最近陪儿子玩，买了一对摩托罗拉公众对讲机，然后一发不可收拾，了解到无线电除了公众频率（409M），还有u段（435M）v段（145M）短波（3-30M）等（这些波段发射都需要相应的执照），想起以前买过一个RTL-SDR电视棒，决定玩玩短波的接收。经过一个多月的泡论坛、搜集资料，历经改电视棒、造天线、设计放大器，终于收到了比较清晰的短波信号，记录一下。
（一）电视棒部分
电视棒型号为R820T2+RTL2832，就是某宝上很常见的那款，还有很多基于这个型号的改款，价格贵了很多，没什么必要。这个型号的架构如下
RTL-SDR同时兼容不同的IF频率和零中频，820T2部分负责信号的低噪放、滤波和混频，2832U负责对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。从架构图中可以看出，在2832U adc 采样只用到了I通道，也就是正常输入时的通道，而Q通道是空着的，所以可以利用Q通道做短波的接收，例如直接用一个电容将信号耦合到Q通道，这就是网上最常见的改造方案。
我买的这个版本已经预留了Q通道的焊盘，改造起来很方便，直接从mmcx底座焊了一个1000pf电容连接至Q通道。
改造完后打开SDRsharp，选择Q通道接收，傻眼了，除了一些fm强台留下的混叠频谱，短波波段基本没什么信号，原因基本可以判定是信号太差，因为身处城市之中，楼层也不高，电磁干扰和遮挡严重。从电视棒架构图中也可以看出，直接把天线接入Q通道跳过了射频放大的部分，而且adc只有8bit，无法对小信号进行采样，所以只能考虑增加信号强度，羡慕那些随便拉根线就能收到短波信号的地方。。。
根据论坛学习到的经验，高度第一，天线第二，接收设备第三，在无法改变接收环境的情况下，先考虑对天线进行改造。
（二）天线部分
根据论坛的推荐，先把美国业余无线电协会的天线手册第22版啃了一遍，结合网上收集到的资料，选定体积较小的调谐小环天线作为最终方案。调谐小环天线比较常见的结构有如下两种
第一种
第一种是大小环空气电磁耦合方式，也是目前应用最为广泛的一种。
第二种
第二种的电磁场通过磁环介质像变压器那样初级次级通过磁芯耦合，理论上第二种效率要大大高于第一种，我选择了第二种方案，第二种方案还有其他的优势，后面会进行说明。
参数计算
1、调谐范围确定
RTL-SDR的ADC采样频率为28.8MHz，根据Nyquist采样定理，最多可以无失真得到14.4MHz以下的频谱，所以调谐范围的上限为14MHz左右，考虑到5MHz附近有较多的短波台，下限定为5MHz左右，包括了Ham常用的7MHz频段。
2、天线长度
根据天线手册中的理论，小环天线的长度应小于0.085，对于14MHz波段，波长约为21米，所以天线长度不应超过1.8米，对应直径约为0.57，最终制作时，选择了0.5米的直径。
3、电容选择
调谐小环天线的原理是环形天线作为电感，和可调电容并联，当，即频率f处于谐振状态时信号最强。根据该公式，当电感L确定时，要获得更低的谐振频率，需要更大的电容C，所以尽量选择容量更大的可调电容（也可以再并联一个合适的电容，但是会造成可调谐的范围减小（高频））。
搜遍整个x宝，发现能选择的电容不多，质量最好的是空气电容，容量大，耐压高，还可以用来发射信号，但是早就已经停产，能买到的只有二手货，价格还很高，所以最后选择了老式收音机用的可调薄膜电容，似乎是收音机组装教学里会用到，所以还有生产，型号为CBM-443BF，也就是下面这货
单联可调范围为5pf-270pf，可以把两联并联，可调范围拓展为10pf-540pf。
根据谐振频率公式，在电容C接近最小值时，谐振频率达到调谐范围的最高点，但是稍微旋转一点都会对谐振频率产生很大影响，所以购入了如下一款减速旋钮，陷入了结构组装上的噩梦。。。
