<<

LZ1AQ breedband ontvang raam antenne.
Publicatie met toestemming van LZ1AQ, Chavdar Levkov.
pa0nhc 20190514.
Updated schema en onderdelenlijst.

The use, copy and modification of all info on this site is only permitted for non-commercial purposes and thereby explicitly mentioning my radio amateur call sign "PA0NHC" as the original writer / designer / photographer / publisher.

 Lees ook het originele, zeer uitgebreide artikel van LZ1AQ , het staat 

Dit ontwerp is getest en voldoet goed. Er zijn nog enkele printen voor beschikbaar.
Een verbeterd ontwerp is in ontwikkeling.


Ontvangst in een stedelijke locatie met VEEL storing.
Airspy HF+ gevoeligheid ingesteld voor op 80m gelijke indicatie als het grote 10m omtrek raam.


Versie 1.
Kruis : 32mm / 19mm PVC buis.
Raam : 15x2mm ALU strip, omtrek 2m.


De ALU antenne strip past op drie plekken in ondiepe sleuven, en wordt daar gefixeerd mbv. zwarte nylon wurg banden. 


Circuit simulatie met LTspice.
0,75 - 17 MHz +0 / -3dB.
Input is 1mA van het raam als stroombron.
Getrokken lijn = output in dBv.
Gestreepte lijn = fase.



Versie 2.

 

Antenne versterker.
Dit printje behoeft geen afscherming.
De RJ45 bus komt nu aan de bovenzijde.


Splitter.

Dit printje wordt in een metalen behuizing worden gemonteerd.
De RJ45 bus komt nu aan de bovenzijde.


Versie 2. Voorbeeld van de versterker in 75mm dia. PVC buis.
TIP : Gebruik RVS materialen, en tape de onderste cap af.


Versie 2.
Raam van 10x2mm ALU strip.

          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. 

Zie LZ1AQ voor andere raam uitvoeringen die boven 10MHz de S/N verbetern.

            Eigenschappen :
Pure H-veld antenne.
-  Raam zeer ongevoelig voor E-velden.
-  Raam afscherming overbodig => Eenvoudige raam constructie.
-  Raam en splitter worden niet geaard => Eenvoudige installatie. 

      Alleen de aangesloten ontvanger of PC moet geaard zijn.

Gebalanceerd voeding en signaal transport.  => Zeer ongevoelig voor E-stoorvelden.
-  Standaard "straight" CAT5 netwerk kabel. Kabel lengte bijna onbeperkt (zie voeding eisen)
=> Eenvoudig installeren.
Ingebouwde breedband common mode smoorspoelen (baluns) => CAT5 kabel ontstoren overbodig,
=> Eenvoudig installeren.
-  Lage opstelhoogte mogelijk zonder groot signaal verlies.
-  Aanbevolen : S/N kan verder geoptimaliseerd worden door de antenna draaibaar op te stellen.
        Één signaal (of stoor bron) kan dan (afhankelijk van de verticale invalshoek) tot 30 dB onderdrukt worden.

        Door interne beveiliging maatregelen is dit systeem bestand tegen :
1. Bliksem inductie bij een inslag op 100m afstand,
2. Tot 1,5 kW uitgestraald vermogen op 10m afstand,
3. Statische ladingen en common mode spanningen.
4. Te hoge voeding spanning (> 18V), verkeerde polarisatie, kortsluiting in de signaal kabel.

De berekende bandbreedte van de antenne versterker :
+0 / -3 dB : 0,75 MHz - 17 MHz.
+0 / -6 dB : 0,45 MHz - 29 MHz.
  80 MHz : -17 dB
100 MHz : -20 dB.
300 MHz : -38 dB.

De met Airspy HF+ en SDRconsole software gemeten versterker ruis vloer : -87 dBm @ 1 MHz, -94 dBm @ 10 MHz. De ingang was hierbij afgesloten met 1 Ohm.
In mei 2019 werden met dit raam s'avonds zeer sterke signalen ontvangen : tot s9+50 dB op 198 kHz, en tot S9+57 dB op 9,5 MHz.


