Voyager, RF的那些神秘现象 (绝对推荐,资料翔实,RF理论与实践的对接, 连载 ,标题要N

hylpro · 发表于 2011-2-13 20:41:19

无线电波的发现不仅仅是物理上的重大发现,更是数学的一个胜利. 多少人为那组NB的方程盛赞不已. 无线电波完全是数学方程的解. 围绕无线电波有太多神秘的光环. 这个也许是为啥多少电子爱好者对无线特别钟爱. 作为一个起点, 无线调频话筒的DIY长盛不衰.

高频电路的制作要求蛮高,特别是模拟.无实践, 简直不敢想象. 从10岁到30岁,应该说,我还没有成功的做出一个FM Bug. (辩解以下, 主要后来兴趣转移了,也没有条件). 最近两年突然来了兴致. 前段玩4个元件的9018 FM bug, 应该说绝不是成功, 至多是从收音机里找到了一个谐波波段.

只有兴趣,耐心对模拟高频绝对不足以应付, 首先没有合适的工具, 什么频率计, 射频功率计, 驻波表通通没有. 不知道电路是否工作,不知道工作在那个波段. 其二,高频模拟和数字电路/低频有着一个显著的不同, 就是在了解了原理和计算方法的前提下, 低频数字/低频电路有点耐心就能做出来. 但是这个信念完全被高频模拟击的粉碎. 就像牛顿的世界观被量子理学完全击溃,就像数学里的无穷和无限.

常年在网络游荡,发现了不少很好FM BUG的详细项目.并有简单易制的测试工具. 感觉到,也许能成功一回了.看这两个在国内外流行的FSM(场强仪): LED power Meter http://www.talkingelectronics.com/projects/Wasp/Wasp-P4.html
FieldStrengthMeterMkl
http://www.talkingelectronics.com/projects/FieldStrengthMeterMkl/FieldStrengthl.html

特别是第一个, 简单易制, 对判断高频电路是否工作那是绝不可少. 线路如下:

(原文件名:dcbsxfpf_1117d6rhxvhn_b.gif)

(原文件名:dcbsxfpf_1120cdrdzkcj_b.gif)

第二个的电路也贴出来,

(原文件名:dcbsxfpf_1118d98kkq4g_b.gif)

精美图片也上一幅:

(原文件名:dcbsxfpf_1119gpz66rfz_b.jpg)

第一个相当易制, 并且对判读电路是否工作那是相当有用. 完成后用来测量玩具27Mhz的信号,可以看到led被电量,电压达到2.1V -- 2.4V.注意测量时要把测量线和天线接触起来.

第二个也做了个原型, 高频的"面包板"比较流行的做法是"ground plane",就是下图的样子, 并且严重推荐看这个帖子: breadboards: how bad are they at RF 我做的原型就不上传了,第二个是个非接触式的测量方式,但是要靠近测量.
http://www.electro-tech-online.com/content/278-breadboards-how-bad-they-rf.html

(原文件名:dcbsxfpf_1121g4spf5dw_b.jpg)

我选择了叫做Voyager的一个FM bug作为这次RF之旅的"旗舰". 航行在RF:Voyager 这个Voyager有800m的发射距离,很高灵敏度的话筒预放, 9V电池, 1.75m天线. (近距离可以用25cm天线,发射10M).
http://www.talkingelectronics.com/projects/Voyager/Voyager-P1.html

电路:

(原文件名:dcbsxfpf_1122c6brxghb_b.gif)

原网站有很详细的制作资料,还是采用"ground plane"的原型方法. 最后焊接完成的照片如下:

(原文件名:dcbsxfpf_1115g46pz2hr_b.jpg)

我没有按照原图标记的方法绕制线圈,而是自己根据公式来绕之, 给个计算网站:Helical Air Coil Calc
http://www3.telus.net/chemelec/Calculators/Helical-Coil-Calc.htm

(原文件名:Helical.jpg)

我采用了原图中LC震荡电路的电容值,为了调试方便,设计目标是98Mhz,88-108Mhz中点. 电容取33pF+7pf (2-10pF可调电容的接近中点位置,虽然我的tune cap是5-10pf的). 所以根据F = 1/(2*pi*sqrt(L*C)), 所需电感应该是: 65nH.

