ANTENNA ATTIVA PER ONDE LUNGHE - VLF -20 kHz a 400 kHz

di  I0ZAN   Florenzio Zannoni

Fig 1 antenna  in postazione fissa        Fig 2 scatola contenente l’elettronica

Ho sintonizzato più volte il mio ricevitore sulle onde lunghe, ho ricevuto stazioni di radiodiffusione, radiofari, segnali strani e tantissimi rumori: per me quella banda era la “banda dei rumori”. In questi ultimi anni ho notato un aumento di interesse nell’ascolto delle onde lunghe e lunghissime, vuoi per il pezzettino di frequenza dedicato ai radioamatori, per l’interesse nel ricevere quegli strani segnali magari nella speranza di scoprire qualche cosa di nuovo, oggi reso possibile con l’ausilio del computer. Ho provato di recente a fare ascolto nella banda, i rumori erano ancora presenti e con intensità anche superiore. Naturalmente l’antenna usata aveva le sue colpe e se volevo ricevere qualche cosa di buono, quei rumori dovevano essere notevolmente ridotti, quindi dovevo realizzare un’antenna migliore magari sintonizzandola sulla frequenza da ricevere; ho quindi deciso di costruire un’antenna a loop schermato, accordata sulla frequenza da ricevere e con preamplificatore. 

 Finalmente a lavoro ultimato, anche dalla città mi è stato possibile fare degli ottimi ascolti, le stazioni di radiodiffusione (tutte straniere) ed i radiofari che ricevo non si contano, e quegli strani segnali ora li ricevo puliti anche se la maggior parte resta indecifrabile e sono pronto a ricevere i segnali trasmessi dai colleghi radioamatori sul pezzettino di frequenza a noi assegnato.

L’antenna è costituita da quattro blocchi funzionali : antenna a loop con un diametro di 70 cm, il condensatore di accordo variabile statico, la logica di commutazione ed il preamplificatore a valvola. Un cavo coassiale collega l’antenna al ricevitore, ed un cavo multipolare lo collega al dispositivo ”posto nella stanza dei bottoni” che genera i criteri necessari per il funzionamento della logica di commutazione. È necessario precisare che il nome di condensatore variabile statico l’ho inventato di sana pianta ma nel seguito della descrizione appariranno chiari i motivi. La realizzazione del condensatore variabile statico è stato per me l’elemento trainante del progetto: senza questa soluzione, per accordare l’antenna su una banda cosi bassa e che comporta l’impiego di capacità di alto valore, sarebbe stato senz'altro difficoltoso.

ANTENNA LOOP

• Caratteristiche
• Frequenza sintonizzata….20 kHz   400 kHz
• Fattore di amplificazione del preamplificatore:… circa 7 in alta impedenza,
• Alimentazione 13-15 Volt c.c.
• Assorbimento compreso unità comando….300-500 mA
• Uscita del segnale a radio frequenza in bassa impedenza
• Conduttori necessari per il funzionamento:…4 più massa.

Per realizzare l’antenna, ho impiegato 200 cm di tubo di rame con un diametro di 1,6 cm del tipo normalmente impiegato in idraulica, realizzando quindi un cerchio aperto alle estremità con un diametro di circa 70 cm, le cui estremità sono fissate ad una scatola di plastica a tenuta stagna contenente nel suo interno il condensatore variabile statico, la logica di commutazione ed il preamplificatore.

Armato di una notevole dose di pazienza ho inserito internamente al tubo di rame del filo unipolare flessibile isolato tipo AWG 22 realizzando a lavoro ultimato un primo avvolgimento di 12 spire ed un secondo avvolgimento di 18 spire; un’estremità del tubo di rame è collegato alla linea di massa comune che a sua volta verrà collegato alla linea di terra, mentre l’altra deve restare isolata. In questo caso, la funzione d’antenna viene svolta dall'avvolgimento che inserito internamente al tubo di rame verrà eccitato solo dalla componente magnetica dei radiosegnali riducendo quindi il passaggio della componente elettrica che normalmente è portatrice dei rumori di origine elettrostatica.

