Great Seal Bug. Część 3: konstrukcja działającego urządzenia

To jest trzeci z cyklu czterech artykułów o pasywnym podsłuchu znalezionym w drewnianej replice Wielkiej Pieczęci Stanów Zjednoczonych, znanym jako “Great Seal Bug” albo “The Thing”. Ten cykl artykułów opisze historię, podstawę działania, próbę rekonstrukcji działającej wersji tego urządzenia, oraz próbę jego uruchomienia. Ta część zawiera opis i zdjęcia poszczególnych etapów konstrukcji.

Wedle mojej wiedzy to jest jedyna opublikowana próba stworzenia działającej kopii Great Seal Bug. Strona https://www.vintagespycraft.com/ pokazuje etapy konstrukcji pięknie wyglądającego modelu, ale głównym założeniem było stworzenie ładnego eksponatu, a nie na jego uruchomieniu (polecam obejrzeć tą stronę i tak, tamten modem to dzieło sztuki).

W roku 1945 to była super tajna, ultra nowoczesna technologia wojskowa. Jej konstrukcja i uruchomienie wymagała specjalnych meteriałów i dostępu do tajnego sprzętu. Więc pytanie czy w roku 2022 można się pokusić o rekonstrukcję, posiadająć na to amatorski budżet? Na pewno nie.

Radioamatorzy mają długą historię dokonywania rzeczy “niemożliwych”, po części z powodu własnego sprytu, a po części z powodu własnej ignorancji (po prostu nie wiedzą że czegoś się nie da zrobić). Więc przynajmniej wypada spróbować 🙂

Konstrukcja podsłuchu “Great Seal Bug” opisana jest w sciśle tajnym dokumencie FBI “Drawing and Photographs. Russian Resonant Cavity Microphone” [1] z roku 1952, który został odtajniony w roku 2019 (po 67 latach):

Spróbuję użyć większość orginalnych założeń, ale nie będę próbował robić 100% kopii. Zamiast tego użyję powszechnie dostępnych materiałów i powszechnie dostępnych narzędzi. Konstrukcja powinna być możliwie tania, nawet jeśli trzeba będzie tym kosztem pogorszyć parametry urządzenia albo wygląd (tzn na pewno będzie brzydkie). Spróbuję też udokumentować moje błędy przy uruchamianiu.

Wybór częstotliwości pracy

Orginalnie urządzenie wykonane jest na częstotliwość 1700 MHz, która była wolna w roku 1945, ale teraz w tym paśmie jest uplink GSM DCS. Nadawanie tam byłoby piractwem radiowym, ale również wielką głupotą, ponieważ operatorzy telefonii komórkowej zapłacili duże pieniądze za możliwość nadawania w tym paśmiem, więc teraz aktywnie wyszukują i zwalczają w nim zakłócenia.

Na szczęście jestem licencjonowanym krótkofalowcem (mój znak wywoławczy to SQ5BPF), więc mogę legalnie używać pasma 23cm (1240-1300 MHz) dla moich eksperymentów. To dobry wybór, zrobiłem na to pasmo już trochę sprzętu, oraz w jego zakresie działa tani odbiornik na donglu rtl-sdr.

Jakbym nie miał licencji, to najprawdopodobniej próbowałbym użyć pasm ISM 868MHz albo 2.4GHz.

Wybrałem częstotliwość 1296MHz, więc każdy wymian należy pomnożyć przez 1700/1296 = 1.3

Poniższy brzydki rysunek pokazuje wstępnie przeliczone wymiary:

Brzydki rysunek pokazujący wstępne wymiary (później zmienione)

Wybór materiałów

Konstrukcja będzie używać nisko-stratnych materiałów: miedzi i mosiądzu.

Krótkofalowcy od dawna robią filtry mikrofalowe z miedzianych zaślepek do rur. Takie filtry są tanie, proste w wykonaniu, proste w strojeniu i wybaczają wiele błędów konstrukcyjnych. Wprowadził je w roku 1988 Roman Wesołowski DJ6EP (polski znak SO3EP, ex SP3GDQ). W internecie jest wiele przykladów konstrukcji takich filtrów (poszukać frazy “pipe cap filter”), niektóre przykłady tu:

https://www.wa5vjb.com/references/CheapMicrowaveFilters.pdf

http://w1ghz.org/filter/Pipe-cap_Filters_Revisited.pdf

Oczywiście ja też użyję zaślepki do rur.

