MAGNETISCHE 8 LOOP "MACHT"

Een 8-vormige dubbele loop antenne "magnetic 8"

(Gepubliceerd in Electron van maart 2007 en RSGB's RadCom van mei 1997)

 29-jul-2018

Verschillende systemen om de antenne te voeden.

INLEIDING

Tijdens de oorlog in Vietnam gebruikte het Amerikaanse leger al magnetische loop antennes voor zenders, maar het heeft lang geduurd voordat het ook als zodanig toegepast werd door radiozendamateurs.

In de praktijk werkt zo'n antenne met een omtrek kleiner dan een ¼ λ beter dan men volgens het theoretische rendement zou verwachten. Daarom heb ik mij wel eens afgevraagd of voor dit type antenne in de toegepaste berekeningen niet een of andere factor een andere waarde zou moeten hebben.

In de periode 1972 – 1975 was op de 80 m band regelmatig een Engelse zendamateur te horen die een kleine magnetische loop gebruikte. Meestal was hij net zo sterk als zijn medeamateurs met een 2 × 20 m dipool. Het was ongelooflijk en daarom vroeg ik een aantal van zijn collega's of het wel waar was en hoe het zat. Zij verzekerden mij dat hij inderdaad met een voor 80 m erg kleine antenne werkte.

Zie ook mijn andere experimenten met een loop voor HF.

TEST MET EEN KLEIN MODEL

Het nadeel van dit antennetype is een kleine bandbreedte, zodat er op HF na een tiental kilohertz opnieuw afgestemd moet worden. Daarom kwam bij mij de gedachte op dat twee loops in de vorm van een acht misschien beter zou zijn. De twee magnetische velden versterker elkaar en omdat de twee ringen parallel staan wordt de impedantie van het afstempunt lager en de bandbreedte groter. Om het idee te onderzoeken werd de 2 m band uitgekozen. Op deze band zijn de afmetingen van antennes een stuk makkelijker om te hanterenen voor Hf kan de afmeting evenredig opgeschaald worden.

De dubbele loop wordt net zo afgestemd als een enkelvoudige uitvoering. In het testmodel zorgt de keramische, mica of luchtcondensator er ook voor dat bij het kruisen van de geleiders zij elkaar niet raken.

 VOEDING

Er werd hier geëxperimenteerd met de gebruikelijke koppellus of met een gamma match, maar over beide systemen was ik eigenlijk niet tevreden. Daarom werd geprobeerd of een combinatie van beide, een Combimatch, het beter zou doen en jawel het werkte.

Bij een paar testen op HF met een magnetische 8 antenne gemaakt met twee fietsvelgen, leek een koppellus weer beter. Kortom hier moest nog eens goed nagaan worden welke koppeling de voorkeur heeft. 

Een eenzijdige verbinding van de combimatch met de loop zorgt voor een onsymmetrische belasting. Daarom werd gezocht naar en meer symmetrisch systeem zonder balun. Dat werd gevonden met een delta match waarbij één zijde als een soort dymmy fungeert en toch dat antennedeel op dezelfde wijze belast als de kant waar de coaxkabel aan zit. Deze wijze van voeden noem ik daarom "quasi delta match". Het is net zo goed als de combimatch, maar stroom en spanning over de omtrek van de antenne zijn veel meer symmetrisch verdeeld. Dat kan men zelf controleren met een neon buislamp, zie verder in dit artikel.

KOPPELLUS 0.65 × LOOP

Omdat de antenne een systeem is met een sterk magnetisch veld zou een magnetische koppeling met lus vermoedelijk een beter systeem zijn.

 Bandbreedte ~500 kHz/SWR 1.5 en 1.4 MHz/SWR 3. De haarpin werkte evengoed als de circulaire koppeling.

Bij proeven met verschillende koppelingen op 2m bleek dat over het algemeen een SWR = 1 gemakkelijker te bereiken was als de één kant van de lus (fig») precies met het midden onder aan de antenne verbonden werd. Voor een deltaloop vorm van de antenne ziet u hoe dat ook kan.