        Details :
Volgens LZ1AQ is een raam met een diameter van 1m een gunstig compromis. Ik gebruikte makkelijk verkrijgbaar 2m lange 15x2mm ALU strip. De diameter van het raam werd daardoor ca. 60 cm. Het wordt door een symmetrische versterker, breedbandig zeer laag-ohmig (2x 2 Ohm) belast, en werkt daardoor in "kortsluit mode". 

Het gedraagt zich zo als een stroom bron, met een (berekende) serie zelfinductie van ca. 1,22 uH. Volgens de theorie blijft bij gelijk blijvende magnetische veldsterkte, tot lambda = 10 x loop omtrek, de HFstroom output van het raam constant. Een 1m diamter raam is dus bruikbaar tot 30 MHz.

Met deze versterker is tussen 0,75 MHz en 17 MHz de totale gevoeligheid binnen 1/2 Spunt constant. 
Overbelasting door sterke lokale VHF en UHF signalen wordt door de naar boven steil aflopende frequentie karakteristiek voorkomen.

Het splitter schema is enigszins uitgebreid, een 50 Ohm aanpas uitgang transformator is aangebracht, de baluns L10/12 zijn verbeterd.
Op de versterker print is L7/8 door een breedband balun vervangen. De antenne is zo bruikbaar tussen 150 kHz en 80 MHz.

Er zijn  twee printjes ontworpen met daarop makkelijk aansluitbare RJ45 bussen. Een onderdelen bestellijst met bestel nummers is aangemaakt.

        Voeding :
De minimale voeding spanning voor de versterker print met low drop regelaar VR1 (LM2940-10) is 11 Vdc. Elke 10m CAT5 kabel veroorzaakt echter 0,5 Vdc spanning verlies. In de praktijk zal een voedingspanning tussen 12,5 Vdc en 17Vdc meestal voldoen. Stroom verbruik : 126 mA.

Gebruik uitsluitend een ruis arme lineaire voeding, waar een 50/60 Hz net transformator in zit.
Een schakelende voeding (Switched Mode Power Supply) is onbruikbaar, omdat die in de splitter stoor signalen injecteert. 


        Storing ongevoeligheid.
Zwak (capacitief, dus hoog impedant) uit de omgeving in gekoppelde statische (E-veld) storingen, veroorzaken in het raam slechts zeer zwakke stoor stromen. Over de zeer laag ohmige, gebalanceerde versterker ingangen, ontstaan dan (U=IxR) uiterst kleine (en gelijk fasige) stoor spanningen. De gebalanceerde versterker neutraliseert die dan.
De signaal lijnen voor HF en voeding zijn gebalanceerd en voorzien van zeer effectieve Common Mode Smoorspoelen, Waar door eveneens zeer ongevoelig voor (E en H) stoor velden. Deze raam en versterker combinatie resulteert in een bijna pure H veld antenne. Het raam behoeft daardoor geen afscherming, maar de raam versterker en de splitter mogen niet geaard worden. Zie blok schema hieronder.

            Omgeving ruis versus eigen ruis.
In stedelijke omgevingen, met vaak een hoog stoor niveau, is de zwakke eigen ruis van een raam systeem is daar minder belangrijk.
Wel belangrijk is dan de ongevoeligheid voor E-velden, en het groot signaal gedrag.

LZ1AQ : Als andere antennes het door de sterke omgeving storing  af laten weten, is dit raam de enige bruikbare ontvang antenne.

Tot 14 MHz is de eigenruis van dit antenne systeem geringer dan de atmosferische achtergrond ruis in een stoor-vrije omgeving.
 

            Ruis oorzaken :

Door de zeer lage ingangsweerstand van de versterker geldt :
Geringere loop zelfinductie => lagere loop versterker ruisvloer.
 

-  De eigenruis van de versterker wordt hoofdzakelijk bepaald door de thermische ruis van de versterker ingang.
-  Ruisarmere halfgeleiders geven geen verbetering van de S/N.
-  Een dikker raam (bv. 36mm) verbetert wel de S/N, want veroorzaakt een lagere raam zelfinductie.
-  Twee raam windingen parallel geschakeld verbeteren wel de S/N, want veroorzaken een lagere raam zelfinductie.
-  Meerdere windingen in serie geschakeld verslechteren de S/N, want veroorzaken een veel hogere raam zelfinductie.

