Nella progettazione di un sistema ricevente VLF possiamo utilizzare due approcci tra loro complementari, ossia renderlo sensibile al campo elettrico oppure al campo magnetico.
In alcuni casi, dipendenti soprattutto da ragioni legate alla polarizzazione dell’onda da captare, e’ necessario ricevere sia la componente elettrica E sia quella magnetica B. In genere e’ pero’ sufficiente captare una delle due componenti.
Per ricevere la componente elettrica ci si rivolge, considerando la elevata lunghezza d’onda in gioco, alle antenne cosi dette “elettricamente corte” sensibili all’intensita’ del campo elettrico. Queste consistono in un elemento capacitivo, piastra metallica o stilo, la cui elevatissima impedenza di uscita viene adattata mediante un sistema elettronico ( ad esempio la miniwhip) oppure mediante un trasformatore di impedenza in discesa (come ad esempio la maxiwhip).
Per ricevere la componente magnetica possiamo invece utilizzare una antenna loop in aria o caricata con ferrite, anche questa "elettricamente corta", sensibile alla variazione dell’induzione magnetica, un fluxgate a nucleo saturato (magari approndiamo in un altro articolo…), un sensore ad effetto Hall oppure SQUID (Superconducting Quantum Interference Device) direttamente sensibili al campo magnetico.
Il fluxgate e il sensore ad effetto di Hall possono essere utilizzati per frequenze al disotto dei 10 Hz. Lo SQUID puo’ essere utilizzato per le VLF ma la sua complessita’ lo rende indispensabile solo quando il parametro piu’ importante dell’antenna ricevente e’ quello dimensionale.
I loop caricati con ferrite sono altresi’ poco ingombranti ma soffrono di variazioni di sensibilita’ legate alla temperatura, non hanno una risposta lineare ai campi intensi ed hanno a volte problemi di calibrazione. I loop in aria sono dunque la scelta migliore quando le dimensioni fisiche non rappresentano il motivo principale di scelta.
Quella che descrivo in questo articolo e’ una antenna multiloop da 200 m di semplicissima realizzazione.
Una antenna multiloop consta di un filo di rame od altro materiale conduttore avvolto su di un telaio circolare o di altra forma geometrica ( da qui anche il nome di "antenna a telaio"). Questo avvolgimento permette di ridurre le dimensioni fisiche dell’antenna medesima che altrimenti risulterebbero proibitive. Ad esempio un filo lungo 80 m puo’ essere avvolto in 20 spire su un telaio quadrato di 1 m di lato. Per 200 m di filio occorrerebbero 50 spire. Avvolgere una simile quantità di filo e’ indubbiamente alquanto impegnativo.
Nel web e nella letteratura tecnica vengono presentate di quando in quando soluzioni idonee a limitare l’impegno necessario alla realizzazione del loop. Una di queste soluzioni prevede per esempio l’utilizzo di flat cable per hard disk con il quale con poche spire puo’ essere avvolta una considerevole lunghezza di filo, avendo l’avvertenza di collegare tra loro i conduttori della piattina agli estremi dell’avvolgimento in maniera sfalsata (1 con 2, 2 con 3 ecc ) in modo da far rimanere liberi solo il primo e l’ultimo filo dell’intero avvolgimento. Analoche soluzioni fanno uso di cavi elettrici multipolari o di cavi di rete ethernet ad 8 conduttori cablati in maniera da realizzare un unico avvolgimento.
Quest’ultima soluzione e’ particolarmente interessante per l’economicità del cavo di rete, ma presenta tuttavia l’inconveniente di dover collegare tra loro gli 8 conduttori all’estremità dell’avvolgimento. Quella che descrivo di seguito e’ una “semplificazione” della soluzione che fa uso di cavo di rete.
Ingredienti necessari.
Quello che vi serve per la realizzazione del vostro loop e’ un cavo di rete gia’ cablato da 25 m, 4 ventose da cucina ( di quelle per appendere strofinacci) ed un circuito semplice semplice per collegare il tutto.
Il cavo lo trovate a 8-9 euro in un qualsiasi negozio cinese cosi come le 4 ventose da cucina ( 2 euro il tutto).
Procedimento.
Vi serve una finestra di vetro su cui applicare agli angoli le quattro ventose, poi avvolgete il cavo utilizzando i 4 ganci delle ventose come ancoraggi fino ad avere una cosa del genere.
Per rendere il tutto piu’ stabile e rigido usate delle fascette di plastica per “insalamare” il fascio di cavi. Alla fine avrete un angolo dell’avvolgimento con i due connettori ethernet 8 poli.
Qui utilizzate questo circuitino di “looppaggio”.
