<<

LZ1AQ / pa0nhc breedband band raam ontvang antenne.
Publicatie van LZ1AQ gegevens met toestemming van Chavdar Levkov.

UPDATE :
Nu met afgeschermd  raam en gedempte UTP verbinding.
PCB nummers : Ant 135, Split 60.

20191127 12:10
Voorlopige ontwikkel gegevens.
Gewijzigd in deze versie : 
** Raam constructie,
** Waarde C5/C10,
** UTP kabel ontstoring,
RJ45 PCB aansluitingen,
Tr1,
PCB formaat van antenne,
Toegevoegd : CMC2,3,C16.
     
De met  ** gemerkte wijzigingen kunnen ook in vorige versies worden toegepast.

(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.

Met dank aan ON0BOG, PA0EBC, PA0MWU and PC2C voor hun ondersteuning.

Van dit onderwerp kan ik een presentatie verzorgen.

LUISTEREN naar deze antenne :
op de websdr van PA0EBC :  http://mwiek.nl:8073/

Lees voor meer info de artikelen van LZ1AQ .

PCB
service
Onderdelen lijst
PCB 135 / 60
20101127 11:40
Versterker schema
PCB 135 20191126
Versterker onderdelen
locaties

PCB 135 20191126
Splitter
schema

PCB 60: 20191126
Raam afschermen en UTP kabel ontstoren. Overvoltage protectie circuit detail HPF + LPF
output  filter
.
Constructie details
en testen.

20191014
Kern isolatie.
Splitter.

De printjes zijn leverbaar. Zie Hoe Bestellen


PN2222 antenne PCB 135.
Gewijzigd:
Antenne aansluitingen, Tr1, CMC2,3.
Nu 3 UTP ader paren parallel voor PWR.

PN2222 splitter PCB 60.
Gewijzigd :
Nu 3 UTP ader paren parallel voor PWR.
Massa vlak is geïsoleerd van de schroeven.

REM : PWR + met PWR bus + verbinden.
Coax scherm = Minus verbinding.
"OUT" via coax met BNC bus verbinden.

In SDR# is "ATT" hier ingesteld op 12 dB. Dit resulteert in +30 dB "Software Gain". De sterkte indicaties zijn zo volledig vergelijkbaar met een goede draad antenne in dezelfde veldsterkte.

Deze spectra zijn opgenomen in mijn ZEER GESTOORDE locatie en door bebouwing omsingeld en laag opgesteld raam.
Er zijn vele stoorbronnen uit meerdere richtingen, die niet allen tegelijk kunnen worden onderdrukt. 

De VLF en LG spectra variëren tot 35 dB met de richting van het raam.
De overige spectra variëren met het uur van de dag.


Ondanks een zeer hoog lokaal stoorniveau, goede ontvangst van VLF/LG : 19,2 kHz S/N 21 dB.


198 kHz S9+51 dB


MG.


160m


80m spectrum gedurende de avond.


40m.


20m.

 

          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 :
-  Goede ontvangst vanaf VLF t/m alle KG banden met optimale S/N..
-  Op lage hoogte dicht boven het aardvlak opgesteld, reeds goede ontvangst.
-  De versterker hoeft NIET GEAARD te wordne.
-  Puur magnetsiche, gebalanceerde en afgeschermde H-veld antenne. 
-  Uiterst ongevoelig voor E-velden.
-  Indien draaibaar opgesteld, is tot 35dB onderdrukking van verticaal gepolariseerd VLF / LG / MG. grondgolf signalen mogelijk 
-  Voor ruimtegolven (NVIS signalen op 80m en 40m, reikwijdte ca. 400 km) heeft deze antenne geen richt effect.
-  Één standaard 1:1 UTP netwerk kabel zorgt voor gescheiden en gebalanceerde verbindingen van signaal en voeding.
Beste onderdrukking van de negatieve invloeden van de verbindende kabel door toepassen van
   -  de juiste ferriet klemmen over de kabel,
   -  ingebouwde optimale CMC's en transformatoren in antenne en combiner.


        Dit antenne systeem is zeer robuuste en bestand tegen :
1. Inductie van bliksem inslag op 100m afstand.
2. Tot 1,5 kW uitgestraald vermogen op 10m afstand.
3. Verkeerde voeding polariteit en overspanning.

