Dal coassiale alla fibra ottica: considerazioni d’impiego su antenne attive bilanciate

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Questo articolo vuole essere un naturale seguito di quello relativo all’antenna bilanciata per VLF, questa volta indagando non più l’antenna di per sé, ma il suo “rapporto col mondo circostante”.
Riprendiamo per un attimo il “filo del discorso”, cioè i motivi che ci avevano portato a sviluppare un’antenna attiva per VLF e ELF di tipo bilanciato.
I sensori di campo elettrico “classici” (tipo “l’audio antenna” pubblicata su queste pagine in aprile 2013) sono in genere caratterizzati da:

• sensibilità proporzionale all’altezza equivalente da terra
• ricezione solo in polarizzazione verticale
• banda utile “limitata” in basso, anche a causa dell’elevata “microfonicità”

Queste caratteristiche complicano l’attività di chi vuole andare “oltre l’ascolto”, ma fare vero studio dei segnali.
Le antenne bilanciate, come abbiamo già visto, hanno per loro costruzione la capacità teorica di superare questi limiti, almeno in buona parte. Occorre però installarle e collegarle correttamente per non vanificarne tutti i pregi.
Per arrivare al caso generale, prenderemo spunto da una serie di esperienze fatte sull’antenna a doppia polarizzazione, qui presentata nel mese di XYX2014.
Dalle prime registrazioni effettuate sul campo, comparando le due polarizzazioni, non risultavano differenze rilevanti. Ecco nascere quindi il dubbio: starò veramente ricevendo in differenziale? Un’importante conferma arrivò da uno scambio di pareri con l’amico ed esperto Renato, IK1QFK, che mi confermò, dati alla mano, come i campi (elettrici o magnetici) orizzontali e verticali fossero sensibilmente differenti, come ad esempio illustrato negli spettrogrammi seguenti.

Illustrazione 1: Campo magnetico da 0 a 24kHz, a sinistra polarizzazione orizzontale, a destra verticale

Nelle prime uscite con la mia antenna non ricevevo invece segnali significativamente differenti fra le polarizzazioni, così come gli stessi cambiavano con l’altezza da terra della struttura ricevente. Era chiaro: a dispetto dell’antenna, la ricezione non avveniva in differenziale!
Di chi sarà mai la responsabilità?
Come in tutti i differenziali, il “colpevole” in questi casi, è il CMRR insufficiente!
Prima di inoltrarci oltre nell’analisi specifica, permettetemi una piccola chiosa su questo parametro.
Il rapporto di reiezione di modo comune o CMRR (acronimo dall’ inglese: Common-Mode Rejection Ratio) indica la tendenza di un amplificatore differenziale a rigettare i segnali comuni a entrambi gli ingressi. Un alto CMRR è importante nelle applicazioni in cui il segnale di interesse è rappresentato da una piccola fluttuazione della tensione sovrapposta ad un offset di tensione (potenzialmente elevato), o quando l’informazione rilevante è contenuta nella differenza di potenziale tra due segnali.
Per calcolare il CMRR, occorre prima definire due guadagni come segue:

Ad guadagno differenziale, cioè proporzionalità fra segnale in uscita e differenza degli ingressi

Acm guadagno di modo comune, cioè proporzionalità fra segnale in uscita e livello comune degli ingressi

dove Vo è la tensione di uscita dall’amplificatore, V+ e V- le due tensioni di ingresso e Vs la tensione d’ingresso applicata in pari misura ad entrambi gli ingressi.
Il CMRR, che si misura in decibel positivi, è ora definito dalla seguente equazione:

Vediamo ora con l’aiuto di un’illustrazione, di schematizzare una situazione tipica di ricezione:

Illustrazione 2: Schematizzazione sistema ricevente sul campo
L’antenna è pensata a 4m dal suolo, i captatori sovrapposti verticalmente, sono spaziati 100mm e il ricevitore è alimentato da una calata in cavo coassiale.
Facendo un poco di conti il rapporto fra campo differenziale (voluto) e quello di modo comune (indesiderato) risulta:

