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Antenne cadre ferrite VLF


Projet
Ayant décrit, ailleurs sur ce site un cadre à air, assez encombrant, je vais essayer d’obtenir des résultats les plus approchants avec un cadre ferrite. Pour simplifier la réalisation, je parts avec l’idée d’utiliser trois antennes ferrites de récepteurs radio ordinaires. Les bobines sont déjà existantes, qui plus est en fil de Litz. Je pense qu’il faudra trois antennes cadre en série, pour descendre le plus possible en fréquence et avoir une excursion en fréquence suffisamment large, avec un condensateur variable ordinaire. En effet je constate que des essais d’émission existent entre 5 kHz et 20 kHz. Il faut pouvoir se régler sur cette plage en particulier, car les puissances rayonnées, en jeux, sont très faibles. De plus, je compte utiliser un artifice qui était en vogue dans les années cinquante. 

Mais procédons par ordre.
Le présélecteur du récepteur SDR Elektor, dont je parle ailleurs sur ce site, est livré avec un cadre PO/GO que je n’ai pas utilisé. Il va donc servir de cadre rayonnant pour les différentes mesures. Pour me rendre compte, des modifications de résultats, j’ai déplacé les selfs sur la ferrite.

Mesures sur Le cadre Elektor

Bobine PO en extrême : 70 µH
Bobine PO au centre : 159 µH
Bobine PO à ¼ du bout : 130 µH  si GO au centre en C/C => Bobine PO : 100 µH
GO en extrême en C/C => Bobine PO : 126 µH
Bobine GO en extrême : 1527 µH
Bobine GO au centre : 2770 µH
Bobine GO à ¼ du bout : 2340 µH  si PO au centre en C/C => Bobine GO : 2070 µH
PO en extrême en C/C => Bobine GO : 2330 µH

Bobines PO et GO en série chacune à ¼ des bouts : 2630 µH
Bobines PO et GO l’une contre l’autre, au centre : 3830 µH
Bobines PO et GO en série chacune à ¼ des bouts : 2140 µH (une des bobines inversée)

Remarque : pour toutes les manipulations qui vont suivre, il faudra surveiller la mise en phase de toutes les bobines, sinon les résultats sont désastreux. Contrairement au cadre à air, si on utilise une self multicouches, le fil doit être bobiné toujours dans le même sens, également, mais on peut bobiner une couche de gauche à droite et la suivante de droite à gauche, comme les transformateurs d’alimentation. Ceci parce qu’on capte, à présent, grâce à la ferrite, un champ magnétique.
Je dispose d'un condensateur prévu pour un tuner AM/FM. J'ai mis toutes les cages en parallèle.
Capacité du CV fermé : 827 pF
Capacité du CV ouvert : 33 pF

Calcul Fréquence de résonance avec 2630 µH et 827 pF : 107,811 kHz
Calcul Fréquence de résonance avec 2630 µH et 33 pF : 539,712 kHz

Calcul Fréquence de résonance avec 3830 µH et 827 pF : 89,339 kHz
Calcul Fréquence de résonance avec 3830 µH et 33 pF : 447,24 kHz

Ces mesures ont été faites pour clarifier la situation. En réalité le cadre Elektor sera utilisé en cadre émetteur avec la bobine PO au centre. Celle-ci sera considérée comme un enroulement basse impédance, relié par un transformateur rapport 1/20, au générateur BF. Cela permet au générateur d’être toujours réglé sur 10 volts de sortie, quel que soit le réglage de fréquence. Après vérification, le champ magnétique ainsi rayonné est suffisamment constant sur la plage de fréquences qui nous intéresse.

Mesures sur le cadre N°1

Bobine PO :
R = 11 Ω
L = 0,880 mH
Bobine GO :
R = 17 Ω
L = 7,40 mH
Bobine PO et GO en série, placées au centre l’une contre l’autre : 11,20 mH
Remarque : lors de la mise en série de deux bobines, sur une ferrite, si on mesure une valeur totale de self , plus faible que la somme des deux selfs, il faut inverser le branchement d’une des deux bobines. En clair, il est impératif que les spires de chaque bobine soient bobinées dans le même sens.

