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VLF upconverter
Di Admin (del 20/02/2013 @ 14:35:37, in Autocostruzione, linkato 6307 volte)
Le VLF rappresentano un ottimo campo di sperimentazione per l’OM che non si limiti ad operare sulle bande HF. Dove le HF sono il regno di apparati commerciali piu o meno costosi , regno in cui il radioamatore si limita spesso, quando lo fa, alla costruzione di antenne piu’ o meno performanti, le VLF ( ed anche le microonde per essere onesti) sono il campo incontrastato della sperimentazione. Qui bisogna fare i conti con le caratteristiche peculiari delle frequenze in gioco, in primis l’enorme lunghezza d’onda, e con la mancanza pressoche’ assoluta di ricevitori e trasmettitori commerciali.
Per ricevere le VLF abbiamo bisogno di un sistema d’antenna efficace che, per ragioni pratiche, non puo’ essere minimamente confrontato con le lunghezze d’onda in gioco.Abbiamo bisogno anche di un buon ricevitore in grado di estrarre segnali di limitatissima larghezza di banda, anche pochi Hertz, in mezzo ad un marasma di segnali di origine naturale ed artificiale.
Per quanto riguarda l’antenna risulta conveniente rivolgersi a sistemi attivi sensibili al campo elettrico ( miniwhip, maxiwhip) oppure a quello magnetico (loop sintonizzati o aperiodici). Nel web, ed anche in questo sito, si trovano sistemi di antenna economici da autocostruire.
Per il ricevitore, difficilmente il nostro RX di stazione scende sotto i 100 KHz , e le prestazioni a queste basse frequenze lasciano sovente a desiderare.
Anche se la soluzione migliore, a mio avviso ed ad avviso di molti, e’ quella di impiegare la scheda audio del nostro PC e di utilizzare i numerosi e validissimi software di analisi spettrale reperibili in rete, convertire i segnali VLF in un segnale ricevibile e decodificabile dal nostro RX di stazione mantiene comunque una sua validita’, se non altro per setacciare e separare i vari segnali presenti in gamma mediante le piu’ o meno sofisticare caratteristiche ( filtri stretti CW ed SSB oppure capacita’ DSP) del medesimo.
La successiva elaborazione mediante analisi spettrale risulta a mio avviso comunque quasi indispensabile, pur limitandosi ad una larghezza di banda di circa 2-3 KHz tipica del canale audio dell’RX operante in SSB.
In commercio esistono pochi convertitori VLF ( per esempio il Palomar), ed in rete possono essere reperiti schemi di convertitori facenti uso di transistor, fet, mosfet, integrati dedicati, mixer a diodi in qualita’ di mescolatore di frequenza.

Ad ogni modo il principio di funzionamento e’ sempre schematizzabile come segue:

 

 

 

Questa figura rappresenta un tipico convertitore di frequenza dove il segnale proveniente dall'antenna e selezionato mediante il circuito accordato di ingresso viene mescolato atteaverso un dispositivo che chiamiamo genericamente mixer con un segnale proveniente da un oscillatore locale a freuenza variabile.All'uscita del mixer sono presenti : il segnale d'antenna, il segnale dell'oscillatore locale, la somma e la differenza del segnale d'antenna e di quello dell'oscillatore locale. Mantenendo la frequenza dell'oscillatore locale ad un valore fisso costantemente piu' basso (o piu' alto) di quello del segnale sintonizzato potremo facilmente separare, all'uscita del mixer il segnale differenza ( ad un valore fisso esempio 455 KHz) per amplificarlo mediante un circuito selettivo e quindi rivelarlo: abbiamo a che fare con quello che comunemente viene chiamato ricevitore a conversione di frequenza o supereterodina, cioe' con la totalita' dei ricevitori commerciali.

Bene, se applichiamo lo stesso pricipio utilizzando un oscillatore locale a frequenza fissa e sostituiamo la media frequenza con il nostro ricevitore di stazione sintonizzato sulla frequenza somma del segnale in ingresso al mixer e quello di oscillatore locale ( ... o sulla differenza, ma la somma risulta piu' pratica) abbiamo il seguente risultato:

 

Qui di seguito riporto lo schema elettrico del converter proposto, il circuito stampato e la disposizione dei componenti. L'insieme rappresenta la mia interpretazione "minimalista" dei principi riportati. Il circuito non fa uso di bobine da autocostruire, e' dotato di un ottimo filtro passa basso in ingresso, usa un mixer digitale costituito da un cmos facilmente reperibile, permette di convertire frequenze da pochi Hz a circa 70-80 KHz.

