Prosty sprzęt treningowy ARS

W poprzednich odcinkach dotyczących Eksperymentalnych Konstrukcji Radiowych zajmowaliśmy się najprostszymi urządzeniami nadawczo-odbiorczymi początkującego krótkofalowca. W tym miesiącu zajmiemy się najprostszymi układami niezbędnymi do wykrywania ukrytego nadajnika radiowego.

Opisany poniżej sposób wykonania prostego sprzętu treningowego (przystosowanie nadajnika i odbiornika w oparciu o poznane wcześniej klocki) do radiolokacji sportowej (ARS) powinien przyczynić się choć w niewielkim stopniu do popularyzacji, szczególnie wśród młodzieży, tej ciekawej dyscypliny sportowej.

Co to jest ARS?
Amatorska radiolokacja czy radioorientacja sportowa, nazywana potocznie "łowami na lisa", polega na odnajdywaniu ukrytych w terenie nadajników radiowych. Jest to oficjalna dziedzina sportu krótkofalarskiego o zasięgu międzynarodowym. Ten sport jest połączeniem klasycznego biegu na orientację i namierzania radiowego miniaturowych nadajników KF w paśmie 3,5MHz (lub UKF w paśmie 144MHz). Zawodnicy otrzymują na starcie mapę rejonu zawodów (kolorowaną według stopnia trudności pokonywania terenu) i posługując się odbiornikami z antenami kierunkowymi, mają za zadanie odnaleźć ukryte w terenie "lisy". Operacja sprowadza się do namierzenia za pomocą odbiorników pracujących w cyklach pięciominutowych 5 nadajników, potem należy nanieść ich przybliżoną lokalizację na mapę, przyjąć optymalną trasę biegu i dotrzeć do każdego z nadajników, aby uzyskać potwierdzenie na karcie startowej.
W zależności od kategorii wiekowej optymalnie wybrana trasa wynosi przeciętnie 6 10km, a na jej pokonanie zawodnik ma z reguły 2 godziny. Jeżeli wziąć pod uwagę utrudnienia w postaci nierówności terenowych oraz drzew czy krzewów oraz konieczność dokonywania namiarów kontrolnych ten limit czasu nie jest wygórowany. O wyniku końcowym, oprócz kolejności na mecie, decyduje liczba potwierdzonych punktów kontrolnych oraz czas biegu.
Aby zorganizować takie zawody np. w szkolnej drużynie harcerskiej czy przeprowadzać treningi przed prawdziwymi zawodami radioorientacji, jest potrzebny odpowiedni sprzęt. Sprzęt wyczynowy dzieli się na podstawowy (automatyczne nadajniki, odbiorniki, mapy sportowe, kompasy) oraz pomocniczy (pryzmy, mapniki, zegary-stopery, urządzenia rejestrujące).
Oczywiście na początek, aby zademonstrować np. młodzieży sposób namierzania lisa, wystarczą proste nadajniki nazywane często "mikromajakami" i zaadaptowane odbiorniki nasłuchowe.
Nadajnik (lis)
Prawdziwe nadajniki w zawodach mają możliwość automatycznego generowania sygnałów telegraficznych w kodzie alfabetu Morse'a: MOE, MOI, MOS, MOH, MO5 w paśmie 80m (2m). Moc wyjściowa tych urządzeń jest rzędu 3W na FK i ok. 0,5W na UKF.
Na treningach, szczególnie w początkowym okresie szkolenia, są stosowane tak zwane mikromajaki, czyli automatyczne nadajniki radiowe małej mocy pracujące na jednej z częstotliwości pasma krótkofalarskiego 80m (3,5-3,65MHz), generujące sygnał radiowy.
Również do naszych celów wystarczy najprostszy zestaw klocków składający się z mininadajnika CW z dorobionym układem kluczowania fali nośnej, w skład którego wchodzi multiwibrator (generator impulsów prostokątnych).
Kompletny schemat proponowanego mininadajnika przedstawiono na rysunku 1. W jego skład wchodzi część nadawcza minitransceivera CW opisywanego w EKR 3 (ŚR 6/04).
Sercem urządzenia jest generator w.cz. na tranzystorze T1 sterowany rezonatorem kwarcowym 3580kHz, dający na wyjściu układu napięcie około 2V.
Po generatorze znajduje się separator w postaci wtórnika emiterowego T2 (takiego samego układu, jak w przypadku generatora z pominięciem dzielnika pojemnościowego), który nie wzmacnia sygnału, a jego zasadniczą właściwością jest duża impedancja wejściowa i niska wyjściowa. Te właściwości układu są tutaj korzystne z punktu widzenia separacji generatora od wzmacniacza nadajnika, co wpływa korzystnie na stabilność częstotliwości generatora i jakość kluczowania.
