<<

LZ1AQ breedband ontvang raam antenne.
Publicatie met toestemming van LZ1AQ, Chavdar Levkov.
pa0nhc 20190318

Het originele, zeer uitgebreide artikel van LZ1AQ staat 

 

Conclusions (by LZ1AQ) :
This antenna acts almost as a pure magnetic transducer. The input impedance of the amplifier is so low that any currents induced by electric field become very small compared to the currents induced by magnetic filed.  This antenna does not need shield or any type  of grounding. For vertically polarized low elevation angle signals the antenna has very sharp null.  The directivity for the sky wave signals is not determined since their polarization is stochastic.   The influence of nearby non-resonant conductive object is negligible. The differential circuit also reduces the influence of common mode currents.  It works from height almost zero above the ground (there is almost no change in signal levels when the loop side is placed several  centimeters above the ground in field environment).  The wideband properties are excellent  - from LW to upper HF even 50 MHz band can be included. The dynamic range obtained from on the air tests on the bands  is good and no apparent non-linear distortions are found.  The circuit is very simple, stable and cheap and there is nothing critical for adjustment.  The antenna can be mounted outdoor and connected with FTP cable to RX and PS parts. The FTP cable  is widely available  and the associated connectors are very reliable and cheap.  This is my favorite antenna for my city office where nothing else can survive the EMC pollution. The only drawback of this active antenna is  its relatively higher  noise floor specially for frequencies above 10 MHz  which is several dB above the atmospheric noise levels for quiet rural locations at some frequencies and times of the day (for single loop 1m diam.) . The antenna noise floor is acceptable  and suitable for all locations where the man made noise is moderate and above. The noise floor limit of these types of WSM loops is essential  - see the Appendix section for more details. The noise floor can be reduced by using “fat” , parallel or parallel crossed loops especially for places where the electromagnetic noise is very low. 

            Specificaties (volgens LZ1AQ) :
Raam : cirkel vorm, diameter 1m, 1 winding.
Antenne materiaal : 3.4mm dun massief aluminium.
Antenne factor : 6dB meter-1 @ 10 MHz. 1 uV/m input geeft 0.5 uV output.
Dynamisch bereik : 1 dB compressie punt >= 130 dBuV/m.
Freq. kar : binnen 3 dB meter-1  0,5 - 30 MHz.
Ruis vloer : <= 0,7 uV/m.
 

            Eigenschappen :
Ik gebruikte voor het raam een makkelijk verkrijgbare, 2m lange 15x2mm ALU strip. De diameter wordt daardoor ca. 64 cm. Het raam wordt symmetrisch, zeer laag-ohmig (3 - 9 Ohm), breedbandig (500 kHz tot 30 MHz) belast. Het gedraagt zich daardoor als een stroom bron, met een interne zelfinductie van ca. 3,5 uH, en werkt in "kortsluit mode". Over dat grote frequentie bereik is, bij constante veldsterkte, de output van het systeem constant. Hierdoor is deze antenne ook geschikt voor gebruik bij veld sterkte metingen. Capacitief op het raam gekoppelde, dus hoog impedante E-veld storingen, veroorzaken op dit zeer laag ohmige raam zeer geringe stoorstromen. Over de gebalanceerde, zeer laag ohmige versterker ingangen blijven dan slechts zeer geringe stoor spanningen over. Het raam gedraagt zich daarom met deze versterker als een bijna pure H veld antenne. En behoeft daarom geen afscherming, en de versterker geen aarding. Statische ladingen worden via de splitter en de ontvanger naar aarde afgevoerd. 

Ik heb het splitter schema enigszins uitgebreid, baluns L10/12 aangepast, twee printjes ontworpen, en een onderdelen bestellijst aangemaakt.

            Ruis.
In een landelijke, zeer stille omgevingen, is op lagere frequenties dan 14 MHz de eigenruis van dir systeem geringer dan de atmosferische achtergrond ruis.
In stedelijke omgevingen met veel storing,
waar andere antennes het af laten weten, bleek dit breedband raam volgens LZ1AQ de enige bruikbare ontvang antenne.

-  De S/N van dit totale antenne systeem wordt in de praktijk nagenoeg uitsluitend bepaald door :
   de verhouding tussen de ingang impedantie van de versterker en de reactantie van het raam.
-  Een dikkere loop (bv. 36mm) heeft een lagere loop zelfinductie, en verbetert dus de S/N.
-  Twee windingen parallel geeft een lagere loop zelfinductie, en verbetert dus de S/N.
-  Een grotere diameter loop geeft een hogere loop zelfinductie, en verslechtert dus de S/N
   (en verkleint tevens de bandbreedte).
-  Een beter geleidende loop (koper / verzilverd) heeft geen invloed op de zelfinductie van het raam,
   en geeft dus geen verbetering van de S/N.
-  Ook ruisarmere halfgeleiders geven geen verbetering.
-  Transistoren met een hoge Ft vergroten alleen de versterker bandbreedte
    terwijl de bandbreedte van het raam uitsluitend door de raam omtrek bepaald wordt (1/10 lambda regel).