手头有5mm(所有结果都是千分尺测量)直径的圆棒(一个圆形螺丝刀杆),根据 Helical Air Coil Calc 计算结果: 线圈7turns, 长度从15mm到17.5mm变化时,电感从69nH变化到60nH. 此时对应LC震荡频率从95Mhz到102Mhz, 绕好后拉长到16mm. (另, 为了turns的估计较为准确,可以取7.5turns计算,最后绕时数7turns).

好了, 根据以上计算. 感觉信心大增. 开调吧.

hylpro · 发表于 2011-2-13 21:12:39

调试1, 工作点

(原文件名:dcbsxfpf_1115g46pz2hr_b.jpg)

接通电源, 用led power meter测量, 电路起振(万用表0.6V左右)无疑. 用88Mhz-108Mhz的收音机搜索, 我靠, 没有任何回应,只有听提起来像是谐波的一些静默, 使劲敲击桌面,才有那么点点的声音,绝对郁闷. 于是在哪里拉线圈,挤线圈都不行. 我心里默念着咒语,我要上春晚, 我信春....

无数次的失败啊, 拿改锥使劲的拧可调电容... 一个瞬间我想起去测量两个三极管的工作点, 发现,,,, 不对, 电压太高(见原图), 因为我用的是9018,不是bc547. 恩,我不免有点沾沾自喜阿, 于是更换两个基极的偏置电阻,调整到合适的工作点: 预放0.7V, 震荡发射3V(原电路是3V,就不细究了).

我以为发现宝了, 但是无数次失败告诉我,还有东西我不知道.

拿出拼命精神,焊来焊去, 调电容,调线圈,终于感动了上帝, 发现在按压可调电容的某个瞬间能够收到信号.... 这个现象得多么巧合阿, 正好收音机在合适的频率上,正好电容故障的时候就能在这个频率上工作了.

hylpro · 发表于 2011-2-13 21:28:45

调试2: 成功

于是我将这个可调电容拿掉, 没有频率计阿,没有示波器, 要是有, 马上会发现频率低到88Mhz以下了阿. 移除tune cap后其实还是不能到88Mhz以上, 我忘记了我当时怎么想的了,换上20pF的磁片电容,而不是33pf. 这次好运气终于到了. 当线圈拉伸到22CM的时候,终于在89.1Mhz上找到了这个Bug电台, 那个激动.

这个BUG可真不是盖的,超灵敏, 整个屋子里的对话清清楚楚阿,这得益于话筒运放的高增益(几乎是最大的放大倍数, 三极管的Hfe那么大). 我没有频率计,怎么得到频率? 这个, 我手机上有可以显示频率的FM收音机阿..., 应该是比较准确的, 差不到几Khz去, 听103.9Mhz,显示也是103.9Mhz阿. 呵呵.

hylpro · 发表于 2011-2-13 21:38:05

问题的提出

我是按照98Mhz用大家都在用的Coil计算公式计算的阿, 神马东西导致这么多曲折呢. 电感量差了这么多,还是电容超级差劲? 除了采用的计算模型还有什么影响了实际电路? 难道RF设计不能稍微好些么, 都差了20几MHz出去? 难道只有经验和示波器,才能搞定RF? 最起码设计到98MHz, 在88-108Mhz得能找得到这个BUG吧???...