Zie voor diverse antenne vormen met verbeterde ruis eigenschappen de site van  LZ1AQ .

-   Een beter geleidend raam (koper / verzilverd) geeft geen verbetering van de S/N., want heeft geen invloed op de zelfinductie van het raam.
-   Een raam met een grotere omtrek verslechtert de S/N, want veroorzaakt een hogere raam zelfinductie, en verkleint ook de raam bandbreedte.

             De versterker in detail.
        Voor de beste IMD eigenschappen : 
moet transistorpaar Q1 en Q2  op gelijke eigenschappen geselecteerd (Hfe) worden.
moet transistorpaar Q3 en Q4 op gelijke eigenschappen geselecteerd (Hfe) worden.
moeten C1 en C4 film condensatoren zijn, en liefst van exact gelijke waarde (om beneden 30kHz goede ingang balans te handhaven en net storingen zo veel mogelijk te onderdrukken.).

De voeding spanning wordt op de versterker print mbv. een LM2940-10 tot 10V verlaagd, en ruis resten mbv. een smoorspoel gefilterd. De uitgang van een LM2940 MOET mbv, een 22 uF elco (C12) worden afgesloten. De ingang met 0,47 uF ceramisch.

        Spoelen wikkelen.
Breedband transformatoren Tr1 (L4/5/6) en Tr2 (L21/22/23) worden met drie parallele draden getwist (tri-filair) gewikkeld. Aanpas transformator Tr1 in de versterker is als balans transformator, Tr2 in de splitter als auto transformator geschakeld. 

Deze transformatoren kunnen worden gewikkeld op 13mm ringkernen of 13mm twee gats kernen ("varkensneuzen"), met als ferriet materiaal mix #61 (Ui=125). 

         Voor de tri filar gewikkelde transformatoren Tr1 en Tr2 geldt :
-  Verschillend gekleurde aders vergemakkelijken het aansluiten.
-  Draden parallel met gelijke lengte eerst strekken, en dan elke 10mm twisten.
-  Daarna deze draad trios zonder lucht ruimte, plat tegen de kern wikkelen.
-  De windingen niet over elkaar wikkelen, maar naast elkaar wikkelen.
-  Alle windingen gelijkmatig over de hele kern omtrek verdelen.

Een goede constructie van Tr1 geeft de beste 2nd order IMD eigenschappen.

De smoorspoelen L6, L10 en L12 worden op identieke wijze met twee getwiste draden parallel (bi-filair) gewikkeld.

Deze smoorspoelen kunnen worden gewikkeld op 13mm buiskernen of 13mm twee gats kernen ("varkensneuzen"), met als ferriet materiaal uitsluitend mix #31 (FairRite).. 

            Spoelen aansluiten :
Smoorspoelen :
LET OP de printen aangegeven polariteit (+ -) van de 12V aansluitingen !

Transformatoren :
Éénmaal gesoldeerd, kan de juiste fase van de transformator wikkelingen niet meer gemeten worden. Soldeer de transformatoren daarom als volgt aan de print :

=  Houd draad eindes zo kort mogelijk.
=  Eerst alle draad eindes vertinnen (met zeer hete soldeerbout en tin).
= Soldeer altijd één draad einde en meet het bijbehorende andere.

=  Soldeer eerst één draad einde aan een soldeer oog dat met een ster gemerkt is.
Meet dan welk ander uiteinde daar bij hoort.
=  Soldeer dat uiteinde dan aan een gelijk genummerd soldeer oog zonder ster.

=  Begin daarna pas aan één volgende wikkeling.

Fixeer na montage van alle spoelen deze met lijm op de print.

            Beveiliging schakeling tegen sterke elektromagnetische velden. 
Snelle schakeldiodes D1-8 begrenzen te hoge spanningen op beide versterker ingangen.
Volgens LZ1AQ is de versterker dan bestand tegen bliksem inductie van een inslag op 100m afstand, en tot 1,5 kW HF op 10m afstand.