 

 

 

 

 

Analizziamo il circuito:

Il segnale d'antenna viene applicato al primario del trasformatore TR1, un normale trasformatore di isolamento audio 600:600 ohm. Perche'questa scelta? Semplice, questi trasformatorini, impiegati normalmente nelle interfacce di separazione per modi digitali, hanno una banda passante che si estende da pochissimi Hz a 60- 70 KHz (testato con generatore di segnali e oscilloscopio). Tutto cio' che e' superiore viene inesorabilmente bloccato. Un componente del genere e' di per se un ottimo filtro PB per la porzione di VLF di nostro interesse.

Il secondario del TR1 viene applicato al IC1, un cmos 4053N che contiene all' interno 3 switch X, Y e Z azionabili mandando a livello logico alto rispettivamente i piedini A,B e C. In condizioni di default, con gli ingressi A,B,C a livello logico basso, il secondario del TR1 e' collegato in modo che il terminale 4 vada sull'uscita Z ed il terminale 3 vada in parallelo sulle uscite X e Y. Mandando alti gli ingressi A,B,C il secondario del trasformatore viene invertito, per cui avremo il terminale 3 sull'uscita Z ed il terminale 4 in parallelo sulle uscite X e Y. Applicando il segnale generato da QG1 ( a 1, 2, 3 o 4 MHz) agli ingressi A,B e C otteniamo che il segnale presente al secondario di TR1 (virtualmente lo stesso presente sul primario salvo filtraggio) venga invertito di fase alla frequenza dell' oscillatore. L'uscita Z e' mantenuta a meta' tensione di alimentazione attaverso le resistenze R1 ed R2 ed a massa per l'alternata mediante C2 e C3. Al parallelo delle uscite X e Y sono presenti i segnali somma e differenza (ingresso + o - oscillatore locale) applicati al carico costituito da R3. Da qui il segnale potrebbe essere direttamente mandato all'ingresso dell'antenna dell'RX, ma, per recuperare le perdite dovute alla conversione, viene applicato attraverso C4 alla base del Q1 che lo restituisce amplificato all'uscita mediante il C5.

L'alimentazione del circuito (max 6 V) viene applicata ai morsetti x4-1 (positivo) e x4-2 (negativo) mentre al morsetto x4-3 e' presente la frequenza dell'oscillatore locale oppure, omettendo l'oscillatore locale dal circuito, e' possibile iniettare un segnale generato da un oscillatore esterno.

Componenti:

TR1= trasformatore di isolamento audio 600 600 ohm

QG1= oscillatore 4 MHz ( o inferiore, vedi testo)

IC1= 4053 (oppure 40HTC53 se utilizzato un oscillatore a frequenza maggiore di 4 MHz)

Q1= BC547

R1,R2,R3,R4= 10 Kohm

R5= 680 ohm

C1,C3,C4= 100 KpF poliestere

C5= 10KpF poliestere

C2= 10 microF 16 Vl

Di seguito la fotografia del prototipo montato:

Come utilizzare il converter:

Per utilizzare il converter bisogna applicare il sistema di antenna al primario di TR1 e l'uscita x2-1 al connettore di antenna dell'RX di stazione.

Selezionare USB oppure CW e sintonizzare a 4 Mhz.

Data alimentazione al circuito dovreste sentire un fishio nell'altoparlante del ricevitore dovuto ai residui a 4 MHz dell'oscillatore locale. Salendo in frequenza di 1 o 2 KHz il fischio dovrebbe scomparire .

A questo punto, se avete selezionato il modo CW dovreste sentire il battimento a 600 Hz ( oppure alla freuenza della nota CW che avete impostato nel vostro RX) e le ultime cifre della frequenza letta sul display ci daranno indicazione del reale segnale sintonizzato ( esempio se leggiamo 4001,50 avremo sintonizzato un segnale a 1,5 KHz).Se invece avremo impostato il modo USB sentiremo nell'altoparlante tutte le frequenze corrispondenti al valore letto piu' 2-3 KHz (esempio se leggiamo 4001,50 sentiremo da 1,5 KHz a 3,5- 4,5 KHz, in dipendenza della larghezza di banda del canale audio SSB del nostro ricevitore). La precisione della lettura dipende naturalmente dalla precisione dell'oscillatore locale, tenetene conto.

In ogni caso consiglio vivamente di utilizzare un programma di analisi spettrale sul vostro PC mandando l'audio dell'RX alla scheda audio mediante la normale interfaccia per modi digitali.

Di seguito riporto alcuni segnali captati con questo converter e l'antenna loop descritta in un altro articolo con relativo preamplificatore. Il programma utilizzato e' Spectran

Segnale bitonale a 31,14 KHz:

 

 

Segnale impulsivo a 15,69 KHz

 

Rumore elettrico a 57 KHz

 

 

Segnale MSK stazione militare (RDL):

Programma Spectrum Lab

 

Buona realizzazione, buon acolto.

73 de iw0dvv Mariano