Antena magnetyczna

ZAŁOŻENIA

Po próbach na "wysokich" częstotliwościach VLF przyszedł czas na pasmo poniżej 100 Hz.

Moim celem stał się odbiór rezonansu Schumanna oraz pięciokrotnie słabszych sygnałów ZEVS na 82 Hz (jak później się okazało, ZEVS na południu Polski ma sygał większy niż pierwsza częstotliwość rezonansu Schumanna 7,8 Hz).

Wydaje się, że wykonanie czułej anteny magnetycznej oraz odpowiedniego wmacniacza pozwoli na realizację tego celu.

BUDOWA ANTENY

Rdzeń na antenę magnetyczną wraz z rurą został zdobyty na złomie przez Andrzeja SQ9MUP. Prawdopodobnie pochodzi z jakiegoś elektromagnesu.

Drut DNE 0,4 mm w ilości ok. 22 kG kupiłem przypadkowo za niewielkie pieniądze. 

Na wymiar rury zostały wytoczone krążki z bliżej nieokreślonego tworzywa, które zalegało w moim garażu. 

Krążki weszły mocno na wcisk i dodatkowo zostały wzmocnione klejem Epidian. Odległości pomiędy nimi, a zarazem szerokości sekcji to 3 cm. Antena ma osiem sekcji.

Do nawijania zbudowałem prostą konstrukcję ręcznej nawijarki, przymocowaną do stołu.

Wybór sekcyjnej konstrukcji cewki był podyktowany chęcią uzyskania jak najmniejszej pojemności własnej uzwojenia, co chyba w efekcie końcowym udało się zrealizować.

Pomógł tu również sposób nawijania drutu, podobny do koszykowego. Poszczególne zwoje mijają się pod pewnym kątem, co minimalizuje pojemność pomiędzy nimi.

Konstrukcja na łożyskach podtrzymująca szpulę z drutem została przygotowana przez Patryka SQ9OZG. Wbrew pozorom utrzymanie rozpędzonej szpuli ważącej 24 kg nie jest prostą sprawą.

Każda sekcja zawiera 3.000 zwojów, całość cewki to 24.000 zwojów.

Ręczne nawijanie sekcji trwa około godziny. Niestety, więcej niż jednej sekcji w jeden wieczór nie dało się nawinąć (to dość męcząca praca).

Uzwojenie zostało pomalowane czterokrotnie lakierem elektroizolacyjnym, który stworzył powłokę ochronną przed wilgocią i uszkodzeniami mechanicznymi.

Waga całej anteny to 24,2 kg, z czego dokładnie połowa to rdzeń. Szacuję, że samego drutu DNE 0,4 mm weszło około 11 kg.

Prawdopodobna długość uzwojenia to około 8.700 m a powierzchnia anteny to około 256 m2 (ilość zwojów razy powierzchnia zwoju).

Uzwojenie ma oporność 1.243 omów.

POMIAR INDUKCYJNOŚCI I POJEMNOŚCI WŁASNEJ UZWOJENIA

Korzystając z opisu anteny magnetycznej zamieszczonym tutaj zbudowałem prosty układ do wyznaczenia indukcyjności i pojemności własnej cewki.

Pomiar indukcyjności polega na podaniu napięcia sinusoidalnego Uo o częstotliwości wielokrotnie mniejszej niż częstotliwość własna cewki (pomijamy wtedy reaktację pojemnościową uzwojenia).

Podałem napięcie 4 V o częstotliwość 2 Hz. Jako rezystor pomiarowy Rs zastosowałem opornik 10k (a dokładnie 9,97 k). Oporność własna cewki Rw wynosi 1.243 omy. Pomiar napięcia Ui wykazał 0,96 V.

Z zależności:

Ui = Uo * (Rw + XL) / (Rs + Rw + XL)

wyliczyłem XL = 1.905 omów, co ze wzoru

XL = 2 * pi * F * L

daje indukcyjność L = 151,67 H. Przy wyciągniętym rdzeniu indukcyjność anteny wynosi 21,03 H.