该款减速旋钮自带支架，但是该支架只能适配特定型号的可变电阻，443BF加上配套的加长杆，长度仍然不够，并且螺丝孔位也不适配，在购入虎嵌台，2mm钻头，挫刀等工具后，折腾了将近一个星期，终于勉强把电容和旋钮固定到了防水盒上。。。
4、磁环选择及电感计算
常见的磁环材料主要为锰锌铁氧体和镍锌铁氧体，锰锌铁氧体初始磁导率高，但是频率超过20KHz时就开始衰减，主要用于1Mhz以下的频率，镍锌铁氧体初始磁导率低，但是在很高的频率范围内保持磁导率不变，适合1MHz以上的频率，所以这里选择镍锌铁氧体材料的磁环，型号为NXO-100，初始磁导率100，是短波波段常用的磁环。
因为目前手里没有能测电感的仪器，所以只能根据得到的各类信息来推测，目前由收集到的信息可以计算出环形天线本身提供的电感量大约为0.5（不同大小的天线电感量不一样），如果按照这个值进行计算，和443BF并联可调谐的最低频率为9.7Mhz左右，距离5MHz的目标差距较大，研究一番之后，决定把天线结构改为下图所示，即把天线和一个电感串联之后再和可调电容并联，通过增加电感的方式拓展小环天线的调谐范围。同时还可以通过该磁环将信号耦合至电视棒。
使用这种结构时，磁环可以看作一个电压型巴伦，能够过滤共模噪声和阻抗匹配，但是小环天线在谐振时为纯阻性，是公认的很难进行阻抗匹配，考虑到接收信号时阻抗匹配影响不大，这里不对阻抗匹配进行计算，仅考虑对谐振频率的影响。
根据论坛一位网友的测试，使用大小为31×18×7的NXO-100磁环时，单圈的电感量约为0.08μh，电感量和圈数N的平方成正比，当然导线的直径和绕圈的间隔也有一定影响。根据这个数据，我在磁环的初级缠绕了7圈，大约提供了4μh的电感量，加上环形天线本身的电感，可以计算出理论调谐范围大约为3.2MHz-23.7MHz。因为电感的数据为估计值，电容本身也有较大误差，并且线路中还存在杂散电容电感，所以这个范围并不精确，设计时最好留有一定余量。
最后为了让RTL-SDR的ADC采集到更强的信号，在磁环次级缠绕了大约55圈，将磁环作为一个变压器型的信号放大器。然而理想很丰满，现实很残酷，经过测试，能够在谐振时观察到信号的频谱，但是信号强度仍然不够，只能听到微弱的声音，但是最少证明了该种天线结构的可行性，并且验证了调谐范围基本和理论计算一致。接下来开始折腾放大器。
（三）放大器部分
恶补了一阵模电理论和三极管相关知识后，终于开始着手设计放大器
1、三极管选型
因为设计的放大器电路工作在5V低压，电流也较小，所以三极管选型时不用考虑功率和击穿电压等极限参数，主要考虑current gain bandwidth product 和noise figure NF，最好在最高工作频率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x宝上购入的难易程度，选择BC550作为放大器的核心组件（目前了解的三极管不多，可能有更适合的三极管），为300Mhz，NF为1.4db。
设计的电路较为简单，LC滤波加上两级三级管放大，因为没有相关经验，并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
考虑到本地FM强台的干扰，如果让FM的信号进入放大器，可能会让放大器提前进入饱和状态，所以放大电路加上了一级低通滤波。
滤波器由，构成LC低通滤波，电容，电阻，三极管基级-发射极电阻（图中未标出）构成低通滤波器负载，
，由分压原理可得，，在第一级三极管放大参数计算中可知
低通滤波器设计截止频率为14MHz，经过仿真计算，当，，，时，滤波器可以得到一个合适的频率响应。图中横轴为频率f和截至频率的比值，纵轴为响应的大小。
