Antena ferrytowa

 

 

Opisana wcześniej antena magnetyczna okazała się mało mobilna (24 kg wagi). Postanowiłem więc zbudować coś, co można załadować na rower lub do plecaka i wybrać się bez większych problemów na nasłuch w głąb Puszczy.

 

 

BUDOWA ANTENY

 

Jakiś czas temu Jacek SQ5BPF polecił mi dobre na niskie częstotliwości rdzenie ferrytowe od impederów, dostępne w wymiarze 200/12 mm w firmie Contrans TI (zmierzone AL takiego rdzenia wynosi 206). Postanowiłem zastosować je w mojej nowej antenie.

 

 

Skuteczność anteny magnetycznej mocno zależy od jej kształtu - im bardziej smukła, tym lepiej. Jednocześnie aby najbardziej ekonomicznie wykorzystać nawinięty drut, wysokość uzwojenia powinna mniej więcej odpowiadać średnicy rdzenia. Zdecydowałem więc, że odpowiednim wymiarem anteny będzie długość 1 metr i średnica zewnętrzna 5 cm (wraz z ekranem). Dodatkowo taka antena będzie mogła być swobodnie przewożona na rowerze.

 

Karkas cewki tworzy rurka z tworzywa sztucznego o wymiarze zewnętrznym 16 mm, nabyta w sklepie modelarskim Modele MAX. Niestety, wymiar wewnętrzny rurki to jakieś 11,9 mm. Konieczne więc było ostrożne rozwiercenie rurki rozwiertakiem do wymiaru, pozwalającego na w miarę luźne wsunięcie rdzeni ferrytowych.

Chęć uzyskania niskiej pojemności własnej anteny wymusza zastosowanie sekcyjnego nawijania uzwojenia. Zastosowałem osiem sekcji (przekładki wytoczył mi z tekstolitu znajomy tokarz). Gotowy to nawijania karkas można zobaczyć na poniższych zdjęciach.

 

 

 

Zdobyty drut nawojowy w emalii o średnicy 0,25 mm pozwolił na nawinięcie dosyć dużej ilości zwojów na tak małej dostępnej powierzchni karkasu. Oczywiście, uzwojenie dla uzyskania jak najmniejszej pojemności własnej, zostało nawiniętę ze znacznym skokiem (podobnie jak uzwojenie koszykowe). Ten sposób nawijania, gdzie poszczególne zwoje nie leżą ściśle obok siebie lecz przecinają się pod pewnym kątem, pozwala na znaczące zmniejszenie pojemności międzyzwojowej.

Perspektywa nawijania kilkudziesięciu tysięcy zwojów, zmusiła mnie do budowy prowizorycznej nawijarki. Jako napęd wykorzystałem starą wkrętarkę, zasilaną ze stabilizowanego zasilacza warsztatowego (opcja stabilizacji prądu zapewnia łagodny start). Do wkrętarki przyczepiłem elektryczny licznik w celu precyzyjnego odmierzenia ilości zwojów (postanowiłem, że antena będzie miała odczep dokładnie w środku uzwojenia, dla ewentualnego symetrycznego pobierania sygnału). Kolega Andrzej SQ9MUP poratował mnie wyłącznikiem nożnym do wkrętarki, co uwolniło ręce od sterowania napędem i mogłem się skupić jedynie na właściwym prowadzeniu drutu.

 

 

Proces nawijania trwał trzy dni. Okazało się, że jedna sekcja może pomieścić 12.500 zwojów, czyli cała antena ma ich dokładnie 100 tysięcy. Co tysiąc zwojów nakładałem warstwę lakieru elektroizolacyjnego, który po zastygnięciu stworzył jednolitą masę miedzi, z minimalnym ugięciem całej cewki na długości jednego metra. Jest to również znakomite zabezpieczenie przeciw-wilgociowe uzwojenia.

 

 

Jako ekran oraz jednocześnie nośnik mechaniczny anteny, zastosowałem rurę aluminiową o długości 105 cm, średnicy zewnętrznej 5 cm i grubości ścianki 3 mm. Rura, aby nie tworzyła zwartego zwoju osłabiającego odbiór sygnałów, została przecięta wzdłużnie za pomocą sprężonej wody. Karkas z uzwojenem wchodzi dosyć ciasno do środka rury, co zapobiega jego wypadnięciu. W przyszłości należałoby wytoczyć dekle z grubego tekstolitu zamykające rurę oraz uszczelnić odpowiednim środkiem szczelinę wzdłuż rury.