Pomiaru pojemności dokonałem w identycznym układzie przy częstotliwości 400 kHz, przy której wpływ indukcyjności na odczyt jest znikomy. Podając napięcie Uo = 3V otrzymałem Ui = 1,2V (rdzeń w karkasie). Z zależności:

Ui = Uo * (Rw + Xc) / (Rs + Rw + Xc)

wyliczyłem Xc = 5.404 omów, co ze wzoru

Xc = 1 / (2 * pi * F * C) 

daje pojemność własną Cw = 74 pF. Po wyciągnięciu rdzenia pojemność spadła do 53 pF.

Jest to moim zdaniem bardzo dobry wynik przy tak dużej cewce. Kluczowe znaczenie ma tu sekcyjne nawinięcie uzwojenia. W takim przypadku pojemność całkowita jest mniejsza o ilość sekcji do kwadratu (czyli w moim przypadku 64 razy) w stosunku do indentycznego uzwojenia bez podziału. Do tego dochodzą dodatkowe pojemności pomiędzy sekcjami, ale przy zastosowanych przekładkach o grubości 4 mm nie powinny mieć wielkiego znaczenia.

POMIAR INDUKCYJNOŚCI I POJEMNOŚCI WŁASNEJ UZWOJENIA METODĄ REZONANSOWĄ

Metoda pomiaru polega na doprowadzeniu do rezonansu układu szeregowego cewki z dodatkowym kondensatorem zmiennym dla dwóch określonych częstotliwości.

Pierwszą częstotliwość pomiaru F1 wybieramy dowolnie, następnie regulując pojemnością C doprowadzamy układ do rezonansu (największe napięcie na kondensatorze).

Zmierzoną pojemność C oznaczamy jako C1. Należy pamiętać o odjęciu pojemności sondy woltomierza (w moim przypadku ok. 20 pF).

Druga częstotliwość pomiaru jest dwukrotnie mniejsza, czyli F2 = F1 / 2. Po doprowadzeniu układu do rezonansu mierzymy pojemność otrzymując wartość C2.

Oto otrzymane wartości:

- przy F = 906 Hz, C1 = 114 pF

- przy F = 453 Hz, C2 = 600 pF

Stosując wzór:

Cw = (C2 - 4* C1) / 3

mamy Cw = 48 pF. Indukcyjność liczymy ze wzoru:

L = 1 / ((2 * pi * F) ^ 2 * (C + Cw))

otrzymując L = 190,68 H.

Drugi pomiar zrobiony dla potwierdzenia wykazał:

- przy F = 520 Hz, C1 = 447 pF

- przy F = 260 Hz, C2 = 1.923 pF

co daje Cw = 45 pF i L = 190,59 H.

Metoda rezonansowa wydaje się być dokładniejsza od poprzedniego sposobu wyznaczania parametrów anteny. Dlatego na jej podstawie przyjąłem ostatecznie, że indukcyjność cewki z rdzeniem wynosi 190 H a pojemność własna 50 pF. Takie wartości dają rezonans własny dla F = 1.634 Hz, co potwierdziły dalsze pomiary dotyczące czułości anteny.

WYZNACZENIE CHARAKTERYSTYKI ODBIORCZEJ ANTENY

Jako źródło sygnału zastosowałem generator dekadowy z podłączoną cewką nadawczą (10 zwojów drutem 0,25 mm na fi = 130 mm). W szereg z cewką włączyłem rezystor 1 kohm, którego oporność jest wielokrotnie większa od impedancji cewki. Dzięki temu, w zakresie badanych częstotliwości, układ powinień wytwarzać jednakowy strumień magnetyczny.

Cewkę nadawczą ustawiłem w odległości 30 cm od środka anteny (niewiele, ale dzięki temu mogłem zdjąć charakterystykę począwszy od 1 Hz).

