VLF LF eo Loop aérea

por VK5BR Butler Lloyd

(Re-editado versão do artigo publicado originalmente em Amateur Radio agosto de 1990 e reimpresso em Spring

Comunicações Quarterly 1991)

Introdução

O artigo discute a teoria das antenas loop de recepção e como reduzir o nível de ruído local. A Antena Loop é descrito adequado para uso em bandas LF e VLF, juntamente com um circuito de um sintonizador de loop interface e pré-amplificador. O debate se estende para os problemas de ruído do amplificador e as vantagens do ajuste do ciclo.

Loop Teoria aérea

Um dos grandes problemas em receber sinais de VLF e LF é o alto nível de ruído local gerada a partir de linhas de energia elétrica e ruidoso equipamento de consumo. Na presença deste tipo de ruído, recebeu-a-ruído do sinal pode ser melhorado com a utilização de uma antena loop.

Para explicar isso, é necessário discutir brevemente os campos ao redor de um radiante. Em distâncias de até cerca de metade do comprimento de onda, a indução ou campo próximo é importante, mas cai em uma taxa maior do que com a distância do campo de radiação. Em distâncias superiores a uma onda meio, o campo de radiação é proeminente. A relação entre a intensidade do campo ea distância é a seguinte:

1. A componente eléctrica do campo de indução diminui com o cubo da distância e dB = 601og (d2/d1) onde d1 e d2 são as distâncias relativas.

2. O componente magnética do campo de indução diminui com o quadrado da distância e dB = 40log (d2/d1)

3. os componentes elétricos e magnéticos Tanto a diminuição do campo de radiação diretamente com a distância e dB 20log = (d2/d1)

O efeito de tudo isso é que, no campo próximo, o componente elétrico é muito mais forte do que o componente magnético. Isto é ilustrado graficamente na Figura 1.

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Figura 1 - Comparação dos componentes eléctricos e magnéticos de campo recebidas até distâncias de um comprimento de onda da fonte.

Na VLF e LF (1-30 kHz) que estão preocupados com comprimentos de onda entre 500 e meia 15.000 metros, ea recepção do ruído é claramente localizada na indução ou na região do campo próximo. O ciclo aéreo é essencialmente sensível apenas à componente magnética, e porque é no nível mais baixo do que o componente eléctrico num campo próximo, o nível de interferência de ruído é reduzido. Além disso, se a fonte da interferência de uma direção diferente do que o sinal seja recebido, o ruído é reduzido em mais as propriedades direcionais do loop. O circuito tem um forte null muito perpendicularmente ao plano do loop e pode ser girado para a posição da fonte de ruído no nulo.

O circuito equivalente do circuito antena acoplada a uma resistência de carga (RL) é mostrado na Figura 2. Es é a tensão induzida no laço, RT é a resistência do circuito (a soma da resistência de radiação e perda de resistência), L é a indutância da loop, C é a capacitância shunt do laço com o cabo acoplado à carga Eo e é a tensão de saída através da carga.

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Figura 2 - Circuito Equivalente do Loop Aérea.

Quando o avião loop está em consonância com a direção do sinal para o nível máximo do sinal induzido Es tensão é dada pela seguinte fórmula (válido fornecendo as dimensões loop são pequenas comparadas com um comprimento de onda):

A partir da fórmula, é evidente que a tensão induzida é diretamente proporcional tanto ao loop de área eo número de voltas. Quanto maior for fazer uma dessas, maior a tensão induzida. No entanto, o aumento destes também aumenta a indutância série e capacitância shunt e, dependendo da freqüência, a sua reatâncias ter um efeito profundo sobre a actual tensão Eo entregue à carga. RT Resistance também está em série com a carga, mas seu valor é normalmente baixa o suficiente para fazer pouca diferença para a tensão entregue à carga.

Ressonância

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O laço aérea tem uma freqüência ressonante natural em que a reatância de L é a reatância de C e em que os picos de resposta de tal forma que a tensão de saída, Eo, é igual à tensão induzida, Es, multiplicado pelo fator Q do circuito. Claramente, há muito a ganhar com a operação da malha em um afinado modo paralelo. Isto pode ser conseguido em qualquer frequência inferior à frequência ressonante natural simplesmente adicionando capacitância shunt através C. Em freqüências acima da freqüência de ressonância natural, a ressonância não é possível. Bom desempenho é, então, conseguiu o melhor diminuindo o número de voltas sobre o circuito para fazer a ressonância natural igual ou superior ao da freqüência usada.