Een ontvangen signaal met de enorme sterkte S9+110dB (= 500mV antenne versterker output) veroorzaakt GEEN ENKEL NEGATIEF EFFECT op de goede eigenschappen van de antenne.


PCB Nr 135

        De benodigde externe ruisvrije analoge voeding :
De minimum voeding voor de antenne PCB is 10,0Vdc. 
De maximale aan de splitter aan te sluiten voeding spanning is 16V.
De opgenomen stroom is ca. 132 mA bij 12,0 Vdc voeding.

      De versterker v135.
   Deze versterker is stabiel zonder enige oscillatie neiging.
-  Twee trappen voor voldoende versterking en bandbreedte.
-  Volledig gebalanceerd. 
-  Versterker ingang impedantie ca. 3 Ohm gebalanceerd.
-  Versterker uitgang impedantie 100 Ohm gebalanceerd.
-  Output -30 dBm bij een veldsterkte van 0,02 V/m.
-  Versterking factor ca. 48 dB.
-  Laag ruis niveau (weinig hoger dan de aangsloten ontvanger).
Versterker bandbreedte, gemeten met nanoVNA :
       500 kHz tot 23 MHz -3 dB => breedband.
       30 MHz -5 dB.
       70 MHz -45 dB (goede onderdrukking van FM omroep).
       50  kHz -20 dB. Op VLF is de S/N nog uitstekend.
-  Bandbreedte van het raam (omtrek 2 m = 1/10 lambda) : 15 MHz.

Splitter uitgang impedantie: 50 Ohm asymmetrisch met lage VSWR.

        Versterker overspanning beveiliging antenne circuit.
Snelle schakeldiodes D1-8 begrenzen te sterke HF signalen.

     Mijn aanpassingen :
Film- en NP0 condensatoren zijn meest als bedrade componenten beschikbaar. Film en NP0 zijn nodig voor geringe IMD, en maximale temperatuur stabiliteit. Montage van bedrade onderdelen in ruime gaten is eenvoudiger. Ik koos daarom voor het ontwerpen van :
-  Twee printjes met dubbelzijdige aard vlakken en veel massa-via's,
-  Met ruime gaten voor bedrade onderdelen.
-  Met RJ45 bussen.
-  Output transformator toegevoegd van 100 ohm gebalanceerd naar 50 Ohms asymmetrisch met gescheiden wikkelingen voor optimale common mode onderdrukking beneden 7 MHz.
-  Transformatoren zijn op optimaal #77 en #61 kernen gewikkeld voor grote bandbreedte.
-  Zeer effectieve Common Mode Chokes met optimaal kern materiaal.
-  De waarden van C5 en C10 zijn aangepast om de bandbreedte, en FM omroep onderdrukking aan te passen. 
   Hierbij is met de raam capaciteit en PCB+bedrading capaciteit rekening gehouden.
-  De componentenlijst met bestel nummers voor Conrad en Mouser samengesteld.
-  Ontstoren onderzocht en beschreven.

         Output / gevoeligheid / Smeter.
-  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 in datzelfde HFveld een HF stroom van 0,014 mA.
-  Met deze versterker, is in die veldsterkte, tussen 30 kHz en 15 MHz het versterker uitgang vermogen over 50 Ohm -43 dBv, of -30 dBm (S9+43 dB).

        De voor deze antenne correcte instellingen van SDR software.

           SDRconsole : 
Bandwidth  : "768 kHz"
AGC            : "Low"

ATT              : "Off"
Preamp        : "Off".
Visual gain : "+30dB".
    SDR# (SDRsharp) :
Bandwidth      : "610 kHz"
HF AGC         : "Off"
HF PREAMP : "Off"
ATT                 : "-12 dB".

Op 3,65 MHz is (in gelijke HF veld sterkte) het uitgang vermogen van dit raam 30dB lager dan van een goede dipool antenne  Ik stel voor mijn Airspy HF+ SDR unit de gevoeligheid zoals hiernaast in. De software telt dan automatisch die 30 dB bij de signaalsterkte op.

De weergegeven sterkte indicaties komen dan exact overeen met die van een goede dipool antenne die in dezelfde veldsterkte opereert. Met als resultaat : eerlijke rapporten.     

