L’antenna invisibile..

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Questo progetto nasce dal desiderio di offrire ai lettori un’antenna attiva per incentivare il radio ascolto delle bande HF e “più sotto”… Avendo già fatto un po’ di esperienza in passato, ho deciso di provare a progettare un nuovo prodotto, come sempre semplice da replicare, affidabile e con una certa “personalità”.

La struttura

Per mantenere compatte le dimensioni ho deciso di sviluppare un sensore di campo elettrico, noto come “short monopole”.

Queste antenne appartengono alla famiglia di quelle attive sensibili alla componente elettrica del campo elettromagnetico e le stilo sono probabilmente la versione più nota e largamente riprodotta.

Queste antenne fanno uso dell’effetto capacitivo fra due conduttori isolati per “estrarre” il segnale dal campo in arrivo.

Per comprenderne con un poco di rigore il comportamento, immaginiamo la situazione di seguito illustrata:

la tensione V_E che si genera ai capi del condensatore (e a circuito aperto!) in presenza di un campo elettrico variabile come in figura vale:

1: Schematizzazione di funzionamento di un sensore di campo elettrico

Questo primo risultato evidenzia come il segnale prelevabile (la sensibilità in altre parole) cresce con l’aumentare della spaziatura fra i conduttori, di cui uno, ricordiamo, nel caso reale delle nostre antenne è la terra, mentre l’altro è lo stilo. In altre parole, la sensibilità dell’antenna migliora, quanto più in alto (cioè aumentando “d”) è posizionata.

Purtroppo fra questo fenomeno di conversione del campo in tensione e il nostro ricevitore si pone la capacità del “captatore” come mostrato nello schema (illustrazione 2), che rappresenta il circuito equivalente normalmente impiegato per modellare queste antenne:

dove, VE è il generatore di tensione di valore e il condensatore, la capacità fra stilo (o generico elemento captante) e terra.

Illustrazione 2: Modello del captatore di campo E

Vale la pena evidenziare come in questa contestualizzazione del modello generale, la grandezza “d” rappresenti l’altezza efficace dell’antenna.

 Illustrazione 3: Modello equivalente antenna più front end

Una volta collegata l’antenna a un amplificatore, la situazione diventa quella riportata nell’illustrazione 3, in cui la funzione di trasferimento (rapporto uscita su ingresso) vale:

E’ quindi una rete con un polo in  ed uno zero nell’origine. Questa breve analisi matematica del circuito e il desiderio di ottenere la massima sensibilità dal sistema ci porta alle seguenti considerazioni di progetto:

• il rapporto fra le due capacità regola la “sensibilità massima” del sistema
• la capacità d’ingresso dell’amplificatore deve essere trascurabile rispetto a quella dell’antenna, così come la resistenza d’ingresso dell’amplificatore
• più la costante di tempo è alta, maggiore sarà l’estensione della risposta alle basse frequenze

Il tutto può essere riassunto graficamente come segue:

4: Azione dei valori circuitali sulla risposta del sistema

 Lo schema

Lo schema elettrico proposto è il seguente:

Illustrazione 5: Schema proposto dell’antenna

Lista componenti:

La parte attiva dell’antenna è divisa di fatto in due sezioni:

• ingresso ad alta impedenza
• driver di linea

Il dispositivo di ingresso è un JFET, selezionato per avere una bassa capacità d’ingresso, impiegato in configurazione source follower. Se in teoria già questo basterebbe a decretare il successo del progetto, vi sono elementi pratici da considerare, primo fra tutti il bisogno di polarizzare il dispositivo e stabilizzarne il punto di lavoro, dato che sarà chiamato ad operare verosimilmente a temperature comprese fra -20°C e 60°C.

Una soluzione semplice che risponde a tutte le necessità è l’impiego di una configurazione bootstrap, dove un poco di retroazione viene impiegata per mantenere alta l’impedenza d’ingresso alle frequenze radio, ma permette l’impiego di valori di resistenza medio-bassi per il controllo della polarizzazione di gate (e relativa via di chiusura della sua corrente). Per funzionare al meglio, questa configurazione necessita che il guadagno in tensione dell’inseguitore sia quanto più prossimo all’unità, fatto controllato dalla resistenza di source. Valori alti, però, obbligano ad elevate tensioni di alimentazione. La soluzione in questo caso è l’impiego del BFQ19S come carico dinamico di source. Alle frequenze radio si presenta come un carico di elevato valore (impedenza d’uscita su collettore di un emettitore comune) mentre per la componente continua, opera in guisa di generatore di corrente costante, stabilizzata in temperatura dal diodo D1.

Il transistor d’uscita, un BFG135, è polarizzato in maniera rigida dallo stadio precedente e dal suo carico di emettitore. La corrente di riposo è di circa 60mA per garantire un’elevata linearità dello stadio.

La realizzazione pratica

Il primo prototipo ha trovato luogo su una banale basetta millefori, con il captatore realizzato con un ritaglio di lamierino di ottone (carta di Spagna) di 30x40mm di dimensioni. A dispetto della costruzione “da dopo cena”, l’antenna è perfettamente funzionante. Per chi volesse replicarla, consiglio lo sviluppo di un semplice circuito stampato singola faccia avendo cura di:

• R1, R10 così come T1 dissipano una certa potenza: prevedere quindi un “po’ di rame” sulle piste per raffreddarli
• posizionare C4 e C5 molto vicini ai collettori dei rispettivi dispositivi (ed anche il lato di massa deve essere breve, ovviamente) per ben filtrare il segnale RF ed impedire sgraditi fenomeni di auto oscillazione.

