Здравствуйте!

Прошу помощи более опытных коллег в разработке сверхмалошумящего антенного усилителя
.
Задумка в следующем. Моя "малая родина", где я провожу довольно много времени, расположена на границе трёх областей: Нижегородской, Ивановской и Костромской. До всех областных центров 120...160 км, поэтому для приёма УКВ я изготовил 5-элементный "волновой канал" и установил его на высоте около 12 метров. Даже с хорошей антенной приём не очень обрадовал - прилично слышны только наиболее мощные станции; сигнал остальных слишком слаб.

Тюнер - самодельный ламповый супергетеродин с довольно неплохой чувствительностью. Станция становится "слушабельной" уже при 1,5...2 мкВ сигнала; хорошее разделение стереоканалов начинается от 3...4 мкВ. Но для действительно качественного звучания - так чтоб не стыдно побалдеть в мониторных наушниках, желательно иметь на входе хотя бы 10...12 мкВ. Тогда тракт работает уже не на пределе усилительных возможностей, и становится заметно более линейным.

Стало ясно, что без антенного усилителя мне не обойтись. Для начала я заменил пассивное U-колено на телевизионный усилитель SWA-49 от "польской решётки". Предварительно я переделал его цепи частотной коррекции, чтобы подъём его АЧХ приходился примерно на 100 МГц, а ненужный мне ДМВ-диапазон я наоборот завалил. Это улучшило стабильность усилителя, что позволило уменьшить глубину ООС во 2-м каскаде для подъёма общего усиления. Субъективно (по S-метру и ощущениям) получилось примерно 28...30дБ.

Диапазон ожил. Поворачивая антенну на разные направления, удалось "собрать" около 40 станций со всех трёх регионов; уровень сигнала большинства из них оказался вполне достаточным для качественного приёма. Но вылезла ожидаемая проблема - шумит 1-й транзистор усилителя. Не то, чтобы очень сильно, но неприятно; хочется минимизировать. Задача представляется не самой простой, если учесть что усилитель "вытаскивает" сигнал в доли микровольта. Паспортный уровень шума SWA-49 составляет 1,7дБ, для ощущения должного эффекта придётся уменьшить его хотя бы в 2...3 раза.

Первая мысль - для экономии соотношения сигнал/шум избавиться от согласующего трансформатора на входе, сделав первый каскад усилителя симметричным, примерно так:



Какие видятся плюсы. При выбранных транзисторах, их рабочие точки с минимальным шумом позволят лучше согласовать вход с петлевым вибратором. Трансформатор на ферритовом кольце (7ВН, 10ВЧ) станет естественным полосовым фильтром: верхние частоты увязнут в феррите, нижние - в небольшой индуктивности обмоток. Открыт вопрос выбора второго каскада усиления: обычный биполярный транзистор в ОЭ, гибридная микросборка МШУ, высокочастотный ОУ.

Другая мысль - вернуть на место U-колено, и применить связной арсенид-галлиевый МШУ, например SKY67150 или подобный. Рабочий диапазон наиболее низкочастотных версий таких МШУ начинается как раз от ~100 МГц. Огромный плюс - очень низкие шумы (0,2...0,6 дБ). Минусов вижу два. Полосу придётся жёстко ограничивать сверху, иначе захлебнётся в GSM и WiFi. Усиление для моего случая недостаточное (19...23 дБ) - нужен второй каскад. Возможное решение - выходной каскад на малошумящем ОЭ (КТ3101, BFR91 и т.п.), перед которым установить 2...3-звенный Т-фильтр для ограничения полосы сверху.

Что посоветуете, коллеги?

П.С. Забыл добавить: помеховая обстановка близка к идеальной, деревня четыре дома в глуши.

чтобы реализовать разницу 1,7дБ или 0,6 дБ, Вы должны быть очень уверенным в правильном соглавовании. 10% погрешность в согласовании - и у Вас всё получается наоборот.
Также не понятно, зачем Вам 30дБ усиления. Может, просто кабель поставить нормальное?