Para obter um bom desempenho em um modo de ressonância em uma ampla gama de freqüências, uma série de antenas loop com diferentes números de voltas, ou um com um determinado número de voltas, é necessário. Em baixas freqüências, um grande número de voltas é desejável para atingir a sensibilidade bom sinal. Em freqüências mais altas com menor número de voltas pode ter que ser usado para aumentar a frequência ressonante natural. Voltando para a Fórmula 2, você vai ver que Es tensão induzida é proporcional à freqüência e número de voltas, por isso, enquanto você perde o nível de sinal com menos voltas, esta tende a ser compensada pelo aumento da freqüência.

Como tensão de saída, Eo é proporcional ao fator Q em ressonância, é importante fazer resistência de carga RL um valor alto para evitar a redução das Q. Isso exige acoplamento diretamente em um amplificador com uma entrada de alta impedância.

loop blindados

Enquanto o loop aérea opera essencialmente na componente magnético, pode haver uma pick up residual do componente elétrico. Direction Finding Para usar, é importante para proteger o circuito elétrico para minimizar a indução de campo elétrico. No uso prático para apenas receber a LF-VLF, parece haver pouco a ganhar com a pequena redução elétrico pick-up. Na verdade blindagem aumenta a capacidade residual do ciclo e reduz a freqüência de ajuste máximo de um determinado número de voltas.

Loop Interface

A impedância dinâmica do circuito sintonizado podem ser muito elevados, daí o circuito deve ser conectado com a entrada de alta impedância de um amplificador operacional ou de um estágio FET. Figura 3 é o circuito de um amplificador que tem sido utilizado pelo escritor. O amplificador é ajustado para um ganho máximo de 10 para aumentar o nível de sinal do loop que, mesmo com o tuning, produz um sinal muito menor do que recebeu de um fio aleatória de tamanho razoável. O amplificador é fornecido com um interruptor para reduzir seus ganhos para a unidade em caso de sinal causando altos níveis muito modulação cruzada.

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Figura 3 - Loop Circuit Tuning aéreas e pré-amplificador.

Às vezes, há uma vantagem em equilibrar qualquer residual vertical pick-up usando uma entrada do amplificador balanceado. Para um outro circuito com uma entrada balanceada, CLIQUE AQUI. Esta é desrcibed em outro artigo 1.8 MHz receber Loops.

ruído do amplificador

Quando operando VLF-LF usando um fio de antena, o nível de ruído atmosférico recebido é normalmente bem acima do patamar de ruído do amplificador em primeiro lugar, eo ruído do amplificador é insignificante. Com a antena loop, o coletor de sinal é muito menor, e quando o nível de ruído atmosférico é baixa, o nível de sinal perceptível mínimo pode ser definido o patamar de ruído do amplificador ao invés do nível de ruído atmosférico. Por conseguinte, é importante escolher um amplificador com um baixo nível de ruído inerente, bem como um faria para um VHF ou UHF front-end.

Para o amplificador utilizado no circuito da figura 3, a Brown-FET de baixo ruído Burr amplificador operacional tipo OPA111AM foi selecionado. Isso é especificado como tendo a figura de ruído de baixa tensão, de 6 de nV por raiz hertz de largura de banda, com a corrente negligenciável ruído característico do circuito de entrada FET. Ele tem uma largura de banda do produto ganho de 2 MHz e, portanto, pode manter o ganho de 10 a uma freqüência de 200 kHz com uma resposta em freqüências mais altas caindo para baixo com um ganho de 4 a 500 kHz.

Outra opção para um amplificador de baixo ruído poderia ter sido a entrada bipolar tipo Precision Monolithics OP27 amplificador. Isto tem um ruído de tensão de apenas 3 por nV raiz hertz de largura de banda, mas tendo uma entrada bipolar, há um componente de ruído corrente que gostaria de acrescentar ruído quando conectado através do circuito de alta impedância de loop sintonizada (ref 2). O amplificador possui uma largura do

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produto gainband de 8 MHz e, portanto, poderia manter o ganho de 10 bem até 800 kHz. Uma outra abordagem pode ter sido a utilização de um ruído de baixa VHF transistores MOSFET como o BF981.

Naturalmente, a relação sinal-ruído bom também traz de volta o projeto do loop for possível sinal de tensão mais elevada. Recapitulando partes anteriores desta discussão, sinal de tensão é aumentada com voltas mais ou área maior (de acordo com a ressonância natural não pode ser inferior que a freqüência de operação), ou criando a forma do laço para o possível fator Q mais alto.