        Versterker ruis vloer. 
In stedelijke omgevingen is lager dan 14 MHz de atmosferische ruis niveau hoger dan de versterker ruisvloer. 
        Gemeten met :  
SDR#,  Airspy HF+,  B=10 kHz.
Software gain +30 dB.
Raam versterker antenne ingang afgesloten met (te ruime waarde) 2,2 uH, 
Splitter uitgang belast met 50 Ohm.
                                     MHz   :   1.8    3.65    7.1    14.175
Versterker ruisvloer -dBm   :   112    115    115      117

Opgesteld in een (zeldzaam wordende) uiterst ruis arme locatie, is boven 14 MHz het eigenruis ruisniveau van deze antenne hoger dan de atmosferische ruis. Dan is een andere raam constructie met geringere zelf inductie aan te bevelen. Zie LZ1AQ voor meer efficiënte antenne vormen. 

        Door grote ongevoeligheid voor E-velden met als resultaat : PURE H-veld antenne.

Door de lage versterker ingang impedantie (3 Ohm) werkt een aangesloten raam in "kortsluit mode". 
Zijn stroom-output is daarom constant tot een golflengte van 10x de raam omtrek

Een 60 cm diameter raam gedraagt zich dus tot 15 MHz (= 20m = 10x de 2m raam omtrek) als een HF stroom bron met ca. 1,6 uH interne zelf inductie. De verlies weerstand door het raam skin effect is klein tov. de reactantie van de raam zelf inductie. Het skin effect heeft daarom nagenoeg geen invloed op de door het taam (als stroombron werkende) geleverde HFstroom. Ook met minder goed geleidende metalen, is de waarde van de inwendige serie (verlies) weerstand lager dan de reactantie van deze raam zelf inductie..

Dit raam is onafgeschermd al zeer ongevoelig voor E-veld storingen, want :
-  Uit het nabij-veld komende E-veld storingen worden capacitief (via ca. 10 pF raam capaciteit) gekoppeld, en zijn dus zeer hoog-ohmig van aard.
-  Resulterende stoor stromen in het raam zijn daarom al zwak.
-  Het raam heeft kleine afmetingen. De stoorstromen in het raam vertonen daardoor (bijna) gelijke fase en sterkte op beide raam aansluitingen .
-  Een goed gebalanceerde versterker verzwakt deze storingen verder.

Toch moet het raam afgeschermd worden om kabel gerelateerde storing hinder te voorkomen.

Het aanvankelijk niet begrepen probleem van hardnekkig gestoorde frequentie gebieden.
Mijn verklaring :

Bij actieve antennes gedraagt de verbindende (coax of UTP) kabel zich als een paracitaire antenne.
Deze kabel ontvangt ook signalen en storingen uit de directe omgeving..

Als gevolg van door de kabel onderweg opgepikte stoor signalen, ontstaan op de uiteinden van de kabel HF stoor spanningen, 

Als voor de beluisterde frequentie de kabel lengte ongeveer 1/2 lambda, of een veelvoud daarvan is, is de kabel in resonantie.
Dan worden op de uiteinden van de kabel de HF-stoor spanningen veel groter.
De uiteinden van de kabel stralen deze stoorspanningen weer als E-velden uit.

Één kabel einde bevindt zich op slechts 30cm afstand van het actieve raam.
De door dit kabel einde uitgestraalde E-veld koppelt met een niet-afgeschermd het raam.
Dit wordt in de ontvanger merkbaar als stoor gebieden, die niet door draaien van het raam zijn te verzwakken.

Deze E-veld koppeling, en hinderlijke kabel resonanties, moeten voorkomen worden :
1. Raam afschermen.
2. Plaats op de kabel elke 3m een goede #31 Common Mode Choke.

 


De invloed van de eigen zelfinductie van het raam.

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.
De raam omtrek bepaalt de hoogste frequentie waar, bij constante veldsterkte, de geleverde antenne stroom constant blijft (1/10 lambda regel).

            Hoe de versterker ruisvloer verlagen (alleen voor zeer stoor arme locaties) :
-  Een dikker raam zal de raam zelfinductie verlagen, en de ruisvloer VERBETEREN.
-  Een raam met meer dan één winding PARALLEL geschakeld, heeft een geringere zelf inductie, en zal de versterker ruisvloer VERBETEREN.
-  "Cross Connected Loops" verbeteren de versterker ruisvloer. Zie LZ1AQ.

Zie LZ1AQ voor meer efficiënte antenne vormen.

            Wat de systeem ruisvloer niet verlaagt :
-  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.
-  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.
-  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. 
  
De gebruikte, goedkope PN2222A transistoren functioneren prima.

