PA0FRI's BREEDBAND ACTIEVE LOOP ANTENNE
Versie 12-apr-2021 
For English version click on flag


Dit artikel is nog in bewerking.

HET GEKOZEN SYSTEEM 

 
 
Er zijn diverse printen ontworpen tijdens de testperiode om een zo universeel model te verkrijgen zodat men er ook mee kan experimenteren.


In testfase zie later in dit artikel.

 

Deze actieve loop antenne is het resulaat van experimenten waarvan een selectie verder in dit artikel vermeld zijn. Ondanks zijn betrekkelijke eenvoud, werkt de antenne behoorlijk goed van tenminste 100 kHz tot 145 MHz. Het kan een uitkomst zijn voor degene die veel naar radiostations luisteren, maar niet de mogelijkheid hebben om een hoge of lange antenne te plaatsen.
Als referentie voor de prestaties werd een 2 × 16.55 m inverted dipool met de top op 12 m gebruikt. Per amateurband zorgde een automatische antenne tuner dat het systeem in resonantie werd gebracht. Als ontvanger diende een ICOM 7300.
Mijn testen werden gedaan met de loop 50 cm of 170 cm boven de grond en dat viel niet tegen. De verwachting is dan ook dat bij en hogere opstelling het resultaat meer dan bevredigend zal zijn. Hierbij denk ik aan luisteraars die in een flat wonen en alleen een klein balcon ter beschikking hebben.
Wordt de antenne draaibaar opgesteld, dan kan men een storend signaal behoorlijk verminderen en bij een zwak signaal op maximum instellen.

De prestaties hangen af van condities, het tijdstip en de opstralingshoek van het zendende station. De loop kan minder sterk zijn dan de dipool, maar ook weer sterker. Het met elkaar vergelijken moet men over een langere periode doen om goed te kunnen beoordelen.

De impedantie van de antenne hangt af van de frequentie. Hoe lager de frequentie hoe lager de impedantie. De maximale impedantie zal ongeveer 130 Ohm zijn bij een frequentie (≈ 80 MHz) waarbij de loop een hele golf is.

Een afgeschermde loop is nog eens vergeleken met de draad loop. Na testen gedurende een langere periode blijkt toch dat met een afgeschermde loop er minder last is van storing. 
Bij de volgende afbeeldingen werd er niets aan de ontvanger (IC7300) gedaan en zo snel mogelijk van de inverted V antenne naar de actieve antenne geschakeld om beide beelden zo identiek mogelijk te krijgen.
Voor het doen van de test werd in de amateurband of iets daarbuiten op een zo constant mogelijk signaal afgestemd. Het zal duidelijk zijn dat het een en ander niet op hetzelfde tijdstip van een dag gedaan is.


Beeld met inverted V dipool op 12 m hoogte.


Beeld met actieve loop op een 1.7 m paal.


Beeld met inverted V dipool op 12 m hoogte.


Beeld met actieve loop op een 1.7 m paal.

 

 
Beeld met inverted V dipool op 12 m hoogte.

 

Beeld met actieve loop op een 1.70 m paal.


Beeld met inverted V dipool op 12
m hoogte.



 Beeld met actieve loop op een 1.70 m paal.

Beeld met CX4-68 4m vertical op 12 m hoge mast.



Beeld met actieve loop op een 1.70 m paal.
 


Beeld met inverted V dipool op 12 m hoogte.


Beeld met actieve loop op een 50 cm paal.


Beeld met inverted V dipool op 12 m hoogte.


Beeld met actieve loop op een 1.70 m paal.


Beeld met inverted V dipool op 12 m hoogte.


Beeld met actieve loop op een 1.70 m paal.
 

Het schakelen tussen beide antennes was een kwestie van seconden met de klik van een wipschakelaar.

De uitkoppeling is gedaan met een mantelsmoorspoel. Dat is voor iedereen goed zelf te maken en zorgt voor een overdracht van een zeer breed spectrum.
Een gelijkstroom voeding voor de versterker zou door het mantelstroomfilter toegevoerd kunnen worden, maar om voormagnetisatie van spoelkern te vermijden, is gekozen voor voeding via twee grote smoorspoelen.

Hoewel ik geen voorstander ben van twee aparte ringkernen wordt toch nog getest hoe het werkt met één ringkern.

Een interessante ervaring was het zwevend houden van de output, want de ontvangst werd daardoor rustiger. Een JBF verklaring (jan boeren fluitjes) kan zijn dat het aardvlak van de print, dat in eerste instantie met de afscherming van de output connector verbonden was, ondanks zijn geringe grootte als een mini whip antenne werkt en zodoende ongewenste signalen via de afscherming van de coaxkabel de ontvanger bereiken.

EXPERIMENTEN MET VERSTERKERS

De veel in omloop zijnde actieve "(mini)whip"-antennes werken goed in het vrije veld, maar in een dicht bevolkte woonwijk pikt het systeem teveel storing op en dan is vaak een loop-antenne met minder storing een betere keus.
De ervaring opgedaan met PA3GZK's actieve loop antenne hebben geleid tot experimenten met andere voorversterkers.
Het is een project geworden samen met PD0EEA. Wij wisselen het resultaat van experimenten uit, verder ontwerpt hij de printen, laat ze maken en doet de nodige metingen. De bedoeling is om een zo eenvoudig mogelijk en goed werkend systeem met weing poespas te ontwerpen.