Sygnał z separatora jest wzmacniany w układzie transformatorowym z wykorzystaniem tranzystora T3 średniej mocy typu BC211 (można użyć łatwiej dostępnego tranzystora BD136). Rezystor polaryzacji bazy, włączony pomiędzy kolektor i bazę, zapewnia wstępną polaryzację bazy i niewielki prąd spoczynkowy rzędu 5mA. Na uzwojeniu wtórnym transformatora można uzyskać około 1W mocy w.cz.
Uzwojenia szerokopasmowego transformatora TR można nawinąć na rdzeniu toroidalnym RP-10 z materiału F-82 dwoma drutami jednocześnie po 5 zwojów (bifilarnie). Kluczowanie toru nadajnika odbywa się w obwodzie emitera tranzystora wyjściowego nadajnika poprzez zwieranie emitera tranzystora T3 do masy za pomocą dodatkowego tranzystora kluczującego T4.
Baza tego tranzystora jest sterowana z wyjścia układu multiwibratora złożonego z dwóch tranzystorów T5 i T6. Chyba nie ma potrzeby szerszego opisywania działania tego układu, który wytwarza (dzięki naprzemiennemu przechodzeniu tranzystorów T5 i T6 w stan nasycenia oraz blokowania) prostokątne przebiegi o częstotliwościach uzależnionych głównie od wartości kondensatorów elektrolitycznych. Wysoki poziom logiczny na wyjściu układu multiwibratora powoduje przejście w stan nasycenia tranzystora T4 i w konsekwencji zwarcie emitera tranzystora T3 do masy, czyli wygenerowanie fali nośnej.
Żarówka rowerowa 6V/0,6W dołączona do wyjścia układu (uzwojenia wtórnego transformatora Tr) będzie zapalała się i gasła w takt pracy układu multiwibratora. Oczywiście jakość sygnału należy sprawdzić za pomocą odbiornika dostrojonego do częstotliwości pracy nadajnika.
Jako obudowę tak powstałego nadajnika ("lisa") można wykorzystać każdą dostępną obudowę (najlepiej z wbudowanym pojemnikiem na akumulatorki lub baterie, np. po wysłużonych radiotelefonach Tukan).
Na ściance obudowy należy zamontować gniazdo do podłączenia anteny (np. US1 lub BNC) oraz wyłącznik zasilania, ewentualnie wyprowadzić podwójny przewód do podłączenia zewnętrznego akumulatora (w ostateczności można użyć 3 baterii płaskich 4,5V połączone szeregowo).
Warunkiem poprawnej pracy układu jest antena pionowa (zapewniająca dookólną charakterystykę promieniowania), przeznaczona do pracy w paśmie 80m.
Na rysunku jest pokazana konstrukcja skróconej ćwierćfalowej anteny na pasmo 3,5MHz. Antena taka powinna współpracować z uziemieniem uzyskanym np. z wbitym w wilgotną ziemię metalowym prętem, zaś w terenie piaszczystym - poprzez rozciągnięcie trzech lub czterech promieniście rozłożone przeciwwag. Oczywiście zarówno nadajnik, antena, jak i przeciwwagi powinny być dobrze zamaskowane (przeciwwagi można przysypać liśćmi lub ściółką).
Odbiornik radiolokacyjny
Obok nadajnika, czyli "lisa", nieodzownymi urządzeniami do zabawy w ARS są odbiorniki radiolokacyjne, zwane też namiernikami. Urządzenia te muszą spełniać kilka warunków. Przede wszystkim muszą być wyposażone w anteny kierunkowe, umożliwiające lokalizację ukrytego nadajnika (typowe urządzenia nie mają takiej możliwości).
Odbiornik, którego schemat przedstawiono na rysunku 2, pracuje w paśmie 80m i umożliwia odbiór sygnałów telegraficznych; jest to odbiornik nasłuchowy KF opisany jako EKR 2 w ŚR 5/04, z tym że ze specjalnie dobudowaną anteną.
Dla Czytelników stykających się pierwszy raz z takim odbiornikiem należy zaznaczyć, że jego działanie jest oparte o bezpośrednią przemianę częstotliwości (brak układu p.cz., a po mieszaczu jest wydzielany od razu sygnał małej częstotliwości).
Mieszacz (detektor) na wejściu takiego odbiornika jest sterowany wejściowym sygnałem z anteny i sygnałem z generatora przestrajanego, pracującego bardzo blisko częstotliwości odbieranej. W efekcie na wyjściu mieszacza, pośród innych produktów przemiany, występuje również różnica obu doprowadzonych częstotliwości, leżąca w paśmie akustycznym.
Na wejściu układu znajduje się najprostszy filtr pasmowy (środkowoprzepustowy), składający się z dwóch obwodów równoległych LC, sprzężonych kondensatorem.
