У статті описується конструкція, характеристики і приклади використання (прийому радіосигналів) на таку досить екзотичну антену з перекриттям частотних ділянок ELF, SLF, ULF, VLF - LF і частково MF довжин хвиль. Антена може безпосередньо під'єднуватися до ПК через звукову плату, а для прийому радіосигналів можна використовувати програмне забезпечення подібне Ciao Radio, http : // www .antennex .com / Sshack / ciaoradio / ciaoradio .html , Таким чином використовуючи прості засоби можна приймати, аналізувати і декодувати будь ELF, SLF, ULF, VLF сигнали з верхньою межею до 24 кГц.

загальні положення

Більшість антен для прийому сигналів в діапазоні VLF і ULF мають дуже великі розміри. Багато прикладів можна знайти на ресурсі www .vlf .it . Антени на таких низьких частотах на 99% випромінюють вертикально поляризовані хвилі. Ці хвилі поширюються уздовж земної поверхні у вигляді поверхневих хвиль на великі відстані. Горизонтально поляризовані же хвилі придушуються через протівофазного відображення від поверхні землі. Горизонтальну поляризацію мають сигнали-провісники землетрусів, авроральной радіосигнали зі змінною поляризацією. Побудова більшості антен засноване на використанні "коротких монополів" або малих магнітних антен.

рис.1

Обидва типи вищеперелічених антен зазвичай не мають настроювальних елементів. Монопольні антени навантажуються на високоомні вхідні підсилювачі, а зменшені магнітні антени з'єднуються по входу з низькоомними підсилювачами (рис.2)

Загальновизнано, що описані антени мають широку смугу пропускання. Перший тип антен (штир) дуже чутливий до наявності якісного заземлення. Наприклад це може означати, що місцеві наведення від мережі змінного струму з частотами від 50 до 60 Гц і їх гармоніки легко проникають через антену на вхід приймача. Для захисту від таких наведень використовується екранування антени. Однією з можливостей зменшення зовнішніх наведень потужними електромагнітними полями може стати використання укороченого вертикального збалансованого диполя. Якщо уникнути використання в антені частин з великою індуктивністю, то це розширить її смугу пропускання (частотний діапазон). На низьких частотах як диференціального підсилювача зручно використовувати операційний підсилювач. Використання операційного підсилювача дозволяє домогтися великого динамічного діапазону і захисту від інтермодуляционних перешкод.

рис.2
(Короткий монополь - штирьова антена і зменшена магнітна антена з'єднані з широкосмуговим ОУ)

Розробка антени

Короткий монополь (штир) - має довжину менше 0.1 від довжини хвилі має таку характеристику, як діюча висота (Н) яка залежить від фізичної довжини (L) монополя. Еквівалентна схема показана на рис.3

Рис.3 (еквівалентна схема з'єднання короткої штирьовий антени - монополя з підсилювачем)

Опір випромінювання антени (Ra) на рис.3 дуже мало і має тенденцію зменшення до нульового значення зі зменшенням частоти, але в будь-якому випадку змінюється незначно по відношенню до вхідного опору підсилювача (Ri). Якщо застосувати теорему трансформації Thevenin, то отримаємо можливо найпростішу схему показану на рис.4

рис.4
(Еквівалентна схема антени і входу підсилювача)

Амплітуда еквівалентного генератора за формулою змінюється між значеннями Ca і Ci, але еквівалентна ємність Ct паралельна як Ca так і Ci. Вхідний опір підсилювача (Ri) і еквівалентна ємність (Ct) визначають найнижчу частоту смуги пропускання (Fc). Якщо значення Ri і Ci дуже великі, то і значення Fc відповідно буде низьким.

Fc = 1 / (2PI Ri Ct)

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

Для реалізації нижнього діапазону смуги пропускання в 5 Гц необхідно збільшити загальну ємність Ct до 300 пф. Вхідний опір підсилювача складно збільшити понад 100 мОм іпоетому для досягнення нижньої межі смуги пропускання 5 Гц існує три способи:

1. Збільшити діаметр або довжину диполя
2. Підключення додаткового конденсатора в плечі диполя
3. Збільшення вхідної ємності підсилювача

Застосування першого способу обмежена тільки фізичними характеристиками (громіздкість конструкції). Другий спосіб не такий простий з огляду на те, що підключений конденсатор дає виражений мікрофонний ефект від якого неможливо позбутися, а також знижується і так низький рівень вхідного сигналу.

