---

Stavba přijímače pro sledování náhlých ionosférických poruch - SID

---

Úvod

Vždycky jsem měl poměrně blízko k radioamatérům a již dlouhou dobu jsem chtěl trochu proniknout do radioastronomie která má k radioamatérství velmi blízko. Chtěl jsem začít něčím přístrojově a technicky nenáročným a proto jsem si vybral sledování náhlých ionosférických poruch - SID (z anglického Sudden Ionospheric Disturbation).
Co to tedy ale vlasně SID je? Slovník říká, že náhlá ionosférická porucha je abnormálně vysoký stupeň ionizace který se vyskytl ve vrstvě D ionosféry (viz. dále). K tomuto prudkému zvýšení dochází při střetu velkého množství ionizujícího záření nebo částic se zemskou atmosférou, jejichž zdrojem je sluneční erupce, nebo jiný vydatný zdroj ionizujícího záření z vesmíru.

Ionosféra

Ionosféra je vrchní část naší atmosféry, kde se vlivem ionizujícího záření přicházejícího zejména ze Slunce tvoří z neutrálních molekul a atomů plynů ionty. Pro ionizaci má největší význam krátkovlnné ultrafialové a rentgenové záření, menší měrou se na ní mohou podílet i další částice - složky slunečního větru (protony, elektrony, atomová jádra) nebo vysokoenergetická gama kvanta přicházející z kosmu. Vzhledem k tomu, že ve výškách okolo 80 km a výše nad zemským povrchem je již atmosférický tlak velmi nízký, je střední doba života takto vzniklých nabitých částic (elektronů a iontů) poměrně dlouhá a jejich energie dostatečně vysoká, aby se udržely v ionizovaném stavu. Dle hustoty volných elektronů vzniklých ionizací neutrálních atomů a molekul, a dle typu vzniklých kladných iontů lze ionosféru rozdělit na několik vrstev označených D, E, F1 a F2. Vznik vrstev je důsledkem rozdílného složení atmosféry v různých výškách a také hloubky průniku různých druhů ionizujícího záření a ionizujících částic. Počet jednotlivých vrstev a jejich stav je závislý zejména na denní (noční) době a na sezónních změnách.

Ionosféra má velký praktický význam pro šíření radiových signálů na dlouhých, středních a krátkých vlnách, které lze díky odrazu od ionosféry přenášet ne velké vzdálenosti pohybujících se v řádu stovek až tisíců kilometrů.

Vrstva D je nejníže položená a to ve výškách zhruba 80-100 km. Vzhledem k vyššímu tlaku plynu oproti vyšším vrstvám a tedy i vyššímu počtu kolidujících částic je třeba neustálého toku ionizujícího záření aby ionizace převládla nad rekombinací. Z tohoto důvodu je tato vrstva poměrně málo ionizovaná a po západu Slunce rychle mizí. Šíření radiových signálů není touto vrstvou ovlivněno tolik jako vrstvami E a F.

Vrstva E se náchází ve výšce cca 100-130 km. Vzhledem k nižšímu tlaku plynu dochází zde k rekombinaci o něco pomaleji, takže tato vrstva po západu slunce nezmizí zcela. Má největší význam pro šíření radiových signálů na středních a krátkých vlnách. V období maxima sluneční činnosti je kritická frekvence této vrstvy okolo 10 MHz.

Vrstva F je nejsvrchnější vrstvou ionosféry ve výškách od 130 do 400 km. Během dne se štěpí na dvě části, vrstvu F1 a F2, které během noci opět splývají v jedinou vrstvu F. Stupeň ionizace je vzhledem k intenzitě dopadajícího záření a nízkému tlaku nejvyšší. Vrstva F má význam pro dálkový přenos signálu zejména na vyšších frekvencích.