Najlepsza zaślepka jaką znalazłem to zaślepka 28,mm (na rury 1″). Te zaślepki mają wewnętrzną średnicę 28mm, zewnętrzną średnicę 30.3mm i głębokość 20mm:

Zaślepka do rur miedzianych 28mm, zewnętrzna średnica . 30.3 mm, głębokość 20mm

Niestety już na etapie projektowania pokazuje się pare problemów (ale wszystkie do obejścia):

Chcemy głębokość 22mm, a mamy tylko 20mm. Wydłużymy zaślepkę lutując na zewnętrznym obwodzie pasek z blachy mosiężnej.
Nie mamy nic co by przytrzymywalo membranę i zapewniało dobre połączenie elektryczne na całym obwodzie. Do tego wykonamy konstrukcję z dwystronnego laminatu do produkcji płytek drykowanych.
Potrzebny jest przepust dla anteny. Orginalnie był to specjalnie wykonany kawałek plastiku. A my wykonamy to z kawałka obustronnego laminatu FR4 do produkcji płytek.
Fajnie by było móc przetestować różne długości anteny. Użyjemy więc anteny teleskopowej.
Nie mamy skad wziąć ultra cienką posrebrzoną membranę. Zamiast tego użyjemy spożywczej folii aluminiowej, najtańsze wersje są bardzo cienkie. To nie jest najlepszy wybór, ale najlepszy jaki miałem (lepsza by była np cienka folia miedziana, najlepiej posrebrzona).

Przygotowanie zaślepki

Poniżej rysunek jak wywiercic otwory w zaślepce:

Po wierceniu zaślepka została wyczyszczona wełną stalową i detergentem, a potem dokładnie wypłukana wodą.

Otwór 25mm w środku został nagwintowany M3. Potem wkręciłem w niego stalową śrubę M3 z mosiężną nakrętką, nakrętka została przylutowana do zewnętrznej części zaślepki. Stalowa śrubę wykręca się po lutowaniu. Wszelki lutowanie trzeba wykonać za pomocą lutownicy dużej mocy, ja użyłem lutownicy 300W.

Mocowanie anteny jest wykonane z prostokątnego kawałka oustronnego laminatu o wymiarach 10mm x 13mm, z otworem o średnicy 2.5mm w środku. Miedź wokół otwory z jednej strony płytki jest usunięta przez płytkie nawiercenie większym wiertłem.

Otwór 2.5mm gwintujemy M3. Potem wkręcamy śrubę stalową M3 z mosiężną nakrętką i lutujemy ją do laminatu.

Mocowanie anteny lutujemy następnie do otworu z boku zaślepki. Po lutowaniu nadmiar folii miedzianej na laminacie przy nakrętce usuwamy pilnikiem. Poniżej mocowanie anteny, wraz z testowym zamocowaniem reszty elementów. Należy się upewnic za pomocą omomierza czy nie ma zwarcia pomiędzy anteną z zaślepką.

Lutujemy pasek szerokości 10mm z blachy mosiężnej grubości 0.3mm na zewnętrznej stronie zaślepki, tak aby wewnętrzna głębokość była równa 22mm (czyli 2mm więcej, ponieważ wewnętrzna głębokość zaślepki to 20mm). Pasek mosiężny ma prostokątne wycięcie, tak żeby nie zawadzał o mocowanie anteny. Powierzchnia pod mosiężnym paskiem powinna być przed lutowaniem pocynowana. Do lutowanianależy użyć lutownicy dużej mocy.

Nadmiar paska należy odciąć i wygładzić za pomocą pilnika, tak aby zewnętrzny obwód był kołem.

Następnie należy wykonać mocowanie membrany za pomocą dwóch prostokątnych kawałków laminatu dwustronnego, z otworami o średnicy 3,5mm, 5.5mm od krawędzi i dużym otworem 32mm pośrodku. Obydwie części powinny dokładnie do siebie pasować:

Następnie należy zainstalować zaślepkę w dużym otworze, tak żeby pasek mosiężny wystawał trochę ponad laminat (około 0.5-1mm). Potem należy przylutować mosiądz do miedzi na laminacie.

Należy przygotować dwa krążki z blachy mosiężnej o średnicy około 8-9mm i przylutować je do mosiężnych nakrętek M3:

krążek mosiężny o średnicy 8.5mm przylutowany do nakrętki M3

Należy przylutować antenę teleskopową do mosiężnej śruby M3 o długości 40mm. Dokładna metoda będzie zależeć od posiadanej anteny, ja użyłem “przejściówki” w kawałka paska blachy mosiężnej wokół anteny i łba śruby.

Na tym etapie wszystkie części są gotowe. Trzeba usunąć nadmiar cyny za pomocą pilnika. Potem należy wszystko wyczyścić za pomocą wełny stalowej z detergenter, po czym umyć wszystko dokładnie wodą i potem spirytusem. Jeśli planujemy srebrzenie wewnętrznej części zaślepki, śrub i krążków mosiężnych, to można to zrobić na tym etapie. (a potem znów przemyć wodą i spirytusem).

Śruba do strojenia to mosiężna śruba M3 o długości 45mm. Zainstalowałem na niej dwie podkładki, sprężynę do długopisu i pare nakrętek na końcu.

Na nakrętkach na końcu można zamontować gałkę od potencjometru (wersja na wałek 6mm):

Złożony Great Seal bug assembled, z gałką

Należy złożyć wszystko w środku:

Teraz trzeba założyć membranę. Użyłem taniej folii aluminiowej spożywczej (zwykle im tańsza folia tym cieńsza), zamontowaną bardziej srebrną stroną do zaślepki. Trzeba zainstalować folię jak najrówniej się dam. Potem należy zamontować na folii drugi kawałek laminatu i skręcić śrubami M3.