Odbierany sygnał z anteny jest podawany na wtórnik emiterowy w układzie Darlingtona o bardzo dużej rezystancji wejściowej. Jest to konieczne ze względu na dużą impedancję cewki dla wyższych częstotliwości (już przy 1 kHz ponad 1 Mohm). Karta dźwiękowa bezpośrednio podłączona do anteny znacznie ją obciąża i powoduje zniekształcenie zdejmowanej charakterystyki.

Poniżej zamieszczam tabelę uzyskanych wyników oraz wykres czułości anteny z rdzeniem (na czerwono) i bez rdzenia (na niebiesko). Pomiary są skorygowane o nierównomierność charakterystyki karty dzwiękowej dla najniższych częstotliwości. Zamieszczam również schemat układu pomiarowego.

Jak widać z pomiarów, rdzień zwiększa czułość anteny o ponad 18 dB, czyli około 8,5 raza. Rezonans własny anteny wychodzi w okolicy 1,5 kHz. Antena zachowuje liniowy wzrost sygnału w zależności od częstotliwości do około 500 Hz, co jest w zupełności wystarczające dla moich celów.

Następnym krokiem będzie zaprojektowanie wzmacniacza wstępnego spłaszczającego charakterystykę anteny w szerokim zakresie częstotliwości.

WYBÓR WZMACNIACZA OPERACYJNEGO

Ważnym zagadnieniem jest właściwy dobór pierwszego wzmacniacza operacyjnego pod kątem wnoszenia jak najmniejszych szumów do układu. Wziąłem pod uwagę trzy wzmacniacze: drogi AD797 oraz tańsze OP07 i OP27.

Analizę przydatności wzmacniacza należy przeprowadzić pod kątem:

- szumów napięciowych Ne, które zależą od częstotliwości

- szumów prądowych Ni, zależnych od oporności rzeczywistej źródła sygnału i częstotliwości

- szumów 1/f mierzonych zwykle w paśmie 0..10 Hz

Wszystkie powyższe wielkości odczytałem z danych katalogowych wzmacniaczy.Przeliczenia dokonałem dla dwóch częstotliwości (8 i 82 Hz) a wyniki przedstawiam poniżej.

Znakomity AD797 ma najmniejsze szumy napięciowe, ale szumy prądowe są znaczne, szczególnie przy 8 Hz. Najmniejsze szumy prądowe posiada OP07, chociaż napięciowe są już nie do przyjęcia. Szumy napięciowe i prądowe (przeliczone na nV) dodają się w kwadracie i są pokazane w prawej części tabeli. Jak widać, najbardziej odpowiednim wzmacniaczem dla mojego układu jest OP27.

Oprócz danych dotyczących szumów prądowych i napięciowych wzmacniacza, w katalogach można znaleźć wielkość szumu 1/f wyrażoną w nV i mierzoną w paśmie 0..10 Hz. Dla AD797 jest to 50 nV, dla OP07 jest to 350 nV a dla OP27 90 nV. W tej klasyfikacji niestety OP27 wypada gorzej od AD797. Jednak ze względu na niski koszt OP27 oraz mały pobór prądu (co będzie ważne podczas pracy w terenie), zdecydowałem się właśnie na ten wzmacniacz.

UKŁAD WZMACNIACZA

Ponieważ indukowana w antenie siła elektromotoryczna zależy proporcjonalnie od częstotliwości sygnału (im większa częstotliwość tym większe napięcie na stykach anteny przy tym samym strumieniu magnetycznym), to należy znaleźć sposób na korekcję tego zjawiska, aby sygnał z anteny zależał jedynie od siły strumienia magnetycznego.

Istnieją dwie główne metody linearyzacji anteny. Pierwsza to układ wzmacniacza w konfiguracji integratora, gdzie właściwe dobranie elementów RC zapewnia korektę charakterystyki anteny (im większa częstotliwość tym mniejsze wzmocnienie wzmacniacza). Drugą metodą (którą zastosowałem w swoim układzie)  jest obciążenie anteny małą rezystacją, czyli zastosowanie wzmacniacza w układzie prądowym.