Princip detekce SID

Princip detekce SID je velmi prostý. Za normálního stavu je vrstva D poměrně málo ionizovaná a signál na VDV jí částečně prochází se současným zeslabením a částečně se odráží. Jak roste výška slunce nad obzorem, dochází ke zvýšení ionizace vrstvy D a nad daným poledníkem dosahuje maxima v poledne slunečního času. To se na křivce projeví jako nárůst v dopoledních hodinách. Jak vyška Slunce odpoledne klesá, snižuje se i ionizace, projevující se poklesem signálu na záznamu. Po západu slunce postupně vrstva D mizí a v nočních hodinách se signál odráží výhradně od vrstvy E, což se projeví opět nárustem intenzity signálu. Jiná situace nastane, dojde-li k dopadu velkého množství ionizujícího záření (např. při slunečních erupcích) do ionosféry a zvýší se ionizace v nejníže položené vrstvě D. Nyní už je tato vrstva dostatečně ionizovaná, aby odrazila signál na VDV, což se při příjmu vzdálené stanice projeví nárůstem jeho intenzity.
Jak už bylo uvedeno výše, stav a rozložení jednotlivých vrstev ionosféry se v průběhu dne a noci mění, čemuž odpovídá i charakteristický tvar křivky záznamu intenzity signálu nosné vlny. Typický průběh při klidné ionosféře je ukázán na obrázku nahoře. V případě, že dojde k náhlé ionosférické poruše, projeví se SID na záznamu jako nárůst intenzity signálu (peak), superponovaný na uvedené křivce.

SID monitor je v podstatě jednoduchý rádiový přijímač pracující v oblasti velmi dlouhých vln (VDV), někde v rozmezí 15 -30 kHz, který je naladěn na vzdálený vysílač a sleduje intenzitu prostorové vlny odražené od ionosféry. Vzhledem k tomu, že v tomto pásmu s dostatečným výkonem vysílají víceméně jen vojenské námořní vysílače jsou využívány právě ty. Nemusíme se však obávat, protože se sleduje pouze intenzita nosné vlny ale obsah vysílání se nijak nedekóduje, takže k vyzrazení vojenského tajemství určitě nedojde :-).

Dále je uveden stručný přehled vysílačů na VDV dostupných v Evropě. Údaje je nutné brát s rezervou, protože ucelený přehled vysílačůn neexistuje, respektive jednotlivé prameny uvedené na internetu se někdy dosti liší, zejména co se týká frekvence a výkonu vysílače.

Přijímač

Na internetu lze nalézt několik nejčastěji používaných zapojení přijímače vhodných pro sledování SID. Asi nejběžnějším je přijímač označený jako GYRATOR II a GYRATOR III. První experimenty jsem začal právě s tímto zapojením (konkrétně s Gyratorem II), nebyl jsem však příliš spokojen s jeho stabilitou. Přijímač měl tendenci k oscilacím při překročení určité hladiny signálu, navíc byl záznam poměrně hodně zatížen šumem. Rozhodl jsem se tedy postavit kvalitnější zařízení, které vychází z osvědčené konstrukce pracovníků Stanfordské univerzity. Podrobnosti k přijímači jsou uvedeny na stránkách Space Weather Monitoring (Stanford SOLAR center).

Tuto konstrukci ještě o něco vylepšil francouzský radioastronom amatér Lionel Loudet. Jde zejména o zabudovaný 12-bitový AD převodník umožňující připojit zařízení přes rozhranní RS-232 přímo do počítače. Pro jeho přijímač jsem se nakonec také rozhodl a musím konstatovat, že to byla dobrá volba. Oproti jednoduchým zapojením jako je třeba Gyrator, obsahuje tento SID detektor analogový aktivní "bandpass" filtr MAX 275 firmy MAXIM Dallas, který velmi zvyšuje užitnou hodnotu přijímače výrazným potlačením nežádoucího rušení, kterého je na tomto pásmu v industrializovaných oblastech velké množství. Konstrukce je navíc navržena tak, že hodně usnadňuje oživení a nastavení celé sestavy, která je řešena modulárně a jednotlivé části lze při odlaďování oddělit vyjmutím zkratovacích propojek. V případě použití originálního návrhu plošného spoje ze stránek Lionela Loudeta, stavba přijímače neskrývá žádné záludnosti a zařízení fungovalo bez problémů na první zapojení. Snad jedinou nevýhodou je praktická nedostupnost stěžejních integrovaných obvodů v České republice, takže se musí shánět v zahraničí (stav v roce 2007).

