Active receiving loop antenna

PA3GZK's BREEDBAND ACTIEVE LOOP ONTVANGER ANTENNE
06-mar-2021
For English version click on flag.

Links, de loop als groen gekleurde opvallende "struik" in mijn tuin en rechts het model dat in dit artikel beschreven wordt en als proef en inmiddels permantent in PA3GZK's tuin is opgesteld.

Als men voor het ontvangen van radiosignalen geen plaats heeft voor een antenne van voldoende lengte, kan een kleine actieve antenne de oplossing zijn. Op Internet zijn daar genoeg ontwerpen over te vinden. Alleen wanneer men ook nog een systeem wenst dat in staat is om storende signalen te verminderen of te onderdrukken, dan voldoen vele publicaties daar niet aan. Dit ontwerp heeft die eigenschap wel en dat kan men beluisteren als MP3 verderop in dit artikel!

PA3GZK heeft een behoorlijk aantal actieve antennes in allerlei vormen (na)gebouwd en er uitgebreid mee geëxperimenteerd. De hier beschreven antenne gaf veruit de beste resultaten en is het resultaat van vele testen met allerlei schakelingen en systemen. Voor een goed werkende antenne en een goede symmetrie van het systeem, is het aan te bevelen om ook de mechanische constructie zoveel mogelijk te volgen.

Bij mij is de ontvangst nu veel rustiger. Op 80 m is hier veel storing van S7 tot S9. Een zender van S8 dat met veel moeite te verstaan is, wordt met deze actieve antenne ook ontvangen met S8. Omdat ruis of storing behoorlijk verminderd zijn, is het station zonder moeite te volgen. Anderen hebben ook ondervonden dat het systeem goed werkt. Iemand in Breda kon met goed fatsoen niet meer op 80 m luisteren, maar met een door PA3GZK gemaakte antenne is het weer mogelijk geworden om aan het 80 m verkeer deel te volgen.

Omdat in de praktijk de antenne goed werkte bij een stroom van 45 mA, heb ik een constante stroombron voeding gemaakt. De stroom blijft constant ondanks de lengte van de voedingskabel. Als er onverhoopt een kortsluiting in antenne of voedigskabel ontstaat, is er geen man overboord!

Het is ook mogelijk om een loop met twee windingen te verkrijgen door de afscherming van de coaxkabel als extra winding te gebruiken. Het voorgestelde schema is hiernaast getekend, maar nog niet getest. Door de twee windingen kan de diameter missschien kleiner worden.

Het voorgestelde formaat van 120 cm diameter is een in de praktijk bewezen compromis tussen het gewenste signaal en een verminderde storing. Groot: meer signaal, minder richteffect, klein: scherp richteffect en minder S punten bij het ontvangen. Verder kunnen bij een groter model meer intermodulatie producten ontstaan en een storend signaal is dan niet zo goed uit te richten is de ervaring van de ontwerper.

Mijn ervaring is dat de antenne ten minste 2 m boven het maaiveld opgesteld dient te worden.

De voorgestelde afgeschermde breedband (± 200 MHz) actieve loop antenne voor ontvangst, maakt in het algemeen het luisteren veel aangenamer door relatief minder storing. Het is bekend dat een antenne om te zenden tevens goed werkt als ontvanger antenne, alleen wordt vergeten dat ook alle stoorsignalen evenredig sterk aanwezig zijn. Daarom is PA3GZK van mening dat je eigenlijk twee antennes moet hebben: een eerste voor zenden en een tweede speciaal gemaakt voor ontvangen. Dat laatste is het meest nodig op de lagere frequentiebanden. Bij gebruik van twee gescheiden antennes heeft men een transceiver nodig met een aansluiting voor zenden en een ander voor ontvangen. Het kan ook met een tweede ontvanger dat tijdens zenden dichtgedrukt kan worden.

Met de antenne in dit artikel heeft veel minder last van fading (QSB) zoals met een dipool of andere vergelijkbare antennes. Het E veld dat in het nabije veld de meeste storing veroorzaakt, wordt zeer goed onderdrukt omdat de antenne binnen dit gebied hoofdzakelijk op het H veld reageert. Door de antenne te draaien kan men een bepaalde storing soms volledig stil krijgen zonder dat het gewenste NVIS signaal zwakker wordt. Met DX signalen is er wel een richting gevoeligheid vastgesteld. Vergeleken met een referentie antenne was met deze loop de ontvangst van hetzelfde signaal gemiddeld 1 S punt lager. Als referentie diende een klassieke Zepp antenne voor 40 en 80 meter op ongeveer 20 meter hoogte, terwijl de loop op een paal van 2 meter stond. De signaal ruis of signaal storing verhouding is met de loop veel beter en dat kan men beluisteren met de MP3 bestanden in dit artikel.