Antena do pierwszego wzmacniacza (w układzie prądowym) jest podłącznona pseudo-symetrycznie, co ogranicza część zakłóceń elektrycznych nanoszących się na uzwojenie. Drugi stopień daje dodatkowe wzmocnienie 20dB. Z jego wyjścia można pobrać asymetrycznie sygnał do karty dzwiękowej. Ostatni stopień to dobrej klasy nadajnik linii symetrycznej, stosowany w mikrofonach wysokiej jakości. Dzięki niemu można przesyłać sygnał z anteny na znaczne odległości (najlepiej symetryczną skrętką ekranowaną) bez narażania się na zakłócenia łapane przez kabel, jak to bywa np. przy długim kablu koncentrycznym.

Do budowy wzmacniacza zastosowałem stabilne i małoszumne rezystory metalizowane, tantale, styrofleksy oraz dobre kondensatory blokujące. Potencjometr wieloobrotowy służy do zerowania napięcia stałego na wyjściu układu (cały tor od anteny aż do karty dzwiękowej jest stałoprądowy, co umożliwia przenoszenie i rejestrowanie bardzo niskich częstotliwości).

Płytka wzmacniacza została umieszczona w szczelnym pudełku zlutowanym z miedzianej blachy.

Antena jest podłączona przez kondensatory przepustowe małopojemnościowe. Zasilanie wprowadziłem przez przepusty 1nF. Wyjście symetryczne jest wyprowadzone również przez przepusty małopojemnościowe, a sygnał asymetryczny przez złącze SMA.

CHARAKTERYSTYKA ANTENY Z PODŁĄCZONYM WZMACNIACZEM

Poniżej przedstawiam pomiary anteny bez wzmacniacza (niebieska linia) oraz ze wzmacniaczem (czerwona linia, sygnał pobrany z wyjścia pierwszego stopnia wzmacniacza).

Jak widać, obciążenie anteny małą rezystacją dało pożądane efekty - interesujące mnie pasmo od 4 do 100 Hz jest praktycznie liniowe. Spadek wzmocnienia powyżej 100Hz jest wywołany obecnością kondensatorów w obwodach sprzężenia zwrotnego wzmacniaczy. 

SZUM WŁASNY ANTENY

Każda oporność wytwarza szum termiczny. Aby wyliczyć go dla mojej anteny, zastosowałem poniższy wzór:

Do obliczeń przyjąłem temperaturę 293 stopnie Kelwina (20 stopni Celcjusza), szerokość pasma 1 Hz oraz oporność anteny 1.243 omy. Po podstawieniu danych otrzymałem wynik 4,48 nV - takie napięcie skuteczne szumu wytwarza moja antena w temperaturze pokojowej.

Wartość szumu należy porównać z napięciem indukowanym w antenie dla częstotliwości pierwszego rezonasu Schumanna. Pokaże to, czy w antenie wyindukuje się siła elektromotoryczna przewyższająca wartość szumu termicznego, czy może sygnał zginie w szumach i wykorzystanie anteny do planowanych celów nie będzie miało sensu.

Takie wyliczenie powinienem wykonać przed decyzją o budowie anteny. Jednak dopiero teraz zdobyłem odpowiednie materiały teoretyczne i powoli uczę się je stosować. Na pewno kolejne anteny będą poprzedzone solidnymi projektami technicznymi.

Wracając do oszacowania odbieranego sygnału, podaję odpowiedni wzór na wielkość indukowanego napięcia:

Iloczyn ilości zwojów N i powierzchni A jest powierzchnią całej anteny. Według moich wyliczeń, antena ma całkowitą powierzchnię wynoszącą około 256 m2. Jako interesującą częstotliwość przyjmuję 7,8 Hz, czyli pierwszy rezonans Schumanna. Szacuje się, że jego siła to około 3 pT. Podstawiając do wzoru wymienione wielkości otrzymujemy 37,6 nV - takie napięcie w antenie bez rdzenia powinien wyindukować rezonans Schumanna. Dodają rdzeń, sygnał powinien wzrosnąć 8,5 raza (tyle razy wzrasta czułość cewki), czyli powinien wynosić około 320 nV. Jest to wielokrotnie więcej niż poziom szumu termicznego anteny (4,48 nV). Antena powinna więc spełnić swoje zadanie.

