуров конденсаторами и связь между катушками, сближая и раздвигая их каркасы. Но зато можно добиться неплохих результатов по громкости и качеству приема.
Данные катушек такие же, что и в предыдущем случае. КПЕ могут быть любого типа, с максимальной емкостью не менее 150...200 пФ (подойдут от любых старых радиоприемников). Если используются двухсекционные блоки КПЕ. обе секции для расширении диапазона перестройки лучше соединить параллельно. С описанными приемниками можно использовать только высокоомные телефоны сопротивлением (оба капсюль соединены последовательно) 3600...4400 Ом Блокировочный конденсатор С1 на рис. 3,б и СЗ на рис, 4 служит для замыкания токов высокой частоты после детектора и может иметь емкость от 2000 до 10 000 пФ.
А что делать городскому жителю, который и хотел-бы поэкспериментировать с детекторными приемниками, но не имеет возможности проникнуть на крышу дома и поставить большую антенну? Кстати говоря, на крышу-то лазить и незачем поскольку снижение антенны проведенное вдоль стены железобетонного дома, эффективно работать не будет Дело в том, что заземленная арматура стены является неплохим проводящим экраном, силовые линии электрического поля принимаемой волны вблизи стены искривляются и подходят к стене перпендикулярно ей, т.е. в горизоыальном направлении. В этих условиях антенна с емкостной нагрузкой (рис. 2,в), выставленная на горизонтальном шесте длиной метра два с балкона, может оказаться значительно эффективнее. Если перед окном имеется дерево или какой-либо возвышающийся предмет, можно протянуть к нему "наклонный луч".
Проявите смекалку и посмотрите, нет ли поблизости от окна каких-либо "суррогатных антенн", например, водосточной трубы или флагштока. К ним вполне можно присоединить провод антенны. Даже если труба где-то заземлена или соединяется с крышей, антенна все равно будет работать, а вот хорошо или плохо -зависит от конкретных местных условий. Только постарайтесь не вывалиться из окна, когда будете тянуться к таким антеннам. Техника безопасности прежде всего!
Однако совсем не обязательно выносить антенну наружу, поскольку поле ДВ и СВ станций хорошо проникает и внутрь зданий. Используйте комнатную антенну! Конфигурация поля внутри зданий непредсказуема, поэтому надо поэкспериментировать. Подберите любой изолированный провод длиной метров 5...10, подсоедините его к приемнику (не забудьте про заземление) и перемещайте провод по комнате и около окна, одновременно настраивая приемник и наблюдая за громкостью приема. Не обязательно, чтобы провод был под потолком, иногда, брошенный на пол, он работает лучше! Подобрав оптимальное положение провода, закрепите его, спрятав за шторой, под ковром, за диваном, протянув по стыку стены и потолка и т.д. Поскольку в комнате сухо, особых требований к изоляции антенны не предъявляется, провод можно даже прибивать маленькими гвоздиками к плинтусу. Если провод антенны будет проложен вдоль проводов телефонной или трансляционной сети, не имея с ними контакта, прием может улучшиться благодаря емкостной связи сети и антенны.
Есть еще одна интересная возможность. Иногда в комнате (или в стене комнаты) проложены различные металлические трубы, например центрального отопления. Попробуйте расположить провод комнатной антенны около них, ведь в этих трубах, как и в любой антенне, также наводятся токи электромагнитным полем радиостанций. Если громкость приема увеличивается, намотайте на трубу несколько витков изолированного провода и присоедините конец провода к антенному гнезду (или зажиму) приемника. Получится конденсатор обеспечивающий емкостную связь этой суррогатной антенны с приемником.
Конечно, если та же труба используется как заземление, успех маловероятен, но возможен - в случае разнесения подальше друг от друга точек подключения "антенны" и заземления.
Очень хорошие результаты могут получиться, если заземление подключено, например, к трубам водопровода, а антенна емкостно связана с трубами отопления.
Что же делать, если опутывать всю квартиру проводами не хочется или родители не позволяют, а в комнате проходит одна единственная труба, например центрального отопления? И здесь есть выход: автор получил очень неплохие результаты, используя магнитную антенну, размещенную вплотную к трубе и перпендикулярно ей. К последней даже не надо подсоединяться и зачищать на ней краску!
Схема экспериментального приемника с такой антенной показана на рис. 5. Колебательный контур приемника образован катушкой магнитной антенны L1 и КПЕ (любого типа) С1 Детектором, как и в предыдущих приемниках, послужит любой точечный германиевый диод серий Д2. Д9, Д18, Д311, ГД507 и т.д. О блокировочном конденсаторе С2 и телефонах говорилось выше.
Магнитную антенну можно использовать готовую (вместе с катушкой) от любого транзисторного приемника или намотать самому. Катушка диапазона СВ на стержне магнитной антенны содержит 60.. 80 витков любого тонкого изолированного провода, диапазона ДВ 180...240 витков. Стержнем может послужить половина магнитопровода строчного трансформатора от старого выброшенного телевизора или половина кольца от отклоняющей системы. Число витков катушки в этом случае уменьшается примерно вдвое, поскольку магнитная проницаемость и сечение таких магнитопроводов больше.
Способ размещения получившейся антенны около трубы ясен из рис. 5, где сечение трубы показано штриховой линией. Все детали приемника размещены на небольшой пластине из гетинакса (текстолита, фанеры, картона и т.д.). Избегайте только короткозамкнутых витков вокруг магнитопровода катушки при закреплении ее на плате. Поднося магнитопровод к различным протяженным металлическим предметам, можно отыскать наилучшее место. В одном административном здании таковым оказался металлический переплет окна и, как это ни странно, угол лифтовой шахты.
Как работает такая система? Высокочастотный ток. наводимый полем радиостанции и текущий по трубе, создает магнитное поле, силовые линии которого имеют вид концентрических колец, надетых на трубу. Это магнитное поле концентрируется в ферритовом магнитопроводе и наводит ЭДС в катушке контура. Все очень просто и эффективно.
Связь с трубой увеличиться, если с другой ее стороны вы поднесете вторую половину магнитопровода строчного трансформатора, образовав вокруг трубы замкнутую магнитную систему. Индуктивность контура при этом увеличивается, что приходится компенсировать уменьшением емкости конденсатора С1. Можно вообще заменить конденсатор постоянным, а настройку осуществлять взаимным перемещением половинок магнитопровода. Желаем успехов в экспериментах!
ЛИТЕРАТУРА
1. Поляков В. О питании радиоприемников -свободной энергией-. - Радио. 1997. ╧ 1. с. 22. 23.
2. Поляков В. "Вечноговорящее" радио, -Радио. 1997. ╧ 5. с. 23. 24.
3. Долгий А. Какая антенна у вашего приемника? - Радио. 1997, ╧ 3. С. 34.35: ╧ 4. с. 40.41.
4. Борисов В. Г. Юный радиолюбитель. -М Радио и связь. 1985.