Om het een en ander te testen werd het 2 m model weer ter hand genomen. Het lukte maar niet om met een kleine (d = 0.2 × D) cirkelvormige koppeling een SWR = 1 te bereiken. Uiteindelijk bleek bij deze 8 vormige antenne, dat de koppellus niet een diameter moest hebben van 1/5 × 15.5 = 3 cm, maar vergroot moest worden tot ongeveer 10 cm om SWR = 1 te verkrijgen. Dat is eigenlijk niet zo vreemd want de "acht" heeft in freite een dubbele omtrek.

CONDENSATOR

De afstemcondensator was een 10 pF keramisch buistrimmertje dat later werd vervangen door een mica postzegeltrimmer. Trimmers met lucht of mica isolatie hebben de voorkeur, omdat in deze toepassing blijkt dat niet alle keramische trimmers geschikt zijn. Meestal benadrukt men dat de condensator een hoge spanning moet kunnen verdragen, maar weinig aandacht wordt besteed aan de grote stroom die er kan lopen. Dat bleek al met een vermogen van 10 W, want sommige keramische trimmers werden door de stroom behoorlijk warm en hun capaciteit veranderde. Dat bracht de antenne uit resonantie zodat er steeds weer bijgestemd moest worden bij opwarmen of afkoelen van de trimmer. Voor gebruik buitenshuis zal de condensator met een waterdichte behuizing tegen weersinvloeden beschermd moeten worden. 

DIAMETER GELEIDER 

Mijn antenne wordt na een tijd bedekt met stof en oxidatie. Dat valt eigenlijk niet op omdat het geleidelijk gebeurt, maar het messing van de loop wordt dan behoorlijk warm tot heet met 10 W zendvermogen. Wordt nu alles gepolijst met koper of zilverpoets, dan blijft het metaal vrijwel koud. Een bewijs dat het signaal zich grotendeels over het oppervlak verplaatst en een grotere diameter van de geleider minder verlies oplevert.

AFREGELEN

Draai met een kunststof trimsleutel aan de condensator want een geringe extra capaciteit heeft al invloed op de afstemming. Regel trimmer en combimatch met behulp van een SWR meter af op een SWR = 1. U zit met beide goed als bij voorbeeld afgeregeld wordt op 145 MHz en de SWR een paar honderd kilohertz hoger èn lager dezelfde waarde heeft. Bij een SWR = 2 heeft men een bandbreedte van ongeveer 1 MHz.

STRALINGSPATROON

Het stralingspatroon heeft net als bij een dipool de vorm van een acht, maar de polarisatie is verticaal. Ondanks het richtingseffect van de antenne bleek tijdens veelvuldige ritten op het traject Breda – Rotterdam, dat met de antenne midden op het autodak er minder flutter was dan met een ¼ λ of 5/8 λ spriet op dezelfde plek. Over het algemeen deed de loopantenne niet onder voor beide andere antennes. De antenne trok wel de aandacht van de andere weggebruikers.

Pogingen om versterking te verkrijgen door parasitaire elementen voor of achter te plaatsen zijn op niets uitgelopen. Ook het bereiken van een uitgesproken richting met de elementen leverde hier niets op.

CURIEUS

Wat ik destijds nog niet in de literatuur tegengekomen ben, is de relatie polarisatie en afmeting. Bij mijn proeven is gebleken dat een loop met een omtrek kleiner dan ¼ λ verticale polarisatie heeft en is de omtrek groter dan wordt de polarisatie horizontaal. Voor zover dat hier met mijn eenvoudige apparatuur was na te gaan, gebeurde de omslag met een omtrek van om en nabij een ¼ λ lengte. Verticale polarisatie vindt plaats in het vlak van de antenne en horizontale polarisatie loodrecht op het vlak van de antenne.

