Эффективное подавление помех

Или борьба с помехами
   Никогда не задумывались почему одни корреспонденты приходят на частоту DX, проводят QSO и уходят, а другие продолжают долго и настойчиво звать, часто создавая помехи? Да, ваша правда. Налицо отсутствие хорошего приёма. Иногда доходит до анекдотичного, как то раз я услышал перл, который до сих пор забыть не могу: «Вы мне мешаете - весь диапазон «хлюпает», а ведь у меня FT2000 и нотч фильтр включен». А когда я спросил какая полоса руфинг фильтра, ответ меня «добил» - «Я еще не разобрался как его включать, но у меня аппарат высокого класса».

   Не спорю, аппарат действительно высокого класса, но если к нему не прикладывать голову, то ситуация в точности соответствует байке про забивание гвоздей клавиатурой. Но я хочу не столько призвать всех радиолюбителей думать, сколько помочь проанализировать свою ситуацию с плохим приёмом и, может быть, подтолкнуть к каким либо действиям для изменения этой ситуации. 

Не буду повторять банальное изречение про хорошую антенну, понятно, что это основа. Она ведь работает еще и на передачу : - ). Совершено очевидно, что при возможности иметь хорошую антенну следует её иметь. Но часто и это не помогает. Повсеместно встречающаяся ситуация, когда антенна три элемента Яги или два квадрата, а DX-а всё равно не слышно. Потому что фоновый уровень шума (или помех) на уровне 3-4 а то и больше баллов. И совсем не факт, что применение рамочной антенны, а не открытой, эту проблему решит. К счастью, после первой половины жизни, проведенной в мегаполисах, сейчас я живу в деревне. Казалось бы тут всё в порядке. Ан нет. И я часто страдаю от включенных у соседей плазменных телевизоров, а у других соседей, за квартал, китайская зарядка для мобильного телефона. А еще где-то с азимута 50 градусов на двадцатке непонятный шум, то ли ЗАС, то ли в ближайшем городе в поликлинике старая УВЧ прогревалка для носа на 2-х ГК-71…. Конечно же, эффективный NB, нойс бланкер по русски, очень часто облегчает жизнь, но поскольку он только «вычисляет» период и продолжительность импульсной помехи и на это время запирает приёмник, то работает это не во всех случаях и не всегда эффективно. Например, когда частота и скважность меняется, или сигнал негармонический, да мало ли. Как часто врачи советуют: «а вы попробуйте…». Одним словом проблема достаточно серьезная и заниматься ею надо. 

Первая мысль, пришедшая в голову, навеяна любовью к Hi-Fi AUDIO – принцип по которому подключаются высококачественные микрофоны – балансный вход. Смысл в том, что при таком включении на входе устройства помехи, наведённые на оплётку кабеля и поступающие на противофазные входы в устройстве самоуничтожаются. Как два человека, тянущие канат с одинаковой силой, остаются на месте. Совершенно очевидно, что здесь огромной важности роль играют уровни и фаза сигналов.

   Но еще до этого, мы должны будем побеспокоиться и о месте расположении антенны: она должна быть расположена максимально далеко от возможных бытовых помех (от дома, или домов). Конечно, включая и высоту подвеса. Часто стремление получить минимальное затухание в фидере заставляет коротковолновиков выбирать самое короткое расстояние антенна-трансивер, что в принципе неверно. Понятно, что 2-3 дБ потерь в 100 метрах кабеля несопоставимы с уровнем бытовой помехи, например в 5 баллов по S-метру. Независимо от того, какая антенна, рамочная или открытая используется на вашей радиостанции, прежде всего, следует идеально симметрировать фидерную линию. Количество симметрирующих устройств описанных в интернете превышает несколько сотен. Мы должны будем выбрать для себя то, что позволит максимально точно симметрировать АФУ. Здесь не имеет смысл экономить. И, кстати, в разрез с общепринятым мнением, что рамочные антенны не подвержены бытовым помехам, потому что в основном принимают магнитную составляющую, сообщаю: если расстояние между источником помехи в пределах 0,1-0,2 длинны волны, то они даже более чувствительны к ним чем обычные диполя. Уровень электрических составляющих помех начинает снижаться только на расстояниях больших чем 1/6 длинны волны. Т.е. это будет заметно только в диапазоне 160 метров… Теперь становится понятной важность точного симметрирования. 