ZAKOŃCZENIE BUDOWY ANTENY

Dla sprawnego przenoszenia anteny oraz dla zapewnienia stabilności podczas pracy, wykonałem i dokręciłem do rdzenia uchwyty.

Uzwojenie zostało okryte ekranem z blachy miedzianej (zwój otwarty), zamontowałem rówież na stałe wzmacniacz.

Antena jest już gotowa do nasłuchów.

WYJAZD W TEREN

Pierwszego nasłuchu dokonałem 22.01.2012 r. w Puszczy Niepołomickiej. Antenę umieściłem 50 metrów od drogi, co niestety spowodowało zapisanie się wielu zakłóceń spowodowanych przejazdami samochodów. Akumulatory, komputer, kartę dzwiękową oraz filtr dolnoprzepustowy 85 Hz (który opiszę później) umieściłem w samochodzie. Miało to pozytywny efekt w postaci zaekranowania sprzętu, chociaż otwarcie i zamknięcie drzwi pojazdu wywoływało podniesienie się poziomu szumów - włączał się wyświetlacz na desce rozdzielczej.

Podczas rejestrowania sygnału, ku mojemu wielkiemu zadowoleniu, powoli z zakłóceń wyłaniał się słaby sygnał rezonansu Schumanna (!!!). W środkowej części zrzutu widać próbę obrócenia anteny w innym kierunku, która przyniosła negatywny efekt. Podczas następnych prób zauważyłem, że antena w kierunku swojego odbioru nie powinna widzieć komputera, który produkuje sporo zakłóceń.

Po dwóch godzinach spacerowania po lesie w pobliżu anteny (w 15-to stopniowym mrozie), wróciliśmy sprawdzić stan sprzętu. Akumulatory jeszcze działały a na ekranie komputera widać było wyraźny sygnał rezonansu Schumanna oraz... sygnał stacji ZEVS z pod Murmańska!!!

Takiego przebiegu wydarzeń się nie spodziewałem! Na szczęście energii wystarczyło, żeby bezpiecznie dokończyć zapis transmisji na 82 Hz.

Po powrocie do domu, już przy kominku, jeszcze raz przetworzyłem nagrany sygnał z sytemu antenowego. Zastosowanie większych próbek w SpectrumLab pokazało, że antena odebrała również wyższe częstotliwości rezonansu Schumanna. Widać również słaby sygnał 60 Hz z sieci energetycznej USA.

Na fragmencie zrzutu poniżej można porównać wielkosci sygnału:

- pierwszego rezonansu Schumanna 7,8 Hz - poziom około -100 dB

- sygnału stacji ZEVS 82,8 Hz - poziom o 6 dB większy

- sygnału 16,6 Hz (sieć trakcyjna zachodnioeuropejskich kolei) - poziom o 10 dB większy od rezonansu

Jestem miło zaskoczony wynikami eksperymentu. Odebranie rezonansu Schumanna to dla mnie spore osiągnięcie i nagroda za kilkanaście miesięcy pracy. Ważne jest również określenie mocy sygnału ZEVS - być może przy tak wysokim poziomie uda się stworzyć stację ciągłego monitoringu, z anteną umieszczoną blisko domu.

PRZYDATNE MATERIAŁY

Andrzej Kułak - "Czujniki i systemy do pomiaru naturalnych pól elektromagnetycznych ekstremalnie niskiej częstotliwości na powierzchni Ziemi" (Elektronika 01/2010)

Sławomir Tumański - "Czujniki pola magnetycznego"

Sławomir Tumański - "Induction Coil Sensors - a Review"

Strona Pracowni Rezonansu Schumanna ELF Group

Strona www.vlf.it