Calcul Fréquence de résonance avec 11,20 mH et 827 pF : 52,243 kHz
Calcul Fréquence de résonance avec 11,20 mH et 33 pF : 261,535  kHz


Mesures sur le cadre N°2

Bobine PO :
R = 3,8 Ω
L = 0,554 mH
Bobine GO :
R = 10,8 Ω
L = 4,38 mH
Bobine PO et GO en série, placées au centre : 6,67 mH
Calcul Fréquence de résonance avec 6,67 mH et 827 pF : 67,698 kHz
Calcul Fréquence de résonance avec 6,67 mH et 33 pF : 338,904 kHz

Manipulations avec ces deux cadres

Cadres N°1 et N°2 en série, axes dans le prolongement, ferrites éloignées : 18,9 mH
Cadres N°1 et N°2 en série, axes dans le prolongement, les deux ferrites se touchent : 26 mH
Remarques : dés que l’on rapproche les deux ferrites (bout à bout), la valeur de la self totale augmente très rapidement, pour atteindre un maximum si les deux ferrites se touchent.
Si on fait une rotation de 180° d’un des cadres, la self des deux cadres, en série, diminue fortement (17 mH).
Calcul Fréquence de résonance avec 26 mH et 827 pF : 34,289 kHz
Calcul Fréquence de résonance avec 26 mH et 33 pF : 171,635 kHz


Cadres N°1 et N°2 en série, axes parallèles à 4,5 cm : 20,2 mH
Calcul Fréquence de résonance avec 20,2 mH et 827 pF : 38,901 kHz
Calcul Fréquence de résonance avec 20,2 mH et 33 pF : 194,744 kHz
On abandonnera cette solution car la fréquence minimale est trop haute. La tension mesurée est plus faible qu'avec les 3 bâtons de ferrite placés bout à bout.

Mesures sur le cadre N°3

Bobine PO :
R = 3,8 Ω
L = 0,547 mH
Bobine GO :
R = 10,7 Ω
L = 4,36 mH
Bobine PO et GO en série, placées au centre : 6,63 mH
Calcul Fréquence de résonance avec 6,63 mH et 827 pF : 67,902 kHz
Calcul Fréquence de résonance avec 6,63 mH et 33 pF : 339,925 kHz


Cadres N°1, N°2 et N°3 en série, axes dans le prolongement ferrites collées : 42,2 mH
Résistance totale des enroulements du cadre : R = 49,3 Ω
Calcul Fréquence de résonance avec 42,2 mH et 827 pF : 26,914 kHz
Calcul Fréquence de résonance avec 40 mH et 33 pF : 134,736 kHz

Commentaire :
Tout cela peut paraître évident pour beaucoup, mais il faut avoir bien compris la mise en phase des bobines, le sens de rotation des spires, la position de la bobine sur le cadre etc.
La moindre erreur a des conséquences considérables.

Mesures avec le cadre Elektor monté en émission.

Utilisation de la ferrite Elektor avec la bobine PO, en antenne cadre rayonnant.
L = 159 µH
r  = 2,6 Ω
Tension aux bornes : 1 volt efficace quel que soit la fréquence. Cela permet de mettre à l’évidence la fréquence de résonance du cadre de réception qui suit.

Les trois bobines ferrites sont en série et en phase. Elles sont placées sur le même axe (les unes derrière les autres). J’ai utilisé pour cela une gouttière plastique pour maintenir l’ensemble correctement.
La valeur de la self définitive est de 42,2 mH
On met le condensateur variable aux borne de l’ensemble.
Pour 827 pF, l’accord est sur : 28 kHz (CV fermé).
Pour 33 pF, l’accord est sur : 141 kHz (CV ouvert).
On est légèrement plus haut que la valeur calculée. Cela n’est pas grave. Suivant les conditions de mesure de la self (courant, fréquence, erreurs de mesures,etc.), le résultat ne correspond pas tout à fait à la réalité.  



Photo du cadre utilisé pour les essais et les mesures



Les trois cadres ferrite sont mis bout à bout et placés dans une cornière en plastique, en U. Ne connaissant pas les résultats à l’avance, le câblage est réalisé en “perruque”. Cela permettra les essais de montage série/parallèle avec le CV ou de mettre des enroulements en parallèle

Calcul de l’impédance du cadre ferrite en prévision d’un préamplificateur symétrique adapté.


Mesure de l’impédance du cadre
Matériel utilisé :
- Millivoltmètre continu, avec sonde de détection HF (voir ci-contre).
Rappel : cette sonde ne donne pas la tension exacte. Elle sert à donner un rapport de tensions ou une indication d’accord pendant ces manips.
- Une résistance ajustable 0 à 2,5 MΩ.
- Générateur BF Centrad 0 à 1 Mhz.
- Transformateur BF rapport 2/1 chargé par une résistance de 560 Ω.
- Fréquencemètre F8CV.
- Contrôleur universel Fluke 87.