Het is gebleken dat gebladerte dat tegen de antenne aanleunt, geen merkbare negatieve invloed heeft op de werking, zodat bij voorbeeld ophangen of camoufleren in een boom geen probleem is.

De antenne is gebouwd met 15 mm buis van zacht koper en is ontworpen als afgeschermde symmetrische loop. Dat werd gedaan om de storende invloed van omringende geleidende objecten, zoals bij voorbeeld bomen, schuttingen en afrasteringen, zoveel mogelijk te minimaliseren. Dat hebben veel amateurs met andere ontwerpen ondervonden. Tijdens testen met vorige constructies en modellen is gebleken dat een lichte verstoring van een symmetrische constructie al nadelig is voor het onderdrukken van storing.

De actieve loopantenne kan zonder probleem dichtbij een zendantenne geplaatst worden. Bij PA3GZK staat de zendantenne op 4 meter afstand van de loop, die nog steeds intact is ondanks soms 1 KW zendvermogen. Bij mij is de afstand loop en andere antennes ongeveer 12 meter. De geïntegreerde ontvanger is aan de ingang gescheiden voor gelijkspanning en beveiligd voor signalen groter dan 0.6 volt.

PA3GZK deed de test met een Kenwood TS-480 afgestemd op de 80 meter band en het de storende boerenbedrijf was op ongeveer op 500 meter afstand. Er wordt in de opname geschakeld tussen een 40 meter Zepp antenne of een magnetische loopantenne met een diameter van 3.7 meter. De actieve loopantenne werd zodanig gedraaid dat het stoorsignaal onderdrukt werd.

Geluisterd werd de eerste 10 seconden met de Zepp, vervolgens 10 seconden de grote magnetische loop, dan weer 10 sec. Zepp, dan 10 sec. actieve loop, dan weer 10 sec. Zepp en als laatste actieve loop. Klik op MP3-1.

In de volgend test hoort men het verschil tussen een de ZEPP en de actieve antenne. Er wordt steeds tussen beide antennes geschakeld. Klik op MP3-2.

Bij deze test hoort u het verschil als de actieve loop van en naar een sterk storende bron op ongeveer 500 meter afstand wordt gedraaid. Klik op MP3-3.

Het IC INA-02186 is inmiddels "vintage" geworden en meerdere lezers mailen dat er modernere types zijn. Echter PA3GZK heeft ondervonden dat de opvolgers toch niet zo goed bestand tegen oversturing zijn.
Het IC wordt nog steeds via eBay aangeboden.

Dave Bunyan vond op eBay een kant-en-klare versterkerprint en toen hij de foto's van de MMIC op ons printje nauwkeurig bekeek en vergeleek met de MMIC op het kant-en-klare model, bleken ze allebei hetzelfde te zijn als de MMIC met het nummer N02. Hij schreef: "De versterker/frequentie grafiek bij de eBay-advertentie is identiek aan een INA-02186 datasheet. De afgemonteerde print van 5,2 x 2,4 cm kan interessant zijn voor anderen die misschien ook de raamantenne willen proberen. Het toevoegen van de beveiligingsdiodes en de 10 pF condensator aan de ingang en de 15 pF condensator aan de uitgang is betrekkelijk eenvoudig. Voor het inschakelen van de coaxkabel zou een RF-choke tussen de Vcc en de centrale pin van de sma-connector werken - hopelijk zonder instabiliteit - en SMA-naar-F-connectoradapter voor de uitgang".

De volgende mini print kocht ik via eBay, maar is nog niet getest. De opdruk van het IC is afgevijld en is hoogstwaarschijnlijk een INA-02186.

1.When working frequency is less than 600 MHZ,it get well gain flatness, can make it less than 1 dB after careful adjustment. The lower frequency the higher gain consistency.

2.Amplifier working frequency of the lower limit is subject to input and output capacitor, the default value is 0.1 uF, working to 0.1 MHz. Increase the input and output capacitance appropriately,can extend the cut-off frequency, such as 10uF capacitance can work to 5 KHz.

3.When the power supply voltage changes in 5-8 V, it can be used as a variable gain amplifier, gain increases with the increase of the power supply voltage, which suitable for radio frequency receive front-end circuit, using DA control power supply voltage, to control the gain of the amplifier, automatic gain control

4.When the power supply voltage in the 8-10 V, the low frequency end gain up to 30 db, at this time the amplifier has a low noise coefficient and good stability.

5.When the voltage is 12 V, reach maximum gain, the low frequency end gain of 32.5 dB

Het signaal van de 2 tonengenerator was - 26 dBm (S9 + 50 dBm) op de ingang van de versterker.

Het is onwaarschijnlijk dat zo'n sterk signaal ooit door de antenne ontvangen wordt.

Het signaal van de 2 tonengenerator was - 36 dBm (S9 + 35 dBm) op de ingang van de versterker.

