如何利用 CA3089 芯片制作一个用于监测电离层状态和短波信号质量的简易装置

短波传播是指在 3 至 30 兆赫兹频段内的无线电波从点 A 传播到点 B 的过程，它借助电离层作为反射镜来实现这一传输。电离层是大气层中充满带电粒子(离子)的一层。信号的质量取决于这一层的“密集程度”。

这受到多种因素的影响，比如太阳活动(这是最重要的因素)、一天中的不同时段(白天或夜晚)、季节等等。在本项目中，我将向您介绍一种非常简单的方法来测量电离层的当前状况，从而了解接收短波信号的条件。

对于无线电爱好者来说，这是一个非常实用的工具。因为只要看一眼这个仪器，他们就能立刻知道在特定时刻所能预期的接收效果如何。实际上，我所使用的是一份来自 20 世纪 90 年代《Elektor》杂志的旧电路图。

我对其进行了修改，即从原始电路图中删除了音频部分，并将 CA3089 的输出调整为驱动标准万用表、模拟仪器或带有合适显示界面的 Arduino 微控制器，以显示结果。这并非传统的无线电接收器，而是一个频率不选通的监测器。

该项目由 PCBWay 赞助。从 2026 年 4 月 15 日至 6 月 15 日，PCBWay 将在 KiCad 10 发布之际举办 KiCad PCB 设计竞赛，该版本具有增强的功能和改进的工作流程。此次竞赛设有三个大奖，奖金为 500 美元现金 + 一台树莓派 5，还有一个参与奖，即一台树莓派 Pico 2。请查阅官方规则和评选标准，提交您的创新设计，您就有可能成为我们的下一位获奖者。PCBWay 和 KiCad 都期待看到您的创意展现!

CA3089 单元是该设备的核心部件。尽管它原本设计为调频中频放大器，但在这里却发挥了其宽频放大能力。它能一次性“捕获”一定范围内的所有信号(约 1 - 30 MHz)。它无需锁定特定电台，而是测量空气中射频能量的总水平。这使其非常适合测量短波范围内的信号传播情况。CA3089 内置有 RSSI(接收信号强度指示)电路，其第 13 个引脚还提供了一个对数输出，这对于传播监测器来说非常理想，因为您可以在刻度上同时看到最弱和最强的变化。我通过在电压输出上并联一个电解电容器来避免电压的频繁和突然变化(跳动和下降)，这样电压在特定时刻的值就会相对保持稳定。

电源电压应当保持恒定，因为较低的电源电压会导致输出电压值降低。这就是为什么我使用了由 LM317 制成的电压稳定器，而且使用 LM7809 直流稳压器也更简单些(当时我没有 LM7809)。

起初，我用数字万用表和模拟仪器(5V 电压表)进行了测试。

于是我决定制作一个带有 OLED 显示屏的小型 Arduino 组装体，并将整个装置安装在合适的外壳中。为了获取更详尽的信息，在这个设备的更高级版本中，我们可以设置两个输入电路，分别配备不同的输入线圈和电容器，用于白天和夜晚信号的传输，或者用于特定频段的信号传输。

该设备制作起来非常简单，由一个集成电路(CA3089)、几个无源元件(电阻、电容和电感)以及一个显示结果的输出单元组成。该输出单元可以是一个小型模拟仪器、一个万用表，或者像我的情况那样，是一个带有 Arduino 的 OLED 显示屏。

接下来简单介绍一下设备的设置。为了获得准确的结果，建议始终使用相同的天线，它可以是一根长度为一到几米的普通金属线。如果没有连接天线，输出电压会很低，大约为 0.6 伏。如果我们用手指触碰输入端，这个电压应该会升高(此时会有微弱的射频信号接收，这表明设备正常运行)。现在我们连接天线并等待信号最强的时刻(通常是在夜间)，如果使用 5 伏的仪器(比如我在测试时使用的那种)，通过调节电位器旋钮，我们应该将指针调到刻度的约一半以上(或者在万用表上约为 3 伏)。这样，设备设置就完成了。让我再强调一下，总体而言，白天信号值较低，而夜间则较高。经过几天将仪器的值与无线电接收的实际信号值进行比较后，我们就能确切地知道射频信号的传播情况是差、好还是极好，并且在查看仪器的同时也能确定这一时刻。

就我的具体情况而言，我使用的不是电压表，而是一台配备有 OLED 显示屏的 Arduino 控制器。

如果您有使用 Arduino 的经验，那么建议采用这种方法，因为这样您能更清晰地看到结果(数字和条形图)，而且在一段时间后，您可以通过改变映射输入信号的范围来进行校准，这将为我们带来更高的精度，即分辨率。在文末，给出了 Arduino 代码。

现在让我们来看看该设备在实际使用情况下的工作方式：当开启显示屏时，屏幕中央会出现一个“相对性”数值，上方还会有一个细长的水平指示条。目前，由于未连接天线，该数值约为 150。

我将整个输入范围设定为 0 到 1023，这意味着显示屏上的数值从 0 到 1024 对应的电压则在 0 到 5 伏之间。

在代码的开头部分，有一些地方可以设置输入信号的最小值和最大值预期值，以获得最大的灵敏度。

通过将天线连接到输入端，条形图会向右移动，数值也会发生变化。实际上，这些参数向我们展示了在电离层中反射短波信号的能力，也就是该时刻短波信号的传播情况。使用这个仪器后不久，我现在就能注意到这个区域接收条件的细微变化。

当然，正如我之前所说，白天时其价值总是较低的，但通过不断积累经验，我们就能确切地判断出接待条件是好是坏，无论是在白天还是夜晚。

最后再做一个简短的总结。这个项目对于任何短波收音机用户来说都是一款非常实用的工具，能够精确监测大气的变化。只需几个被动元件，您就能获得一个用于诊断无线电信号的专业设备。

本文编译自hackster.io