Quindi, con questa geometria, se vogliamo che i segnali di modo comune non appaiano evidenti nella ricezione differenziale, occorrono 32 “extra dB” di CMRR, da sommare all’isolamento voluto fra i modi (almeno 30-40dB).
Quando si tenti la ricezione in polarizzazione orizzontale, occorre anche tenere presente come i segnali siano in genere più bassi rispetto alla componente verticale e quindi la “necessità” di CMRR aumenti anche significativamente.
Da queste prime considerazioni, possiamo affermare che un CMRR di 80dB è un requisito ragionevole per tutte le situazioni.
Da questo punto di vista, le prestazioni del componente impiegato (INA155) ci danno ampie garanzie. Purtroppo però, come vedremo nel seguito, i valori dei datasheet sono dei “best case” e ogni componente esterno all’amplificatore finisce per degradare le prestazioni complessive.
Continuando nell’analisi, i primi elementi ad essere messi “sotto accusa” in questi casi sono la linea di alimentazione e la connessione diretta fra antenna e ricevitore. Purtroppo, la loro responsabilità è limitata (ma non trascurabile!) e anche alimentando l’antenna con una batteria a bordo e isolando galvanicamente col solito trasformatore il ricevitore, le cose non migliorano radicalmente come desiderato.
Rimaneva il cavo coassiale di per sé da indagare. Ma che ruolo ha il cavo? La sua “colpa” è di collegare antenna a ricevitore o c’è “dell’altro”?
Sezioniamo il problema e cerchiamo di capire…
Ridisegniamo anzitutto lo schema elettrico, inserendo gli elementi captatori con le loro capacità mutua (C11 e C12) e verso terra (C9 e C10) e i parametri parassiti della struttura, in particolare la capacità verso terra, sintetizzata in C8.

Illustrazione 3: Schema elettrico dell’antenna con in evidenza le capacità verso terra
La simulazione (analisi di modo comune e differenziale) per tre valori di capacità verso il terreno (1pF, 10pF, 100pF) ci presenta il seguente risultato:

Illustrazione 4: Risposta di modo comune dell’antenna al variare (1-10-100pF) della capacità verso terra.
Nel riquadro la risposta in frequenza in modo differenziale.
dove si evidenza come basti ben poca capacità verso il terreno per degradare il CMRR anche di decine di dB! (a 10kHz ad esempio sono 20dB da 1 a 100pF, 32dB a 2kHz!). Se 100 pF possono apparire tanti come capacità parassita, può valere la pena rilevare come i soli 10m di RG58 che usavo come discesa dall’antenna alla scheda audio avessero circa 120oF di capacità verso il terreno!
Come mai questo comportamento? Aiutiamoci al solito con una schematizzazione e qualche formula.

Illustrazione 5: Schematizzazione del sistema ricevente ai fini della sensibilità ai segnali di modo comune

Dove:
Cp_eq: capacità verso terra equivalente dell’antenna e di quanto ad essa collegato
Cag: capacità dei captatori verso terra
Zin: impedenza d’ingresso amplificatore
La capacità verso terra dei captatori e dell’antenna (e dispositivi connessi) sono in serie al campo di modo comune!
Proviamo a descrivere la situazione con l’aiuto di alcune equazioni, mettendo in evidenza i termini “circuitali”. Per semplicità di scrittura, definiamo il valore Cs come la capacità equivalente alla serie di Cp_eq e Cag.
Il segnale di modo comune (indesiderato) all’uscita dell’amplificatore sarà:

Segnale differenziale (voluto)

La situazione ottimale si verifica cercando il massimo della seguente funzione:

Dove:
Zin: impedenza d’ingresso dell’amplificatore differenziale
d: spaziatura dei captatori
h: altezza da terra dei captatori
CMRRINA155: quello dell’amplificatore di per sé
Purtroppo, anche senza sviluppare ulteriori complessi calcoli, si nota come “la coperta sia corta” e ottimizzazioni di una variabile siano in conflitto con quelle di altre.
E’ opportuno osservare i due rapporti seguenti:

in quanto la spaziatura dei captatori è sempre molto più piccola dell’altezza equivalente

il che equivale a riconoscere come le componenti “meccaniche” o geometrie costruttive dell’antenna, vadano tutte nella direzione di ridurre il CMRR reale del sistema.
Questo ora noto, si può comunque cercare soluzioni adeguate a minimizzare questi effetti negativi. Se per geometria dell’antenna e posizione di installazione, le azioni possono essere abbastanza intuitive e limitate solo dalla propria fantasia e capacità costruttiva, interessante è vedere una soluzione ottimale per minimizzare la capacità verso terra della struttura, rimuovendo il cavo coassiale che porta il segnale al ricevitore.
Un grandissimo aiuto viene dal mondo dell’audio, che mette ora a disposizione a costi molto contenuti dei convertitori analogico-digitali con uscita SPDIF, cioè digitale ottica.
Un esempio è visibile nell’immagine a fianco.

Illustrazione 6: Convertitore A/D audio con uscita digitale ottica

La nuova struttura ricevente diventa quindi composta da:

• antenna
• convertitore A/D con uscita ottica
• calata in fibra ottica
• scheda audio con ingresso ottico
• PC

Per verificare il corretto funzionamento è possibile eseguire le seguenti prove:
1. antenna in polarizzazione verticale, amplificatore in configurazione standard
2. antenna in polarizzazione verticale, amplificatore con i due ingressi collegati assieme allo stesso captatore
3. antenna in polarizzazione orizzontale, amplificatore in configurazione standard
Così facendo si configura il sistema in modo da mostrarci la sua risposta in modo differenziale e modo comune.
Il risultato ottenuto dai tre test, registrato in sequenza in un’unica schermata è il seguente:

Illustrazione 7: Spettrogrammi dei tre test di verifica in sequenza
Finalmente l’antenna o meglio, il sistema ricevente, funziona realmente in differenziale!
Comparando ora polarizzazione verticale ed orizzontale si ottiene un’immagine dello spettro ricevuto significativamente differente, come sotto riportato:

Illustrazione 8: Ricezione in polarizzazione verticale (a sinistra) e orizzontale (a destra)
Considerazioni finali e conclusioni
Le strutture differenziali offrono un “elevato potenziale di soddisfazione” per gli sperimentatori, come dimostrato dai tanti test e verifiche effettuati. Però, per funzionare veramente da differenziali (e quindi dare i vantaggi attesi), devono essere “full floating”, cioè “pochissimo accoppiate” con il piano di riferimento, generalmente il terreno.
Un modo di garantirci questo risultato, è rimuovere tutte le connessioni elettriche e meccaniche conduttive (sostegni, cavi di alimentazione e cavi di segnale).
La struttura “ideale” sarà quindi caratterizzata da:
supporto antenna isolante
alimentazione autonoma dell’antenna (pannello solare più batteria ad esempio)
trasmissione del segnale digitalizzato su fibra ottica
In particolare questa soluzione offre anche importanti vantaggi in termini di immunità ai disturbi dato che praticamente nessun campo elettrico o magnetico si accoppia al segnale dentro la fibra.
Tutto questo studio ha posto in evidenza come l’impiego di antenne “corte” (o più correttamente, sensori di campo elettrico) non possa prescindere da una valutazione accurata dell’installazione e degli elementi di connessione e supporto.
Per concludere un ringraziamento a Renato IK1QFK per lo spirito critico che mi ha spinto a questo studio ed il suo competente supporto di esperienza.

Vy 73, Pierluigi