Men kan zien dat er een heel sterk signaal voor nodig is om de versterker te oversturen.

Behalve het IC en een PL chassisdeel kan men de rest in een reguliere bouwmarkt verkrijgen.

Voor een beetje handige knutselaar (DIY builder) zullen de volgende foto's duidelijk genoeg zijn om de antenne succesvol in elkaar te zetten. In het oorspronkelijke ontwerp werd voor de buis een dikke coaxkabel gebruikt. De huidige constructie is gemakkelijker in elkaar te zetten en de diverse mechanische componenten zijn standaard, zodat het verkrijgen ervan geen probleem mag zijn.

De 15 mm doorsnede zacht koperen buis (van een bouwmarkt) is 4 meter lang, zodat er feitelijk twee gemakkelijk te buigen stukken van 2 meter nodig zijn.

De "buiglijn" is met een krijtje en een stukje touw op de ondergrond aangebracht.

Het kunststof T stuk dat aan de standbuis aangebracht wordt, afdichten met geschikte kit zoals Polymax, zodat er geen (condens)vocht bij de versterker kan komen.

Daarmee en met de toegepaste "hardware" wordt de hele constructie lucht en waterdicht

De soepele geïsoleerde draad hoeft niet concentrisch (in het midden) van de buis te liggen.

De versterker en de fantoom voeding zijn hier volgens de Manhattan methode gemaakt, d.w.z de soldeer eilandjes zijn gelijmde strookjes printplaat.

De versterker in de 22 mm koperen buis schuiven en aan de kant waar een uiteinde van de soepele draad van de antenne aan massa komt te zitten, de massa van de print met een flinke soldeerbout aan hetzelfde punt aan de binnenkant van de buis solderen. Het andere eind van de draad aan het eilandje van de ingang van het IC is solderen.

Soldeer beide kanten van de print aan de («fig) binnenzijde van de buis. Het beste gaat het door eerst met een geschikte soldeerbout twee stevige stukjes draad aan de buis te solderen en daarna pas de print aan de draden.

De kunststof standbuis is een afgezaagd ex militair mastdeel, dat regelmatig op vlooienmarkten of eBay aangeboden wordt.

Als het koper onbeschilderd oxideert, maak het niets uit voor de werking van de antenne.

PE1ADY maakte en 8-vormige loop en schreef onder andere: "Nog bedankt voor het ontwerp van deze loop antenne.

De breedband versterker is met SMD spul gemaakt; het is heel klein geworden en werkt super goed. Voeding met regelaar zit in een mooi kastje (spanning is iets verlaagd ). Als geschakeld wordt tussen tussen een G5RV en de actieve loop, dan wint de loop het".

De boven vermelde informatie moet voldoende zijn om het geheel zelf in elkaar te zetten. Mocht u onverhoops een probleem hebben, neem dan contact op met de ontwerper PA3GZK pa3gzk@amsat.org, maar beperk het email verkeer zoveel mogelijk. Hij krijgt nog wel eens vragen die door goed lezen van het artikel voorkomen had kunnen worden.

ERVARING NABOUWER

Hello,
Greetings from USA!
I built your antenna and I used the LNA from ebay. I didn’t follow the guide 100% because I was only able to buy 10 feet of 3/8 copper tube. But the results are amazing and it outperforms my PA0RDT miniwhip.
Thank you for your post.

I like the neat construction method that uses 15mm copper pipe and irrigation pipe tees. But I thought that this is a very simple design would benefit from a more recent type of amplifier chip. The PGA-103+ would be a good candidate to try in place of the outdated INA-02186.

Tried a quick lash up using some RG58 test leads of odd lengths that were lying around to form a loop in the shack, and it works quite well. Especially considering it's sitting amongst all the PC's and noise generators. The loop size needs optimising, but I can already get quite good nulls and the loop isn't anywhere near properly balanced. I think it would work really well outside.

The screened loop has several resonances within the required frequency range at around 4MHz, 20MHz and 40MHz which mess up the gain frequency response. It may be possible to shift these to less problematic frequencies by using an unscreened or smaller screened loop.

Another problem is that the PGA-103+ is designed for use as a wideband 'gain block' for use in 50 Ohm systems. However it's input impedance starts to rise at frequencies below 50MHz. So it's well suited for use in a 'voltage' probe E-Field antenna. But less suited for use as a 'magnetic' H-Field loop amplifier which needs to have a very low value of input impedance.

There is big mismatch between the loop impedance of low R high XC and 1K input impedance of the PGA-103+. It's possible to improve this by adding resistive damping to the PGA input, but it reduces the overall gain dramatically. I've also tried a 12.5 to 50 transformer which helps, but a lot of other equalisation would be required to get anything near an flat response curve. I suspect that this is likely to be a problem with the original design too.