Theoretisch zou het stralingspatroon symmetrisch moeten zijn, maar mijn ervaring wijst anders uit. Maximale straling wordt beïnvloed door welke kant van de lus (cirkel, haarpin) wordt geaard aan de antenne. Het verschil is niet groot maar is wel vast testellen. Bij de circel is het de richting waar het aardpunt en bij de haarpin juist naar de andere kant.

Voorbeeld: Als hier met een beperkt vermogen een repeater in het midden van het land nog net kan worden geactiveerd, lukt het niet als de antenne 180º gedraaid wordt. Curieus toch?

"MOBIELE" CONSTRUCTIE

Er werden 4 soorten trimmers gebruikt: lucht trimmer, mica trimmer, keramische buistrimmer en keramische schijftrimmer.

Hoewel dikke koperen waterleidingpijp een beter rendement heeft, werden in de test beide cirkels gemaakt uit één stuk messing lasstaaf van 1 m lang en 3 mm dik. Daarmee kregen de loops een diameter van ongeveer 15.5 cm. De twee losse uiteinden werden aan elkaar gesoldeerd door middel van een 2 cm lang pijpje met een binnendiameter van 3 mm. PA9OK gebruikte daarvoor een busje uit een kroonsteen, een goed idee denk ik.

Er werden twee uitvoeringen gemaakt, de ene gesoldeerd met een BNC plug voor het plaatsen op een portofoon en een ander gemonteerd op een magneetvoet gemaakt van een defecte luidspreker.

Het stralingspatroon heeft net als bij een dipool de vorm van een acht, maar de polarisatie is verticaal. Ondanks het richtingseffect van de antenne bleek tijdens veelvuldige ritten op het traject Breda – Rotterdam, dat met de antenne midden op het autodak er minder flutter was dan met een ¼ λ of 5/8 λ spriet op dezelfde plek. Over het algemeen deed de loopantenne niet onder voor beide andere antennes. De antenne trok wel de aandacht van de andere weggebruikers.

PA1AMS's maakte dit CD formaatje 145 MHz loop naar aanleiding van een artikel in het maartnummer van Electron 2007.

HET RESULTAAT VAN EEN MEETAVOND OP DE GINKELSE HEI OP 1 JULI 2008.

(Metingen door PAØMBJ)

Doel:

Het doen van relatieve veldsterktemetingen aan een aantal door de leden meegebrachte antennes.

In dit artikel gaat het om twee door PA9OK (SK, met pet») gemaakte magnetische loops voor de 2 m band.

Voorbereiding:

De signaalsterkte metingen werden uitgevoerd met een ICOM R10 ontvangertje. Hiertoe was de signaalsterkte indicatie met een HP8640B signaalgenerator voor een aantal frequenties geijkt («fig). De aanwijzing was met een bar graph display dat maximaal 6 blokjes kan aangeven. Ontvanger in SSB mode, maximum versterking.

Voor het testen van een aantal 2-meter antennes werd een porto gebruikt die ingesteld kon worden op 100 mW bij 145 MHz. Via een 20 dB verzwakker werd het vermogen gereduceerd tot 1 mW en aan de te testen antenne aangeboden (fig»). Een referentie antenne (Kathrein ½ λ antenne) was aanwezig om de te testen antennes te kunnen vergelijken met een halve golf antenne met bekende eigenschappen. Alle antennes waren verticaal gepolariseerd.

Dit was («fig) de opstelling voor het meten van de relatieve veldsterkte. Voor 145 MHz werd een ¼ λ kleefvoet antenne gebruikt op een autodak. De afstand tussen de te testen antennes en de ontvangantenne was ongeveer 20 meter.