 
 
 
 
Er werd aan diverse versterker systemen gewerkt en dit zijn een paar voorbeelden. De testen werden gedaan met een niet afgeschermde loop (fig»).
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.
De rechtse schakeling heeft voordelen: stabiel, zeer lage ingangsimpedantie, eenvoudig, breedband tot 70 MHz en niet teveel componenten. Het is eigenlijk een kloon van een simpele "cable-TV-amplier".
Omdat de impedantie van de loop erg laag is kan met een mantelstroom filter (of line insulator, choke balun) van niet al te grote zelfinductie de antenne symmetrisch gevoed worden. 

 
  
 
 
 
 
 
Een («fig) koppeling met een ringkern is ook nog gedaan, maar ondanks testen met diverse overzet verhoudingen, was het resultaat qua signaalsterkte minder dan met de directe koppeling.
 
 
 
 
 
 
 

 

Het voordeel van een balans schakeling is het onderdrukken van even harmonischen. 

 

Tot mijn verrassing was er al emand die met het gebalanceerde ontwerp geëxperimenteerd had.
Hij 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 (fig»):
 
ANDERE EXPERIMENTEN
 
 
 
 
 
 
Er is ook nog geëxperimenteerd met een loop van twee windingen. De sterkte op lagere frequenties neemt toe ten koste van veel hogere frequenties. Het blijkt weer dat een loop met 1 winding van ongeveer 120 cm diameter een goed compromis is tussen ruis/storing. signaalsterkte en richtingsgevoeligheid. Dat had PA3GZK na veel testen met zijn ontwerp al vastgesteld.
Is men niet zo geïnteresseert wat beneden 1.8 MHz te beleven valt, dan voldoet een doorsnede van 100 cm ook goed.
Omdat er voor de loop met verschillende soorten metalen profielen geëxperimenteerd wordt, is de indruk ontstaan dat de diameter en/of de zelfinductie van de loop een behoorlijke rol speelt. Onder voorbehoud ziet het er naar uit dat 4 µH zelfinductie een optimaal resultaat oplevert.
 

Een ander nog niet getest idee is een geaarde basisschakeling waarbij een metalen standbuis tevens als massa gebruikt wordt.
 

HET BESTE SYSTEEM

De keus is op deze voorlaatse schakeling gevallen omdat het aan onze eisen voldeed: eenvoudig, goed werkend, met standaard componenten en geschikt voor DIY.

   
De vorige schakeling had teveel versterking en dit ontwerp past beter bij een IC7300. Dit is de oude grotere print waarmee goed te experimenten was.
 

Trafo's aan in en uitgang geven verliezen of beperken de bandbreedte en kunnen ongewenste resonanties hebben. Door (soms) veel windingen met extra capaciteit is het maar de vraag wat er van zo'n balancering overblijft. Dat is de reden dat ik de voorkeur geef aan een ringkern als mantelstroomfilter, waarbij het mogelijk is om windingen van elkaar te scheiden zodat ze niet over de hele lengte tegen elkaar liggen. Bovendien is een dergelijk filter eenvoudiger om zelf te maken. De hier toegepaste ringkern is volgens de aanbieder het type 2P80 en met 10 bifilaire windingen is de zelfinductie ongeveer 377 µH gemeten met een Chinese M4070 LCR meter. Het kan vervangen worden door AMIDON FT50-W.

Als men printen bij PD0EEA besteld wordt de witte (2P80?) ringkern er gratis bijgeleverd.

Als de versterking te groot is, kan men een weerstand over de smoorspoel aanbrengen of naar believen een geschikte verzwakker gebruiken.  De uitkoppeling is een mantelstroomfilter (choke balun, line insulator) geworden. Daarmee is men niet zo afhankelijk van de eigenschappen van een transformator of balun als koppelmiddel. Merkwaardig genoeg was ongewenste storing daarmee veel minder geworden. Voorlopig veronderstel ik dat asymmetrische storende signalen door een verbeterde balans minder kans hebben om in de ontvanger te komen.

Er zullen wel weer opmerkingen komen van: "De uitgang is geen 50 Ohm".
Nee dat is geen 50 Om, maar de voor het testen gebruikte transceivers of ontvangers hadden daar geen last van. Bovendien is de impedantie aan de ingang van ontvangers zelden precies 50 Ohm.
Inmiddels zijn er diverse goedbedoelde opmerkingen of suggesties ontvangen in de trant van: "dat is niet goed, waarom niet zo, te veel versterking, het kan beter, dat veroorzaakt teveel ruis, de impedantie is te laag, de collectors worden bijna kortgesloten etc." Echter na
uitgebreide experimenten werkt de schakeling in de praktijk is onze ervaring. Het teleurstellende is dat alle adviseurs geen bijlage meesturen met een verbetering van het ontwerp of van een eenvoudige en werkende schakeling, dat in een vergelijkende praktijk test het kan opnemen tegen het ontwerp in dit artikel. Als een beter (KISS) ontwerp het licht ziet, willen wij als experimenterende zendamateurs daar graag meer van weten!

