Receiving loop antenna after LZ1AQ

LZ1AQ / pa0nhc breedband band raam ontvang antenne.
Dit raam behoeft geen aarding. Plaats het raam op een stoor vrije plek, en rol de kabel uit. Klaar.
Publicatie van LZ1AQ gegevens met toestemming van Chavdar Levkov.
Met dank aan ON0BOG en PA0EBC voor hun ondersteuning.
pa0nhc 20190716 13:00
Update.: Van 10 kHz tot 1 MHz verbeterde common mode onderdrukking .
(Copyright) 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.

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.

            Eigenschappen :
- GEEN afscherming nodig voor het raam, geen aarding voor de versterker.
   Eenvoudige installatie.
- Pure H-veld (magnetische) antenne. Zeer ongevoelig voor E-velden.
- Één kabel voor gebalanceerde verbindingen van signaal en voeding.
- Reeds ingebouwde, zeer effectieve baluns (Common Mode Chokes).
- Op lage hoogte opgesteld, reeds goede ontvangst.
- Voor ruimtegolven (NVIS signalen) heeft deze antenne geen richt effect.
- Indien draaibaar opgesteld, is tot 30dB onderdrukking van verticaal
   gepolariseerd grondgolf signalen mogelijk (VLF / LG / MG).

        Dit antenne systeem is bestand tegen :
1. Inductie van bliksem inslag op 100m afstand.
2. Tot 1,5 kW uitgestraald vermogen op 10m afstand.
3. Statische ladingen en common mode spanningen.
4. Verkeerde voeding polariteit en overspanning.

De benodigde ruisvrije analoge externe voeding :
132 mA, minimaal 11,5 Vdc, maximaal 17Vdc.
REM : De minimum aan te sluiten voeding spanning is afhankelijk van de lengte van de netwerk kabel. Het spanning verlies per 10m CAT5 kabel is ca. 0,5V..

De versterker.
- De versterking factor : 48 dB. Deze versterker is stabiel zonder enige oscillatie neiging.
- Twee trappen voor voldoende versterking en bandbreedte.
- Volledig gebalanceerd.
- Ingang impedantie ca. 3 Ohm gebalanceerd.
- Uitgang impedantie 100 Ohm gebalanceerd.
- Versterker bandbreedte met aangesloten raam : +1 / -3 dB : 25 kHz - 36 MHz.
- Raam bandbreedte (omtrek 2m) :
Tot golflengte = 20m / 15 MHz constante antenne gevoeligheid.
- Output -30 dBm bij een veldsterkte van 0,02V/m.

Splitter uitgang : 50 Ohm.

Overspanning beveiliging circuit.
Snelle schakeldiodes D1-8 begrenzen te sterke HF signalen.
D9, D10, Z2 en Z3 begrenzen te hoge common mode- en statische spanningen tot + en - 15V.
Statische ladingen worden via R23 naar de ontvanger en vandaar naar aarde afgevoerd.

Mijn versie :
Film- en NP0 condensatoren zijn meest als bedrade componenten beschikbaar. Zij zijn nodig voor geringe IMD, en temperatuur stabiliteit. Montage van bedrade onderdelen in ruime gaten is eenvoudiger.

- Ik koos daarom voor het ontwerpen van twee dubbelzijdige printjes met ruime
   gaten, voor bedrade onderdelen. Met RJ45 bussen, en veel massa via's.
- Voegde een 100 : 50 Ohms output transformator Tr2 toe.
- De waarden van C5 en C10 zijn veranderd om de bandbreedte en FM omroep
   onderdrukking aan te passen.
   REM: Hierbij is met 5 pF raam capaciteit en 7 pF PCB+bedrading capaciteit rekening gehouden.
- Transformatoren Tr1 en Tr2 zijn nu op #77 kernen gewikkeld voor grotere zelf inductie
   en tot 25 kHz verbreed VLF frequentie bereik.
- Optimaliseerde Common Mode Chokes met het juiste kern materiaal.
- Componentenlijst met bestel nummers voor Conrad en Arrow..

Output.
In een HF veld met sterkte 0,02 V/m, levert een 40m lange dipool antenne op 20m hoogte op 3,65 MHz over 50 Ohm een HF spanning van 0 dBm. Dit 60cm diameter raam levert dan een HF stroom van 0,014 mA.

Raam en versterker leveren dan tezamen tussen 30 kHz en 15 MHz : -43 dBv of -30 dBm (S9+43 dB) over 50 Ohm.

Op 3,65 MHz is het verschil in uitgangspanning tussen dit raam en een 40m lange dipool antenne dus -30 dB.

TIP : Als in de software "Visual Gain +30 dB" wordt ingesteld, is op 3,65 MHz de sterkte indicatie van dit raam systeem gelijk aan die van een 1/2 lambda dipool.

        Ruis vloer.
Gemeten met SDR#, Airspy HF+, B=10 kHz, raam versterker antenne ingang afgesloten met 2,2 uH, splitter uitgang belast met 50 Ohm.
MHz   : 1.8    3.65    7.1    14.175
-dBm :   112    115    115      117

Opgesteld in een (zeldzaam wordende) uiterst ruis-arme locatie, is de ruisvloer van dit raam voor frequenties tot 14 MHz lager dan het atmosferische ruis niveau.
Dan is voor optimaal gebruik ook op hogere frequenties een raam constructie met geringere zelf inductie aan te bevelen. Zie LZ1AQ voor meer efficiënte antenne vormen.

In stedelijke omgevingen is boven 14 MHz het stoor niveau hoger dan de ruisvloer van deze antenne. De ruisvloer van deze antenne is dan onbelangrijk.

