Активная дифференциальная антенна для диапазона 5 Гц-500 кГц

Активная дифференциальная антенна для диапазона 5 Гц-500 кГц

    В статье описывается конструкция, характеристики и примеры использования (приема радиосигналов) на такую достаточно экзотическую антенну с перекрытием частотных участков ELF, SLF, ULF, VLF - LF и частично MF длин волн. Антенна может непосредственно подсоединяться к ПК через звуковую плату, а для приема радиосигналов можно использовать программное обеспечение подобное  Ciao Radio, http://www.antennex.com/Sshack/ciaoradio/ciaoradio.html, таким образом используя простые средства можно принимать, анализировать и декодировать любые ELF, SLF, ULF, VLF сигналы с верхним пределом до 24 кГц.

Общие положения

    Большинство антенн для приема сигналов в диапазоне VLF и ULF имеют очень большие размеры. Много примеров можно найти на ресурсе www.vlf.it. Антенны на таких низких частотах на 99% излучают вертикально поляризованные волны. Эти волны   распространяются вдоль земной поверхности в виде поверхностных волн на большие расстояния.  Горизонтально поляризованные же волны подавляются из-за противофазного отражения от поверхности земли. Горизонтальную поляризацию имеют сигналы-предвестники землятрясений, авроральные радиосигналы с изменяющейся поляризацией. Построение большинства антенн основано на использовании "коротких монополей" или малых магнитных антенн.

Рис.1 

    Оба типа вышеперечисленных антенн обычно не имеют настроечных элементов. Монопольные антенны нагружаются на высокоомные входные усилители, а уменьшенные магнитные антенны соединяются по входу с низкоомными усилителями (рис.2) 

    Общепризнано, что описанные антенны имеют широкую полосу пропускания. Первый тип антенн (штырь) очень чувствителен к наличию качественного заземления. Например это может означать, что  местные наводки от сети переменного тока с частотами от 50 до 60 Гц и их гармоники легко проникают через антенну на вход приемника. Для защиты от таких наводок используется экранировка антенны. Одной из возможностей уменьшения внешних наводок мощными электромагнитными полями может стать использование укороченного вертикального сбалансированного диполя. Если избежать использования в антенне частей с большой индуктивностью, то это расширит ее полосу пропускания (частотный диапазон). На низких частотах в качестве дифференциального усилителя удобно использовать операционный усилитель. Использование операционного усилителя позволяет добиться большого динамического диапазона и защиты от интермодуляционных помех. 

Рис.2
(короткий монополь - штыревая антенна и уменьшенная магнитная антенна соединенные с широкополосным ОУ) 

Разработка антенны 

Короткий монополь (штырь) - имеющий длину менее 0.1 от длины волны имеет такую характеристику, как действующая высота (Н) которая зависит от физической длины (L) монополя. Эквивалентная схема показана на рис.3

Рис.3 (эквивалентная схема соединения короткой штыревой антенны - монополя с усилителем) 

    Сопротивление излучения антенны (Ra) на рис.3 очень мало и имеет тенденцию уменьшения до нулевого значения с уменьшением частоты, но в любом случае изменяется незначительно по отношению ко входному сопротивлению усилителя (Ri). Если применить теорему трансформации Thevenin, то получим возможно простейшую схему показанную на рис.4

Рис.4
(Эквивалентная схема антенны и входа усилителя) 

    Амплитуда эквивалентного генератора по формуле изменяется между значениями Ca и Ci,но эквивалентная емкостьCt параллельна как Ca так и Ci. Входное сопротивление усилителя (Ri) и эквивалентная емкость(Ct) определяют самую низкую частоту полосы пропускания (Fc). Если значения Ri и Ci очень большие, то и значение  Fc соответственно будет низким.

Fc = 1/(2PI Ri Ct) 

Например:
Ca = 30 пф
Ci = 0
Ri = 100 мегаом
Fc = 53 Гц

    Для реализации нижнего диапазона полосы пропускания в 5 Гц необходимо увеличить общую емкость Ct до 300 пф. Входное сопротивление усилителя сложно увеличить свыше 100 мОм ипоэтому для достижения нижней границы полосы пропускания 5 Гц существует три способа:

1. Увеличить диаметр или длину диполя
2. Подключение дополнительного конденсатора в плечи диполя
3. Увеличение входной емкости усилителя

    Применение первого способа ограничено только физическими характеристиками (громоздкость конструкции). Второй способ не так прост ввиду того, что подключенный конденсатор дает выраженный микрофонный эффект от которого невозможно избавиться, а также снижается и так малый уровень входного сигнала.

