镍锌铁氧体磁芯 RTL-SDR电视棒接收短波折腾记录 - 从零开始设计制作有源调谐小环天线
最近买了一对摩托罗拉公用对讲机给儿子玩，入迷了，了解到除了公用频率（409M）外，还有U波段（435M）、V波段（145M）、短波（3-30M）等（这些波段需要相应的执照）。想起之前买过RTL-SDR电视棒，就决定玩玩短波接收。经过一个多月的刷论坛、搜集资料、改装电视棒、做天线、设计放大器，终于收到了比较清晰的短波信号，并录了下来。
1. 电视棒
电视棒型号是+，是淘宝上最常见的，基于这个型号有很多修改版，但是贵很多，没必要，这个型号结构如下
RTL-SDR兼容不同的中频和零中频。820T2部分负责信号的低噪声放大、滤波和混频，2832U负责信号采样和解码输出。在SDR模式下，可以直接输出信号的原始I/Q数据。从架构图可以看出，2832U adc采样只用到了I通道，也就是正常输入的通道，Q通道是空的，所以Q通道可以用于短波接收，比如直接用电容把信号耦合到Q通道。这是网上最常见的修改方案。
我买的版本有预留Q通道的焊盘，修改起来很方便，直接从mmcx底座上焊了一个电容接在Q通道上。
修改完之后开机选择Q通道接收，当时就傻眼了，除了部分FM强台留下的混叠频谱，短波频段基本没信号，原因基本可以确定是信号太差，因为我在市区，楼不高，电磁干扰和屏蔽严重。从电视棒架构图也可以看出直接把天线接Q通道就跳过了射频放大部分，ADC只有8bit，不能采样小信号，所以只能考虑增加信号强度了。羡慕那些拉根线就能收到短波信号的地方……
根据论坛上的经验，高度第一，天线第二，接收设备第三。如果接收环境无法改变，可以考虑先改造天线。
（二）天线部分
根据论坛的建议，我首先阅读了美国业余无线电协会第22版天线手册，结合网上收集的资料，选择了尺寸较小的调谐小环天线作为最终方案，目前比较常见的调谐小环天线结构如下
首先
第一种是大小环空气电磁耦合法，这也是目前应用最广泛的一种。
第二
第二种方式电磁场通过磁环介质耦合，初级和次级像变压器一样通过磁芯耦合。理论上，第二种方式的效率比第一种方式高很多。我选择了第二种方式。第二种方式还有其他优点，后面会讲到。
参数计算1.调谐范围的确定
RTL-SDR的ADC采样频率为28.8MHz，根据采样定理，14.4MHz以下的频谱都可以不失真的得到，所以调谐范围的上限在14MHz左右。考虑到5MHz附近短波台较多，所以下限也设置在5MHz左右，包括Ham常用的7MHz频段。
2. 天线长度
按照天线手册的理论，小环天线的长度应小于0.085
对于14MHz频段，波长约为21米，所以天线长度不宜超过1.8米，对应口径约为0.57，最终制作中选取了0.5米口径。
3. 电容器的选择
小环天线的调谐原理是，环天线作为一个电感器，并与可调电容器并联。
，即频率f处在谐振状态时信号最强。根据此公式，当电感量L确定后，需要较大的电容C来获得较低的谐振频率，所以尽量选择容量较大的可调电容（也可以并联合适的电容，但这会降低可调范围（高频））。
找遍了整个x宝，发现能选的电容不多，质量最好的还是空气电容，容量大，耐压高，还能用来传输信号。不过已经停产很久了，能买到的只有二手的，价格还很高。所以最后还是选了老收音机用的可调薄膜电容，好像在收音机组装教学中会用到，所以还是有生产的。型号是CBM-443BF，就是下面这个
单台可调范围为5pf-270pf，两台并联可扩大可调范围至10pf-540pf。