Te hoge common mode spanningen en statische ladingen worden met  R25, D9, D10, Z2 en Z3 tot +/- 15V begrensd, en via één van de CAT5 aders naar massa van de splitter afgevoerd.

            Transmissielijn en splitter.
Als verbinding kabel tussen antenne versterker en splitter wordt goedkope, weerbestendige CAT5 netwerk kabel met stekkers gebruikt. 
Dit maakt het geheel "Plug And Play". 

REM : afhankelijk van het gebruikte type RJ45 bus moet deze aan de bovenzijde of de onderzijde van de print worden gemonteerd.
Tevens kan de afstand tussen de pennen per type RJ45 bus variëren.

De aderparen ervan zijn getwist, dus gebalanceerd en ongevoelig voor oppikken van stoor velden. 

Één getwist CAT5 aderpaar wordt voor transport van het ontvangen signaal gebruikt. 

Een tweede getwist CAT5 ader paar wordt voor de toevoer van de voeding spanning gebruikt. Eventuele common mode stoor signalen worden in de versterker door trafo secundaire L6 en common mode smoorspoel L8, en in de splitter door common mode smoorspoelen (baluns) L10 en L12 geblokkeerd. 

TR2 (L4/5/6) transformeert de 110 Ohm ingang impedantie omlaag naar ca. 50 Ohm uitgang impedantie..

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. Statische ladingen worden via één van die aansluitingen "X" naar de splitter PCB en de geaarde ontvanger afgevoerd.

Belangrijk : de voor common mode smoorspoelen L8, L10 en L12 gebruikte 12,5mm kernen bestaan uit het speciaal voor dit doel ontwikkelde ferriet materiaal type MIX31 (zie onderdelen lijst). Ze worden ieder bifilair bewikkeld met 18 windingen 2x0,3mm lakdraad. 

Hun impedantie is hoofdzakelijk resistief van aard, en stijgt tussen 1MHz en 10 MHz  van ca. 6 kOhm naar ca. 19 kOhm (!!). Door dit resistieve smoorspoel karakter is hun effectiviteit onafhankelijk van het (capacitieve of inductieve) common mode gedrag van de transmissielijn. Dit capacitieve of inductieve transmissielijn common mode gedrag varieert met de kabel lengte en de frequentie. 

            De voeding.
Z1 (18V) en F1 (200 mA) beveiligen tegen verkeerd gepoolde of te hoge voeding spanningen.

-  MOET er één met een 50/60 Hz transformator zijn (een low noise, lineair audio type).
-  Mag alleen met de splitter verbonden zijn (dus mag niets anders voeden).
-  Mag niet geaard worden.
-  Parallel aan de gelijkrichter diodes in de voeding moeten condensatoren van 0,1 uF geschakeld zijn
   (controleren en eventueel zelf alsnog aanbrengen).

Aarding en verbindingen

Zie het blok schema hieronder. 
Alleen
de aangesloten ontvanger
of
de aangesloten PC
mag geaard worden.

Als u de splitter via een 50 ohm coax kabel met een ontvanger verbind :
Is het verstandig om ook over deze coax kabel een breedband common mode smoor spoel kern aan te brengen.
Wikkel zo veel mogelijk windingen dunne 2,5mm coax kabel door een 1 1/4" mix31 ferriet kern.

Als u de splitter met een uit de PC gevoede SDR ontvanger verbind :
MOET over die voedende USB kabel een breedband common mode smoorspoel aangebracht worden.
Wikkel zo veel mogelijk windingen dunne 2,5mm USB kabel door een 1 1/4" mix31 ferriet kern.

Tevens kan een test gedaan worden met een grote klapkern (19m gat) dicht bij de splitter over de CAT5 kabel.
Wikkel er 5 windingen soepele CAT5 kabel door.

 

 

PDF onderdelenlijst
Update 20190508-19
PDF
versterker
schema
Update 20190508-17
PDF
splitter
schema
Update  20190406-23
PDF
overspanning beveiliging