Audio Antenna

Questo progetto deve il proprio nome al fatto che è votato a permettere la ricezione dei campi elettromagnetici a frequenze audio ed in particolare appartenenti allo spettro 1-20kHz.

Cosa c’è da ricevere?

Le frequenze sotto i 20kHz sono popolate da una molteplicità di segnali sia di natura umana sia naturale. Non sappiamo chi fu il primo a scoprire la presenza di questi segnali, ma pare storicamente acclarato che furono i primi telegrafisti e le compagnie di telefonia che usavano quelle frequenze all’inizio della loro attività a notare questi “disturbi”.

La loro presenza venne scientificamente riconosciuta nel 1957 dopo i lavori dell’Anno Geofisico Internazionale: da allora molti studi si sono succeduti e complementati e da anni anche i radioamatori partecipano al progresso scientifico con le loro osservazioni e sperimentazioni.

Origine dei segnali naturali

La magnetosfera

Le linea di forza del campo magnetico terrestre si estendono intorno al nostro pianeta in modo da creare la magnetosfera, il luogo in cui nascono buona parte dei segnali di origine naturale. Questa regione è caratterizzata dal fatto che il movimento delle particelle cariche è controllato fondamentalmente dal campo magnetico terrestre. Ha una forma allungata dovuta alla “pressione” del vento solare: comincia a circa 200 km di quota (simile a quella dello strato F2 della ionosfera) e può salire fino a 57000km. Vale la pena ricordare come nel corso del già menzionato anno geofisico internazionale venne anche scoperta la presenza di zone di radiazione enormi all’interno della magnetosfera: queste regioni chiamate “Van Allen band”, contengono protoni ed elettroni altamente energetici.

Scariche elettriche nell’atmosfera

La crosta terrestre è composta da minerali e liquidi “salati” (oceani) e può quindi essere considerata mediamente un buon conduttore. Varie misurazione indicano come un giorno cielo di cielo azzurro ci offra un campo elettrico con intensità di 100V/m, a causa della carica negativa che la superficie terrestre tende ad accumulare.

L’effetto del campo magnetico terrestre è tale da mettere in movimento le cariche nell’atmosfera generate dalla ionizzazione prodotta dai raggi cosmici e dal vento solare. La densità di questa corrente è molto bassa (pochi ampere per metro quadro), ma, data la grande superficie del nostro pianeta la corrente totale verso terra può raggiungere una intensità di circa 1800A. Detto fenomeno è noto come “dark discharge” (in quanto è una corrente di scarica che non produce effetti “visibili” o meglio, ottici) e potrebbe neutralizzare la carica della crosta terrestre in poche ore nell’ipotetica assenza dei circa 300 temporali al giorno (26.000.000 di fulmini circa!).

Quando un temporale si sta avvicinando possiamo notare come la base delle nubi sia fortemente negativa. Data la sua vicinanza al terreno (soli 2-3 Km in genere), sotto di esse si è crea un intenso campo elettrico di circa 1000V/m, dovuto ad una differenza di potenziale tra le nuvole e la terra, di qualche milione di volt.

Questo campo ha verso opposto a quello esistente nel caso di cielo pulito e data la sua intensità crea processi di ionizzazione intensi nello spazio fra terra e nubi tali da renderlo localmente conduttore: questo permette il verificarsi del fulmine.

Principali tipi di segnali naturali

Tweeks & Spherics

Si tratta di segnali elettromagnetici di ampio spettro, generati da onde smorzate a frequenze relativamente basse ma ricche di componenti armoniche; si diffondono a lunga distanza per mezzo delle onde di terra.

Quando ascoltati in altoparlante, Tweeks e Spherics “suonano” come il cinguettare di un uccello (da cui il nome), nella gamma di frequenza di 1-7 kHz. In uno spettrogramma risultano come un tono discendente dell’ordine di 25 a 150 mS. I Tweeks sono normalmente ricevuti la sera, dopo il tramonto.

Whistlers

Illustrazione 1: Spettrogramma di Whister. Fonte: www.vlf.it

L’origine di questi segnali sono ancora una volta le scariche atmosferiche. Il segnale generato in questo caso trova una via di propagazione molto particolare, “uscendo” dalla ionosfera e portato a grandi distanze dalla magnetosfera, con attenuazione ridottissima. Questo è uno dei modi propagativi più interessanti ed esclusivi delle VLF e ULF. L’effetto acustico è molto suggestivo e ricorda il rumore del trapano del dentista o gli effetti sonori dei film di fantascienza quali Star Trek. A fianco uno spettro tipico di queste emissioni.