TESTPROCEDURE 145 MHz

De referentie antenne werd aan een R10 porto gekoppeld via een 20 dB verzwakker en de de zender ingeschakeld. Aan ontvangstzijde werden de verzwakkers in stappen zo ingesteld, dat op het signaalsterkte display van de R10 juist het 3^e blokje oplichtte. Dat was dus een ontvangen signaalsterkte van -108 dBm of wel iets minder dan 1 µV). Tot slot worden de standen van de stappen verzwakkers genoteerd. Door nu voor de verschillende te testen antennes de instellingen van de stappen verzwakkers te vergelijken, kon een relatieve kwaliteitsvergelijking gemaakt worden tussen de antennes onderling. Als de te testen antenne richtinggevoelig was, kon ook nog bekeken worden hoe het stralingsdiagram er globaal uitzag door de antenne in een aantal standen te draaien.

METING REFERENTIE ANT 145 MHz

Volgens bovenstaande procedure werd de referentie antenne gemeten. Voor een uitslag van 3 blokjes op de R10 moesten de verzwakkers samen op 61 dB demping worden ingesteld. Referentie antenne en ontvangstantenne hadden beide een versterking van 0 dB t.o.v. een halvegolf dipool. Als we de verliezen in de antennekabels verwaarlozen komt het er dus op neer dat:

De referentie antenne een vermogen van 0 dBm (=1 mW) toegevoerd kreeg.

De ontvanger een signaal binnen kreeg van -108 dBm en de ingestelde verzwakking 61 dB bedroeg.

Hieruit volgt dat de trajectdemping tussen referentie en ontvangstantenne 108 – 61 = 47 dB bedroeg. Uit de antennetheorie is bekend dat bij een afstand van 10 golflengten tussen zend en ontvangstantenne de theoretische trajectdemping 42 dB bedraagt. We zitten dus aardig in de buurt, in aanmerking genomen dat we niet het exacte uitgangsvermogen van het portofoontje weten, ook niet de antennekabeldemping en precieze afstand tussen de antennes. Maar uit de getallen blijkt dat we kennelijk redelijk betrouwbaar aan het meten waren.

METING MAGNETISCHE LOOPS

 PA9OK's 8-vormige loop antenne.

Deze antenne is richtinggevoelig en daarom hebben we hem gemeten onder een aantal hoeken. De 0 gradenhoek is de meest optimale richting.

Uit de metingen blijkt een winst van 2 dB t.o.v. de referentie antenne en het systeem presteert uitstekend gezien zijn kleine afmetingen.

PA9OK's enkele loop antenne. 

Deze antenne is alleen in zijn meest optimale positie gemeten. De enkele loop is 1 dB minder dan de referentie antenne. Afgaande op de vorm van de antenne zal hij een 8-vormig stralingsdiagram hebben. 

Conclusie: De 8-vormige loop presteert 3 dB beter dan de enkele loop.

PA9OK bericht nog als aanvulling: "Behalve dat het een schitterende meetavond was, bleek het resultaat van de dubbele loop ook goed uit te pakken. Iedereen was erg enthousiast over de prestatie van het loopje. Dat die het goed deed op statiefhoogte was al tijdens een velddag tussen het geweld van alle andere apparatuur gebleken. Er werden prima verbindingen gemaakt, ook de repeaters van Amersfoort en Nijmegen werden van Ede uit met maar 1 Watt geopend en zo goed als ruisvrij gewerkt. Met 10 Watt waren het ufb verbindingen. Het maximum vermogen waarmee gewerkt is 50 Watt."

 DE EERDERE EXPERIMENTEN VAN PA9OK (SK)

PA9OK: Het is alweer een tijdje geleden dat ik al surfend op het internet deze merkwaardige antenne, een toch vrij ongebruikelijk ontwerp en geesteskind van PA0FRI, tegen kwam.

Nou zie ik vaker merkwaardige ontwerpen zonder meteen te gaan bouwen, maar deze keer lag het toch iets anders. De antenne was zo uitdagend en omdat ik toch van plan was een magnetische loop te gaan bouwen, ging ik meteen overstag.