Wyselekcjonowany sygnał w paśmie 80m jest podany na wzmacniacz w.cz. OE pracujący w klasie A, którego wzmocnienie wynosi około 20dB. Jego obecność jest tutaj niezbędna ze względu na niski poziom sygnału z anteny, a w zasadzie - zespołu anten. Następnie sygnał jest mieszany z sygnałem generatora (heterodyny), w rezultacie otrzymuje się różnicę tych częstotliwości.
Układ generatora, zbliżony do układu nadajnika, pracuje na dwóch tranzystorach, przy czym pierwszy tranzystor tworzy właściwy układ generatora VXO, drugi zaś jest separatorem. Przy zastosowaniu rezonatora ceramicznego o częstotliwości 3,58MHz uzyska się zakres przestrajania 100kHz, a więc możliwość odbioru nawet kilku lisów usytuowanych w zakresie 3,5-3,6MHz.
Szerokopasmowy detektor pracuje w układzie dwudiodowym zrównoważonym. Przy zachowaniu symetrii uzwojeń i identycznych diod, układ nie zawiera w sygnale wyjściowym napięcia o częstotliwościach doprowadzonych sygnałów (na jego wyjściu nie występują także parzyste harmoniczne ich kombinacje).
Przykładowo, przy częstotliwości generatora nadajnika 3580kHz, aby odebrać sygnały telegraficzne nadawane przez lisa, częstotliwość generatora odbiornika musi wynosić około 3581kHz lub 3579kHz, bo tylko wtedy powstaną dudnienia o częstotliwości 1kHz. W praktyce VXO ustawia się pokrętłem na najbardziej czytelny sygnał akustyczny.
Selektywność odbiornika jest uzależniona od charakterystyki filtru m.cz. włączonego po detektorze. W przypadku trudności z nabyciem dławików Dł1 (Dł2) można w ich miejsce wstawić rezystory po 1kW.
Do wyjścia trzystopniowego wzmacniacza m.cz., złożonego trzech układów OE, można w zasadzie podłączyć dowolne posiadane słuchawki. Najlepsze będą tutaj starszego typu słuchawki wysokoomowe, wojskowe (elektromagnetyczne, o impedancji 2k), lecz dobre będą również łatwo dostępne słuchawki miniaturowe, stereofoniczne słuchawki magnetoelektryczne przeznaczone do komunikacji multimedialnej (należy je tak podłączyć, aby cewki były zasilane szeregowo, czyli uzyskać większą impedancja wejściową, np. 64W).
Teraz kilka słów wyjaśnienia na temat układu antenowego odbiornika (zespołu anteny ferrytowej i dołączanej prętowej). Charakterystyka anteny ferrytowej, reagującej na składową magnetyczną pola elektromagnetycznego, ma kształt ósemki (podobnie jak dipol). Występują na niej dwa identyczne minima, na podstawie których zawodnik wyciąga wnioski co do kierunku położenia nadajnika, lecz nie może określić, czy znajduje się on z przodu, czy z tyłu. Dopiero dołączenie dodatkowej anteny pionowej-teleskopowej, reagującej na składową elektryczną pola elektromagnetycznego, o charakterystyce dookólnej, powoduje, że wypadkowa charakterystyka przybiera kształt kardioidy (rys. 3). Taki kształt można wytłumaczyć tym, że sygnały z anteny ramowej oraz z anteny prętowej różnią się fazą, raz dodając się, a drugi raz odejmując. Do załączenia anteny teleskopowej służy właśnie wcześniej wymieniony wyłącznik lub przycisk.
Jeszcze dwie ważne sprawy: długość pręta ferrytowego powinna być jak największa (im większa, tym lepsza, bo większa wartość napięcia indukuje się w uzwojeniu) oraz ekranowanie anteny przed wystąpieniem tak zwanego efektu antenowego. Zewnętrzna (uziemiona) rurka duraluminiowa lub inny ekran, np. ze zwiniętej folii aluminiowej ze szczeliną zapobiegającą tworzenie zwartego zwoju, ma za zadanie odprowadzenie napięcia wywołanego przez składową elektryczną pola, a jednocześnie usztywnia konstrukcję cewki anteny.
Układ odbiornika można zmontować w obudowie np. po radiotelefonie Tukan lub wykonać we własnym zakresie. Najodpowiedniejsza byłaby obudowa specjalnie ukształtowana do ręki osoby polującej na lisa.
Na zakończenie wypada zaznaczyć, że opisane powyżej układy, pomimo swojej prostoty, szczególnie po wykorzystaniu kilku nadajników z różnymi wartościami kondensatorów w multiwibratorach oraz różnymi wartościami rezonatorów kwarcowych (3,5-3,6MHz), umożliwiają rozegranie w terenie minizawodów ARS.
Prosimy, napiszcie do redakcji ŚR o imprezach, na których korzystano z EKR 5.

Pełny tekst artykułu na stronach magazynu