 Per coprire un segmento di frequenza che parte da circa 20 kHz a 400 kHz, si è reso necessario realizzare due avvolgimenti e tramite un relè azionato dalla logica di commutazione è possibile prelevare una sezione dell’avvolgimento oppure le due sezioni collegate in serie per accordare l’antenna nella parte bassa della banda; l’avvolgimento selezionato viene posto in parallelo al condensatore variabile statico realizzando quindi un circuito risonante parallelo avente la frequenza di risonanza data dal valore dell’induttanza dell’avvolgimento, dal valore della capacità inserita in parallelo costituita dal condensatore statico e dalle varie capacità parassite. La componente magnetica del segnale a radio frequenza indotta nelle spire dell’avvolgimento e trasformata in energia radioelettrica viene quindi incrementata in corrispondenza del punto di risonanza, ed inviata alla griglia controllo del preamplificatore che lavorando in alta impedenza non influenza il fattore di merito dell’antenna. Con questa soluzione portando in risonanza l’avvolgimento posto internamente al tubo di rame, otteniamo una prima ed importante selezione del segnale che intendiamo ricevere inviando all’ingresso del preamplificatore un segnale “pulito”, ottimizzando quindi il rapporto segnale-rumore.

 Il condensatore variabile statico è costituito da due sezioni; nella scatola alla base dell’antenna trova posto la logica di commutazione, mentre l’altra sezione, la logica comando, è inserita all'interno di un contenitore posto nella “stanza dei bottoni”. Nella logica di commutazione per realizzare il condensatore variabile, ho impiegato otto relè miniatura a due scambi separati; i contatti comuni dei relè sono collegati alla massa, mentre tra i contatti normalmente aperti di ciascun relè ed il lato caldo dell’antenna vengono collegati dei condensatori fissi con un opportuno valore di capacità che a sua volta viene selezionato dal relè RY 10. Ciascun relè viene eccitato tramite un transistor ed è collegato al circuito che io ho chiamato “logica di commutazione” che è costituito da tre integrati del tipo CD 4029.

Fig 3 Scheda logica di commutazione

 Il circuito integrato 4029 è un contatore, binario oppure BCD, avanti-indietro e presettabile: il tipo, il senso di conteggio ed il reset vengono fissati dai livelli logici presenti su appositi ingressi. Il contatore viene incrementato in corrispondenza del fronte di salita di un impulso ricevuto dal pin di ingresso del primo integrato: il pin che abilita il tipo di conteggio in questo caso è predisposto per il conteggio decimale, mentre i pin di reset, avanti-indietro ed ingresso, vengono collegati tramite cavo multipolare alla logica comando; Il dispositivo logica di comando, è posto nelle vicinanze del ricevitore e dispone di tre pulsanti necessari alla generazione dei criteri per effettuare la sintonia dell’antenna. Un pulsante aziona il generatore di impulsi per il conteggio in avanti (C più), un secondo pulsante aziona ancora il generatore di impulsi ed inoltre invia il comando per il conteggio all’indietro (C meno), il terzo pulsante invia il comando di reset che porta tutti i contatori a zero. In condizione di reset tutti i relè sono aperti ed  in parallelo all’antenna avremmo soltanto le capacità parassite.

FUNZIONAMENTO DEL CONDENSATORE

  In fig 4 è visibile lo schema elettrico, gli avvolgimenti che costituiscono l’antenna sono rappresentati sul lato sinistro ed il tubo di rame che li contiene è rappresentato dalla linea in tratteggio. In condizione di reset, l’antenna è predisposta per ricevere il segnale con la frequenza più alta di funzionamento. Nel prototipo da me realizzato l’avvolgimento L1 copre il segmento di banda che va da circa 400 kHz a circa 173 kHz, mentre inserendo in serie a questo primo avvolgimento costituito da 12 spire, il secondo avvolgimento di 18 spire il segmento di banda coperto va da circa 173 kHz a circa 20 kHz. Il relè RY 9 seleziona il segmento di avvolgimento interessato, mentre RY 10 lo collega in parallelo ai condensatori che compongono il condensatore variabile statico costituito da due sezioni, C1a/C8a costituiscono le capacità per sintonizzare l’antenna nel segmento alto, mentre con C1b/C8b si sintonizza il segmento basso, i relè necessari alla commutazione dei condensatori RY1/RY8 vengono eccitati da un transistor che è collegato ad un pin di uscita dei contatori, l’attivazione dei relè è evidenziata dall’accensione dei diodi led corrispondenti.