Nadat ik me meer in de materie verdiept had, ben ik toch maar aan de slag gegaan. Uitgaande van de bovenvermelde basisgegevens, was het benodigde materiaal snel bij elkaar gezocht en het eerste exemplaar was al gauw in de maak.

DE LOOP

Maar hoe weet ik hoe groot de diameter, of de lengte van de draad of de buis voor 145 MHz moet zijn? Er zijn programma’s die dit en andere gegevens snel berekenen, Maar deze basisberekening is heel simpel.

Omdat een magloop met een omtrek iets kleiner dan een ¼ golflengte verticaal gepolariseerd is en ook beter werkt, werd voor een diameter van 15.5 cm gekozen. De omtrek is dan: 0.155 × 3.14 = 0.4867 m voor een loop, wij hebben er twee boven elkaar, dus de totale lengte voor de dubbele loop is 0.97 m.

Uitgaande van een diameter van 15,5 cm en draaddikte van ± 3 mm, iets anders was er op dat moment niet, heb ik dan met behulp van een plastic pot, die deze maat had, de eerste ring gebogen. De tweede ring werd op dezelfde wijze gebogen. Maar let wel op, beide ringen zijn uit één stuk gebogen. Dan de connector en de combimatch plaatsen, de condensator ertussen solderen, QRP vermogen erop, afregelen en klaar is de dubbele loop. Jammer, helaas de loop werkte niet goed.

Wat was er toch allemaal gebeurd? Om te beginnen waren de ringen na het buigen, door de spanning die op de draad stond, weer ongelijk uit gaan zetten en dus meer dan 15,5 cm in diameter en dan ook nog verschillend in grootte. Twee in diameter ongelijke loops laten zich echt niet goed afregelen. Beide ringen worden immers met een condensator afgestemd. Met andere woorden, het los uit de hand buigen van de twee cirkels is niet zo handig. Om dit probleem te omzeilen heb ik een houten mal gemaakt.

De afstand tussen de twee houten schijven moet net zo groot zijn als de diameter van de draad of buis. Markeer de draad in het midden en begin van boven af om de mal heen te buigen en eindig met de twee open einden onder aan de schijf. Knip de stukken die te lang zijn af om een sluitend geheel te krijgen. De draadeinden worden met een busje uit een kroonsteen vast gezet en later met de BNC connector samen aan elkaar gesoldeerd. Na het solderen kunnen dan de schroeven uit het busje verwijderd worden.

DE CONDENSATOR

De volgende stap is het plaatsen van de condensator. Deze moet tussen de twee loops, op de plek waar beide cirkels elkaar kruisen, geplaatst worden. Hierdoor worden beide cirkels van elkaar gescheiden en op afstand gehouden. De condensator verdient wel wat extra aandacht. Ik heb heel wat testen uitgevoerd om erachter te komen welke wel en niet te gebruiken was. Op de eerste plaats moet er met behoorlijk hoge spanningen rekening gehouden worden, maar al te vaak wordt vergeten dat er ook een hoge stroom kan lopen. Keramische trimmers zijn per definitie niet geschikt, omdat zij door de grote stroom behoorlijk warm worden en hun capaciteit veranderd. Ook een forse keramische buiscondensator werd al bij meer dan 1 Watt vermogen lekker warm en veranderde van waarde, eens te meer een teken dat er toch heel wat stroom kan lopen.

Ik heb geprobeerd om zelf een zware buistrimmer met een DELRIN bus (neemt geen vocht op) te maken omdat hij zo lekker te trimmen was, maar deze werd ook al bij minder dan 10 Watt onacceptabel warm. Hierdoor moest hij bij het opwarmen of afkoelen telkens weer bijgestemd worden omdat de antenne uit resonantie raakte. Ik denk dat een buistrimmer per definitie niet geschikt is voor meer dan QRP. Een trimmer met luchtisolatie is denk ik de beste oplossing, mits de plaatafstand voldoende groot is voor de hoge spanning.