Помехи Вы правильно отметили - Вам кажется всё идеально. Пока не посчитали GSM антенн или СиБи-станции в деревни. Поэтому надо делать первый каскад МШУ с умеренным усилением, потом поставить фильтр и потом уже набрать дБ сколько надо.

Gleb

Что-то не так в вашем королевстве.

Какие 20 дБ усиления при чутье в 4-5 мкВ? Почему не 50 или 100 дБ? ДД приемника и шум эфира никуда не делись. Вы просто заткнете ваш приемник таким усилением, и ухудшите SNR.

Вам надо начать с понимания роли МШУ в целом, а уже потом, частностей по формированию SNR (ССШ) в сквозном приемном тракте. А пока вы читаете на эту тему (редкий случай, но вдруг!), делайте ППФ (BPF) на интересующий вас диапазон, например, 66-110 МГц. И это будет первое звено после вашей антенны, и самый правильный шаг стратегически.

Короткая и толковая статья об МШУ тут. Все сказанное в ней справедливо и для наземной волны, и вообще практически любых условий приема.

По порядку. Тюнер имеет АРУ, охватывающую 1-й каскад УВЧ и первый каскад УПЧ; её напряжение получается детектированием ПЧ перед каскадом первого ограничителя (6А3П). От него же запитан S-метр, который я калибровал по ЧМ-модулированному сигналу с поверенного ВЧ-синтезатора HP8648a. Увеличивал напряжение шагами по 0,5мкВ, калибруя S-метр и заодно отмечая качество "приёма". Результаты такие: при 1мкВ сигнал/шум примерно пополам, при 2 мкВ шум уже на заднем плане, можно спокойно слушать. При 3мкВ приём практически чистый, появляется полноценное стерео. При 4 мкВ начинается штатное ограничение 19кГц-тона в стереодекодере.

Соответствено, по этим признакам можно представить уровень сигнала станции с антенны. Если передача еле различима в шумах и S-метр на нуле, то там таки меньше 1мкВ. При задействовании антенного усилителя, S-метр указывает примерно на 20мкВ, а та же передача идёт практически чисто, хотя и со своеобразным колким "шумком", не свойственным ламповому входу. Причём характер этого шума немного меняется при изменении режима усилителя (U питания) но не так, как при расстройке антенны, т.е. шум не из эфира. Что не так в моих изысканиях? Да, косвенно, не спорю, но вполне информативно.

Не собираясь оспаривать тот факт, что при зашумлённом эфире любой антенный усилитель более вреден, чем полезен, напомню что у меня в месте приёма помеховая обстановка многим на зависть - крошечная деревня в окружении тайги. Основные источники помех - светодиодные лампочки соседей, которые вечером ложатся спать ;)

Gleb

крошечная деревня в окружении тайги. Основные источники помех - светодиодные лампочки соседей, которые вечером ложатся спать ;)

А что будете делать с природными шумами? Солнце же в ваших краях водится, не так ли? В полосе 200 кГц шуметь будет тока так, потому что в 12 кГц шумит на -135 дБм. А с расширением полосы приема растет и шум.

многие находятся в заблуждении, что природа шума и сигнала разная и с помощью всяких ухищрений можно слабый сигнал отделить от шума как скорлупу от ореха.

sada
можноможно, если заранее знать, как сигнал выглядит и если есть время 1000 раз прокрутить запись... Но это только случай для академиков. Реальная жизнь требует куда быстрее получать сигнал и поэтому мы в реальном масштабе времени не можем присвоить сигналу и шуму разные правила их обработки и живём по простым формулам шумовой статистики.

Gleb
а Вы посчитали на основе полосы пропускания приёмника его чувствительность, даже если у Вас был бы приёмник с исключительно термическим шумом, допустим жидкой гелии?
Вы тогда поймёте разрыв между подобранным усилением в МШУ, чувствительности Вашего реального приёмника и тем, что Вы предполагаете ловить, якобы.

Гиперактивность в S-meter не обязательно говорит о хорошем приёме.