根据谐振频率公式，当电容C接近最小值时，谐振频率达到调谐范围的最高点，但轻微的旋转都会对谐振频率造成很大影响，于是买了下面这个减速旋钮，陷入了结构装配的噩梦……
此款减速旋钮自带支架，但支架只能配合特定型号的可变电阻使用，443BF加上配套的延长杆长度还是不够，螺丝孔位也不太合适，买了虎嵌台、2mm钻头、锉刀等工具，折腾了近一周，终于把电容和旋钮固定到防水盒上。。。
4.磁环选择及电感计算
常见的磁环材料有锰锌铁氧体和镍锌铁氧体。锰锌铁氧体的起始磁导率较高，但频率超过20KHz时开始衰减，主要用于1Mhz以下的频率。镍锌铁氧体的起始磁导率较低，但在很高的频率范围内保持磁导率不变，适用于1MHz以上的频率。所以这里选用镍锌铁氧体制成的磁环，型号为NXO-100，起始磁导率为100，是短波波段常用的磁环。
由于我们没有可以测量电感的仪器，因此我们只能根据获得的信息进行推测。根据我们收集的信息，我们可以计算出环形天线本身提供的电感约为 0.5
（不同尺寸的天线电感量不同），如果按照这个数值来算，443BF并联后能调谐到的最低频率大概在9.7Mhz左右，离5MHz的目标还差得很远。经过一番调研，我们决定把天线结构改成下图这种，就是先在天线上串联一个电感再并联一个可调电容，通过增大电感量来扩大小环天线的调谐范围，同时通过磁环把信号耦合到电视棒上。
采用该结构时，磁环可视为电压型巴伦，起到滤除共模噪声和阻抗匹配的作用。但小环天线谐振时为纯阻性，一般认为很难进行阻抗匹配。考虑到阻抗匹配在接收信号时作用不大，因此这里不计算阻抗匹配，只考虑对谐振频率的影响。
根据论坛上有网友的测试，使用31×18×7的NXO-100磁环时，单圈电感量约为0.08μh，电感量与圈数N的平方成正比。当然导线的直径和圈间距也有一定的影响。根据这个数据，我在磁环初级绕了7圈，这样就提供了4μh左右的电感量。加上环形天线本身的电感，可以计算出理论的调谐范围约为3.2MHz-23.7MHz。因为电感数据是估算值，电容本身就有较大的误差，而且线路中还有杂散电容和电感，所以这个范围并不准确，设计时最好留有一定的余量。
最后，为了让RTL-SDR ADC采集到更强的信号，将磁环的次级绕了约55圈，将磁环当成了变压器式的信号放大器。然而理想充满希望，现实残酷。经过测试，谐振时可以观察到信号的频谱，但信号强度还是不够，只能听到微弱的声音。不过，至少证明了这个天线结构的可行性，调谐范围也基本和理论计算一致。接下来开始鼓捣放大器。
（三）放大器部分
学习了一段时间模拟电子理论和晶体管相关知识后，终于开始设计放大器。
1.晶体管的选择
由于设计的放大电路工作在5V低压，电流较小，因此选择晶体管时不需要考虑功率、击穿电压等限制参数，主要考虑的是增益。
和噪声 NF，
最好是最高工作频率14MHz的10倍以上。为了提高小信号的放大效果，NF越低越好。基于以上考虑，同时参考淘宝上购买的难度，选择了BC550作为放大器的核心元件（目前知道的三极管不多，可能会有更合适的三极管）。
NF为1.4db。
设计的电路比较简单，由LC滤波和两级三级电子管放大组成，因为没有相关经验，也不清楚两级放大是否足够，所以只设计了两级放大。
2. 低通滤波器参数
考虑到当地调频强台的干扰，如果让调频信号进入放大器，放大器可能过早地进入饱和状态，因此在放大电路中加入了低通滤波器。
过滤器是
，
构成LC低通滤波器，电容器
，反抗
，晶体管基极发射极电阻
（未显示）构成低通滤波器负载
，
，根据分压原理，
，由第一级晶体管放大参数计算可知
低通滤波器设计截止频率
为14MHz。经过仿真计算，当
，
，
，