Schéma zapojení

Schéma zapojení a tištěného spoje včetně osazovacího plánu je uvedeno na stránkách Lionela Loudeta. Návrh plošného spoje je zde k dispozici jak ve formátu .pdf, tak pro případné úpravy ve formátu .brd programu EAGLE.

Výroba a oživení

Při dodržování základních zásad při pájení s následnou kontrolou spojů proti zkratu nebo přerušení vlasovými trhlinami, výroba přijímače neskrývá žádné záludnosti. Integrované obvody je dobré dát do patic pro jejich případnou snadnější výměnu.

Nastavení přijímače zahrnuje v podstatě pouze dva kroky, a to nastavení zesílení předzesilovače a koncového zesilovače a nastavení analogového "bandpass" filtru MAX 275. Začnu tím složitějším a to je nastavení analogového filtru. Budeme potřebovat signální generátor v pásmu kde budeme přijímat požadovanou stanici a analyzátor signálu. Jako signální generátor se nejlépe hodí "wobler" (rozmítaný generátor), pak lze místo analyzátoru použít osciloskop. Toto vybavení však většina z nás doma nemá a tak si lze pomoci počítačem se zvukovou kartou. V případě, že budeme filtr nastavovat na propustnost zhruba okolo kmitočtu 21 kHz a nižším, postačí obyčejná zvuková karta se vzorkovací frekvencí 44 kHz, kterou jsou počítače běžně vybaveny. V případě, že budeme chtít pracovat s kmitočty vyššímy, nezbyde než si pořídit kvalitnější zvukovou kartu schopnou digitalizovat signál vzorkovacím kmitočtem 96 kHz, která nám umožní jít s frekvenčním rozsahem až do cca 48 kHz. Nyní si musíme ještě do počítače nainstalovat freewarový prográmek SpektrumLab, který nám poslouží jako generátor signálu a zároveň jako frekvenční analyzátor.

Nejprve odstraníme zkratovací propojky JP1 a JP2, čímž izolujeme část obvodu s aktivním bandpass filtrem MAX 275. Poté připojíme výstup zvukové karty (audio out) případně výstup z generátoru kmitočtu na testovací kolík TP_TUNNING_IN a vstup do zvukové karty (audio in) připojíme na testovací kolík TP_FREQA. Nyní sledujeme pík signálu ve frekvenční doméně na obrazovce programu SpektrumLab a otáčíme trimrem R100 dokud maximum píku bandpass filtru neleží na požadované frekvenci. Máme-li nastaven trimr R100, přepojíme vstup zvukové karty na testovací kolík TP_TUNNING_OUT a otáčením trimru R200, stejně jako v minulém případ, opět nastavíme maximum píku na frekvenci námi zvoleného vysílače. Tímto je provedeno nastavení filtru a může se přejít k nastavení zesílení. Ještě před tím je však třeba vrátit zpět propojky JP1 a JP2

Zesílení předzesilovače je nastavováno víceotáčkovým trimrem R7. Nastavení koncového zesilovače je realizováno skokově ve třech stupních (zesílení 1x, 5x, 10x), zkratováním příslušného jumperu. Zesílení se nastavuje u přijímače s připojenou anténou a nejvhodnější doba je okolo poledne, kdy je signál vysílače nejsilnější, takže lze velmi snadno nastavit horní hranici napětí na výstupu. Při použití zabudovaného AD převodníku MAX 187 je horní měřitelná hrance napětí při 12-bitové kvantizaci a kvantizačním kroku 100 mV rovna 4,096 V, nad tímto napětím je již překročen rozsah měření. Výstupní napětí je tedy vhodné okolo poledne (slunečního času) nastavit na hodnotu cca 2.5 - 3V, aby zbyl ještě prostor pro záznam případné SID. Je vhodné signál zesílit předzesilovačem méně, protože si tím nebudeme zesilovat i nežádoucí rušení. Po průchodu aktivním filtrem již zesilujeme užitečný signál a proto může být zesílení koncovým zesilovačem vyšší. Takže na hrubo je dobré nastavit zesílení na koncovém zesilovači zkratováním jednoho ze tří jumperů (JP3, JP4 nebo JP5) a trimrem R7 (RF_GAIN_ADJUST) na předzesilovači nastavit výstupní napětí na požadovanou hodnotu. V našem případě tedy někde okolo 2.5 - 3V. Zesílení je většinou nutné ještě mírně doladit během zkušebního provozu na základě chování signálu během dne, tak aby byl dobře využit celý dynamický rozsah a signál nebyl na horní hranici ořezán.