电感同样由NXO-100自行绕制，根据单圈0.08的数据，一共需要绕9圈，这里可以稍微少绕1,2圈，防止实际电感量比理论值偏高从而造成截止频率变低。
3、三级管参数
首先考虑静态电流，主要从两个方面考虑，一个是信号的动态，信号动态越大，需要的集电极电流就越高，第二个是BC550参数中静态电流对的影响，如下图所示
在基极电流为1mA时， 只有100MHz，10mA时才达到300Mhz，如果需要放大14MHz的信号，应在10倍以上，即140MHz，综合考虑后，第一级三极管集电极静态电流定为2.5mA，射级电流。
使用万用表Hfe档测得这一批BC550的Hfe约为540，可以推出基极静态电流
接下来确定第一级三极管的集电极电阻和基极电阻，上的电压应接近直流电压的1/2，这样能保证最大的电压摆幅，由可以推出，由可以推出，主要作用为适配低通滤波器的阻抗，量级和相差太大，基本不影响的计算。
第二级三极管通过电容和第一级三极管级联，避免直流工作点相互牵制，静态电流和电阻采用了和第一级三极管相同的配置，其实这里应该让静态电流更高以适配被放大的信号摆幅。这里出现了一个小插曲，最开始电容采用了22nf，但是焊接好之后发现第二级三极管饱和了，害得我以为是放大倍数太高自激了，还增加了一个基极电阻来限制输入，最后借了一个示波器回来调试半天，发现买的这一批电容22nf规格的全部有问题，竟然都能测出几百欧的直流电阻。。。，最后替换为10nf电容恢复正常，基极电阻也可以取消。
信号经过放大后由电容耦合至sma接口。
4、电源指示
没什么好讲的，一个限流电阻和发光二极管串联，用来指示电路的工作状态。
（四）电源滤波部分
放大器最开始使用的是一个锂电的升压模块作为供电，如下图所示
在搜集信息的过程中了解到这是一种开关电源，电路工作在高频的开闭状态，大概几十K到上M，所以会有较高的电磁干扰，在放大电路中最好使用LDO线性电源，本着不浪费的思想，又制作了一个电源滤波器，电路图如下
,,均为1000电解电容并上47nf瓷片电容，采用2个电容并联是因为电解电容容量大但是ESL和ESR较高，对高频的噪声过滤效果较差，所以需要并联一个较小的瓷片电容。和为共模电感，L1负责过滤共模噪声，L2将2路串联到一起作为单路的电感，和、组成型低通滤波器过滤差模噪声。焊接好后如下图所示
接上示波器以后发现示波器精度只有20mv，输入输出的波纹都没有超出这个值，所以也不知道具体的滤波效果，只能当作心理安慰了。。。
（五）接收效果
做好之后如下，采用外接供电的形式。为了调试方便，电路板、天线之间采用连接器连接，信号放大后经同轴馈线连接至RTL-SDR电视棒。
接收软件使用SDRsharp，选择Q通道接收。
不开启放大器电源，几乎看不到什么信号。
开启放大器后，能看到一些信号的频谱，但是不够清晰。
调节电容旋钮，能明显看到调谐频率附近的信号增强了大约10db。
看着频谱上密密麻麻的短波信号，第一次收听到外语电台，虽然噪音还是很大，但毕竟是零的突破，还是充满了成就感。
终于把有源调谐小环天线完成了，也基本达到了最初的目的，做的过程中学到很多新的知识，也思考了一些改进的思路。目前想到的：1、天线输出和放大器输入进行阻抗匹配。2、一级放大采用JFET场效应管，噪声更低，对输入电流无要求，更适合变压器作为前置放大的电路。3、采用差分放大减小共模噪声影响。
第一次做天线和放大电路，难免有疏漏之处，欢迎交流指正。
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参考资料：
RTL-SDR前端硬件结构分析
《天线手册》第22版， 美国业余无线电协会著
小环天线制作技术
BC550 参数
开关噪声 EMC —— 差模（常模）噪声和共模噪声