De ongevoeligheid voor E-velden.
Door de lage ingang impedantie (3 Ohm) werkt een aangesloten raam in "kortsluit mode". Een 60 cm diameter raam gedraagt zich dan tot 15 MHz als een HF stroom bron met ca. 1,6 uH interne raam zelf inductie in serie. De waarde van de inwendige serie (verlies) weerstand is veel lager dan die van de raam inductie reactantie en versterker ingang impedantie, en daarom van geen invloed. De geleverde HF stroom is daardoor constant voor golflengtes groter of gelijk aan 10x de raam omtrek (> 20m / <15 MHz).

Dit raam is ongevoelig voor E-veld storingen uit het nabij veld, want :
- Capacitief in het raam gekoppelde, uit het nabij-veld komende E-veld storingen zijn zeer hoog-ohmig van aard.
- Het raam is zeer laag-ohmig afgesloten.
- Stoor stromen in het raam zijn daarom zwak.
- Het raam heeft kleine afmetingen.
- Stoorstromen in het raam vertonen daardoor op beide raam aansluitingen (bijna) gelijke fase en sterkte.
- De gebalanceerde versterker verzwakt deze storingen verder.

Resultaat : zonder afscherming toch een PURE H-veld antenne.

De invloed van de raam zelfinductie.

Volgens LZ1AQ is een raam diameter van 1 meter optimaal.
De ruisvloer van de versterker wordt hoofdzakelijk bepaald door de thermische ruis van de totale ingang impedantie van de versterker.
Omdat de zelfinductie van het raam de ingang impedantie van de versterker verhoogt, zal een lage raam zelf inductie de versterker ruisvloer verlagen.
Zie LZ1AQ voor meer efficiënte antenne vormen.

- Low noise transistors zullen de versterker ruisvloer NIET verlagen.
- Beter geleidend raam materiaal (koper, verzilverd) zal de raam zelf inductie, en daarom de versterker ruisvloer NIET verlagen.

- Een grotere raam omtrek zal de raam zelfinductie verhogen, en de versterker ruisvloer VERSLECHTEREN.
- Een raam met meer dan één winding in SERIE geschakeld heeft een grotere zelf inductie, en zal de versterker ruisvloer VERSLECHTEREN.

- Een dikker raam zal de raam zelfinductie verlagen, en de ruisvloer VERBETEREN.
- Een raam met meer dan één winding in PARALLEL geschakeld heeft een geringere zelf inductie, en zal de versterker ruisvloer VERBETEREN.

- Transistoren met hoge Ft vergroten de bandbreedte weinig (of NIET), omdat de bandbreedte hoofdzakelijk door de raam omtrek bepaald wordt.
Bovendien is het moeilijk een dergelijke versterker stabiel en vrij van oscillaties te houden.

Een standaard CAT5 netwerk kabel verzorgt gebalanceerde verbindingen tussen splitter en versterker. Voorkom binnen dringen van water, om sterke verslechtering van kabel eigenschappen te voorkomen.

Een lange kabel veroorzaakt niet alleen voeding spanning verliezen, maar ook verliezen op hogere frequenties.

Één paar draden wordt voor signaal transport gebruikt. Een tweede voor voeding spanning. De overige 4 draden zijn alleen in de splitter geaard. Één ervan wordt gebruikt voor de afvoer van statische spanningen via een 100k serie weerstand tussen versterker en splitter.

Common mode storingen in de CAT5 netwerk kabel worden in de splitter geblokkeerd door Common Mode Chokes L10, L12, en nieuw ontwikkelde balans naar onbalans transformator Tr2.
In de versterker blokkeren CMC L7 en balans naar balans transformator Tr1 common mode signalen.

Z1 en F1 voorkomen schade bij te hoge, of omgepoolde voeding spanning, of kortsluiting in de netwerk kabel. Zekering : 5 x 20 mm, 200mA T (traag).

De benodigde externe voeding.
- MOET een LINEAiRE LOW NOISE voeding zijn (dus met een 50/60Hz net transformator en liefst ook net filter).
- Controleer of de gelijkricht diodes ieder met een 0,1 uF condensator overbrugd zijn.

        Zo niet : breng die condensatoren alsnog aan.
- De uitgang van deze voeding mag alleen met de splitter verbonden zijn.
- De uitgang van deze voeding mag dus NIET geaard zijn.

        Minimum voeding spanning.
De versterker trekt 135 mA. Elke 10m CAT5 netwerkkabel veroorzaakt 0,5 Vdc spanning verlies.
        Voorbeeld :
Als 30m CAT5 kabel is gebruikt, dan is er 1,5 Vdc spanning verlies.
De LM2940-10 benodigt minstens rimpel arme 11 Vdc voor betrouwbare werking.
De externe voeding moet dan 11 + 1,5 = rimpel- en brom- vrije 12,5Vdc leveren.

Een zeer eenvoudige voeding, bestaande uit net filter + net transformator + brugcel + elco kan al voldoen.
Let op de maximale uitgang spanning van 17 Vdc.

TIP : op Aliexpress zijn kleine, ruisarme, lineaire 12Vdc voedingen voor HiFi audio toepassingen te vinden.
Bij voorbeeld : Breeze Audio : 12V / 15W : $56.
Een versie met een ingebouwd net filter, 12V / 25 W : $75.
Hun uitgang spanning is intern instelbaar.

Aansluiten en aarden.
De splitter en de voeding mogen niet geaard worden.
De aangesloten ontvanger of PC moet wel geaard zijn.
Als een SDR unit met een PC als ontvanger gebruikt worden, moet een goede common mode smoorpoel over de USB kabel gebruikt worden.
Gebruik hiervoor uitsluitend #31 kern materiaal.

Gebruik DUN 2,5mm kabel, en wikkel dat zo vaak mogelijk losjes door een ferriet #31 kern met groot gat,