Dit (fig»)is dan het gevolg van een hoge stroom, bij een te hoog vermogen en een te geringe plaatafstand. Een deel van de condensator is dus gewoon uit het tin gezakt, dan komt er nog een sluiting door de hoge spanning bij en het feest is kompleet.

Meer plaatafstand? Ik weet het wel zeker.

Commentaar PAØFRI: het zou kunnen liggen aan een niet goed gereinigde condensator waardoor de VHF stroom via stof en vuil zijn weg vindt. Mijn gelijksoortige (nieuwe) type hield het wel met 10 W zendvermogen.

 DE KOPPELLUS

Door experimenten, die PA0FRI gedaan heeft, bleek dat de gebruikelijke koppellussen of de gammamatch niet echt tot tevredenheid stemden. Een combinatie van beiden deed het duidelijk beter. De draadlengte van de koppellus is altijd 1/5 van de omtrek van de loop en bepalend voor de frequentie. Een uiteinde van de lus komt aan de connector, het andere eind wordt op ca. 65mm afstand aan de ring gesoldeerd.

Neem voor het afregelen van de trimmer en kunststof trimsleutel omdat een geringe capaciteit al veel invloed op de afstemming heeft. Regel met de condensator op beste SWR af. Is dit nog geen 1:1 dan kan door verschuiven van de match op de ring, de SWR bijgeregeld worden, meestal richting connector. Voor een optimale SWR moet dit mogelijk nog een keer herhaald worden.

Bij gebruik van dikker materiaal neemt het rendement van de loop wel toe, maar de afstand van de match tussen de connector en koppeling op de ring zal dan voor een goede SWR kleiner (fig») moeten worden.

De lengte van de match blijft gewoon 1/5 van de omtrek van de loop.

Als je op 145 MHz afregelt, dan heb je links en rechts een paar honderd kilohertz met een totale bandbreedte van ± 1 MHz bij een maximale SWR = 2.

STRALINGSPATROON

Het stralingspatroon is verticaal en heeft de vorm van een acht. De loop is behoorlijk richtingsgevoelig. Om een idee te krijgen hoe het stralingspatroon eruit ziet, er zijn door mij nog geen echte metingen gedaan omtrent de afstraling van de loop, heb ik een paar testjes met een TL-buisje van 8W gedaan. Ik kan niet ontkennen dat ik toch een beetje verrast was, dat je namelijk met relatief eenvoudige middelen een inzicht in een complex proces kunt krijgen. Een test die ik overigens al eerder gedaan heb met een EH-antenne. Door iets te visualiseren gaat letterlijk en figuurlijk ineens een lampje branden.

Dit («fig) is de laatste versie van de dubbele loop, maar nu uit 6mm koperbuis gebogen, een op 2 meter goed presterende antenne en na ik hoop t.z.t. ook op de HF banden. Met deze kleine loop heb ik vanuit mijn shack prima verbindingen kunnen maken.

CONCLUSIE

Een bijzonder leuk en interessant ontwerp. Er zijn nog een aantal metingen te doen en er is ook nog de uitdaging van Frits om het magloopje naar HF te vertalen en te gaan bouwen. Dit project is voor mij nog niet afgesloten.

Experiment (fig») met een square-magloop, werkt wel, maar trimt nog niet lekker. Is eenvoudiger te buigen dan de ronde loop, maar moet nog verder uitgewerkt worden.

PAØFRI

Nog een aantal opmerkingen.

(1) De ervaringen en experimenten van PA9OK komen overeen met van die van mij. Het stralingspatroon is ook goed zichtbaar te maken door een verticale of horizontale antenne aan te sluiten op een spectrum analysator en de loop te sturen met een signaalbron.

(2) Een mica postzegel trimmer (fig») wordt met 10 W zendvermogen ook niet warm of verandert van capaciteit.

PB2DJ

PB2DJ maakte met succes een paar goed werkende 'stevige' exemplaren voor 2 m en 70 cm.