Segnali di origine umana

Oltre ai summenzionati ed appassionanti segnali di origine naturale, questa porzione di spettro è ricca di segnali di origine umana fra i quali possiamo ricordare:

• sistemi di radionavigazione, quale ad esempio l’alpha ex USRR (frequenze 11904Hz, 12648Hz, 14880Hz, 14881Hz, 12090Hz, 12044Hz)
• disturbi da dispositivi elettrici, ad esempio motori a spazzole
• armoniche di rete
• disturbi da dispositivi elettronici, quali ad esempio alimentatori a commutazione (switching)
• trasmettitori radio in VLF, quale ad esempio SAQ (17,2kHz)

Teoria del captatore “E”

A queste frequenze così basse, associate quindi a lunghezze d’onda variabili da 15 a ben 300 km, la realizzazione di una “antenna convenzionale”, intesa cioé simile a quanto siamo abituati ad impiegare nelle bande radioamatoriali si presenta pressoché improponibile. Per quanto “grande” ad esempio potessimo costruire il nostro dipolo, sarà sempre molto piccolo rispetto alla lunghezza d’onda da ricevere. Fortunatamente, la fisica dell’universo in cui viviamo ci permette di risolvere il problema, semplicemente cambiando l’approccio allo stesso.

La soluzione largamente impiegata per queste frequenze si basa sull’accoppiamento capacitivo con la componente elettrica dell’onda elettromagnetica da ricevere. Questa soluzione tradotta in pratica, si concretizza nella realizzazione di un “captatore” che si accoppi all’onda e la sui uscita sia misurata per differenza con un “altro punto”, tipicamente il potenziale di terra. La soluzione così realizzata è a larga banda e molto semplice da realizzare. Unico vero limite è l’impedenza d’uscita del sensore, teoricamente infinita a complicare un poco la vita al progettista. Nulla di insuperabile però, come a breve spiegato.

Schema proposto e realizzazione pratica

Il circuito sviluppato, pur nella sua semplicità, racchiude alcune accortezze progettuali tali da renderlo facilmente replicabile e con una risposta in frequenza principalmente legata ai propri parametri circuitali (e quindi noti) e non a quelli realizzativi o delle apparecchiature ad esso connesse che potrebbero essere in toto od in parte fuori dal controllo del progettista.

Questo forte accento al controllo della banda utile nasce da due fondamentali necessità, molto sentite da chi vuol approcciare l’esperienza con scienza e metodo, magari anche abbinando all’ascolto misure, registrazioni e successive elaborazioni:

ricevere i segnali su una banda nota
evitare di essere interferiti da forti segnali fuori banda
Il secondo punto è di particolare interesse in quanto i due “peggiori nemici” sono proprio:

il ronzio a 50Hz
le forti braodcasting in onde lunghe

Il circuito complessivo si compone di tre stadi: il captatore capacitivo, un ingresso ad alta impedenza ed uno stadio d’uscita a bassa distorsione per pilotare la scheda audio di acquisizione dei segnali.

Tutto è sviluppato avendo presente la facile disponibilità dei componenti ed il loro ridotto costo piuttosto che la prestazione assoluta del circuito.

Illustrazione 2: Schema elettrico suggerito dell’ “audio antenna”

Illustrazione 3: Vista del captatore/contenitore ed elettronica dell’antenna

Il captatore capacitivo, modellizzato nello schema dal generatore VG1 e Cant, è realizzato con lo stesso dispositivo meccanico che contiene l’elettonica: un comune barattolo di latta (nel mio caso un ex contenitore di zucchero) di circa 10cm di diametro e 12 di altezza. Questa soluzione realizzativa ha vari vantaggi, già sperimentati e consolidati in esperienze passate (vedi antenna “Ri(di)cola in bibliografia) quali ad esempio:

• economicità
• elevato grado IP
• semplicità realizzativa
• elevata capacità verso terra paragonata all’ingombro
• ridotto ingombro verticale

Il captatore così realizzato, è collegato ad un source follower (inseguitore) che presenta una elevata impedenza d’ingresso. Per non deprimere questo importante parametro a causa della rete di polarizzazione del JFet e mantenere anche elevato (prossimo all’unità) il guadagno di tensione di questo stadio, è impiegata la configurazione bootstap, qui comprendente anche lo stadio d’uscita (T2,6)

Le resistenze R1,2,3,5,6, fissano in maniera solida il punto di lavoro statico del JFet, assicurando così che lavori sempre (al variare della temperatura e delle dispersioni costruttive del componente) in un punto di elevata linearità.