Для подолання протиріч використовується комбінація обох рішень з метою досягнення заданих характеристик (нижча частота = 5 Гц)

Верхня частота смуги пропускання лімітується параметрами використовуваного операційного підсилювача. При використанні простого ОУ TL 084 досягається верхня частота в 600 кГц. При використанні більш широкосмугових ОУ верхня частота смуги пропускання вище. Динамічний діапазон ОУ підвищується разом з підвищенням напруги харчування. Бажано використовувати малошумящий ОУ. Кращою альтернативою ОУ загального застосування TL 084 є TLC 274.

Електрична схема

Базова електрична схема показана на рис.5, повна схема на рис.6

Рис.5 (базова електрична схема активної диференціальної антени)

Рис.6 (повна електрична схема активної диференціальної антени)

Ємнісний опір плеча дипольної антени залежить від параметрів описаних у формулі на рис.7 ємнісний опір диполя становить половину значення ємності одного його плеча.

рис.7
(Емкостное опір короткого монополя - штирьовий антени)

При практичному виготовленні елементів диполя - він виготовляється з алюмінієвих труб з діаметром від 2,5 до 30 см із загальною довжиною 2 метри. Обчислення значення ємнісного опору антени з такими параметрами становить від 15 до 46 пф. Якщо є необхідність отримання більшого значення ємнісного опору антени (Ca), то можна виходити з розрахунку - загальна ємність елемента діаметр / довжина 1/1 метр становить 9 ПФ. Найбільш простий шлях збільшення параметра (Ca) - це паралельне підключення додаткової ємності до плечей диполя.

Приклади практичного використання антени

Повний спектр прийнятих сигналів показаний на рис.8. Перша частина спектра (до 5 кГц) повністю заповнена індустріальними перешкодами (частоти від 50 до 60 Гц) і гармоніками цих сигналів. У діапазоні 15-24 кГц визначається кілька сильних сигналів. Перший сигнал на частоті 15625 Гц - штучного походження від горизонтальної розгортки телевізійного приймача.

Рис.8 (повний спектр сигналів в смузі до 25 кГц)

Інші сигнали генеруються армійськими системами з цифровою модуляцією на швидкості 50 бод на частотах 16,5; 18,3; 19,6; 21,150 і 23,4 кГц. Інші сигнали належать Російської навігаційній системі «Альфа» (позивний ZEVS) на частотах 11,9; 12,65 і 14,88 кГц. Можна помітити наскільки високий рівень зовнішніх шумів і перешкод

рис .9
(Два сигнали належать до Російської навігаційній системі «Альфа» в режимі «водоспад» на частотах 11,9 і 12,65 кГц)

рис.10
(Показаний прийом сигналів Російської навігаційної системи
«Альфа» на частоті 11,9 кГц. Інтервал між пакетами передачі 3,5 сек.)

Також можливий радиоприем сигналів для зв'язку з підводними апаратами на частотах 82 і 76 Гц. Більш детальну інформацію можна отримати на http://www.vlf.it/submarine/sbmarine.html.

Довідка

З истема зв'язку з підводними апаратами використовує частоти 82 Гц в Росії (в США - 76 Гц). Характеризується великою дальністю зв'язку, можливість зв'язку на глибині до 300 метрів з підводним апаратом, вкрай низькою швидкістю передачі інформації. Передавальні антени представляють собою типові магнітні антени великих розмірів з підводиться потужністю в кілька мегават. В експериментах радіоаматори використовуючи антени (протяжні підземні диполі, магнітні антени з залізним сердечником) використовуючи ПК з відповідним ПО успішно приймають сигнали передавальних центрів). Детальніше інформацію можна подивитися на ресурсі http://www.vlf.it

В діапазоні частот від 7 до 42 Гц спостерігається явище "Шуманновского резонансу" пов'язаного з енергетикою працюючого серця людини. http://www.vlf.it/Schumann/schumann.htm

конструкція

Приклад конструювання показаний на рис.13 і рис.14. Однак дана конструкція антени не розрахована на прийом частот від 5 до 50 Гц, так як діаметр елементів диполя становить 3 мм. Для живлення антени використовується батарея на 9 вольт.

рис.11
(Загальний вигляд встановленої антени)

рис.14
(Загальний вигляд на антенний підсилювач)

рис.15
(Схема електроживлення від мережі змінного струму)

висновок:

Вищеописана антена проста і недорога в збірці, дозволяє приймати сигнали в діапазонах ELF, SLF, ULF - VLF - LF і частково MF длинн хвиль. Сигнали з антени подаються на вхід звукової плати ПК. У комплексі з персональним комп'ютером (ПК) і програмним забезпеченням Ciao Radio Software http://www.antennex.com/Sshack/ciaoradio/ciaoradio.html , Можливий прийом, аналіз і демодуляція сигналів в частотному діапазоні до 24 кГц.

Ласкаво просимо в екзотичний світ низьких частот!