 Fig. 4  Schema elettrico antenna

Se tramite la logica di comando si effettua il reset, la logica di commutazione predispone l’antenna per la ricezione della frequenza più alta selezionando l’avvolgimento con 12 spire ed i condensatori C1a/C8a che ancora non sono inseriti, a questo punto premendo il pulsante per il conteggio in avanti (C più ), la capacità che viene posta in parallelo al circuito d’antenna viene incrementata ad ogni impulso ricevuto dalla logica di commutazione spostando quindi la frequenza di risonanza verso il basso.

 Alla ricezione del primo impulso il pin 6 di IC1 (Q1) si porta a livello alto con la conseguente eccitazione di RY1 collegando quindi il condensatore C1a con un valore di 20 pF in parallelo all’avvolgimento dell’antenna. Il secondo impulso ricevuto, riapre RY1 e chiude RY2 in questo caso la capacità inserita C2a assume il valore di 40 pF di conseguenza la frequenza di risonanza dell’avvolgimento viene spostata verso il basso. Con la ricezione del terzo impulso RY2 rimane chiuso e si chiude nuovamente RY1 che ricollega la sua capacita portando quindi la capacità totale in parallelo all’avvolgimento ad un valore di 60 pF con un ulteriore spostamento verso il basso della frequenza di risonanza dell’antenna. Il quarto impulso apre RY1 e RY2 ma chiude RY3 che connette in parallelo all’antenna una capacità di 80 pF. Con gli impulsi successivi la sequenza si ripete, RY3 rimane chiuso, si chiude prima RY1, poi RY2 quindi RY1 più RY2 e cosi in sequenza con la ricezione degli impulsi successivi. Ad ogni impulso ricevuto la capacità totale posta in parallelo all’avvolgimento viene incrementata di 20 pF spostando di volta in volta la frequenza di risonanza dell’antenna; alla ricezione del 256° impulso tutte le capacita saranno collegate in parallelo ottenendo un valore totale di circa 5100 pF.

 Con la ricezione di un ulteriore impulso, il pin 6 di IC3 si porta a livello alto con la conseguente eccitazione di RY9 e RY10, il relè RY9 collega in serie i due segmenti dell’avvolgimento mentre RY10 effettua la commutazione sulle capacità di valore più alto C1b/c8b, questo per consentire la sintonia dell’antenna sulle frequenze più basse; in queste condizioni i relè sono nuovamente tutti aperti e con l’impulso successivo si ripete la sequenza, partendo da RY1 che in questo caso inserisce in parallelo all’avvolgimento un condensatore con una capacità di 120 pF. Ad ogni ulteriore impulso la capacità totale viene incrementata di 120 pF ed al termine della sequenza cioè alla ricezione del 512° impulso, avremmo una capacità inserita in parallelo agli avvolgimenti di circa 30600 pF che porterà la sintonia dell’antenna alla frequenza di circa 20 kHz. In queste condizioni, tutti i relè sono chiusi e con un ulteriore impulso la sequenza riparte da zero.

 Se nella scatola contenente “ la logica di comando”, premiamo il pulsante per il conteggio indietro (C meno) continueremmo ad inviare gli impulsi per il contatore mentre su di un altro conduttore verrà inviato il criterio che abilita il conteggio all’indietro. In questo caso dopo aver effettuato il Reset, con la trasmissione del primo impulso le uscite dei contatori verranno poste tutte a livello alto con la conseguente eccitazione di tutti i relè, quindi la capacità totale del condensatore statico assume il valore più alto possibile e poiché gli avvolgimenti dell’antenna sono collegati in serie, la frequenza di ricezione sarà la più bassa (circa 20 kHz); inviando ulteriori impulsi, il valore della capacità totale viene decrementato di 120 pF per ogni impulso ricevuto.

 Il valore delle capacità poste in parallelo all'antenna si può ottenere facendo qualche conto ma date le capacità parassite presenti, i risultati teorici ottenuti non corrispondono mai a quelli reali. Io francamente ho eliminato i calcoli ed il valore delle capacità impiegate è ottenuto da un certo numero di prove pratiche.

 Nel prototipo da me realizzato le capacità assumono il seguente valore:

Capacità impiegate per il segmento di banda da 400 kHz a 173 kHz circa:

C1a 20 pF------C2a 40pF-----C3a 80 pF------C4a 160 pF

C5a 320 pF---.C6a 640 pF---C7a 1280 pF---C8a 2560 pF----capacità con tutti i relè chiusi 5100 pF.