Schéma de montage pour cette mesure

Méthode de mesure
Impédance de la sonde, le cadre débranché :
1 - Brancher la sonde sur A et régler la sortie du générateur BF (environ 3,8 V sur A), pour une déviation maximum du Mve (320 mV sur l’échelle 320 mV dans mon cas).
2 - Brancher la sonde sur B et régler R pour avoir la moitié de déviation (160 mV).
3 - Mesurer la valeur de R, noter cette valeur sous la forme : R2 = 480 kΩ
Impédance du cadre :
4 - Rebrancher le cadre en parallèle avec le CV réglé au maximum de capacité (827 pF), le tout en série avec R.
5 - Vérifier que le point A = 320 mV.
5 - Régler la fréquence du générateur BF au maxi de tension lu sur le Mve, branché sur B : accord sur 27,68 kHz dans mon cas.
6 - Régler R pour retrouver la moitié de la déviation du point A : (160 mV)
7 - Mesurer la nouvelle valeur de R noter : R1 = 292 kΩ.

J’ai donc mesuré d’abord l’impédance de la sonde, puis l’impédance du cadre en parallèle avec l’impédance de la sonde.
Il suffit d’en déduire l’impédance réelle du cadre avec la formule classique :
1/R = 1/R1 + 1/R2
Z = R, R1 = 292 kΩ, R2 = 480 kΩ
Après transformation, on a :
Z = (R2 x R1)/(R2 - R1)
La valeur réelle de l’impédance du cadre est :
Z = (480 x 292)/(480- 292)
Z =  745,5 kΩ 
Conclusion : on peut donc monter le cadre avec L et C en parallèle. Le tout branché entre les deux entrées haute impédance d'un circuit intégré, à choisir par la suite.

Essais avec le cadre seul, sans amplificateur. Réception VLF.

Appareil utilisé : Récepteur Siemens D2006.
Atténuateur sur - 90 dB.
Réglage gain : maximum.
Préamplificateur 20 dB en fonction.
Filtre à quartz en fonction (80 Hz).
BFO sur ± 600 Hz.
Bobine cadre ferrite et CV en série branchés à l’entrée 300 Ω ou 75 Ω.
Remarque : à l’accord, le signal est beaucoup moins puissant sur l’entrée 75 Ω (à vérifier).
Cadre est placé à l’intérieur de mon domicile.

Niveau de réception à 18h50
77,5 kHz reçu - 17 dB (-110 dB).
75 kHz reçu - 6 dB (-110 dB).
Niveau de réception à 23h50
77,5 kHz reçu - 12 dB (-110 dB).
75 kHz reçu - 3 dB (-110 dB).

Essais avec le cadre seul, sans amplificateur. 
Fréquences VLF produites par un générateur BF.
Possibilités d'excursions en fréquence avec CV + condensateurs additionnels.
Cadre émetteur comme défini plus haut, branché à la sortie du générateur BF.

Cadre en série avec le CV, sur entrée 300 Ω du récepteur Siemens D2006.
Fréquences obtenues CV réglé au maximum de capacité (824 pF): 50 kHz.
En ajoutant un Condensateur de 820 pF en parallèle avec le CV : 46 Khz

Cadre série avec CV, sur entrée 75 Ω du récepteur Siemens D2006.
Fréquences obtenues CV réglé au maximum de capacité (824 pF): 28 kHz.
En ajoutant un Condensateur de 820 pF en parallèle avec le CV : 20 Khz.
En ajoutant un Condensateur de 1500 pF en parallèle avec le CV : 16,5 Khz.
En ajoutant un Condensateur de 2200 pF en parallèle avec le CV : 14,5 Khz.

On s’aperçoit avec ces mesures que l'excursion en fréquence dépend fortement du montage employé et des impédances accolées au cadre.

Une idée amusante.
SAQ émet rarement. On peut, bien sûr, utiliser un générateur BF réglé sur 17,2 kHz.
Au cours des deux derniers essais de transmission de SAQ, j’ai eu l’idée d’enregistrer directement les VLF, sortant d'un cadre à air, par l’entrée ligne d’un enregistreur Olympus, réglé en 96 kHz/24 bits. Cela m’a permi de regarder le signal VLF, une fois rentré à mon domicile. Il suffit de relier la sortie casque de l'Olympus à l'entrée micro de l'ordinateur portable. J'utilise SpectrumLab. Cela fonctionne parfaitement et sans déformation.
De fil en aiguille, je me suis dit, pourquoi ne pas brancher le cadre émetteur, vu plus haut, sur la sortie casque de l’Olympus. Hé bien, oui, ça fonctionne. Le cadre ferrite branché sur le récepteur Siemens, la CW est entendue à l'aide du récepteur Siemens D2006, comme dans le réel.

Photo du montage en cours d’essais

Les deux supports en bois sont faits avec des planchettes et des supports de tringles à rideaux...