Antena Loop circuitos são frequentemente publicados com um sinal amplificado alimentado de volta para o loop para formar o que é chamado de multiplicador Q. Isto, é claro, é um nome diferente para o que foi conhecido como a regeneração ou a reação. Feedback em fase com o sinal de entrada aumenta o Q efetivo do circuito para aumentar o seu ganho e reduzir a sua largura de banda.

Há também uma desvantagem com o uso de regeneração em que o ruído gerado pelo amplificador é alimentado também volta a ser re-amplificados. Embora a regeneração restringe a largura de banda de loop e reduz a largura de banda do ruído de entrada, ele realmente aumenta o nível de ruído do amplificador dentro da banda. No entanto, o escritor concluiu que a regeneração é muito útil nas freqüências LF para restringir a largura de banda na frente e aumentar a sensibilidade. (vide artigo Active Loop).

A Loop típica aérea

A freqüência ressonante natural do ciclo e, consequentemente, seu limite superior de freqüência para um determinado número de voltas, pode ser aumentada pelo espaçamento entre os fios eo espaçamento entre a blindagem dos fios de modo que a capacitância residual é reduzida. Com este acordo, a capacidade residual pode ser reduzida para proporcionar um aumento considerável na freqüência superior do loop.

Bons resultados foram alcançados através de um loop montado pelo escritor (ver figura 4). Esta consistia em 20 voltas de 1 milímetro quadrado-up fio gancho espaçados lateralmente 10 milímetros distante 0,8 metros quadrados em um quadro de madeira. Para alcançar o espaçamento, o fio foi ferida em torno de quatro peças de doweling montado por meio de dois pedaços de madeira cruzadas. Esta antena medido uma indutância de aproximadamente 500 uH e tinha uma frequência ressonante natural próximo a 500kHz. Isso define a maior freqüência ajustável, que permite ajustar Non Direction Beacons Aeronáutica que estão em freqüências de 200kHz para cima.

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Figura 4 - Antena Loop

bandas de Amador foram alocados em alguns países (como a Nova Zelândia) na região de 160-190 kHz. Se a operação se limita a não maiores do que estas freqüências, uma menor frequência ressonante natural pode ser tolerada e as dimensões loop maior. Um laço sugerido de construção similar é de 28 voltas espaçados em um frame de 1 metro quadrado. Máxima freqüência ajustável para este é de cerca de 200 kHz.

Quanto maior for a pessoa pode fazer o circuito Q, o maior sinal de sua sensibilidade e sua capacidade de apresentar um nível de sinal que pode substituir o ruído do amplificador interface. Q pode ser melhorada através de um fio de calibre pesado, como pode ser obtida. nível de sinal também é aumentada pelo aumento do número de voltas ou a área do laço, mas o aumento ou limita-se ao ponto em que a ressonância natural está acima da freqüência de operação.

No que respeita à escolha de voltas aumentando ou aumentando a área, um artigo do Break-In, Julho de 1997 (ref 4). discutiu a questão em relação ao ruído gerado pelo loop a sua resistência própria perda. Os autores apontam que a relação de nível de sinal de ruído gerado pelo loop é melhorada através do aumento da área, mas transforma o aumento não faz nenhuma diferença para essa relação. No que respeita à Nova Zelândia banda LF, os autores também afirmam que, para garantir que o piso de ruído é definida pelo nível da atmosfera e não o próprio laço, o diâmetro de um loop circular não deve ser inferior a um metro.

Medição de loop constantes

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Neste ponto, pode ser útil para explicar como as constantes loop foram medidos. Tendo construído uma antena loop, você precisa conhecer a sua freqüência ressonante natural e sua auto-indutância para que o tunelamento frequência máxima pode ser determinada e os valores de capacitância trabalhado para a faixa de sintonia necessária. Esses fatores podem ser medidos utilizando um gerador de sinal alimentados através de uma alta resistência bastante (digamos, 10 k) do loop, como mostrado na Figura 5. Mais de um gerador de sinal podem ser necessárias para sintonizar de VLF para ME A tensão em todo o loop é acompanhado de uma CRO (ou talvez um VTVM) através de uma sonda de alta impedância. A frequência do gerador de sinal é ajustado para um pico de tensão em que a freqüência natural é indicada. Agora você adicionar uma grande capacidade (pelo menos 20 nF) suficiente para fazer a capacitância loop insignificante, por comparação, e para sintonizar um pico em menor frequência. Indutância é então calculado pela fórmula de ressonância normal (ou um gráfico de ressonância), utilizando-se a capacitância em paralelo como o valor de C e ignorando a capacidade de auto-o loop como este faz pouca diferença para a precisão do cálculo.

