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Antenna Loop Magnetica per Onde VLF

Abstract : in questo Post descriviamo la costruzione ed il tuning di una antenna a loop magnetica il cui scopo è la ricezione nella banda VLF, da accoppiare con un opportuno ricevitore VLF per il monitoraggio di eventi SID (sudden ionospheric disturbances) causati dai flare solari. 

Introduzione

Dalla teoria dell’elettromagnetismo sappiamo che un campo magnetico variabile produce, in una spira concatenata alla linee di flusso, una tensione proporzionale alla velocità del cambiamento del flusso magnetico (derivata prima rispetto al tempo). Se consideriamo una onda elettromagnetica polarizzata verticalmente, il campo magnetico sarà polarizzato in un piano orizzontale e soggetto alle variazioni cicliche alla frequenza dell’onda elettromagnetica.
Se poniamo una spira orientata parallelamente alla direzione di propagazione in essa si produrrà quindi una tensione elettrica, mentre se la spira è orientata ortogonale alla direzione dell’onda non vi sarà flusso concatenato e quindi la tensione sarà nulla.
I disegni sotto mostrano i due casi : a sinistra la tensione sarà massima, mentre a destra la tensione sarà nulla.

Quello che abbiamo descritto sopra è il principio di funzionamento di una antenna loop magnetica, adatta alla rilevazione di segnali elettromagnetici a bassa frequenza (banda VLF).

Costruzione

Per costruire una antenna loop magnetica è necessario massimizzare il segnale che viene prodotto. Per aumentare il segnale possiamo sia aumentare la superficie della spira, e questo si traduce in una antenna di maggiori dimensioni, sia aumentare il numero delle spire. Dimensioni maggiori significa avere una antenna più difficile da costruire e poco maneggevole, aumentare il numero delle spira significa avere maggiore resistenza e maggiore capacità parassita, col risultato di avere un fattore Q minore. Bisogna arrivare ad un compromesso. Dagli esempi che si trovano in letteratura si evince che la dimensione classica è dell’ordine di grandezza del metro, mentre il numero delle spire è circa 100.
Dopo aver scelto le dimensioni si procede a realizzare la struttura in legno, come mostrato nella immagine sotto :

Terminata la struttura si procede ad avvolgere il filo di rame smaltato in modo da realizzare il numero di spire prescelto. Avvolgere il filo di rame non è sempre semplicissimo, è necessaria un po’ di pazienza e fare qualche prova prima di arrivare al risultato finale. L’immagine sotto mostra l’antenna pressoché terminata.

I dati dell’antenna sono riassunti nella tabella più sotto. Il lato vale 0,7 m, il filo di rame smaltato ha diametro di 0,5 mm, le spire sono 83. In base a questi dati geometrici è possibile calcolare l’induttanza che risulta di 27,6 mH, mentre il valore misurato è di 27,4 mH. Il valore misurato della resistenza è di 25,7 Ω.
L’antenna viene rappresentata con un parallelo LC avente in serie una resistenza, come si vede nello schema sotto, dove è stata inserita anche la capacità esterna utilizzata per il tuning.

Con un generatore di segnali ed un oscilloscopio è  facile determinare la frequenza di risonanza dell’antenna. Si collega il generatore alla antenna mediante una resistenza di carico, ad esempio 100 KΩ. Con l’oscilloscopio si misura il segnale ai capi dell’antenna mentre si varia la frequenza del segnale. In corrispondenza della frequenza di risonanza l’impedenza del parallelo LC è massima e quindi è massimo anche il segnale. In questo modo abbiamo determinato che la fris = 45,6 KHz, dalla quale ricaviamo il valore della capacità dell’antenna, che vale 445 pF.

Tuning

Dall’esame delle emittenti VLF ricevute nella nostra zona abbiamo visto si riceve bene il segnale a 26,7 KHz della trasmittente BAFA (NATO) collocata in Turchia, ad una distanza di circa 1500 Km. Questa distanza dovrebbe permettere di distinguere bene le situazioni in cui le propagazioni via terra e via ionosfera si differenziano, ad esempio a causa di un brillamento solare. E’ necessario quindi procedere al tuning dell’antenna in modo che la nuova frequenza di risonanza corrisponda alla frequenza di emissione della trasmittente prescelta. Per il tuning va inserita in parallelo alla antenna una capacità supplementare il cui valore va tarato in modo opportuno.
In pratica il tuning viene fatto sempre con generatore di segnali ed oscilloscopio. Si imposta il generatore alla frequenza voluta, 26,7 KHz nel nostro caso, lo si collega alla antenna con una resistenza da 100 KΩ e si varia la capacità esterna in modo da massimizzare il segnale raccolto ai capi della antenna.

L’imagine sotto mostra il nostro circuito tuner nel quale possono essere facilmente aggiunti o tolti i condensatori allo scopo di variare la capacità. NOTA : la sintonizzazione va fatta mantenendo connesso il cavo che collega antenna e ricevitore dato che il cavo stesso aggiunge una ulteriore capacità. 

Dopo il tuning abbiamo misurato la curva di risposta della antenna sintonizzata al variare della frequenza, il risultato è mostrato sotto. Da questa curva otteniamo un Q pari a 22,3.

Calcolo del Segnale

Conoscendo i dati geometrici ed elettrici dell’antenna possiamo provare a calcolare il segnale prodotto dall’antenna in modo da valutare i parametri di amplificazioni che saranno necessari.

Dalla Legge di Farady-Lenz : V = -dφ(t)/dt
V = tensione rms in circuito aperto
φ(t) = flusso magnetico
t = tempo

Per una antenna a loop : V = -n(dφ(t)/dt)
n = numero spire

Il flusso magnetico è dato da : φ(t) = B(t)*Ae*cos(ϑ)
Ae = Area equivalente di un loop circolare
ϑ = angolo tra le linee di flusso e la normale alle spire
B(t) = campo induzione magnetica

Il campo induzione magnetica di una onda em vale : B(t) = B*cos(ωt)
ω = 2π *f dove f = frequenza

Differenziando otteniamo : dφ(t)/dt = -B*Ae*ω*sen(ωt) -> V = 2π *n*Ae*f*B*cos(ϑ)
ϑ = 0
perché l’antenna è orientata correttamente
f = 26,7 KHz (frequenza prescelta)
n = 83 (numero spire)
Ae = 0,56m2
(calcolata dai dati geometrici e corretta secondo le formule)
otteniamo : V = 7797302*B

Possiamo anche calcolare l’altezza equivalente dell’antenna : V = he*E
he = altezza equivalente
E = campo elettrico = c*B
Otteniamo he = V/E = V/c*B = 2π *n*Ae*f*B*cos(ϑ)/c*B = 2π *n*Ae*f*cos(ϑ)/c
he = 2π *n*Ae*cos(ϑ)/λ
he = 0,026 m

Un valore del campo elettrico di una onda em può essere E = 1 mv/m
V = 0,026*1 = 0,026 mV = 26μV
Moltiplicando per il valore Q dell’antenna otteniamo V = Q*26 = 580 μV = 0,58 mV

Si vede come, per ottenere valori finali misurabili, sia necessario amplificare il segnale di oltre 1000 volte !

Nel prossimo Post ci occuperemo del ricevitore VLF e del monitoraggio della propagazione ionosferica.

Riferimenti

UKRAA site : https://www.ukraa.com/
Application of the UKRAA Very Low Frequency Receiver System – Reeve

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