PA3GZK's BREEDBAND ACTIEVE LOOP ONTVANGER ANTENNE

14-mei-2019
For English version click on flag.

WebSDR Weert gebruikt deze actieve loop antenne.

 

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

INLEIDING

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. Het volgende ontwerp heeft die eigenschap wel en dat kan men beluisteren als MP3 verderop in dit artikel!

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

ANDERE VOEDING

Omdat in de praktijk de antenne goed werkte bij een stroom van 30 à 40 mA, werd afgezien van een regelbaar systeem en een constante stroom voeding gemaakt. De schakeling is eenvoudiger en als er onverhoopt een kortsluiting in antenne of voedigskabel ontstaat, is er “niets” aan de hand.

ALGEMENE BESCHRIJVING

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 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. Regelmatig gebruikt hij voor zenden en ontvangen een loop van 3.8 meter diameter gemaakt van 3 cm dik koper. Daarmee is op 80 meter het resultaat evengoed als met zijn Zepp antenne en storing is ongeveer even sterk, ook als deze loop gedraaid wordt om zo de storing te verminderen. Luister naar het MP3 bestand in dit artikel.

Het is ook 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.

OPNAME MP3 BESTANDEN

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.

IC INA-02186



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".


(PA
ØFRI) Deze afwijkende print vond ik bij een andere adverteerder op eBay.

INTERMODULATIE

 Marker 1D = 3.58 MHz van 2 tonen generator 

Marker 2D = 4 MHz van 2 tonen generator 

Marker 3D = intermod signaal van 3e orde =-33 dBm 

Marker 4D = intermod signaal van 3e orde = -27 dBm 

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.

 

Marker 1D= 3.58 Mhz van 2 tonengenerator 

Marker 2D = 4 Mhz van 2 tonengenerator 

Marker 3D = intermod signaal van 3e orde = -55 dBm 

Marker 4D = intermod signaal van 3e orde = - 55 dBm 

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.

MONTAGE

 

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.

POTMETER R

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.

MECHANISCHE CONSTRUCTIE

"HARDWARE"

Zacht koper buis 15 mm lengte 4 meter. 

Messing T stuk 15×22×15 knelkoppeling. 

Messing eindkap 22 mm knelkoppeling. 

Koper buis 22 mm lengte 15 cm. 

Kunststof T stuk 15×15×15mm. 

PVC of polyester buis 32 mm lengte 160 cm. 

Trespa plaatje dik 6 mm 13×6 cm. 

RvS draadeind M6 4 moeren en ringen. 

PL chassis deel. 

Het IC INA 02-186 is te koop op eBay.com 

De datasheet is te vinden bij Alldatasheet.com

 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.

Men kan eventueel het geheel in een gewenste kleur schilderen. 

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

EMI/RFI

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. 

RFC1: Mantelstroom filter, ringkern 4C4, 14mmØ, 9 windingen dunne coax.

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.

 

 

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

Ik heb de antenne met veel plezier in elkaar gezet en het werkt heel goed!

 

 

 

 

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". 

 

PA3GZK

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.

G8JNJ

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.

Although the antenna works to a certain extent there are a few problems.

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

  
Diameter loop 70 cm. 

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.

IC7300 MET ACTIEVE ANTENNE

  

De actieve antenne oscilleerde regelmatig in combinatie met mijn huidige IC-7300. Het bleek dat ook de driepoot stabilisator een van de boosdoeners was. De instelling voor een meer stabiel gedrag was met een stroom van 30 mA en dat was voorheen ook al diverse keren vastgesteld. Daarom werd een andere voeding gemaakt waarbij de voedingsspanning voor de antenne constant is ondanks de aangeleverde spanning en de stroom ingesteld is op 30 mA.
Als men met een vaste voeding van 13.8 V werkt, kan het eenvoudiger schema («fig) van hiernaast toegepast worden.

EXPERIMENTEN MET VERSTERKERS

 

Momenteel wordt met een ander ontwerp geëxperimenteerd en dit is één voorbeeld ervan.

Tot mijn verrassing heeft iemand al met het bovenste gebalanceerde ontwerp geëxperimenteerd.
PDØEEA schreef:
“Vanavond even de loop Amp gemaakt zoals die op je site staat. Er lagen nog een aantal nieuwe 2N5109's van RCA uit de 70er jaren!
De versterker gaat goed, ook onderin bij de 100 kHz is hij twee S punten harder dan mijn oude BC ontwerp. Boven de 3 MHz tot 15 MHz neemt de versterking nog meer toe en moet eigenlijk iets naar beneden omdat de S meter 1.5 S punt uit de hoek komt. Daarentegen zijn wel alle zenders bom hard. Zo te horen een goede S/N verhouding, hij werkt beter dan met de INA versterker.
De ontvangst onderin vanaf 500 tot 50 kHz is gewoon super en kan zich meten met een dure langdraad antenne. De loop (130cm) is met één winding als binnendraad ongeveer 4 µH. 
Wanneer ik een tweede winding (dubbele loop) er in stop wordt het nabij 10 µH en is de ontvangst in dit bereik nog beter en is de ontvangst van de BBC 198 kHz over de S9 en hoor je onder de 100 kHz alle piep en fluit bakens. Ik denk er aan om met een relais van één naar twee windingen om te kunnen schakelen, omdat het echt de moeite waard is!”.

Dat de versterking op de hogere frequentie toeneemt komt waarschijnlijk omdat de 1 ÷ 1 trafo (balun) voor de lagere frequenties een te kleine zelfinductie heeft of de koppelcondensator over de 390 Ohm weerstanden moeten 100 nF worden.
Dit is het meetresultaat van mijn trafo:

In werkelijkheid is het vrijwel recht to 350 MHz.

 

Momenteel wordt aan andere versterker systemen gewerkt en dit zijn een paar voorbeelden. De test worden gedaan met een kale loop, maar is bedoeld voor een afgeschermde loop.
Het linker systeem is een versie van een cascode schakeling. De tweede transistor werkt niet in geaarde basisschakeling maar met geaarde emitter.
De 2N3866 had ik nog, maar een ander type (2N3904, BFG541, BFG591?) is misschien beter geschikt.
De instelling van de transistor heb ik veel gebruikt bij allerlei experimenten of ontwerpen omdat de versterking recht is van 1.8 MHz tot 30 MHz als in en uitgang belast worden met 50 Ohm.
Tot nu toe gaat mijn voorkeur uit naar de rechtse schakeling: stabiel, zeer lage ingangsimpedantie, eenvoudig, breedband tot 70 MHz en niet teveel componenten.  Het is eigenlijk een kloon van een simpele  "cable-TV-amplier".
 
 
 
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.
 
 
 
Een (fig») koppeling met een ringkern is ook nog getest, maar ondanks testen met diverse overzet verhoudingen, was het resultaat qua signaalsterkte minder dan met de directe koppeling.
 
 
GESCHIEDENIS

Hieronder een greep van de experimenten die gedaan werden met dit ontwerp.