 
De werking is hetzelfde als de vorige schakeling, alleen is het geringmatig aangepast in verband met het kleine printontwerp.

Het ontvangst bereik met 2N5109 of 2N3866 in deze en vorige schakeling is ten minste 30 kHz tot en met 146 MHz en met BFG135 tot 220 MHz.
Wil men een output van 50 Ohm dan kan ten koste van een iets mindere versterking de 470 µH smoorspoel vervangen worden door een 50 Ohm weerstand.


Met de onderkant van de loop op 50 cm boven de grond is op 145.625 de repeater van Bergen op Zoom te horen.
De afstand tot de repeater is ongeveer 30 km.

Het baken 70.070 MHz op 40 km afstand heeft een Big Wheel (klaverblad) horizontaal gepolariseerde antenne. Op de loop 50 cm boven de grond wordt dat singaal sterker ontvangen dan met mijn verticale rondstraler op een 12 m hoge mast.  Gezien de afmeting van de loop is op deze band duidelijk sprake van horizontale polarisatie.

Het resultaat hangt ook af van de opstralingshoek van het tegenstation. Als bij voorbeeld twee stations dicht naast elkaar op 40 m even sterk zijn met een  2 × 16.50 m dipool, dan is met de loop antenne een van beide sterker dan met de dipool.

ASYMMETRISCHE UITGANG

Een behoorlijke vereenvoudiging bereikt men door een "single ended output" toe te passen. Er zijn geen trafo's of baluns nodig die frequentie afhankelijk kunnen zijn.

Diverse pogingen werden gedaan om een nog eenvoudiger ontwerp te verkrijgen.
PD0EEA kwam op het lumineuse idee om het te doen volgens de interne schakeling van veel IC's, zoals een MC1350. Dat IC werd en wordt nog steeds in zelfbouw projecten gebruikt en is in veel transceivers gemonteerd.

In het originele schema hoeft men alleen één condensator bij een collector naar massa te leiden en een gezamenlijk emitter smoorspoel te monteren.
Er moet nog getest worden of het resultaat hetzelfde is als dat van het originele schema. Als dat positief uitpakt, benadert het nog meer onze doelstelling:  een zo eenvoudig mogelijk en goed werkend systeem met weing poespas te presenteren.

 

 De dipool (inverted V) heeft als hoogste punt een mast van 12m en de loop was geplaatst op een 1.70 m houten paal.

  

  

  

 

  

  

 

 

 

 
BBC Radio 4, 198 kHz en baken op 70.070 MHz..
Gezien het voorlopige testresultaat, is deze vereenvoudige schakeling interessant genoeg!


Ware grootte

 

De huidige print wordt opgevolgd door een kleiner formaat 35 × 50 mm («fig), waarbij naar wens nog geëxperimenteerd kan worden met extra componenten zoals met BFG135 of met andere waarden van de componenten.
Als er voldoende belangstelling is voor deze actieve antenne dan kan PD0EEA de printen leveren. Op verzoek zijn al 3 complete antennes gemaakt.

  
                  

 


33 × 37 mm

Er wordt nog getest met BFY90 transitors op deze kleine print.

 VOEDING

 

De versterker werkt zelfs nog met een spanning < 3 Volt, maar een goed gemiddelde is voeden met 12 Volt.

De opgenomen stroom is dan ongeveer 70 mA.
 

PD0EEA heeft een universele 35 × 35 mm print voor de voeding ontworpen, zodat naar believen de schakeling aangepast kan worden.

 


35 × 35 mm

 

CONTRUCTIE LOOP

   
Als experiment een paar zelfgebouwde 2 m antennes als loop gebruikt. Ze doen het goed alleen is de sterkte van de signalen minder en is het toch beter om een grotere omtrek te gebruiken.

 

 

 

 

 

 

Er wordt nog gewerkt aan een stevige en eenvoudige contructie van de loop antenne. Het zou ook een vierkant kunnen zijn van 4 × 100 cm. Dat is dichtbij de omtrek van een 120 cm ronde loop. Het kan gemaakt worden van Alu strip of voor de stevigheid Alu hoekprofiel. De punt omhoog zodat het onaantrekkelijk wordt voor vogels om er op te zitten.

 

 

 

 

 

 

LOW PASS FILTER


 

 

 

 

 

Men wil soms geen breedband systeem maar een bereik van 1.8 - 30 MHz. Dan kan dat eventueel met een low pass filter en voorbeelden daarvan zijn afgebeeld.

Zie ook: https://pa0fri.home.xs4all.nl/Diversen/LPfilter/lpfilter.htm

PD0EEA heeft zijn filter met een programma gesimuleerd en dat noet nog gestest worden.

 

 

 

 

IC7300 MET ACTIEVE ANTENNE