 

 

POMIARY

 

Podobnymi metodami jak w przypadku poprzednej anteny magnetycznej, zmierzyłem parametry anteny ferrytowej. Oto one:

 

Rezystancja: 2.840 ohm

Indukcyjność: 706 H (wraz z rdzeniem)

Pojemność własna: 256 pF (uwzględniając ekran z rury aluminiowej)

Rezonans własny: 360 Hz

Powierzchnia: ok. 4.000 m2 (wraz z rdzeniem)

Wpływ rdzenia na wzmocnienie sygnału odbieranego: 71x (+37 dB)

Szum własny anteny: 6,78 nV przy paśmie 1 Hz

Czułość: 196 nV/pT przy 7,8 Hz (sygnał Rezonansu Schummana powinien być na poziomie około 588 nV)

Waga: 6 kg

 

Jak widać, uzyskana powierzchnia anteny jest dwa razy większa od anteny z rdzeniem z blach magnetycznych, co wygląda bardzo obiecująco. Wynika to z faktu, że pomimo małej powierchni jednego zwoju, rdzeń ferrytowy wzmacnia sygnał średnio aż 71 razy (blachy magnetyczne jedynie 8,5 raza). Oczywiście, również ilość zwojów jest większa (4 razy).

Mniejsza średnica drutu spowodowała powiększenie oporności uzwojenia, a co za tym idzie szumu własnego anteny. Jednak wartość 6,78 nV wydaje się być jeszcze akceptowalna w przypadku zastosowania anteny do rejestracji rezonansu Schumanna oraz nasłuchów stacji ZEVS.

Sposób nawinięcia uzwojenia pozwolił na osiągnięcie stosunkowo małej pojemności własnej cewki (256 pF), co pozwoli na pracę anteny aż do częstotliwości powyżej 300 Hz. Poniżej widać charakterystykę czułości anteny, zdjętą w układzie jak dla poprzedniej anteny magnetycznej:

 

 

Wykres niebieski pokazuje antenę obciążoną jedynie wtórnikiem emiterowym (z powodu bardzo dużej impedancji anteny). Jak widać, potwierdza się rezonans własny anteny w okolicach 360 Hz. Wykres czerwony to antena podłączona w tradycyjnie używanym przeze mnie układzie wzmacniacza prądowego (tzw. obciążenie anteny małą rezystancją). Zaletą takiego układu jest bezpośrednia linearyzacja sygnału z anteny (pomijam błąd pomiaru w zakresie poniżej 10 Hz) oraz znaczne zwiększenie zakresu liniowej pracy (aż do około 1 kHz, przy tylko 300 Hz w układzie napięciowym).

 

 

WZMACNIACZ

 

Tymczasowo do testów, wzmacniacz jest zmontowany na płytce uniwersalnej bez ekranowania. Z powodu chęci porównania ze sobą dwóch anten, poszczególne stopnie posiadają identyczne wzmocnienie jak przy antenie magnetycznej z rdeniem z blach.

 

 

 

PIERWSZE NASŁUCHY

 

W dniu 06.08.2014 r. (niedziela) wykonałem pierwszy test anteny w stałym miejscu nasłuchów w Puszczy Niepołomickiej. Rejestarcję rozpocząłem około godziny 6.00 rano, zapis trwał ponad 5 godzin. Zestaw sprzętowy składał się z:

- anteny ferrytowej 

- wzmacniacza w układzie prądowym z driverem linii symetrycznej

- 30 m skrętki ekranowanej

- transformatora separującego

- karty dzwiękowej SB0490

- komputera ASUS PC901

- akumulatora 12V/7Ah

 

 

Zarejestrowany sygnał potwierdził dobrą skuteczność anteny i celowość projektu. Szacuję, że odebrany podstawowy sygnał Rezonansu Szumanna jest około 3 dB silniejszy od zestawu z poprzednią anteną magnetyczną (co by potwierdzało dwukrotne zwiększenie powierzchni anteny). Zapis jest mocno zakłócony przez ogniska burzowe, jakie wystąpiły tego poranka na terenie Europy.

 

 

Antena zarejetrowała również pracę nadajnika ZEVS na 82 Hz, którego sygnał jest wyraźnie słabszy niż zwykle (ale jak widać, jest nadawany prawie bez przerwy). Wcześniej sądziłem, że nadajnik został wyłączony, ponieważ moja antena elektryczna zlokalizowana niedaleko domu, przestała odbierać jego sygnał.

 

 

CEWKA POMIAROWA

 

Podczas tegorocznej konferencji Pracowni Rezonansu Schumanna (zdjęcia) miałem okazję przedstawić nową antenę ferrytową. Ku mojej radości, konstrukcja spotkała się z uznaniem obecnego grona naukowców. Pan Andrzej Kułak zasugerował, aby zbudować układ pomiarowy pozwalający na kalibrację anteny oraz całego odbiornika VLF. Właściwym rozwiązaniem byłby "nieskończenie długi solenoid", w którego centrum panuje jednorodne pole magnetyczne, w prosty sposób zależne od przepływającego prądu. Przy mojej antenie o długości 1 metra, "nieskończenie długi solenoid" powinien mieć wymiar conajmniej 5 metrów i średnicę pozwalającą na wsunięcie anteny do środka cewki. Perspektywa możliwości skalibrowania anteny wywołała moje natychmiastowe działanie :-)

 

cdn