Bene, l’antenna e’ finita. Ora avete a disposizione un morsetto con le estremita’ di un multiloop da 200 m di filo a cui collegare il vostro ricevitore oppure, meglio, un amplificatore e poi il ricevitore/convertitore/scheda audio che preferite.
Qui sopra potere vedere il setup di ricezione con il preamplificatore ed il converter che saranno oggetto di altri articoli.
Con lo stesso procedimento potete fare antenne multiloop di varie dimensioni. Qui di seguito un'altra multiloop da 80 m fatta con cavo di rete intestato da 10 m su un quadrato di 50 cm di lato. Naturalmente le caratteristiche elettriche sono diverse.
Ma quali sono le caratteristiche di questa antenna?
Vediamo un po, con un po di teoria e qualche misura cosa abbiamo per le mani.
Innanzitutto vediamo quale e’ il modello elettrico di una antenna loop:
Va e’ il generatore di segnale che rappresenta la differenza di potenziale derivata dalla captazione dell’onda incidente sull’antenna, Ea e’ un generatore di rumore termico, Ra e La sono la resistenza e l’induttanza dell’avvolgimento, Rr e’ la resistenza di radiazione e Ca e’ la capacità distribuita dell’avvolgimento. Possiamo calcolarci sia Ra sia La ma la cosa e’ complessa ed imprecisa, quindi semplicemente la misuriamo con un ohmetro ed un induttanzimetro.
Nel mio caso (ma la cosa puo’ variare in funzione della qualità del cavo impiegato, l'uso del rame e' cosa rara nei cavi cinesi.....) Ra =260 ohm e La = 10,5 14,9 mH. Con questi valori possiamo calcolarci la frequenza di turnover dell’antenna fa che vale :
fa= Ra/(6,28 La)
che nel nostro caso e' uguale a 3940 2778 Hz
fa e’ la frequenza alla quale la reattanza induttiva uguaglia la resistenza Ra. Sotto questa frequenza il comportamento dell’antenna e’ prevalentemente resistivo ed al di sopra e’ prevalentemente induttivo.
Il significato pratco di questo valore e' quello di caratterizzare il comportamento al variare della frequenza dell'onda incidente: l'antenna scendera' gradualmente di sensibilita' al disotto della frequenza di turnover.
La resistenza di radiazione Rr e’ molto piu’ piccola delle altre impedenze in quanto stiamo trattando una antenna di dimensioni modeste in rapporto alla lunghezza d’onda dell’onda incidente. Possiamo quindi ometterla dal circuito. La Rr puo’ comunque essere calcolata con la formula di Watt :
Rr = 7,72 x 10-30 f4 N2 A2
dove N e’ il,numero delle spire ed A e’ l’ area di ogni spira.
Nel nostro caso abbiamo N=56 spire (il numero di spire del cavo moltiplicato 8, il numero dei conduttori) A=0,87 m2 che, per esempio alla frequenza di 50 KHz, porta avere una resistenza di radiazione Rr = 1,15 x10-7. Direi del tutto irrilevante!
La capacita' distribuita Ca risulta difficile da calcolare per una antenna con un numero di spire inferiore ai 100 e con l'avvolgimento avvolto, come nel nostro caso in maniera casuale. E' molto piu' facile, dopo aver costruito il loop, misurare la frequenza di risonanza e quindi ricavare, conoscendo l'induttanza, la capacita' distribuita.
Fortunatamente la Ca non costituisce un problema cosi' grande quanto sembra. In un sistema ricevente a larga banda l'impedenza di ingresso e' molto bassa, dell'ordine di Ra. Questa bassa impedenza di ingresso shunta verso massa l'effetto di Ca, la quale risulta inoltre applicata in parallelo alla capacità di ingresso del ricevitore o del preamplificatore. Il preamplificatore proposto in un altro articolo, ottimo per l'utilizzo con questa antenna, ha per esempio una capacita' all'ingresso di circa 15000 pF. Il parallelo della Ca fa solo abbassare di poco la frequenza di taglio del filtro a PI greco ( circa 600 KHz). Visto che l'antenna la utilizziamo a frequenze molto piu'basse, fino a circa 60-70 KHz, questo non e' assolutamente un problema.
Prestazioni pratiche
Qui di seguito una schermata ottenuta con Spectrum Lab utilizzando una scheda audio USB con la nostra antenna ed il preamplificatore proposto. Si vedono chairamente le emittenti militari MSK.
Da notare che queste emittenti sono state ricevute con l'antenna posta sul vetro della finestra all'interno della mia abitazione. Non ho provato a posizionare l'antenna fuori casa in una zona maggiormente aperta.
Vi consilio vivamente di realizzare questa antenna, bastano pochi minuti, e di dotarla del preamplifacare proposto in un altro articolo.
Spero di essere stato utile.
73 de iw0dvv Mariano