理论和实际的距离真的这么大?

ndust · 发表于 2011-2-13 21:58:00

AAVVRR · 发表于 2011-2-13 22:09:38

元件引脚似乎太长，高频寄生参数很难掌握

hylpro · 发表于 2011-2-13 22:12:26

(原文件名:dcbsxfpf_1115g46pz2hr_b.jpg)

根据大家的经验, 高频电路中管脚过长是致命的, ARRL手册提到, 1inch的wire在xxMhz有XX的电阻(全忘记了). 于是,我找到了一个计算器, 计算引脚的电感(一条导线):
http://www.k7mem.150m.com/Electronic_Notebook/inductors/straight_wire.html

你看, 对频率起着关键作用的LC都留了很长的引脚, 经过测量, 0.8的线圈共有23mm, 0,3的电容引脚有20mm, 根据计算结果总的电感在100Mhz达到了惊人的30nH, 设计的总电感才65nH阿.这个真是灾难. 重新计算:

65nH+30nH, 20pF, => 115Mhz, 悲剧阿, 65nH是线圈长16mm的值,这里都22mm了, 根据计算电感只有50nH,那就是125Mhz阿,实测这个时候只有89.1Mhz阿..., 考虑引线的情况下,问题依然没有好转, 离实测还是有不少距离.

再仔细研究, 考虑这电路的FM原理, 三极管的BC极间电容其实和LC是并联的, 9018也没有数据, 但是1pF应该是有的, 然后用的那些小块焊接板和地平面有电容(分布),也是增大了LC电路的电容,也有计算公式和网站, 应该有1pf左右. 这样有大概有2pF加上来, 重新计算, 震荡频率是:50nH+30nH, 22pF, 119Mhz... GOD,和实际还是有差距.

再想,设用的磁片电容容量精度是10%的, 那么电容应该在18pF-22pF之间, 对应50nH+30nH的电感, 1pf的分布电容+1pf 三极管电容, 频率范围是: 114Mhz --- 125Mhz

考虑了这么多,还是和理论差距很大. 难道这是一个死胡同阿? 难道经验要永久占领RF? 那门外汉情何以堪阿.

hylpro · 发表于 2011-2-13 22:24:46

预告:
1. 常用电感计算公式有严重问题

2. 一些列实验证实,精度可以达到5Mhz范围以内,免调试的理论计算能够实现...(直接能在理论值附近找到BUG频率)
  1)剪掉引脚
  2)更换磁片电容
  3)更换负反馈电容
  4) 更换三极管
  共计7个实验..... 以及数据

lbc___ · 发表于 2011-2-13 22:27:24

标记，慢慢看着呵呵

yeutay · 发表于 2011-2-14 00:08:51

回复【7楼】hylpro 1. 常用电感计算公式有严重问题 2. 一些列实验证实,精度可以达到5Mhz范围以内,免调试的理论计算能够实现...
----------------------------------------------------------------------
1.我目前沒看过那个计算线圈电感量公式是准确的,那只能預估参考。
2.搞这些,不如去研究元件参数如何设计。
3.你做这也太漫長了。以前公司上班整天播放FM,有天用麺包板接了个如同楼主电路,音源接卡匣然后移一下RF线圈间距就被我蓋台。

ziiip · 发表于 2011-2-14 00:19:27

mark

chenwei1919 · 发表于 2011-2-14 05:27:35

mark

longquan · 发表于 2011-2-14 07:25:06

米勒电容

cpumaker · 发表于 2011-2-14 08:03:07

第一个估计是忽悠人的，除非你在大型天线旁边

hhdslb · 发表于 2011-2-14 08:35:21

mark

atommann · 发表于 2011-2-14 08:45:06

谢谢楼主！

hylpro · 发表于 2011-2-14 10:43:41

靠近实际的电感计算

虽然准确计算电感基本上不可能,谁知道拉伸过程是不是均匀阿, 并且这个电路的频率受到天线的影响.但是理论和实际的严重脱节还是让人震惊.

于是到google搜索是否有对FM Bug电路更详尽的分析, 结果没有发现什么电路分析倒是看到了一个电感计算的新公式, 作者指出了大部分Air Coil计算公式的问题,并用不同的理论:
1. 采用螺旋波导模型来计算电感
2. 采用 NIST(美国标准局)的计算方法
3. 考虑集肤效应和接近(proximity,螺旋线靠近和原理对Q值的影响)效应
4. 参考论文:
http://hamwaves.com/antennas/inductance/corum.pdf
http://www.g3ynh.info/zdocs/magnetics/part_1.html

这个计算器的地址是(强烈推荐阿):
http://hamwaves.com/antennas/inductance.html

这里可以发现以前失败的理论计算还有以下缺点:
1.这个模型给出了l,D,d的正确取值方法,应该是线的中心到线的中线来定义线圈直径. 我用0.8mm的铜丝, 5mm的直径, 最后D=5.8mm,有很多差别.