当滤波器为时，可以得到合适的频率响应。图中横轴为频率f和截止频率。
纵轴是响应值的比例。
电感
它也由 NXO-100 缠绕，基于 0.08 的单圈
根据资料显示，一共需要绕9圈，这里可以减少1圈或者2圈，避免实际电感量高于理论值，从而导致截止频率变低。
3.三级管参数
首先考虑静态电流，主要从两个方面考虑，一是信号的动态，信号动态越大，需要的集电极电流就越大，二是BC550参数里的静态电流。
影响如下图所示
基极电流
当电流为1mA时，
仅实现 10mA。如果需要放大 14MHz 信号，
应该是10倍以上，也就是综合考虑后，第一级三极管集电极的静态电流
设置为 2.5mA，发射极电流
。
利用万用表Hfe设定，发现此批次BC550的Hfe约为540，进而可以推导出基极静态电流。
接下来，确定第一级晶体管的集电极电阻
和基极电阻
，
上的电压
电压的1/2，可保证最大的电压摆幅。
可以发射
，取决于
可以发射
，
主要功能是调节阻抗、幅度和
差别太大，基本没影响
计算。
第二个晶体管通过电容器
它与第一级晶体管级联，避免了直流工作点互相制约，静态电流和电阻采用与第一级晶体管相同的配置，实际上静态电流应该更大一些，以适应放大后的信号摆幅。
我用的是22nf，但是焊上之后发现第二级三极管饱和了，以为是放大倍数太高，自激了，所以加了一个基极电阻
为了限制输入，我借了示波器调试了好久，发现买的22nF电容全部有问题，甚至能测出几百欧姆的直流电阻，最后换上10nF电容才恢复正常。基极电阻
您也可以取消。
信号放大后，通过电容器
耦合至 SMA 接口。
4. 电源指示灯
没什么好说的，
限流电阻与发光二极管串联，指示电路的工作状态。
（四）电源滤波部分
功放初期采用的是锂电池升压模块作为电源，如下图
在搜集资料的过程中，了解到这是开关电源，电路工作在高频通断状态，大概几十K到M，所以会有比较高的电磁干扰，放大电路最好用LDO线性电源，本着不浪费的精神，做了一个电源滤波器，电路图如下
两者都是 1000
电解电容与47nf陶瓷电容并联，之所以使用两个电容并联是因为电解电容容量较大但ESL和ESR较高，滤除高频噪声效果较差，所以需要并联一个较小的陶瓷电容。
和
L1为共模电感，可滤除共模噪声，L2将两路串联起来作为单路电感。
，
作品
型低通滤波器滤除差模噪声，焊接后如下图
接上示波器后发现示波器的精度只有20mv，输入输出纹波都没有超过这个值，所以不知道具体的滤波效果如何，只能当做心理安慰。。。
（五）接待效果
做好之后如下，使用外置电源，为了调试方便，电路板与天线用接头连接，信号经过放大后通过同轴馈线连接到RTL-SDR电视棒。
使用接收软件时，选择Q通道接收。
不打开放大器电源，几乎看不到信号。
打开放大器后，可以看到部分信号的频谱，但不够清晰。
通过调节电容旋钮，可以明显看到调谐频率附近的信号增强了10db左右。
看着频谱上密密麻麻的短波信号，我第一次收听到了外语电台，虽然噪音还是很大，但毕竟是一个突破，心里还是很有成就感的。
最终有源调谐小环天线完成了，基本达到了原定目的。在这个过程中，学到了很多新知识，也思考了一些改进思路。目前的想法是：1、天线输出与放大器输入阻抗匹配。2、第一级放大采用JFET场效应管，噪声较低，对输入电流没有要求，更适合用变压器做前置放大电路。3、采用差分放大，减少共模噪声的影响。
第一次做天线及功放电路，难免有疏漏，欢迎交流指正。
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