Lo stadio d’uscita, anch’esso a guadagno unitario, ha i compiti di:

• (completare) l’isolamento del carico dal generatore
• pilotare adeguatamente e con bassa distorsione il carico

La banda passante viene definita da una retroazione multipla globale abbinata ad alcuni filtraggi locali, descritta nel seguito:

L1,R8 formano una rete passa basso, (taglio -3dB a circa 50kHz) utile a limitare l’ampiezza dei segnali delle broadcasting in onde medie e lunghe all’ingresso del primo stadio

C5, R9 (considerata la resistenza d’ingresso della scheda di acquisizione) formano un ulteriore filtro passa alto, utile ancora una volta a limitare il sovraccarico da frequenza di rete e relative prime armoniche.

Una piccola chiosa sullo stadio d’uscita costituito da T2 e T6 che ad alcuni potrebbe apparire “inusuale”. La particolare configurazione impiegata è detta “Sziklai”. Si tratta di una configurazione simile, e forse in un certo senso duale, a quella Darlington e per questo spesso, viene anche chiamata’Complementary Darlington’ o “compoud transistor’ (presso gli anglofoni). Deve il suo nome al grande inventore George C. Sziklai che coi suoi oltre 200 brevetti è divenuto noto anche per essere fra i pionieri della ripresa televisiva a colori. I principali vantaggi qui sfruttati di questa particolare configurazione, sono l’elevata stabilità termica e la minima distorsione. Per chi volesse approfondire il tema specifico, nella bibliografia a fine articolo vi sono alcuni piacevoli riferimenti specifici.

Vale la pena evidenziare come questa antenna, a differenza di altre soluzioni, sia pensata per alimentare un carico di almeno 10kOhm, cioè una scheda audio e non un ricevitore che tipicamente ha invece 50Ohm di impedenza d’ingresso. Ocorre anche ricordare come a queste frequenze, anche il miglior coassiale che colleghi l’antenna alla sound blaster/ricevitore sarebbe un mero carico capacitivo (50-100pF/m tipico) e non certo una linea ad impedenza costante. Pertanto il circuito è tollerante e non varia significativamente la sua risposta anche alimentando carichi con componente fortemente capacitiva, fino a qualche nF.

Per dimostrare la “solidità” del circuito alle dispersioni dei componenti è possibile eseguire una analisi MonteCarlo, che simula di fatto la realizzazione di un elevato numero di circuiti, ognuno con un set di componenti “presi a caso dal cassetto”.

Ecco il risultato:

Illustrazione 4: Analisi Monte Carlo del circuito con dispersione tipica o commerciale dei componenti

Nella banda di frequenza utile del circuito, la differenza di prestazioni rimane ben all’nterno di 1 dB, mentre alle frequenza fuori banda, la dispersione della risposta rimane contenuta in 3dB.

Illustrazione 5: Esempio di ricezione VLF con l’Audio antenna collegata direttamente alla sound blaster e Winrad. Notare purtroppo la quantità di disturbi di origine antropica

Misure

Le misure al banco confermano quanto previsto in simulazione.

L’occasione per un buon test è stata l’attivazione di SAQ il 24 dicembre 2012. L’antenna, posta a solo 3m da terra, ha reso disponibile un ottimo segnale, gestendo egregiamente le forti componenti fuori banda e mostrando una ottima dinamica per quelle interne.

Conclusioni

Lo studio delle VLF e dei suoi spettacolari segnali hanno molto in comune con lo spirito progressita ed indagatore dei radioamatori. Questo dispositivo, abbinato ad una comune scheda audio di buona qualità permette di affacciarsi con semplicità ed in economia a questo meraviglioso mondo.

Ringraziamenti

Un grande ringraziamento va ovviamente all’amico Renato IK1QFK per tutta la cultura che mi ha trasmesso in materia in questi anni e ai “compagni di avventura” Marco IZ5IOW, Andrea IZ5TLU nonchè Franco IW3SQT per la meravigliosa collaborazione nel codesign di questo progetto.

Bibliografia
Pierluigi Poggi, Antenne Attive, Sandit 2011

www.scribd.com/doc/3888087/78/Configurazione-Sziklai

sound.westhost.com/articles/cmpd-vs-darl.htm

en.wikipedia.org/wiki/George_Clifford_Sziklai

www.vlf.it