Возвращаюсь к Вашей схеме на 2шт КТ3124, суть не важно какой транзисор, если не "деревянный".
Если сможете найти в транзисотре режим, при котором он сопрягается чётко с Z от антенны, то это намного лучше, чем поставить сверхмалошумящий транзистор и его всякими трюками "пригибать" к Z от антенны. Простой Г-звено может внести 0,5...1дБ затухание и уже прощай МШУ.... получаем обычный ШУ.

9CXX
что касается шум от побочных сигналов вне главного лепестка - есть интересная антенна "инверсный волновой канал" Надо просто "нарушать" шаг вибраторов, чтобы они внесли индуктивную составляюшую и тогда 5-элементы превращаются в отражатель и очень плотно закрывают ту полусферу. ДН станет на 20% шире, что не всегда мешает, если "за спиной" тишина.

Мне тоже думается, что лучше заняться антеннами, чем менять усилители.
Может быть поставить несколько, на фиксированные направления.
Два куска полёвки по несколько десятков метров, простейший V-бим,
подключенные к 300-омным клеммам ССТ или SWA, работали зачастую
лучше канальной 5-ти элементной Яги.

А вертикальную поляризацию как?

В общем-то, всё уже сейчас работает, уровней хватает. Задача - снизить шум первого каскада усилителя

чтобы снизить шум первого каскада, надо мерить шум первого каскада в старом виде и в новом, причём при их подключении к антенне. Может начинать с этого с имеющимся усилителем и оттуда уже ставить задачу?
Проблема при этом - у Вас нет глухого пространства. И при 100 Мгц внешние "белые" шумы могут быть сильнее, чем Кш транзистора. Но если Вы их слышите (живой эфир), то улучшать некуда. Всякое улучшение сожрёт динамический диапазон всей приёмной сиситемы. А так как у Вас приёмник ламповы - ДД вряд ли выше 80дБ....

Да, так и есть - около 80дБ, только зачем мне большой ДД при работе в зоне слабых сигналов?
На шум эфира я повлиять не смогу, а вот на шум усилителя - вполне. СтОит попробовать.

Gleb
Приведу цитату из книги Антенны /Ротхаммель K/ :
Старое утверждение "Хорошая антенна лучше самого хорошего усилителя " остаётся, таким образом, в силе.

кабель поставить нормальный
любой антенный усилитель более вреден, чем полезен

лучше заняться антеннами, чем менять усилители

Волновой канал действительно неплохая антенна. Всегда есть дополнительный резерв в выборе места её установки, выборе её элементов для нужной диаграммы направленности, попробовать поднять ещё выше. Подобрать поляризацию и даже немного наклон по углу места.
Реально хорошие результаты даёт применение фазированной решётки из хотя-бы двух антенн, правильно разнесённых в пространстве.Либо приём на разнесённые антенны. Все эти советы хорошо работают для приёма узкой полосы частот, весь диапазон оптимально одной антенной системой не получится. Так и увеличивать количество директоров в антеннах более трёх тоже нет смысла, полоса сужается.

Любой усилитель , который к тому-же ещё и на высокой мачте, резко снижает надёжность. К сожалению самый хороший усилитель легко ломается по совокупности причин. Нужен он только для компенсации потерь в кабеле, что часто не так актуально в реальных условиях для этого диапазона. Пассивные антенны всегда надёжнее.

зачем мне большой ДД при работе в зоне слабых сигналов
Усилители имеют свойство перегружаться от сильных помех, неожиданно возникших там где их не ждали.

Высокая надёжность не требуется - это не ответственная линия связи.

Антенный усилитель имеет смысл и в том случае, когда требуемую чувствительность от самогО РПУ получить не удается по технологическим, экономическим и другим причинам, т.е. как раз в моем. При этом его шум д.б. заведомо ниже шума первых каскадов РПУ.

Если так психологически проще, можно рассматривать антенный усилитель как часть УВЧ РПУ, поднятую в точку с наилучшим соотношением сигнал/шум.

То, что он ухудшает надёжность и динамический диапазон - понятно и не обсуждается, с этим я смогу жить.