    Для преодоления противоречий используется комбинация обоих решений с целью достижения заданных характеристик (низшая частота = 5 Гц)

    Верхняя частота полосы пропускания лимитируется параметрами используемого операционного усилителя. При использовании простого ОУ TL084 достигается верхняя частота в 600 кГц. При использовании более широкополосных ОУ верхняя частота полосы пропускания выше. Динамический диапазон ОУ повышается вместе с повышением напряжения питания. Желательно использовать малошумящий ОУ. Лучшей альтернативой ОУ общего применения TL084 является TLC274.

Электрическая схема

Базовая электрическая схема показана на рис.5, полная схема на рис.6

Рис.5 (базовая электрическая схема активной дифференциальной антенны) 

Рис.6 (полная электрическая схема активной дифференциальной антенны) 

Емкостное сопротивление плеча дипольной антенны зависит от параметров описанных в формуле на рис.7 Емкостное сопротивление диполя составляет половину значения емкости одного его плеча. 

Рис.7
(Емкостное сопротивление короткого монополя - штыревой антенны) 

    При практическом изготовлении элементов диполя – он изготавливается из алюминиевых труб с диаметром от 2,5 до 30 см с общей длиной 2 метра. Вычисленное значение емкостного сопротивления антенны с такими параметрами составляет от 15 до 46 пф. Если есть необходимость получения большего значения емкостного сопротивления антенны (Ca), то можно исходить из расчета – общая емкость элемента диаметр/длина 1/1 метр составляет 9 пф. Наиболее простой путь увеличения параметра (Ca) – это параллельное подсоединение дополнительной емкости к плечам диполя.

Примеры практического использования антенны

    Полный спектр принимаемых сигналов показан на рис.8. Первая часть спектра(до 5 кГц) полностью заполнена индустриальными помехами (частоты от 50 до 60 Гц) и гармониками этих сигналов. В диапазоне 15-24 кГц определяется несколько сильных сигналов. Первый сигнал на частоте 15625 Гц – искусственного происхождения от горизонтальной развертки телевизионного приемника.

Рис.8 (полный спектр сигналов в полосе до 25 кГц)

    Другие сигналы генерируются армейскими системами с цифровой модуляцией на скорости 50 бод на частотах 16,5; 18,3; 19,6; 21,150 и 23,4 кГц. Другие сигналы принадлежат Российской навигационной системе «Альфа» (позывной ZEVS) на частотах 11,9; 12,65 и 14,88 кГц. Можно заметить насколько высок уровень внешних шумов и помех

Рис.9
(два сигнала принадлежащих к Российской навигационной системе «Альфа» в режиме «водопад» на частотах 11,9 и 12,65 кГц)

Рис.10
(Показан прием сигналов Российской навигационной системы
«Альфа» на частоте 11,9 кГц. Интервал между пакетами передачи 3,5 сек.)

    Также возможен радиоприем сигналов для связи с подводными аппаратами на частотах 82 и 76 Гц. Более подробную информацию можно получить на http://www.vlf.it/submarine/sbmarine.html.

Справка

    Система связи с подводными аппаратами использующая частоты 82 Гц в России (в США - 76 Гц). Характеризуется большой дальностью связи, возможность связи на глубине до 300 метров  с подводным аппаратом, крайне низкой скоростью передачи информации. Передающие антенны представляют собой типичные магнитные антенны больших размеров с подводимой мощностью в несколько мегаватт. В экспериментах радиолюбители используя антенны (протяженные подземные диполи, магнитные антенны с железным сердечником) используя ПК с соответствующим ПО успешно принимают сигналы передающих центров). Подробнее информацию можно посмотреть на ресурсе http://www.vlf.it

    В диапазоне частот от 7 до 42 Гц наблюдается явление "Шуманновского резонанса" связанного с энергетикой работающего сердца человека. http://www.vlf.it/Schumann/schumann.htm

Конструкция

    Пример конструирования показан на рис.13 и рис.14 . Однако данная конструкция антенны не расчитана на прием частот от 5 до 50 Гц, так как диаметр элементов диполя составляет 3 мм. Для питания антенны используется батарея на 9 вольт.

Рис.11
(общий вид установленной антенны)

Рис.14
(общий вид на антенный усилитель)

Рис.15
(схема электропитания от сети переменного тока)

Заключение:

    Вышеописанная антенна простая и недорогая в сборке, позволяет принимать сигналы в диапазонах ELF, SLF, ULF - VLF - LF и частично MF длинн волн. Сигналы с антенны подаются на вход звуковой платы ПК. В комплексе с персональным компьютером (ПК) и программным обеспечением Ciao Radio Software http://www.antennex.com/Sshack/ciaoradio/ciaoradio.html, возможен прием, анализ и демодуляция сигналов в частотном диапазоне до 24 кГц. 

Добро пожаловать в экзотический мир низких частот!