6: Primo prototipo perfettamente funzionante dell’antenna proposta

I test

I test di laboratorio riguardo le prestazioni “radio” hanno sostanzialmente confermato quando definito in fase di progetto e verificato in simulazione. Dato però che l’antenna è pensata per funzionare a lungo, magari in cima ad un palo al sole, ho eseguito anche alcune verifiche della sua affidabilità.

7: Andamento corrente alimentazione al variare della temperatura

Posto uno dei prototipi in un fornetto a temperatura controllata, è stato lasciato funzionare per una serie di intervalli di 24 ore, ognuno dei quali caratterizzati da temperatura crescente a passi di 20°C, fino ad un massimo di 80°C.

Come parametro sintetico della stabilità del circuito e quindi della capacità di sopportare in maniera affidabile temperature elevate ho scelto la corrente assorbita, ottenendo l’andamento a fianco riportato.

A qualunque temperatura il circuito rimane stabile e non vi sono effetti di deriva. La corrente di riposo da 20 a 80°C cambia di circa il 2% e questo è un ottimo risultato che garantisce anche stabilità di prestazioni dinamiche. E’ stato eseguito con successo anche un test a 90° di un’ora, a simulare un “colpo di calore” (heat soak test).

Il fatto che le correnti rimangano ben stabili al variare della temperatura non significa che la temperatura non abbia effetto sulla vita dei componenti. La fisica non si cambia e a maggiore temperatura di lavoro corrisponderà una vita più breve. In particolare i condensatori elettrolitici da 85°C potrebbero essere i primi ad andare in guasto. Quello che si può invece con certezza affermare è che la failure non si verificherà in modo repentino per effetto valanga di qualche componente.

8: Uno dei prototipi durante i test in camera climatica a 90°C massimi

Un interessante confronto

Non tarderà molto il lettore a domandarsi come questa antenna funzioni rispetto ad una delle consimili più note e diffuse quali la “mini whip” di PA0RDT.

Confronti sul campo sono sempre difficili da realizzare con rigore scientifico. Quello che si può invece fare è una valutazione in simulazione, ponendo le due antenne “in parallelo” a ricevere lo stesso segnale.

Vediamo il risultato:

 9: Comparazione curve di risposta “Mini whip” Vs “Antenna invisibile”

Il fascio di curve più elevate è quello dell’antenna qui presentata. Come si giustificano però la maggiore sensibilità (a pari altezza efficace!) e l’estensione alle basse frequenze?

Queste prestazioni discendono da:

• captatore con maggiore capacità (è un poco più grande)
• impedenza d’ingresso più elevata
• capacità d’ingresso ridotta

Ecco spiegato in poche parole la differenza di comportamento. Con questa antenna è possibile tentare ascolti anche in VLF, quali ad esempio le trasmissioni di SAQ e le stazioni di radionavigazione Alpha russe.

Per chi vuole di più

Per chi trovasse conveniente alimentare l’antenna attraverso il cavo coassiale, è possibile farlo tramite il seguente circuito.

Il circuito proposto non solo permette l’alimentazione per tramite della linea di segnale, ma offre anche le seguenti funzioni:

10: Bias-Tee per alimentare l’antenna attraverso il coassiale

• protezione contro le inversioni di polarità dell’alimentazione (diodo 1N4004 o equivalente)
• protezione da sovraccarichi e corto circuiti, per tramite del fusibile ripristinabile della Bourns, modello MF-R05 che interviene quanto la corrente supera circa i 250mA.
• Isolamento galvanico dell’antenna dal ricevitore per mezzo del trasformatore della Minicircuits modello T1-6-KK-81. Questo dispositivo è di grande valore: è specificato per una banda molto larga (15kHz ~ 300MHz!), ha basse perdite d’inserzione e gestisce linearmente forti segnali. Non ultimo: è venduto ad un prezzo modico!

Ovvio, che per impiegare questa configurazione occorra modificare anche la parte di alimentazione sull’antenna, in modo molto ovvio, come suggerito dalla figura qui a fianco.

Illustrazione 11: Modifica per alimentare l’antenna tramite il cavo coassiale

Conclusioni

L’antenna presentata si è dimostrata di semplice ed affidabile replicabilità. Il suo costo è contenuto e ha le carte in regola per offrire lunghi anni di onorato servizio.

Come tutte quelle della sua famiglia, è purtroppo particolarmente sensibile all’inquinamento elettromagnetico di natura antropica e quindi va posizionata per quanto possibile in alto, in spazi liberi.

Buoni radioascolti a tutti!

73, Pierluigi

Appendice

In questo capitolo riporto alcune informazioni utili all’impiego dei componenti.

Piedinature
MM BFJ310
BFQ19S
BFG135

12: Return loss e perdita d’inserzione del trasformatore Minicircuits

13: Piedinatura e dimensioni del trasformatore. Fonte: datasheet Minicircuits

14: Caratteristiche del fusibile ripristinabile. Fonte: sito Bourns

Bibliografia

Pierluigi Poggi (2011), Antenne Attive, Sandit

ARRL (1988). The ARRL Antenna Book. Newington, CT.: American Radio Relay League.

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Carr, Joseph J. (1994). “Small Loop Antennas for MW, AM BCB, LF and VLF Reception – Part 2.” Elektor Electronics (UK), July/August 1994, pp. 104 – 109.

Carr, Joseph J. (1994). Joe Carr’s Receiving Antenna Handbook.

Kraus, John D. (1950). Antennas. New York: McGraw-Hill Book Co.

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Reprint A-1 (repeat number, different paper).

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KRAUS, J.D.: ‘Antennas’ 2nd Ed. (McGraw-Hill Book Company) 0-07-100482-3, p. 251 (Section 6-8)

John David Jackson, Classical Electrodynamics, 3rd edition (Wiley: New York, 1998)

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www.minicircuits.com

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www.infineon.com

www.farchildsemi.com