>25дБ от антенны вменяемой конструкции и габаритов я не получу никогда, а без этого не вытяну свои нановольты. Хотя про синфазную решётку спасибо, подумаю.

Так что там про Ga-As микросхемы ? ;)

Оптимизация SNR (ССШ) от антенной системы важнее чем получить от неё >25дБ во внесённых шумах.
Нужно учитывать что со временем пропадает прыткость в желании многократно за сезон подымать/опускать мачту с "деревом" антенн. Путь с установкой пластинчатых усилителей и антенных усилителей в корпусах на F-разъёмах уже давно пройден. Надёжнее всех показали себя активные антенны от испанской фирмы ALCAD. Но и они не вечные, ломаются с годами. Хорошо работающая антенна на высокой мачте ценна тем что её не нужно часто опускать для обслуживания. Зимой так это вообще проблематично. Были случаи что и пластинчатые усилители от польских антенн работали под десяток лет, но это скорее исключение. Одно дело - дорабатывать или менять само РПУ и другое не менее важное и затратное - заниматься с антенным хозяйством.

Я использовал герметичный корпус для РЭА на винтах с прокладкой; концы петлевого вибратора и кабель (чуваш РК75-4,3-31) заходят внутрь через электротехнические гермовводы соответств.диаметров. Усилитель, разумеется, тоже живёт внутри. Антенну можно положить целиком в воду и ей ничего не будет.
Бум и мачта также тщательно заземлены. Мой переделанный SWA одну мощную грозу уже выдержал.

Я использовал герметичный корпус для РЭА на винтах с прокладкой; концы петлевого вибратора и кабель (чуваш РК75-4,3-31) заходят внутрь через электротехнические гермовводы соответств.диаметров. Усилитель, разумеется, тоже живёт внутри. Антенну можно положить целиком в воду и ей ничего не будет.
Бум и мачта также тщательно заземлены. Мой переделанный SWA одну мощную грозу уже выдержал.

Это Вам в области понадобился МШУ га диапазон, в котором самые большие уровни сигналов? А может, заменить антенну и кабель и не портить с/ш. Уровни вещательных УКВ станций столь значительны, что их чаще давить надо, чем усиливать, в практике использования различных приемников.

До ближайшего передатчика 120 км, до самого дальнего 160, трассы через глухие леса.

Ну если вы на границе зоны покрытия, нужна антенна с хорошим усилением. Сам по себе МШУ не улучшает прием, может компенсировать потери в фидере. Или вы компенсируете им плохую чувствительность приемника? Но это не предназначение МШУ. Мне кажется что обоснованность его применения вызывает сомнения, поймите правильно.

Я думаю, надо делать двухрядную двухэтажную синфазную решетку из тройных квадратов, как в книге К. Сотникова о сверхдальнем приеме телевидения, и мачту высотой метров тридцать

крошечная деревня в окружении тайги
В идеале важнее подняться над кронами ближнего леса на 3-4м вне зависимости от количества десятков метров в мачте. Иначе будут в окружении леса бесполезны любые громоздкие конструкции.
killer258, на прошлой неделе я автотранспортом пересёк всю Тульскую область и не видел ни одной предлагаемой Вами антенны. Нужно быть реалистом и учитывать что это не ДМВ диапазон. Для начала достаточно однорядной двухэтажной Яги .

Так и увеличивать количество директоров в антеннах более трёх тоже нет смысла, полоса сужается.

Почему же? Вот например 6эл ВК с усилением 9...10 dBi в полосе 90...106 МГц . Из наследия Николая UB5 :

https://yadi.sk/d/1aX6CayL3aNNAD

Даташитный фактор шума транзистора это минимально достижимый при идеальном согласовании S11/12/21 и подборе режима транзистора.
При любых отклонениях - реальный Nf будет выше паспортного.
1.7 дБ это не фактор шума SWA-49, он в полосе частот достигает 4-5 дБ.
1.7 дБ это лишь даташитный фактор шума примененного транзистора BFR-91A, который он может отдать в некоторых режимах работы, которыми конструкторы SWA-49 не воспользовались.