            Lagere loop zelfinductie => lagere ruisvloer.  Zie LZ1AQ voor diverse raam uitvoeringen.

            De versterker.
De volledig gebalanceerde versterker heeft een breedbandige, lage ingang impedantie van ca. 3 tot 9 ohm, en een uitgang impedantie van ca. 110 Ohm. Voor de beste IMD eigenschappen moeten :
-  Transistor paren Q3 en Q4, en Q1 en Q2 op gelijke eigenschappen (Hfe) worden uitgezocht,
-  C5 en C10 NP0 condensatoren zijn,
-  C1 en C4 film condensatoren zijn, en liefst van gelijke waarde (om de balans beneden 300kHz te handhaven).

C5/L1 en C10/L2 verzwakken FM omroep signalen.
De dc voeding wordt mbv. smoorspoelen gefilterd, en in de versterker tot stabiele 10V verlaagd. De hiervoor gebruikte UA7810CKTTR stabilisator wordt met zijn koelvlak direct op de versterker print gesoldeerd.
Breedband transformator L4/5/6 wordt tri-filair, met vijf windingen 0,3 mm lakdraad, op een 12,5mm Ui=850 (mix 43) ringkern gewikkeld. Een goede transformator constructie geeft de beste 2nd order vervorming eigenschappen.

            Beveiliging tegen te hoge ingang spanning en statische ladingen :
In PCB versie 56 beveiligen snelle schakeldiodes D1-8 beide antenne aansluitingen tegen te hoge spanningen. Volgens LZ1AQ is de ingang zo bestand tegen bliksem inductie van een inslag op 100m afstand, en tot 1kW HF op 10m afstand. Te hoge spanningverschillen (tussen de massa vlakken van de versterker en die van de splitter) worden voorkomen, door deze met  R25, D9, D10, Z2 en Z3 tot +/- 15V te begrenzen en eventueel via één CAT5 ader naar massa van de splitter af te voeren.

In het prototype op de foto zijn de diodes aan de onderzijde van de versterker print gemonteerd.

            De transmissielijn en de splitter.
Als verbinding kabel tussen antenne versterker en splitter wordt goedkope, weerbestendige CAT5 netwerk kabel gebruikt. De aderparen ervan zijn getwist, dus gebalanceerd. Één getwist CAT5 ader paar wordt voor de voeding gebruikt. Een tweede getwist CAT5 aderpaar wordt voor transport van het ontvangen signaal gebruikt. Deze getwiste voeding- en signaal lijnen gedragen zich symmetrisch tov. de omgeving. En worden dus geen differentiaal mode stoor signalen in opgewekt. Eventuele common mode stoor signalen worden in de versterker door L7 en L8, en in de splitter door baluns L10 en L12 geblokkeerd. De 12V en 50 Ohm splitter aansluitingen zijn weer als on-gebalanceerd in gebruik. De overige twee getwiste ader paren worden alleen in de splitter met massa verbonden. Ze worden op de versterker print ieder op een geïsoleerde aansluiting "X" aangesloten. Via één van die aansluitingen "X", worden eventuele statische ladingen naar de splitter PCB en de geaarde ontvanger afgevoerd.

Belangrijk : de voor common mode smoorspoelen L10 en L12 gebruikte 12,5mm kernen bestaan uit het speciaal voor dit doel ontwikkelde ferriet materiaal type MIX31 (zie onderdelen lijst). De impedantie ervan is hoofdzakelijk resistief van aard, en stijgt tussen 1MHz en 10 MHz  van 6 kOhm naar 19 kOhm (!!). Door hun resistieve karakter is hun effectiviteit onafhankelijk van het eventuele capacitieve, of inductieve gedrag van de transmissielijn. L10 en L12 worden ieder bifilair met 18 windingen 2x0,3mm lakdraad bewikkeld.  

            De voeding.
De externe 12Vdc voeding moet er één van het een lineaire type zijn, dus met een 50Hz net transformator. De uitgang ervan mag NIET geaard zijn. De splitter wordt via de 50 Ohm HF coax verbinding met een geaarde ontvanger verbonden. Z1 en F1 in de splitter beveiligen tegen verkeerd gepoolde en te hoge voeding spanningen. 
De opgenomen stroom is 142 mA bij 12Vdc - 14Vdc. Zekering : 200mA TT, 5 x 20 mm. 

A4 PDF :

Onderdelenlijst Versterker schema Splitter schema Overspanning beveiliging

 

pa0nhc PCB set :

Proto type PCBs.
De beveiliging diodes moeten hier aan de onderzijde 
in deze versterker print gesoldeerd worden.


Nieuw ontwerp voor een versterker
PCB
met de beveiliging diodes op de top van de print.


Proto types.


Kruis : 32mm / 19mm PVC buis.
Loop : omtrek 2m, 15x2mm ALU strip.


De ALU strip is in ondiepe,, 2mm brede, sleuven in de buizen bevestigd,
en gefixeerd mbv. zwarte nylon wurg banden.