Figura 5 - Medição de Loop constantes Aérea.

Tendo medido o auto-ressonante de freqüência e calculada a indutância, a capacitância de auto-loop também pode ser derivada a partir da fórmula de ressonância.

Em outra operação, o fator Q pode ser medida utilizando o mesmo equipamento, exceto que a resistência em série com o gerador de sinais deve ser aumentado para cerca de 500 kOhm para evitar o Q a ser baixado pela fonte de sinal. Com a perda de sinal adicional através do resistor, um nível de sinal e um CRO sensíveis são necessários. O procedimento é simples para medir as freqüências de cada lado da ressonância que dá 0,707 da tensão na ressonância. O fator Q é igual à freqüência de ressonância, dividido pela diferença entre as duas frequências registadas. O fator Q de uma gama de frequências podem ser realizados através da variação do valor do capacitor shunt para obter ressonância em cada uma das freqüências.

Para dar mais um passo, agora você pode calcular a resistência AC do laço (Rt), em qualquer frequência para que você tenha derivado Q. A reatância indutiva em que a freqüência é calculada a partir 2PifL ea reatância é então dividido por Q para obter Rt . Você já sabe todas as constantes Rt, L e C, como mostrado na Figura 2.

Execução

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Embora o nível da sua pickup sinal é baixo comparado com o longo fio aéreo, o loop antena pode separar os sinais da presença de ruído localizado que substitui o sinal no fio de comprimento. Tal como acontece com qualquer antena direcional, que também melhora a-para-ruído de sinal para ruído atmosférico, restringindo o ruído recebido em particular de uma direção perpendicular ao seu plano.

Com um loop projetado adequadamente aérea e altamente seletivo, front-end sistema de afinação, os sinais de bom em VLF e LF podem ser recebidos até mesmo dentro de casa com o botão direito para 10 kHz. Isto é gratificante, se alguém não tem espaço para uma antena exterior. Claro, existem as armadilhas estranho. É muito fácil perder um sinal se isso acontecer a chegada de um sentido próximo ao nulo do loop. Também é muito fácil em casa, em alguns baseados sinal da fonte de dentro, como um contador de freqüência.

loop Untuned

Discussão tem sido centrada em torno de antenas de loop sintonizada à ressonância e dando a tensão de saída como na Fórmula 1 ou 2, multiplicado por Q. No entanto, a antena loop também pode ser operado em um modo de banda larga e um processo de design para fazer isso em um intervalo de freqüências é descrita em abril 1989 da revista Lowdown (ref 3). O procedimento é para carregar a antena loop em uma baixa resistência bastante na entrada do pré-amplificador, um valor igual ao do ciclo reatância indutiva na freqüência mais baixa da faixa de freqüência necessária. ressonância paralelo é definido como uma freqüência calculada a partir da média geométrica dos mais baixos e maior freqüência necessária. De acordo com o artigo, o projeto produz uma resposta loop, que é plana, com freqüência.

Embora o circuito de banda larga elimina a complicação do tuning loop quando mudar de freqüência, a perda de multiplicação Q pode cair ruído atmosférico abaixo do patamar de ruído do amplificador, limitando assim a sensibilidade para sinais fracos. Por exemplo, se aplicarmos a Fórmula 2 para o turno 12-0,8 metros quadrados loop descrito, e utilizar uma atmosfera sonora típica de 100 kHz, que pode ser em torno de 0,2 uV por metro por raiz hertz, temos uma tensão de saída do loop de 3,2 nV por raiz hertz. Este nível de saída é apenas comparável com o ruído de entrada equivalente a tensão de baixa impedância dos melhores amplificadores.

Conclusões

Um sistema adequadamente projetado loop aérea, com um pré-amplificador de baixo ruído, é uma parte útil do VLF, LF equipamentos de recepção e pode permitir que os sinais a serem escolhidos a partir do ruído que, caso contrário substitui o sinal do cabo da antena. Ele também fornece um meio para obter boa recepção do sinal em VLF, LF, sem a utilização de uma antena grande instalação geralmente consideradas necessárias para a recepção de baixa freqüência.

O nível do sinal recebido da antena loop é baixo quando comparado com o fio de antena e-para-ruído do sinal pode ser limitado pelo ruído gerado no primeiro amplificador. Para minimizar este problema, um pré-amplificador de baixo ruído é usado, e no circuito de loop é ajustado de modo que o nível do sinal no amplificador é multiplicado pelo fator Q do circuito de loop.

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