В связи с тем, что локальные помехи наводятся в кабеле, они примерно одной амплитуды и фазовые разбежности невелики. Обычного симметрирующего устройства бывает достаточно. И задача намного усложняется в случае когда помеха приходит издалека. Становится понятным, что настройки не будут такими простыми как симметрирование.
    Самый простой вариант, который можно применить к радиочастотам - кабель антенны подключать ко входу приёмника через простейший дифференциальный усилитель. В этом устройстве важно подобрать пару транзисторов с одинаковыми (по возможности) параметрами. Не нужно говорить, что фазирующие трансформаторы тоже должны быть по возможности одинаковыми. Кстати и принцип и конструкция трансформаторов заимствованы из старого престарого трансивера Atlas250, позже и у нас это называлось  одноплатным трансивером Радио-76. Трансформаторы оттуда можно употребить в этой схеме как изюм из булки (если лень намотать новые :-). Рабочий режим выставляется резистором R2 и контролируется в точке Х.

 Вариант совмещённого дифференциального усилителя и магнитной (рамочной) антенны от Николая Хлюпина RA4NAL позволяет создать гибрид-решение. Кроме этого  можно попытаться использовать несколько вариантов и первый – использовать направленные свойства антенн. Например направить антенну не на DX станцию, а «поймать» задним лепестком минимальный уровень помехи. Конечно, если наша антенна не поворачивается, мы такой возможности лишены.

   Можно попробовать улучшить приём переключившись на антенну другой поляризации. Например, я на свои три элемента слышу KH6MB на 3 балла, а импульсную помеху на 6 баллов, то при переключении на запасной GP Гаваи слышу на 1 балл, а помеха исчезает вообще. Конечно не у всех есть запасные антенны на каждый диапазон. Может неплохо получится, если у вас есть антенна круговой поляризации. В связи с тем, что в ней принимаемые сигналы сдвинуты относительно друг друга на 90 градусов, вполне возможно, что вы получите выигрыш в соотношении сигналов DX/помеха. Если всё-таки возможность обзавестись второй антенной есть – её следует воспользоваться. 

   И последний, самый сложный, но и самый эффективный способ – сложение сигналов с двух антенн. Идеальный случай, когда антенны абсолютно идентичны и расположены на прямой с которой приходит сигнал помехи и на расстоянии, за которое его фаза изменяется на 180 градусов. Прикиньте, как это реализовать на практике? Поэтому в этой тезе оставляется только принципиальная часть, вторая антенна, чтобы получить разницу, а всё остальное с большей или меньшей точностью реализовывается аппаратными устройствами: сигналы помех с двух антенн выравниваются по амплитуде, «доворачиваются» по фазе на 180 градусов и, складываясь на выходе устройства, самоуничтожаются. Полезный сигнал, к которому эти действия не прилагаются, проходит на вход приёмника теоретически без ослабления. 

В общем случае эти устройства называются фазерами. Хотел было нарисовать свой рисунок, но в интернете нашёл более точный (по смыслу) от PA0SIM и подкорректировал его для большей понятности неспециалистами (теми, кто не является радиотехниками по образованию). Для них же и поправка: резисторы на рисунке - это импедансы сопротивлений, не разисторы.

  Есть вариант с покупкой готового устройства. Мне знаком MFJ-1226. Правда сразу хочу предупредить, что в варианте, в котором он продаётся, вторая антенна – его собственная штыревая длинной около 80 сантиметров. Конечно же, это утопия. Работать это будет чисто теоретически. Ну, для локальных помех типа помехи от электробритвы. Если уж мы потратили денежки на важное для нас устройство, то придется нам делать вторую антенну удалённую как можно дальше от основной.  Как это работает, понятно интуитивно.  

Регулируя  усиление в каналах Внешняя антенна и Главная антенна и изменяя фазу между сигналами добиваются максимального подавления помехи. Если в хозяйстве используется усилитель, надо быть внимательным к коммутации антенн, фазера и трансивера. Впрочем, всё это подробно описано в инструкции.  А для тех кто желает "почитать" схему своими глазами, привожу принципиальную схему PA0SIM. Она прозрачная и не требует комментариев. Можно пожалуй только добавить, что узел переключения антенн можно не выполнять. Из логики работы устройства следует что антенны абсолютно равноправны в происходящем процессе. Исключение - если антенны различной поляризации и физически далеко одна от другой.

