ATU Magnetic Loop di IW2IOL Dario

Per problemi di spazio e di condominio utilizzo una antenna loop magnetica piazzata sul balcone di casa.
E' ovviamente una antenna di 'ripiego' che comunque mi permette di essere attivo in HF dai 40 ai 15 metri.

Il loop è fatto con un tubo di rame di 4.5cm con un diametro di circa un metro. Il condensatore di accordo è un variabile sotto vuoto da 10pf a 500pf che copre questo intervallo di capacità in venti giri. Il condensatore è collegato ad un motorino elettrico da 12v con riduzione.

In passato, c'era anche un potenziometro multigiri in 'parallelo' all'albero del condensatore variabile che veniva utilizzato per conoscere la posizionde del condensatore e di conseguenza la frequenza su cuil la loop era accordata. Infine un circuitino basato su di un 555 controllava il motore in PWM per poter variare la velocità dello stesso. Ho usato questa configurazione per qualche anno senza grossi problemi.

Le loop, come si sà, hanno una banda passante molto stretta una volta accordate su di una frequenza specifica a causa del loro Q elevato (se ben costruite e con poche perdite tra le giunzioni). E' necessario muovere l'accordo dell'antenna continuamente se si vuole spazzolare un po una banda o cambiarla.

Nella pratica con la configurazione precedente questa cosa veniva fatta premendo e rilasciando dei tasti più volte
fino a raggiungere l'accordo.

Ad un certo punto dela storia mi sono chiesto perchè non provare a fare qualche cosa che mi permetta di sintonizzare la loop in un modo piu 'elegante'. In internet ci sono varie realizzazioni di ATU che si accordano piu o meno automaticamente. Volevo realizzare qualche cosa che mi permettesse di non mandare la radio in trasmissione per effettuare l'accordo, e non usare sensori meccanici (tipo potenziometro) per conoscere la frequenza di accordo della antenna. Inoltre volevo qualche cosa che si potesse adattare senza modifiche ad altre antenna di questo tipo.

L'idea, 'diversa dal solito' mi è venuto leggendo qualche informazione sul gruppo yahoo che riguarda il miniVNA di IW3HEV. Lo trovate a questo indirizzo: http://groups.yahoo.com/neo/groups/analyzer_iw3hev/info

Un VNA (acronimo di Vector Network Analyzer) viene generalmente usato per ricavere varie informazioni che riguardano una antenna o circuiti RF; dunque, è utilizzabile anche per conoscere su quale frequenza è accordata una antenna
Scopiazzando l'idea originale del mini-VNA, ho messo insieme un circuitino basato su di un dsPIC + DDS (AD9850) + AD8302.

Questo è lo schema a blocchi (alla fine dell'articolo è disponibile una versione in PDF ad alta risoluzione):

fig. 1 - schema a blocchi

L'AD8302 è un integrato che misura fase e ampiezza tra due segnali in input. I segnali in input sono prelevati da un "directional coupler" costruito attorno ad un nucleo di ferrite binoculare della Amidon. Viste le frequenze in gioco che arrivano al massimo a 30 MHz un "coupler" costruito in questo modo è più sufficiente per lo scopo che ci si propone. Nel gruppo yahoo del mini-VNA, trovate lo schema del circuito costruito attorno al AD8302 e i dettagli per la costruzione del directional coupler sul binocolo della Amidon.

Il DDS è una basetta cinese con AD9850 comperata in eBay per qualche euro. Pensando a quanto si vuole realizzare, il segnale in uscita è buono ed utillizzabile per le frequenze in gioco (0-30Mhz).. Strada facendo, mi sono chiesto se l'ampiezza del segnale in uscita dal DDS fosse sufficiente. Probabilmente usando cavi di antenna molto lunghi e/o antenna collocata in un luogo "influenzabile" da cause esterne (ad esempio stazioni vicine) può essere necessario un amplificatorino per alzare il segnale del DDS. (non ho approfondito la cosa).

Il microprocessore è un dsPIC33 ma può essere usato un qualsiasi altro microcontrollore, o schede tipo Arduino o simili.
Ho usato un dsPIC33fj128mc802 del quale avevo qualche esemplare in casa, che ha un numero sufficiente di pin di I/O e A/D.

Il display LCD è un normalissimo lcd da 2 righe di 16 caratteri. Il tastierino numerico, ha 4 righe di tasti disposti su 3 colonne (numeri da 0 a 9 più asterisco e cancelletto).

Il circuito funziona in pratica come un VNA, a cui sono stati aggiungi dei componenti per poter controllare la velocità e la direzione del motore ed un relays per connettere l'antenna al ATU o alla radio.