2.在这个计算器的说明和模型中,还有一个重要的分布参数,就是电感线圈的分布电容, 22mm的线圈分布电容达到了理论值6.5pf...很惊人.
(这个分布电容在你想要的频率附近才比较正确). 但是注意这个计算器的两个模型,用带电容的那个模式电感量就得取那个模式的电感量.根据建议,我们不采用带电感容的等效模式. 所以下面分析中也不考虑这个分布电容.

现在以新的计算来考察下当初的设计:
1. 原来的计算器
http://www.rac.ca/tca/RF_Coil_Design.html
得到结果 :
tuen cap: 33+7pF             Coil: D=4.96mm, d=0.8mm 线圈7turns
长度从15mm到17.5mm变化时,电感从69nH变化到60nH. 此时对应LC震荡频率从95Mhz到102Mhz, 绕好后拉长到16mm.

2. 原来计算Coil和新的计算的对比:
D=5.8, d=0.8, 7 turns
长度从15mm到17.5mm变化时,新的计算器电感量从 103nH 到 99nH, 结果很惊人, 电感实际上很大(相对原来), 并且在拉伸过程中变化率也小于原来的计算器. 22mm是为96nH
Coil的分布电容:不采用这个模型.

3. 实际上成功时: 线圈长队22mm, 电容20pf, 频率89.1Mhz

根据这些最新的参数,得到我们所有考虑到的东西,重新来审查以下实验结果和最初设计:
1.最初设计为什么不可以
  a) 15mm, 新的电感量是103nH,加上30nH的引线电感, 共133nH
  b) 电容是33pF+7pf可调电容+2pf(BC结+分布) = 42pF
  理论上谐振频率是:67Mhz, ...... 能搜到才怪呢
  后来去掉了可调电容, 电容=>35pF, 理论频率73Mhz
  再后来线圈拉到22mm时96nH+30nH引线=126nH , 理论谐振频率是:76Mhz  恩这说明原来的可变电容怎么调也是白搭的.

2. 为啥能成功
  最后换成了20pF的电容, 总电容是22pF, 电感126nH, 谐振频率95Mhz. 如果考虑电容精度是10%, (18p-22pF)+2pF, 频率范围是:91Mhz  --- 100Mhz. 实际上在89.1Mhz找到了这个Bug.

第一此看到理论和实际如此的靠近.虽然在预言值的最下端以下, 但是已经很满意了. 剩下的影响应该是其他地方的分布电容吧. 或者我们对三极管和接线处的分布电容估计有误差. 但我们依然采用2pf的总分布电容. 然后通过更多的实现来证实下考虑这麽多是否总是能得到这样的结果. 实验包括:

step 1: keep the circuit untuch
step 2: remove cap lead
step 3: remove coil lead
step 4: replace cap to another type: MONOLITHIC CAPACITORS
step 5: change coil length to 16mm ( MONOLITHIC CAPACITORS)
step 6:  10pF Feed back cap short lead length  (LC:MONOLITHIC CAPACITORS )
step 7:  5.6pF feedback short lead length (LC:MONOLITHIC CAPACITORS )
step 8.9.10: replace tansistor to 9013/9014/8050

fascism · 发表于 2011-2-14 11:45:44

不错，写的很详实。做标记，期待继续。

hylpro · 发表于 2011-2-14 12:26:12

实验结果和分析数据:

NOTE:
   7turns,D: 4.96+0.8, d=0.8
   caps : 10%, 20p, from 18p-22p
===========================================
step 1: keep the circuit untuch
   coil length: 25mm                         coil lead len:  11mm+12mm
   coil inductance: 97nH                   coil lead inductance: 15nH
   cap leadlen: 10mm+9.5mm                   cap lead inductance:16nH

total inductance: 128nH                      total cap: (18-22)+2(Cbc+distributed capacitance)

prediction freq:  90Mhz-99Mhz                real freq: 90.3Mhz
=============
step 2: remove cap lead
   coil length:  25mm                         coil lead len:  11mm +12mm
   coil inductance: 97nH                      lead inductance: 15nH
   cap leadlen: 2.8mm+3mm                   lead inductance: 3nH

total inductance: 123                         total cap: (18-22)+2(Cbc+distributed capacitance)

prediction freq: 95Mhz - 104Mhz             real freq: 92.1Mhz
==================
step 3: remove coil lead
   coil length:  25mm                         coil lead len: 2mm + 2mm
   coil inductance: 97nH                      lead inductance:1nH
   cap leadlen: 2.8mm+3mm                      lead inductance: 3nH

total inductance: 101nH                      total cap:(18-22)+2(Cbc+distributed capacitance)

prediction freq:  102Mhz - 111Mhz             real freq:99.65Mhz
=====================
step 4: replace cap to another type: MONOLITHIC CAPACITORS
   coil length:  25mm                         coil lead len:  2mm+2mm
   coil inductance:97nH                      lead inductance: 1nH
   cap leadlen:  2mm+1mm                      lead inductance: 3nH

total inductance: 101nH                      total cap: (18-20)+2(Cbc+distributed capacitance)

prediction freq:  102Mhz - 111Mhz          real freq: 100.15Mhz
===================

step 5: change coil length to 16mm ( MONOLITHIC CAPACITORS)
   coil length:  16mm                         coil lead len:  2mm+2mm
   coil inductance: 101nH                      lead inductance:1nH
   cap leadlen:  2mm+1mm                      lead inductance:3nH

total inductance:105nH                      total cap: (18-22)+2(Cbc+distributed capacitance)

prediction freq:  100Mhz - 109Mhz             real freq: 93.2Mhz
===================

step 6:  10pF Feed back cap short lead length  (LC:MONOLITHIC CAPACITORS )
   coil length:  16mm                         coil lead len:  2mm+2mm
   coil inductance:101nH                      lead inductance:1nH
   cap leadlen:  2mm+1mm                      lead inductance:3nH

total inductance: 105nH                      total cap: (18-22)+2(Cbc+distributed capacitance)

prediction freq: 100Mhz - 109Mhz          real freq: 92.35Mhz (92.7Mhz--93.7Mhz on diffrent env)
                                          FB cap lead len: 2mm+2mm

=====================
step 7:  5.6pF feedback short lead length (LC:MONOLITHIC CAPACITORS )
   coil length:  16mm                         coil lead len:  2mm+2mm
   coil inductance:  101nH                   lead inductance:1
   cap leadlen:  2mm+1mm                      lead inductance:3

total inductance:  105nH                      total cap: (18-22)+2(Cbc+distributed capacitance)

prediction freq:  100Mhz - 109Mhz             real freq: 94.1Mhz
===================

hylpro · 发表于 2011-2-14 16:28:13

实验总结
1. 考虑到Air Coil 的寄生电容, 在线圈的pitch(螺纹距离) > 3mm时, 电感量的下降几乎不能抵消寄生电容的增长(对LC来说). 所以, 拉到一定程度后拉伸的调节作用失效.

2. 使用这个考虑了寄生电容影响的计算器时,选择一个模型, 推荐不带电容的模型
http://hamwaves.com/antennas/inductance.html

3. 9018 CB结电容+其他杂散寄生电容取2pF是有参考意义的, 看到有资料提及9018结电容在1.5pF附近.

4. 引线的寄生电感不可忽视,在电路的关键部分要计算其影响, 计算器用下面的:
http://www.k7mem.150m.com/Electronic_Notebook/inductors/straight_wire.html

5. 实现结果表明, 实际频率在估计的范围以下. 实验结果很明显, 在剪短引脚后震荡频率明显上升. 但是剪短后和理论计算的预计频率范围拉大, 约低5Mhz. 一方面是证明还有寄生L,C未考虑, 或者9018结电容估计不准确. 令一方面,引脚短了之后测量的误差增大(就是拿千分尺随便测量的,有些弯曲也没有怎么理会. 焊接后也未重测.)