Использование специальной антенны
Речь пойдет о анетенне с противофазным питанием вибратора и рефлектора. Принцип (HB9CV) не нов, эта идея используется уже давно. Преимуществ в коэффициенте усиления перед аналогичной антенной с активным питанием вибраторов всех трёх диапазонов либо с питанием с переизлучением эта антенна не имеет, не считая диапазона 28 мГц, где , за счёт влияния системы междиапазонной развязки она работает как полноценная трёхэлементная антенна. Её достоинства лежат в другой плоскости. Эта антенна по праву может называться антенной городского жителя. Совершенно очевидно, что если антенна имеет очень высокое соотношение сигналов вперёд-назад, то её с успехом можно использовать как инструмент селекции в условиях помех от близкорасположенных радиостанций. Ситуация контеста в большом городе. Развернулся задом к соседу и подавил его мешающий сигнал на 30 дБ. Ещё одно преимущество - значительно большая, чем у обычных антенн полоса пропускания. КСВ более стабилен во всём диапазоне а хорошее соотношение вперёд/назад получается не только в центре, но и по краям диапазона. Но не это главное. Не секрет, что радиолюбители, проживающие в больших городах испытывают значительные трудности с бытовыми электическими помехами и другими помехами большого города - сигнализации, медицина, станки с ЧПУ, комьютеры и сети и т.д. И даже, если их нет, ситуация использования такой антенны в деревне, тоже имеет плюсы. Дело в том, что элементы одного диапазона в такой антенне сдвинуты в пространстве на расстояние, за которое волна принимаемого сигнала изменяет фазу на 180 градусов. Так как элементы соединены через фазовращатель на эту же величину, то сигналы находящиеся в полосе пропускания этих элементов складываются в фазе, а все остальные сигналы - в противофазе. Да. Именно так: соотношение сигнал-шум изменяется в разы. Именно поэтому бытует мнение, что коэффициент усиления такой антенны возрастает. На самом деле просто дело в том, что антенна подавляет все сигналы вне основного лепестка диаграммы в этой полосе частот. Применив такую систему питания к распространённой модели трёхдиапазонной двухэлементной антенне XL222 "Русские Яги" сделали следующий логический (а теперь уже и практический) шаг к значительному повышению эффективности антенны почти за те же деньги. Это будет антенной городского жителя. Подробнее об этом здесь
Сложение сигналов с нескольких антенн.
Я уже много рассказал здесь о том, как можно услышать спутники, как можно сделать антенну специальСложение сигналов с нескольких антеннно для этого, и, конечно, тут же рассказал, что нет пределов фантазии человеческой в части приспособлений для улучшения уровня сигналов принимаемых со спутников.  Тут на сайте, в разделе «Азы космического радио» я описывал не одну конструкцию хитроумных антенн, улучшающих качество приёма. Однако, если вы посещаете и другие сайты этой тематики, то наверняка видели огромные антенные системы, где антенны объединены в ряды и по горизонтали и по вертикали….

Делается это с целью сложения очень слабых электрических сигналов со многих одиночных антенн на один кабель, который и подключен к нашему приёмнику. Но просто так соединить кабеля не получится. Сигналы нужно складывать так, чтобы они при сложении усиливались, а не ослабевали, то есть складывать их синфазно. Синфазно – это значит, что колебания (максимумы и минимумы) должны совпадать во времени, по фазе. Вот тут и начинаются проблемы.  А как складывать их, сигналы, если их максимумы и минимумы не совпадают?  Если длины волн у них разные? Ответ один – никак.  Поэтому главная проблема при сложении сигналов с нескольких антенн – разбежность частот сигналов. Или попросту говоря складывать можно только сигналы близкие по частоте. Для нас, радиолюбителей означает, что только на одном диапазоне. Это первое. Второе, не менее важное правило, которое нужно помнить: антенны должны находится на определённом расстоянии одна от другой, чтобы получить совмещение синусоид радиоволн. Вот таблица, в которой показано какое максимальное усиление можно получить, если располагать антенны на определённом расстоянии одна от другой (в данном случае для диапазона 2 метра)

Из таблицы видно, что максимальное усиление может достигать почти 5 дБ, но  этот максимум совсем не на расстоянии в одну длину волны, а около 0,6 длинны волны. (обратите внимание на то что расстояние в дюймах, лень было перерисовывать картинку, она из журнала  : - ) Это связано с тем, что сигналы в точку сложения попадают, пройдя еще и кабель. Или кабели. И вот тут мы точно увидим, что дело это не простое. Мы уже точно знаем, что очень важно, чтобы волновое (комплексное) сопротивление антенн было равным волновому сопротивлению линии передачи до приёмника (передатчика). Только в этом случае приём будет наилучшим. А в случае суммирования сигналов, аналогично закону Ома, общее сопротивление, например двух антенн, будет в два раза меньше.  А величина волнового сопротивления кабеля снижения к приёмнику остаётся прежней – 50 ом. Совершенно очевидно, что надо применять специальные меры, чтобы сложить сигналы на одну нагрузку – кабель снижения.  Но наука эту проблему давно решила. Есть достаточно сложные способы, а есть попроще, но от этого не менее эффективные.