Хорошее пособие по принципах проектирования МШУ
http://www.qsl.net/va3iul/LNA%20design.pdf

Здесь практически просчитанная конструкция для получения Nf=1.6 dB @ 108 MHz при 50 Ом по входу и выходу.
http://www.onsemi.com/pub/Collateral/AND2SC5347A_1-D.PDF

Это реализация предельных характеристик использованного транзистора 2SC5347A для частот FM

Для достижения предельных характеристик, нужно уделить более тщательное внимание согласованию Антенна->ССУ->МШУ

Вот мой анализ в HFSS трех антенн FM: две промышленных 3 и 5 элементов (польская Dipole) и одна любительская
https://ypylypenko.livejournal.com/23919.html

Промышленная DIP-5RZ имеет сопротивление более близкое к 200 Ом чем к 300 Ом. Это даже удобнее, потому что большинство МШУ просчитаны под 50 Ом

При равных размерах и металлоёмкости - любительская K6STI имеет лучше параметры Gain/SWR во всем диапазоне, а по показателю Front/Rear - не оставляет конкурентам никаких шансов.

Небольшой резерв улучшения шумовых характеристик за счет улучшения согласования и снижения потерь - есть в схеме ССУ.
Копеечный бытовой ШПТД 4:1 на ферритовом кольце не лишен недостатков.
Во-первых он является лишь половиной схемы ССУ от Guanella и Ruthrof и дает на выходе +0.75V/-0.25V т.е. сам по себе не обеспечивает полное симметрирование.
Далее он должен быть нагружен на трансформатор 1:1 (ферритовый или микрополосковый), с диференциальным волновым сопротивлением бифилярной обмотки равным сопротивлению трансформации (50 или 75 Ом).
Но этот второй трансформатор из схемы исключают.
ШПТД 4:1 для идеальной работы тоже должен иметь нормированное диференциальное сопротивление бифилярной обмотки Z/2 (150 Ом для 300->75 и 100 Ом для 200->50 Ом), чем производители SWA не заморачиваются

Можно сделать печатный ССУ с очень малыми потерями для антенны K6STI - на длинной печатной плате вытравить симметричную полосковую линию на 75 Ом (в спираль закрутить для экономии места) длиной >0.25L, а на её конце сразу МШУ.

Здесь любитель дальнего (тропосферного) приема FM DX описывает свой узкополосный перестраиваемый МШУ на двухзатвороном полевике Philips BF981
http://home.iprimus.com.au/toddemslie/bf981-preamps.html
Но у него мотивация другая - он принимает DX на фоне многочисленных местных мощных станций и ему не хватает ДД. Для чистого местного эфира резонансные МШУ не нужны.

Infineon выпускает готовый SoC LNA уже оптимизированный под диапазон FM
https://www.infineon.com/dgdl/AN255.pdf?fileId=db3a30433162923a013170dc4ee14537
который с минимумом навесных деталей (2 разделительных конденсатора и 1 в цепи питания) под 50 Ом вход обеспечивает Nf=1.2 dB

С симметричным усилителем - надо обеспечить согласование по входу на 150 (для 300 Ом) или на 100 (для 200 Ом).
Большинство малошумящих BJT транзисторов на частоты до 5-10 ГГц, на 100-200 МГц имеют входное сопротивление в районе 20 +-5 Ом по схеме ОЭ. Сделать широкополосное преобразование на 150 с низкими потерями - непросто

В деревне растягивал медный провод от своей ТВ антенны до соседской, увч был один каскад на кт 368 , прием заметно лучше был.Поселок в низине.

У меня в старших школьных классах была похожая ситуация. Один ретранслятор относительно недалеко - километров 30, но там было всего несколько радиостанций. А самое интересное можно было поймать только с двух других, километрах в 80-90 от меня.
Сделал самый простой полуволновый вибратор, прикрутил прямо к стене дома на высоте метра 2 и прицепил к нему усилитель от "польской" антенны.
Только усилитель мне достался с дохлым входным транзистором, пришлось заменить его на то, что было под рукой. В деревне с радиодеталями было очень туго. Под рукой оказался КТ368БМ. Так пару лет и прослушал, результат мне тогда понравился.