A gauche, le cadre émetteur est relié directement à la sortie casque de l’enregistreur Olympus. Le réglage de volume sert d'atténuateur. Pour la photo, j’ai mis les deux cadres à proximité. On peut les éloigner beaucoup plus.
Au centre l’enregistreur Olympus.
A droite le cadre récepteur. CV et bobine en série, reliés à l’entrée 75 Ω du récepteur D2006 Siemens.
Celui-ci fonctionne sans le préamplificateur  20 dB et l’atténuateur est sur -70 dB. Le signal est donc de 40 dB plus élevé que pour la réception du 
75 kHz reçu en direct à mon domicile, avec le cadre de réception monté de la même manière.
Donc je pense que cette idée peut rendre service aux débutants.

Pour aller jusqu’au bout, au lieu de brancher le cadre réception sur le récepteur Siemens D2006, j’ai branché le cadre fermé sur une 100 Ω (pour avoir une impédance correcte aux bornes du cadre), à l’entrée micro de mon ordinateur portable, pour voir l’altération des signaux avec ces manipulations.

Copies d'écran (ci-dessous) pour comparer
En haut, l’enregistrement fait à mon domicile avec l’enregistreur relié au cadre émetteur en émission.
Le cadre récepteur est relié à l’entrée micro de l’ordinateur portable.
En bas, enregistrement direct depuis SAQ en Suède, reçu sur un point haut voisin. Le cadre, décrit ailleurs sur ce site, était relié directement à l’entrée micro de l’enregistreur Olympus.
Remarque : sur l’essais en circuit fermé, l’affaiblissement des fréquences voisines au 17,2 kHz est très visible. Je suppose que c’est à cause de la sélectivité supplémentaire du cadre ferrite.


Etude d'un préamplificateur à circuit intégré pour ce cadre ferrite

J'ai utilisé pour commencer, l'amplificateur symétrique que j'avais conçu pour le cadre à air, décrit ailleurs sur ce site. Comme la sensibilité de réception avec le cadre ferrite est sensiblement plus faible qu'avec le cadre à air, j'ai augmenté le gain du préampli. 
Au départ, celui-ci fonctionne mal avec le cadre ferrite. Quand on approche la main du cadre, il se produit des auto-oscillations. On s'en aperçoit auditivement et visuellement avec SpectrumLab. Pour corriger cela, j'ai modifié la façon d'accorder le cadre tout en conservant la symétrie.
Pour augmenter le gain au maximum, j'ai remplacé le potentiomètre de réglage de symétrie par deux potentiomètres linéaires de 1 kΩ. Plus on diminue la valeur des deux potentiomètres (simultanément), plus le gain augmente. Ils ne sont pas jumelés, car une fois la position des deux réglages déterminée, on ne joue que sur un seul potentiomètre pour le réglage de symétrie.
J'ai gagné en plus 3 db en passant la tension des entrées 1 et 8 du circuit intégré, à 2 volts au lieu de 1,7 volt.
Comme avec le nouveau schéma, il y a une capacité très importante entre chaque entrée et la masse, je peux, à présent, relier les entrées du préampli au cadre et les liaisons au CV, en petit coax de 50 Ω. La capacité du coax, ainsi rajoutée, est faible par rapport à la capacité d'accord.
Ces modifications sont radicales pour supprimer les auto-oscillations.

Nouveau schéma du préampli pour cadre ferrite

Ce préampli étant un prototype, l'accord a été fait provisoirement sur 17,2 kHz. Il est réalisé par les deux condensateurs de 4,3 nF en série. L'accord fin est fait par le condensateur variable de 726 pF.
Les diodes tête-bêche protègent les sources des BF245. Le boîtier principal étant prévu pour toutes sortes de cadres, ces diodes assurent la protection, pendant les manipulations. Elles n'ont aucun effet néfaste sur l'ensemble, car les capacités d'accord sont élevées et la tension d'entrée est limitée à 1,4 volt/cc par branche.
Les résistances de 1 MΩ permettent de fixer une référence pour les sources par rapport à la masse. Les cadres que j'ai réalisés jusqu'à présent, ayant une impédance inférieure à 1 MΩ, pour le moment, pas besoin de changer.

Réglages
Les deux potentiomètres de 4,7 kΩ servent à régler les deux entrées du NE592 à 2 volts.
Régler le gain de l'ensemble par les deux potentiomètres ajustables de 1 KΩ . Plus ces résistances diminuent, plus le gain augmente. Pour le moment, ils sont réglés au minimum de résistance.
Débrancher le cadre.
Réunir les deux entrées du préampli et injecter du 17 kHz, environ 10 mV.
Régler un des potentiomètre ajustable de 1 kΩ pour une tension BF de sortie de 17 kHz, qui tombe brutalement à 0V. Il faut un millivoltmètre BF passant le 17kHz. 
Si on possède un récepteur pouvant recevoir le 17 kHz, le réglage est encore plus précis. Le S mètre doit tomber à 0.


Mis à jour le 28/12/2015