Начнём, конечно, с простого: соединим две антенны.  Предположим у нас есть две антенны. Пусть это будут две простые коллинеарные антенны. Хотя с точки зрения объединения антенн важны только их сопротивления. Это почти всегда 50 Ом. Точно так же можно объединить любые другие антенны, лишь бы они были одинакового сопротивления и расположены на нужном расстоянии одна от другой.  Например, мы хотим иметь максимальный сигнал в направлении областного репитера. Располагаем две антенны в одну линию, направленную на репитер, отмеряем расстояние между ними равное 0,6 длинны волны, в нашем случае это 1240 мм, и, очень важно, отмеряем два совершенно одинаковых отрезка 50-ти Омного кабеля, позволяющие свести их концы в одном месте. То есть немного больше чем половина расстояния между антеннами. Если мы сможем найти T-образные тройники – хорошо. Если нет, не беда. Кабели просто распаиваются и заливаются каким-либо компаундом, можно даже обыкновенным герметиком.  Далее существует два способа. Первый – соединить оба кабеля между собой и применить трансформатор сопротивлений из двух параллельно распаянных отрезков 75-ти Омного кабеля длинной в четверть волны на рабочей частоте.  Это 515 мм, но не забываем про коэффициент укорочения (для стандартного RG-59  К=0,66) и получаем величину в 340 мм.  Рисунок А

Это – низкоомный вариант. Второй вариант – трансформация в сторону увеличения волнового сопротивления и последующего его преобразования к 50-ти Омному сопротивлению кабеля снижения. Четвертьволновой отрезок  75-омного кабеля включенный после отрезка кабеля в 50 Ом трансформирует волновое сопротивление в 110 Ом. Соединяя два таких сопротивления паралельно снова получаем 50  Ом.  Рисунок B. В данном случае несколько более выгодная конфигурация – тройник только один. И его можно заменить обычной пайкой.  :-)  Не забудьте, что длины 50-ти омных отрезков от антенн должны быть одинаковыми.  А если мы по прежнему хотим сохранить круговую диаграмму направленности? Нет ничего проще: разносим антенны на 0,6 волны по вертикали. Ха, скажете вы, а как это сделать для коллинеарных антенн? И я тут же с вами соглашусь: никак.

Придётся выбрать  другие антенны. Например, уже описанные выше квадрифилярные. Но, на самом деле эти антенны можно (и нужно) суммировать в систему 2+2 х 2+2. Это значит две вертикально фазированные антенны плюс две такие же, но фазировать будем уже 2 по 2 и  горизонтально.  Дело в том, что спутники, по крайней мере те, что интересны нам, всегда летают под углом к экватору. То есть диаграмма направленности нашей спутниковой системы антенн вытянутая вдоль экватора более предпочтительная. А как  соединить в один два 50-ти Омных кабеля с сигналами мы уже знаем.

Принцип закона Ома можно использовать и далее. Например очень удобно складывать сигналы с полуволновых петлевых вибраторов.  Сопротивление каждого равно 292 Ома. Почти 300 Ом. Если просто поделить его на 6, то получим величину очень близкую к волновому сопротивлению кабеля - 48,666(6).  При этом КСВ составит 1,03, что нас вполне устраивает.  Для простого объединения шести полуволновых вибраторов в одну антенну их следует соединить 50-ти омными отрезками равной длинны кратными полуволне. Тоесть, если описывать это языком науки длинна равно 2N+1, где N - динна полуволны на рабочей частоте.

Все кабели соединяются в одной точке и туда же припаивается кабель снижения. Конечно, лучше использовать какое-нибудь коммутирующее устройство. Например коробку антенного разветвителя. Или самодельную конструкцию,  дающую механическую прочность и защиту от попадания влаги.  Ну и, уж коли разговор зашёл о практической конструкции, следует помнить, что вибраторы крайне желательно симметрировать. Например так, как показано на рисунке. Точка Б - точка нулевого потенциала, возможное место крепления вибратора к несущей кострукции, мачте, например. Но если мачта металлическая, то вибраторы следует располагать на расстоянии от мачты не ближе чем четверть волны. Иначе резонанс вибраторов сильно сместится вверх - возможно даже на несколько мегагерц.
Теперь мы вооружены познаниями для того чтобы попробовать улучшить параметры своего радиоцентра. :-)  Но если вдруг всё-таки не получится, есть еще один способ решить проблему: административный - найти источник помехи и договориться как-то с хозяином устройства о его замене или доработке.  Как можно попытаться найти источник помех?  - уже писал.