Под рукой оказался КТ368БМ
он даже не нормирован по шуму, как КТ368АМ

plyrvt

он даже не нормирован по шуму, как КТ368АМ

Да, но других у меня не было. И тем не менее результат получился приличный.
Слушал магнитолой Вега РМ-338С, где в УКВ-приёмнике стоят такие же КТ368БМ.
Перестраивал её на FM-диапазон, потом стереодекодер добавлял... эх)

Сложно сказать что на самом деле у автора топика получилось, но вполне вероятно что его достигнутый уровень уже на порядок превышает Ваши прошлые достижения.
Правда его высказывания иногда сумбурны. Например "уровень шума SWA-49 составляет 1,7дБ, для ощущения должного эффекта придётся уменьшить его хотя бы в 2...3 раза"

Если "в 2-3 раза уменьшить мощность шума", т.е. на 3-5 дБ, то этот нонсенс: фактор шума первого каскада хочется получить -1.3...-3.3 дБ

Если в 2-3 раза это получить 0.5-0.8 дБ, то в этом тоже никакого смысла нет. На этих частотах сегодня даже в сельской местности уровень искуственных помех такой, что МШУ с фактором шума менее 2 dB не дает никакого прироста.
Другое дело, что SWA-49 имеет значительно больше чем 2 дБ из-за плохого согласования. Хороший МШУ с реальными <2 dB может дать автору желаемый прирост.

Для разработки самому МШУ могу порекомендовать среду Ansys HFSS, тип проекта "Circuit Designer"
Там рисуются вот такие схемы:
https://ypylypenko.livejournal.com/28008.html

и HFSS быстро просчитает S-матрицу, КСВ по входах/выходах и реальный фактор шума схемы.

Единственное что надо - полные параметры транзистора (S-параметры) в полосе частот расчета.

plyrvt
насчёт КТ368 и прочих нормированных - дело чисто инженерно-административное. Брали из потока те, которые вписались по Кш на оговоренные +\-10%. В потооке остались и лучше и хуже. Это делалось для того, чтобы делать РЭА с предсказуемыми гарантированными показателями.

Поэтому, если хотите построить супер-усилитель, берите не нормированные и ищите те слишком хорошие. Первый подсказывающий параметр - бета. Но и с ним можно заблюдиться, зависит от конкретного транзистора. На старом поколоении СВЧ-транзисторов лучшими сработали обычно со среднем бета , около 30. А если гетеродин, то только большое бета, иначе шумит вокруг несущей. Поэтому с ГТ322Б при бета 150 получаются отличные КВ-генераторы по шумовым характеристикам.

.Alexey_B

Чтобы делать супермалошумящий усилитель, надо уменьшить элементы согласования. Особенно, если они должны согласовать большие разницы. Там легко можно набрать 1..2 дБ затухание. Типичный пример - BF981 c L-звеном от 75Ом антенны к 1...3 кОм оптимальный Z а затворе.... а потмо это продают малошумящим.... Сам транзистор то мало шумит. Но сигнал пока доходит до затвора уже умер на 20% мощности. Вот Вам уже 2дБ, даже с Кш=0дБ супертранзистора.

Не зря в советских и также в известной ТА7358 ставили на входе БТ в ОБ, который при 0,8...1,2 мА образует на входе активную нагрузку для антенны с таким же импедансом. Можно в принципе штырь прямо к эмиттеру подцепить. И это сработает отлично и на КТ368 и на ГТ346 и на всяком старьрё. Заменить на современные - в принципе ничего не даст, чтобы ах и ух.

Современные транзисторы могут себя вести более линейно, особенно на SiGe как "классик" BFP420. Поэтому можно с ними упростить входные защитные фильтры - оттуда берётся их выигрыш в результатах. А если их поставить с КТ368 в одни и те же схемы - мало заметите.