Anténa

Výroba antény

Nejběžněji používaným typem antény pro sledování SID je zřejmě rámová anténa. Je to zejména proto, že vyniká poměrně dobrým činitelem jakosti, slušnou směrovostí a navíc je poměrně kompaktní. V hustě obydlených oblastech je výhodou i to, že přijímá magnetickou složku elektromagnetického pole, takže značně eliminuje množství balastního signálu pocházejícího z elektromagnetického smogu (zejména jiskření), kde převládá složka elektrická. Vzhledem k délce elektromagnetické vlny nekolik kilometrů v pásmu VDV je v podstatě "každá anténa malá", takže čím větší plochu nebo větší počet závitů rámové antény zvolíme tím lépe, protože citlivost antény je dána její efektivní plochou, která se vypočítá dle vztahu Ae=N*A, kde A je plocha antény a N je počet závitů. Z praktického hlediska je však lepší zvětšit spíše plochu než počet závitů, protože s jejich rostoucím počtem roste i ztrátový odpor a snižuje se Q - jakost antény.

Pro odzkoušení zapojení a zkušební provoz jsem použil rámovou anténu s délkou ramene 70 cm a s 50 závity smaltovného měděného vodiče o průměru 0,3 mm. Použití smaltovaného drátu vzhledem k poměrně velkému ztrátovému činiteli tg d nebylo nejšťastnější, ale nic jiného s dostatečnou délkou jsem momentálně neměl po ruce. Pro další provoz je v plánu výroba antény s dvojnásobnou délkou ramen (140-150 cm) a stejným počtem závitů. Ke konstrukci byly použit dva dřevěné hranolky 20x20*700 mm spojené do kříže a na koncích ramen rozšířené o další hranolek pro snadnější navinutí vodiče (viz. obrázek). Vodič byl vinut stylem závit vedle závitu. Při tomto způsobu vinutí je nutné nechávat mezi jednotlivými závity větší mezery (0,5-1 mm) kvůli parazitním kapacitám. V případě vynutí většího počtu závitu je lepší navinout vodič "nadivoko" křížem nepravidelně přes sebe, ušetří se tím místo a vliv parazitních kapacit při tomto stylu vinutí je také menší.

Nastavení antény

Nyní nastane stěžejní okamžik, musíme se rozhodnout jaký vysílač budeme přijímat a podle toho vybrat kapacitu kondenzátoru, který bude připojem paralelně k vinutí antény tak, aby byla pro vybraný kmitočet splněna rezonanční podmínka. Dole je uveden vztah pro výpočet rezonanční frekvence.

Dále popíšu, jak lze s minimálním vybavením zjistit přibližnou indukčnost rámové antény v případě, že nemáme možnost indukčnost měřit přímo. K měření bude potřeba generátor sinusového průběhu do 25-30 kHz, milivoltmetr s VF sondou nebo osciloskop a pomocná cívka s cca 20 závity smaltovaného vodiče s průměrem okolo 0,2-0,5 mm navinutého na průměr asi 20 cm (na rozměrech a použitém vodiči příliš nezáleží) a svitkový kondenzátor s hodnotou v rozmezí 1-33 nF se známou kapacitou.