Capacità impiegate per il segmento di banda da 173 kHz a 20 kHz circa:

C1b 120 pF----C2b 240 pF---C3b 480 pF----C4b 960 pF

C5b 1920 pF--C6b 3840pF---C7b 7680 pF--C8b 15360 pF----capacità con tutti i relè chiusi 30600 pF.

PREAMPLIFICATORE

Per il preamplificatore ho pensato di usare un tubo elettronico a doppio triodo e poiché avevo sentito in aria di amici radioamatori che impiegano dei preamplificatori microfonici con triodi funzionanti a bassa tensione anodica con degli ottimi risultati, ho pensato che valesse la pena di provare. Dal momento che in tutti gli impianti radioamatoriali la tensione 12/14 volt rappresenta il valore di tensione per eccellenza, ho creduto opportuno impiegare questo valore di tensione anche per l’anodica del preamplificatore. Dalla mia cassaforte contenente i preziosi tubi elettronici ho selezionato dei doppi triodi che avessero la possibilità di alimentare il filamento con una tensione di 12 volt

                          Fig. 5    Preamplificatore                                 

 Ho provato alcuni circuiti con valvole diverse: adattando le resistenza di polarizzazione i risultati ottenuti variavano di poco. Ho quindi deciso di impiegare il doppio triodo tipo 12AU7 corrispondente alla serie europea tipo ECC82 ottenendo un fattore di amplificazione di circa 7 con una banda passante quasi lineare partendo dalla frequenza minima ad oltre 500 kHz.

 Il segnale proveniente dal circuito risonante “antenna” è accoppiato alla griglia controllo del primo triodo che funzionante in alta impedenza non provoca nessuna alterazione; il segnale amplificato viene prelevato dalla placca e trasferito al secondo triodo che tramite il catodo ne adatta l’uscita per un utilizzo in bassa impedenza.

 La tensione continua presente all’ingresso della scatola alimenta direttamente l’anodica dei triodi, mentre tramite uno stabilizzatore a 12 V si alimenta il filamento e gli altri circuiti, questo per proteggerli nel caso la tensione impiegata fosse di valore superiore. 

LOGICA DI COMANDO

Con il termine logica di comando, mi riferisco allo “ scatolicchio“ con tre pulsanti, posto nelle vicinanze del ricevitore che permette di inviare i criteri necessari per sintonizzare l’antenna sulla frequenza che si intende ricevere.

 Come già precisato escono tre criteri, (vedi schema fig 6) premendo per un breve periodo il pulsante C più, tramite IC2A (integrato tipo ne 556) si genera un breve impulso che viene quindi trasmesso tramite il conduttore identificato come impulsi alla logica di commutazione posta alla base dell’antenna, che incrementerà la capacità del condensatore statico di uno step, e poiché era impensabile premere 512 volte il pulsante per effettuare una scansione completa di tutte le capacità, tenendo premuto il pulsante, dopo circa un  secondo entra in funzione  IC2B che genera una sequenza di impulsi con una frequenza di circa 10 Hz fino a quando il pulsante resta premuto, incrementando quindi il valore della capacità in breve tempo.

Fig. 6 Schema elettrico logica di comando

Con il pulsante C meno premuto, la generazione degli impulsi continua ed usciranno ancora dallo stesso conduttore, mentre il livello del conduttore C meno da alto diventa basso e nella logica di commutazione il conteggio si inverte, causando la riduzione del valore di capacità del condensatore statico con la successione degli impulsi. Il pulsante di Reset invia alla logica di commutazione tramite il conduttore ad esso collegato, un criterio di livello alto che azzera i contatori, portando la sintonia dell’antenna alla frequenza più alta. I tre contatori IC3-IC4-IC5 presenti nella logica di comando, sono attivati dagli stessi criteri che vengono trasmessi all’antenna, sui pin di uscita di questi contatori sono inseriti dei diodi led che si accendono con la stessa sequenza di eccitazione dei relè, questo ci consente di avere una idea di quello che succede internamente alla scatola del condensatore statico; per essere certi che la sequenza è corretta è bene che all’inizio delle “operazioni” si effettui il Reset.