Norton amplifiers have an input impedance of around 2 ohms whereas the PGA-103+ has an input impedance of around 1K ohm. So the PGA-103+ will work as a loop amplifier, but the mismatch loss means that the noise figure and gain flatness is not as good as it really needs to be for this application.

Loop amplifier designs by Chris Trask and Clifton Laboratories are good sources for further inspiration.

One further line of investigation is to use two PGA-103+'s to form a balanced amplifier. One connected at each end of the loop with their outputs combined via a 0/180 phase impedance transformer to 50 Ohms. A bit like the G8CQK simple active loop shown below.

I've also thought about putting the amp in a die-cast box and attaching the ends of the coax loop with something like 'F' or TNC connectors.

That way different size loops could be swapped as required or the loop could be easily broken down for portable / storage purposes.

Guus, een bezoeker van mijn website was daardoor aangezet om eens met een mag-loop te experimenteren. Toevallig was men bij hem in de buurt bezig met de installatie van antennes. Met een stuk gekregen groene, vrij stugge coax (220 cm, middellijn 70 cm) werd een experimentele opstelling gemaakt met een LNA (via e-Bay aangeschaft, zie bovenstaande foto). Het is geen INA-02186, maar een SMD met 6 pootjes. Er stond niets opgedrukt en er was ook geen documentatie bij. Guus testte het met een spanning van 0 tot 12 VDC en het werkte goed met 5 tot 12 volt. Voor het gemak gebruikte hij een 9 V blokbatterij waarbij de opgenomen stroom ca 45 mA was.
Het resultaat verraste hem, want met een beetje draaien van de loop kon de QRM uit huis of buurt goed weggedraaid worden. Uiteindelijk werkte het beter dan zijn mini-whip of een willekeurig stuk draad dat helaas binnen hangt. Het opstellinkje staat gewoon bovenop de ontvanger. Omdat het zo goed gaat overweegt hij om een grotere en meer definitieve opstelling te maken. Een 8-hoek (zoals PE1ADY) van waterleiding buis met een INA-02186 of equivalent versterker plus een fantoom-voedinkje. Alles kan dan naar buiten of op zolder.

Ook met de INA02186 werd het een en ander gedaan omdat er soms instabiliteit voorkwam en de versterking te hoog was.
Door een weerstand aan de ingang wordt de belasting van de antenne constanter. Een 220 Ohm weerstand in de voeding draagt bij aan de stabiliteit en de indruk bestaat dat het ruisniveau is afgenomen. Misschien oscilleerde de versterker enigzins en veroorzaakte dat de ongewenste ruis.
De combinatie 330 pF en 4.7 Ohm zorgt dat de versterking geleidelijk afneemt na 15 MHz en de weerstanden 47 en 150 Ohm brengen het niveau nog verder omlaag, maar dit is mijn keus. Wenst u een andere versterking dan kunt u dat met een 220 potmeter instellen. Het kan ook met een "gewone" verzwakker.

In het eerste schema had de 330 Ohm weerstand een waarde van 240 Ohm. Met korte coaxkabels ging het IC soms oscilleren en daarom werd de weerstand verhoogd. Ook de voedingsspanning, dat met R ingesteld kan worden, werd verlaagd naar 5,5 Volt.

Het zal duidelijk zijn dat deze voeding achterhaald is door de eenvoudiger voeding eerder in dit artikel.

Het IC heeft een hoge versterkingsfactor en een goede verbinding met massa is dan ook een eerste vereiste om genereerneigingen te voorkomen. Sommige nabouwers hadden te maken met een oscillerende versterker. Om dat te voorkomen moet ervoor gezorgd worden dat beide lippen steeds direct kontakt met elkaar hebben. Dus niet gescheiden door een gefreesd gleufje, maar gesoldeerd op hetzelfde "eilandje" of spoortje.

Het blijkt dat men het beste potmeter R afregelt op de minste ruis, dus niet op maximale S-meter aanwijzing. De signaal-ruisverhouding is dan optimaal.
Hier wordt de schakeling gevoed met 13.8 V. Als de potmeter te ver opgedraaid wordt, oscilleert het systeem en hoort men een sterke ruis. Dat houdt op met een lagere weerstand van R. Het beste resultaat bij mij wordt bereikt met een stand van R, waarbij de opgenomen stroom uit de 13.8 V voeding ongeveer 30 mA is.

Bij vorige modellen werd een kunststof doos voor de versterker gebruikt. De buitenmantel van de coaxkabel werkte als antenne voor het uitgezonden signaal en verstoorde daarmee de werking van de IC versterker.

Om dat te onderdrukken werd een (fig») choke balun (mantelstroom filter) ingebouwd. Met het hier gepresenteerde model is de smoorspoel niet nodig gebleken. Nochtans als er bij een nagebouwd exemplaar met een metalen behuizing enige instabiliteit optreedt, kan een kabelonderdrukker toegepast worden.