Lo schema elettrico completo (alla fine dell'articolo è disponibile una versione in PDF ad alta risoluzione):

fig.2 - schema elettrico

Quando viene acceso, il programma contenuto nel microprocessore, calcola la frequenza su cui è accordata l'antenna. Sul display compare l'indicazione della frequenza di accordo attuale e il livello di stazionarie misurato. Quando viene richiesto un nuovo accordo (su di un'altra frequenza), il programa aziona il motore controllando  continuamente velocità e direzione dello stesso fino al raggiungimento dell'accordo desiderato. Il display indica quando il nuovo accordo è stato raggiunto e mostra frequenza e livello delle stazionarie.

Ho caricato un video che mostra il funzionamento http://www.youtube.com/watch?v=v2ekuXS4jKI

A grandi linee il programma eseguito dal microprocessore fa queste cose:

1. All'accensione, calcola la frequenza attuale sulla quale è accordata l'antenna.
2. Quando viene richiesto un nuovo accordo, digitando la frequenza sul tastierino, viene calcolata la "distanza" tra la frequenza attuale e quella desiderata e impostate direzione e velocità del motore.
   La velocità del motore è controllata con una modulazione di tipo PWM.
3. L'antenna viene commutata verso l' ATU.
4. Il motore viene attivato per qualche istante (millisecondi) e viene ricalcolata la frequenza sulla quale è accordata l'antenna. Se ho raggiunto la frequenza desiderate ho finito..
   Viene ricalcolata la distanza tra frequenza attuale e quella desiderata. Sulla base della distanza, viene ricalcolata la velocità del motore e il tempo della sua attivazione. Ripeto continuamante il passo 4 fino a quando ho raggiunto l'accordo.
5. Quando l'accordo è stato raggiunto, commuto l'antenna verso il RTX. Il display mostra la nuova frequenza di accordo e il livello di stazionarie misurato per questa frequenza.

Durante la prima attivazione del circuito, è necessario fornire al programma alcuni dati:

• Frequenza minima e massima utilizzabile per l'accordo.
  Il programma utilizza queste informazioni come "fine corsa" per evitare che il variabile vada fuori giri. Inoltre questa informazione è usata per validare la frequenze di accordo digitata; la stessa deve rientrare in questi limiti.
• Tempo di attivazione del motore.
  E' il tempo durante il quale il motore viene alimentato (vedi passo 4). E' calcolato in unità di tempo di circa 400 ms (modificabile via sw).
• Linearità del condensatore variabile utilizzato vs la frequenza di accordo.
  E' una cosa che il programma fà automaticamente durante la prima attivazione. Per ogni giro del condensatore (variazione della capacità) non corrisponde una modifica lineare della frequenza di accordo. Voglio dire, per variare la frequenza di accordo di 1 MHz (ad esempio), possono essere necessari uno o piu giri del condensatore. Piu giri per le frequenze piu basse, meno giri per le frequenze piu alte.

L'ATU è in funzione da circa un anno e non ha dato grossi problemi (uso max 30 W in trasmissione).

Uno degli obiettivi che mi ero proposto era quello di costruire qualche cosa di universale, adattabile ad ogn tipo di antenna loop magnetica. La pratica però mostra che ci sono una serie di parametri che non lo permettono senza la modifica del SW.

Il programma è stato "costruito" attorno al HW (condensatore + motoriduttore) che ho in uso. I condensatori, in base alla loro tipologia e alla loro costruzione, possono richiedere un numero di giri che va da 1 (o meno di uno) a 20 (esempio di variabile sotto vuoto) per variare la loro capacità. Il programma prevede una certa "adattabilità" ma non ho avuto occasione di provare l'ATU con altre configurazioni.

Il motore e la riduzione possono avere dei giochi, ritardi e non linearità nel movimento duvuti anche alla tipologia del condensatore usato. Ho notato che il condensatore variabile sotto vuoto per essere mosso richiede una forza (coppia) che varia in base alla posizione delle armature che lo compongono e la direzione della rotazione. E' più "morbido" quando il meccanismo che muove le armature si svita e diventa più "duro" quando si avvitata. Il motore, soprattutto in partenza, soffre un pò di queste differenze della coppia necessaria a muovore riduttore e di conseguenza il condensatore..

Sebbene la realizzazione per i motivi esposti sopra non è replicabile facilmente, pubblico queste righe per dare qualche spunto ad altri che vogliano realizzare qualche cosa si simile..

A seguire alcune foto della mia realizzazione.

73 de IW2IOL Dario