 Per sintonizzare l’antenna si può seguire questo procedimento: portare la frequenza del ricevitore sulla frequenza che intendiamo ricevere, c’è la possibilità che si riceva un segnale molto debole, tenendo premuto uno dei pulsanti si attiva la scansione dei relè, quando la frequenza di sintonia dell’antenna si avvicina alla frequenza di sintonia del ricevitore, noteremmo un aumento dell’intensità del segnale oppure del rumore di fondo, giunti a questo punto conviene proseguire la sintonia inviando degli impulsi singoli per raggiungere il massimo livello del segale ricevuto e per affinare la sintonia dell’antenna; l’accensione dei diodi led ci aiuta in questa operazione.

CONSIDERAZIONI E CONCLUSIONI

  

                                                           Fig. 7    Esame cantina

Per chi si volesse cimentare in questa realizzazione, o per chi la trova interessante, devo dire che tutto il dispositivo è molto versatile, cambiando i valori delle capacità di accordo e le spire della bobina, l’antenna si può impiegare in tutta la gamma delle HF; appositamente non ho inserito le misure sia meccaniche che di R.F,  ma resto a disposizione per chi vuole approfondire l’argomento.

 .Le prove di ricezione hanno superato tre esami: esame finestra, esame cantina, istallazione fissa; nella fase di messa a punto ho attaccato l’antenna alla finestra della “stanza dei bottoni” collegandone l’uscita ad un ricevitore VLF W.J. type 357 (concessomi dall’amico Fabrizio SWL  3604) da subito ho ricevuto di tutto, non segnalini ma cannonate, ho preso nota delle intensità dei segnali ricevuti su tutta la banda di sintonia dell’antenna partendo dai 20 kHz ad oltre 400 kHz, a questo punto ho voluto togliermi un dubbio; ho trasferito tutto il dispositivo ricevente nella cantina magazzino, sotto una costruzione di cemento armato e con porte in ferro, (non avevo disponibile un sottomarino) questo perché si legge e si studia che le onde lunghe non si fermano con gli ostacoli (naturali), ho voluto provare. Ho ricevuto gli stessi segnali, non ho notato differenze apprezzabili di intensità, e francamente cosa molto interessante i rumori erano diminuiti. Soddisfatto che la teoria corrisponda poi alla pratica, ho montato definitivamente l’antenna in una degna posizione, devo dire che si riceve di tutto, oltre ai radiofari alle molte stazioni di radiodiffusione, si riceve una notevole quantità di radiotelescriventi, stazioni campioni di tempo e molti di quei strani segnali che solo chi li trasmette sa a cosa servono e perché con così tanta potenza.Collegata l’uscita del ricevitore al computer le prove continuano.

           ELENCO DEI COMPONENTI

Logica di commutazione

R1-R3-R5-R7-R9-R11-R13-R15-R17…2,2 kΩ

R2-R4-R6-R8-R10-R12-R14-R16-R18-R33-R34-R35-R36-R37…22 kΩ

R19-R20-R22-R23-R24-R25-R26-R27…1 kΩ

R28…2,2 kΩ      R29…1 MΩ      R30…56 kΩ      R31…4,7 kΩ     R32…560 kΩ

C1a/C8a-C1b/c8b vedi testo

C9-C11-C16…1 μF poliestere     C10-C14-C27…elett. 32 μF  25 v.

C12-C17-C18-C19-C20-C21-C22-C23-C24-C25-C26-C28-C29-C30…10 kpF

C13…56 pF        C15…elett.10 μF  25V.

RY1-RY2-RY3-RY4-RY5-RY6-RY7-RY8….red relé 2 vie   RY9-RY10…relé deviatore due vie

IC1-IC2-IC3…integrato tipo cd 4029    IC4…7812

L1-L2+schermo...vedi articolo

J1...9,5 mH     J2…0,27 mH

Logica di comando

R2-R3-R4-R5-R8-R10-R11-R15-R16-R27-R28-R29…22 kΩ

R1-R9…560 kΩ     R7…180 kΩ    R13…4,7 kΩ     R14…150 kΩ    R17/R26…1 kΩ                                             

C1-C9-C11-C12-C13….10 kpF     C2-C4…elett 10 μF 25v     C3-C5-C6…100 kpF

C7-C8…220 kpF

D1-D2-D3-D4…diodo 1N4148     IC1…CD4081    IC2...NE556    IC3-IC4-IC5…CD4029

IC6…7812     P1-P2-P3…pulsanti     S1… interruttore         

Florenzio  Zannoni      izerozan@libero.it