• K anténě (70x70 cm, 50 záv. 0,3 CuL) připojíme paralelně kondenzátor, jehož kapacitu zvolíme někde v rozsahu cca 1 - 33 nF. Jeho hodnota není kritická, je však nutné znát jeho kapacitu.
• Ke generátoru kmitočtu připojíme pomocnou cívku a s generátorem ji umístíme několik metrů od stabilně umístěné rámové antény, tak aby indukčnost antény nebyla cívkou ovlivněna. V okolí antény by také při měření neměly být kovové předměty, též z důvodu ovlivnění její indukčnosti.
• K rámové anténě připojíme osciloskop nebo milivoltmetr s vf sondu a zapneme generátor. Změna napětí na výstupu generátoru (pomocné cívce) by měla být vidět i na osciloskopu nebo voltmetru připojeném k anténě. Jedná se však o velmi nízké hodnoty napětí pohybující se v řádech milivoltů.
• Nyní rámovou anténou otáčíme tak, abychom při pevně nastaveném kmitočtu a výstupním napětí generátoru získali maximální napětí na rámové anténě. V poloze s maximem ji zafixujeme.
• V následujícím kroku budeme postupně měnit kmitočet generátoru a sledovat výchylku voltmetru (případně velikost signálu na osciloskopu), než dosáhneme maxima, po kterém zase začne napětí klesat. Frekvence při níž bylo dosaženo maximální výchylky odpovídá rezonanční frekvenci rámové antény s připojeným kondenzátorem (paralelní LC obvod).
  
• Teď když známe rezonanční frekvenci antény a kapacitu paralelního kondenzátoru, můžeme vypočítat indukčnost cívky pomocí vztahu uvedeného vpravo. Hodnotu indukčnosti musíme brát jako přibližnou vzhledem k jednoduchosti použité metody měření.

Nyní máme anténu ve stavu, kdy je naladěna na nějaký obecný rezonanční kmitočet daný kapacitou pokusně zvoleného paralelního kondenzátoru a vlastní indukčností antény. My však zpravidla budeme potřebovat jiný rezonanční kmitočet, který bude dán frekvencí vysílače, na který se chceme naladit. Toho dosáhneme tak, že kondenzátor připojený pro účely zjištění indukčnosti antény nahradíme kondenzátorem jehož kapacitu vypočítáme ze vztahu uvedeného vpravo, do něhož dosadíme indukčnost antény a za rezonanční frekvenci zvolíme frekvence vysílače.

S kapacitou kondenzátoru je třeba experimentovat. Zpravidla se požadované hodnoty dosáhne teprve paralelní kombinací několika kondenzátorů s kapacitami ležícími v řadách E6 nebo E12, které lze běžně koupit. Při každé změně kapacity se nová hodnota rezonančního kmitočtu zjistí stejným způsobem, jako při zjišťování indukčnosti antény. Kondenzátory je vhodné použít takové, které mají malý teplotní drift. Hodí se například svitkové, zcela nevhodné jsou keramické. Při instalaci antény by také kondenzátory měly být chráněny před vlivem povětrnostních podmínek, aby nedocházelo ke změně jejich kapacity a tím ke změně rezonančního kmitočtu celé antény. Na obrázku dole je ještě pro zajímavost ukázka kmitočtové charakteristiky LC obvodu tvořeného anténou s připojeným paralelním kondenzátorem. Charakteristika byla naměřena pomocí výše popsaného vybavení.

Několik slov na závěr

V současné době se chystá spuštění zkušebního provozu stanice na jejím trvalém stanovišti v "Domě dětí a mládeže" v Hradci Králové. Součástí zkušebního provozu bude i zajištění konektivity do internetu. Celodenní záznamy by se pak měly mimo jiné objevit i na těchto stránkách. Doufám, že se tato stanice úspěšně zapojí do monitorovací sítě SID monitorů, která začíná vznikat v České republice a na Slovensku. Zde bych také chtěl poděkovat svému slovenskému kolegovi Rudolfu Šlosiarovi z Bojnice, který mi ochotně radil v začátcích, při řešení problémů s původním zapojením přijímače Gyrator II.