DAI GIGAHERTZ AI TERAHERTZ - PRIMA PARTE (IK1WVQ - K1WVQ)

La voglia di sperimentare mi ha spinto a salire di frequenza, dalle microonde (10 GigaHertz, 3 centimetri) fino ai 460 TeraHertz, pari a 652 nanometri, ovvero luce rossa.

UN  PO'  DI  STORIA

Nulla di nuovo sotto al sole. La storia della comunicazione via luce si perde nella notte dei tempi: le torri di avvistamento romane e poi medioevali segnalavano il pericolo accendendo dei fuochi notturni, le navi comunicavano tra di loro tramite proiettori modulati in codice Morse, ma per la trasmissione della voce occorre arrivare al 1880.

Il primo sistema funzionante e brevettato ("Fotofono") per trasmettere la voce via luce si deve a Graham Bell che lo dimostrò appunto il 3 giugno 1880. Il suo assistente trasmise un messaggio telefonico vocale senza fili dal tetto della Franklin School di Washington alla finestra del laboratorio di Bell, a circa 213 metri di distanza. Il "microfono" era semplicemente una lamina metallica argentata che trasferiva le vibrazioni acustiche al fascio di luce (solare) che lo colpiva, il rivelatore ottico era costituito da una fotocellula al selenio.

Notare che eravamo 26 anni prima dell'invenzione del triodo, e quindi senza possibilità di disporre di un amplificatore audio.

Per chi ne vuol sapere di più: PHOTOPHONE

Brevetto Bell, 1880

Brevetto Bell, 1880

negli anni prima della seconda guerra mondiale furono installati dei fotofoni fissi, murati nel calcestruzzo, nei forti del Vallo Alpino occidentale. 

Costruiti dalla "Cinemeccanica" di Milano, avevano una portata da 1 Km ad un massimo di 10 km.

Un esemplare è visibile al Museo del Forte Bramafam a Bardonecchia.

(clicca QUI , poi seleziona "forte Bramafan").

Supporto fotofono nel forte Bramafan. 1939

Fotofono 1939

Nel 1963 si registra il primo tentativo riuscito da parte di un gruppo di radioamatori, con un laser elio_neon allora fresco di invenzione.

Qui trovate un ottimo articolo sulla storia delle comunicazioni via luce e della teoria in merito:

LE MIE  SPERIMENTAZIONI

Chiuso il capitolo storico, veniamo al giorni presenti e ai miei (modesti) esperimenti.

Viste le attuali (2021) limitazioni agli spostamenti per via della pandemia, dopo alcuni infruttuosi tentativi con un amico OM in visibilità, mi sono organizzato piazzando un piccolo beacon (si, questa volta si tratta di un vero e proprio FARO, a luce rossa! HI!) a 14.5 km di distanza dal terrazzo del mio condominio, in modo da poter fare prove senza dovermi muovere e coinvolgere per ora altri negli spostamenti (non autorizzati).

Senza tediarvi con i dettagli tecnici, la parte emittente del beacon è composta da una matrice di 49 LED rossi ad alta luminosita' (23500 millicandele) per un totale di 1150 candele, alimentati in corrente (35mA), il tutto senza lenti di collimazione, montato dentro a una scatola stagna di plastica da eletticista, con finestrella di vetro per far uscire il fascio luminoso, che ha una apertura di 15°, non richiedendo quindi puntamenti fini, e permettendo di servire una zona sufficientemente ampia.

Questi LED sono modulati ON-OFF in modalità PWM, da un piccolo microcontrollore (Attiny85).

Beacon con 49 LED

Beacon installato

Veniamo al ricevitore, dove la sperimentazione acquista un peso fondamentale per la riuscita.

Sostanzialmente abbiamo un fotorivelatore (fotodiodo o foto_IC) collegato a un operazionale in configurazione particolare (detta "a transimpedenza" o convertitore I->V), seguito da un normale amplificatore audio integrato. (la modulazione "PWM" permette la ricezione a orecchio senza bisogno di demodulatori particolari). Nei miei esperimenti ho utilizzato il fotoIC "OPT101", facile da utilizzare, sufficientemente sensibile, reperibile su Ebay per poco più di un euro.

Sensore ottico utilizzato

Il fotorivelatore, utilizzato da solo, permette una copertura di un centinaio di metri, e quindi per andare oltre bisogna utilizzare un dispositivo ottico che permetta di concentrare la luce captata sul dispositivo, e qui c'è la parte più interessante (e nuova per noi OM) di sperimantazione: l'ottica.

Dopo alcuni infruttuosi tentativi di utilizzare binocoli vari, anche di pregevole fattura (grazie Giorgio), ho dovuto dar ragione agli OM USA che utilizzano sistemi ottici a "lente di Fresnel".

La lente di Fresnel (era un francese, quindi si legge "frenèl") è caratterizzata da uno spessore ridotto, come se una lente piano_convessa venisse "schiacciata" pur mantenendo le proprie caratteristiche.