总之,如果保留引脚,就要计算进去寄生电感, 但也别长于1cm吧? 设计预计结果得到的电感和CAP要适当减小, 以抵消不能考虑到的分布参数. 在预计范围的最低频率几M附近应该能免于更换Cap和调节Coil而直接得到一个可用的实际电路.

还是有未知因素. 并且还有待更多实际的检测. 这里也能获取很直观的经验:
a)剪短引脚对电路影响很大, 每cm 2-4Mhz
b)拉伸电感不是万能的
c)实际频率总是比预计的要低上3几M的. (对同类电路)
d)选一个好的计算器

whyjld · 发表于 2011-2-14 17:54:04

看完的感觉：大牛啊

ynymwtb · 发表于 2011-2-14 18:41:55

mark

updown · 发表于 2011-2-14 21:47:06

remind

zhenhuah · 发表于 2011-2-14 22:32:39

mark

hylpro · 发表于 2011-2-15 12:43:37

几个补充测试:

1. 更换三极管为9014/8550
这个两个管子的Mft约150M, 一个显著的现象是, 同样的线圈, 再也不能在88Mhz-100Mhz找到其频率. 没有这个两个三极管的BC结电容的参考数值,但是有2n4403 的, 2N4403 200Mhz, CB结电容8.5pf,8550肯定还要更低. 在同样条件下:101nH, (18-22)pF, 要附加8.5pF的电容原来9018约1.xpF, 这里取总的tune cap是(18-22)+10pF, 预计频率是88Mhz-92Mhz, 根据以前的结果, 频率肯定低于88Mzh. 实际上重新绕制了电感线圈为5圈才重新找到Bug.
并且效果都不如9018,虽然发射功率怎大了(LED power meter).

2.剪短天线为10cm
在室内依然够用. 好似灵敏度下降了,比较靠近的音源才可以捕获到,在较远距离上不再产生啸叫.

avrwoo · 发表于 2011-3-8 18:39:55

MARK

kneken · 发表于 2011-3-8 19:05:01

mark

wwk1996 · 发表于 2011-3-8 19:25:54

读大学时自己搭了一个楼主第三个电路，很幸运就成功了。
佩服楼主的探索精神与严谨的作风，争取改掉自己的浮燥毛病。

f7a7 · 发表于 2011-3-8 20:54:16

mark

KANGYD · 发表于 2011-3-8 21:01:15

“臭虫”板，形容元件像虫子一样在线路板上

web110 · 发表于 2011-3-8 22:02:44

一直想玩玩RF的东东。。。

elecom · 发表于 2011-3-8 22:18:21

mark

tttt_cn · 发表于 2011-3-9 00:15:37

mark

myhonour · 发表于 2011-3-9 08:57:42

mark

atommann · 发表于 2011-3-9 09:46:37

又看了一遍，文采飞扬啊。

watermarker · 发表于 2011-3-9 10:43:44

mark

mmhzlf · 发表于 2011-6-2 18:09:12

樓主的精神可嘉，你的制作中還有一個問題沒考慮，元件之間搭焊的小PCB不應掛在那里，應該粘到底板上，小PCB與底板（應該是地）之間的分布參數一樣會影響性能，而且懸空時這個分布電容還不是穩定的。

hylpro · 发表于 2011-6-3 09:13:07

回复【37楼】mmhzlf
樓主的精神可嘉，你的制作中還有一個問題沒考慮，元件之間搭焊的小pcb不應掛在那里，應該粘到底板上，小pcb與底板（應該是地）之間的分布參數一樣會影響性能，而且懸空時這個分布電容還不是穩定的。
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呵呵. 是啊.玩个高兴,啥设备都没有,猜猜看.

Alexqw · 发表于 2011-6-16 08:14:42

mark

gc56198 · 发表于 2011-11-23 10:56:44

mark

rfmonidianlu · 发表于 2012-2-6 20:57:14

回复【40楼】gc56198 造化
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路过

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