Struttura lente di Fresnel

Costano poco e sono molto diffuse: lenti di ingrandimento tascabili formato carta di credito, dispositivi "magnifier" per lo schermo dei cellulari, fino alle enormi lenti dei fari marittimi.

La lente, di qualunque tipo, serve a raccogliere una grande quantità di luce proveniente dal TX e a focalizzarla sulla superficie sensibile del fotorivelatore. Possiamo pensarla come l'antenna ricevente delle nostre radio: più grande è, più energia cattura e quindi maggiore è il suo guadagno.

Schema ottico dell'RX

Qesta è una carrellata dei miei ricevitori sperimentali.

RX  con lente di Fresnel tipo carta di credito

RX con lente di Fresnel 26*14 cm tipo "magnifier" per cellulare

RX  con lente di Fresnel 28*28cm

ATTENZIONE! il fotorivelatore è molto sensibile anche alla luce "ambientale" presente intorno al ricevitore, per cui le mie realizzazione "open frame" vanno bene solo in ambiente totalmente buio, come il mio terrazzo. Diversamente occorre realizzare una scatola per schermare il tutto dalla luce!

E questo è il diario dei miei esperimenti attuali:

Tratta  Beacon  (14.4 km da Rollo ad  Albenga)

17 marzo 2021: prima ricezione "fuori dal laboratorio": 5.8km , RX con piccola lente fresnel formato carta di credito. Segnale debole ma perfettamente comprensibile.sia la parte bitonale che la musica.

26 marzo 2021: prima ricezione del beacon a 14.5 km. In RX lente Fresnel 26*14 cm. (ingranditore per smartphone). Serata non ottimale, molta scintillazione.    Il segnale debole ma perfettamente intelleggibile. 

7 aprile 2021: finalmente lo smartphone collabora e quindi sono riuscito a registrare audio e spettrogramma..  Sempre 14.5km , sera ventosa e aria molto pulita... 

Spettrogramma del beacon con lente da 28*28 cm

Ci sono 25dB di margine in totale, molto malcontati .. lasciandosi 7dB di s/n per avere una buona ricezione, ne restano 18 .. pari a 3 raddoppi di distanza .  14.5*2*2*2 = 116 km .. oltre occorrerà collimare anche il TX, ma questa è un'altra storia..

Clicca per ascoltare audio prima ricezione beacon

Eccovi lo schema del ricevitore che uso al momento.

Come vedete non è nulla di trascendentale e si realizza su un pezzo di millefori in un paio d'ore. L'uso del OPT101 consente di lavorare in tranquillità su segnali amplificati e a bassa impedenza!             (nella mia configurazione, R1 è da 1 Mohm, C1 da 47pF, Rgain è zero ohm, ovvero un ponticello)

 L'alimentazione è ottenuta da una pila a 9V.

schema ricevitore IK1WVQ

RX su millefori

E, da ultimo, lo schema del beacon:

ALCUNI  CONSIGLI  SPARSI  PER  COMINCIARE

- per le prime prove in laboratorio potete utilizzare un normale LED rosso connesso a un Arduino o simili senza resistenza di limitazione (la modulazione ha 50% di duty_cycle per cui non c'è rischio di bruciarlo!)  Lo si modula con la funzione "tone()" di Arduino:

// ------------------------------------------------------------

void setup(void)

{

pinMode(2, OUTPUT); // output al LED

tone(2,500);         // emette tono 500Hz su uscita 2, per sempre

}

void loop(void) {} 

// -----------------------------------------------------------

Beacon da laboratorio

- quando uscirete dal laboratorio le prime volte, usate una lente di Fresnel tipo carta di credito (in vendita nelle tabaccherie/cartolerie), questo perchè più la lente è grossa e più aumentano le difficoltà di puntamento.

- la lunghezza focale delle lenti si misura facilmente puntando contro un lampione LONTANO, e focalizzando l'immagine su un foglio di carta bianca, quindi posizionate il sensore dove il punto luminoso proiettato sul foglio è più definito.

La distanza della fonte di luce deve essere almeno 300 metri, perchè la lunghezza focale varia in funzione della distanza della fonte, se questa non è "all'infinito"..

Stò cercando di coagulare l'interesse di qualche appassionato qui nella zona di Albenga, ed abbiamo un gruppo WA per interagire tra noi. Contattatemi in privato all'indirizzo email indicato in fondo e vi passerò il link per accedere.

La prossima volta vedremo in dettaglio la circuiteria del beacon e come si modula in audio il trasmettitore.

Finisco ringraziando:

- L'amico Alessandro IW3SGT per le dritte che mi ha dato all'inizio.

- un gruppo di OM USA , tra cui KA7OEI,  nelle cui pagine web ho trovato una miriade di informazioni.

- il gruppo WA francese "Laser and optical communications" molto ricco di informazioni.

Buoni esperimenti.

73 da Mauro IK1WVQ - K1WVQ