Splitter.

PCB Nr 60.

Belangrijk voor storing onderdrukking :

De RJ45 connector steekt geïsoleerd door een kastwant heen,
en maak dus geen contact met de kast.

De metalen 12V connector en de BNC connector
mogen uitsluitend tegen de BUITENZIJDE van de
metalen kast gemonteerd worden.

De massaverbinding van de print is alleen met de
BINNENZIJDE van de gesloten metalen kast verbonden.


            Transmissie lijn en splitter v50.
Een standaard, onafgeschermde, standaard 1:1, UTP netwerk kabel verzorgt gebalanceerde verbindingen tussen splitter en versterker.

Één paar draden wordt voor signaal transport gebruikt. De overige voor voeding spanning. 

Common mode storingen in de UTP 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).
-  Controleer of de gelijkricht diodes ieder met een 0,1 uF condensator overbrugd zijn.
   Zo niet : breng die condensatoren alsnog aan.

        LET OP : 
-  De net aarde mag NIET met het interne van de voeding verbonden zijn.
-  De 12V uitgang MOET een van de kast geïsoleerd (plastic) type zijn !
   Zie "PIN1 problem" hierna .

        De externe voeding spanning.
De maximale waarde voor de externe voeding spanning is 16 Vdc.
TIP : op Aliexpress zijn kleine, ruisarme, lineaire 12Vdc voedingen voor HIFI audio toepassingen te vinden. 


 


        Aarding, appartuur ontstoren, en aansluiten.
         
NIET aarden :
-  Antenne
-  Splitter behuizing
-  12Vdc voeding uitgang.

Nieuwe effectieve de-noising maatregelen.

Belangrijk !
Deze maatregelen kunnen ook op eerdere versies worden toegepast.
Zie ook "UTP kabel ontstoren"

    Wel aarden :
De aangesloten ontvanger of de aangesloten PC.

Buiten de antenne om kunnen stoorsignalen op verschillende manieren binnen dringen. 
Probeer deze "niet door de raam antenne ontvangen" stoor signalen in onderstaande volgorde te verminderen.

          a. Storing uit het de lichtnet.

     Net aarde storing en voeding :
Netstoringen mogen de 12Vdc uitgang van de voeding en de splitter niet bereiken. 

De veiligheid aarde van de Euro stekker mag daarom alleen met de buitenzijde van de kast.verbonden zijn. De minus van de 12V output mag NIET met de buitenzijde van de kast verbonden zijn.               
   

          Controleer / meet of 
-  De aardpen van de netspanning aansluiting (Euro chassis deel) met het
    INwendige van de voeding is verbonden,
            en/of
Het geaarde voeding netsnoer geïsoleerd door de kast wand gaat.

Zo ja: Dan heeft u een "Pin1 problem".

Op die manier worden op de net-aarde aanwezige stoor signalen direct naar de 12Vdc uitgang geëxporteerd !

Dit moet als eerste verholpen worden.
Zie "Construction Details".

Zie "Construction Details".

 

        b. Storing via de overige bekabeling.

Een NIET van ferriet voorziene UTP kabel pikt lichtnet storing op. Die storing wordt in het (niet afgeschermde) raam gekoppeld, en wordt sterk hoorbaar op frequenties waar de verbindende (UTP) kabel een lengte heeft van 1/2 lambda of een veelvoud daarvan.

1. Monteer een afgeschermd raam.
2. Breng elke 3m een gedeelde ferriet kern materiaal #31 aan.

Zie constructie en ontstoor aanwijzingen.

1. Als u een USB gevoede SDR ontvanger gebruikt, moet over die USB kabel, dicht bij de SDR unit, een CMC met 8 wdn. over een 29mm #31 kern aangebracht worden.
2. Op de 12Vdc voeding kabel dicht bij de splitter.
3. Op het 240V~ netsnoer dicht bij de voeding.
4. Op de 50 Ohm kabel dicht bij de ontvanger.

        c. Wat overblijft :
Probeer als laatste de door het raam ontvangen magnetische storing te minimaliseren door het raam te draaien. Dit werkt echter alleen als de storing uit het nabijveld ontvangen wordt (dus als verticaal gepolariseerd signaal onder een lage hoek met de horizon).

Voor verreveld signalen op frequenties boven 7 MHz vertoont het raam weinig richt effect. Die verre veld storingen zijn moeilijk te onderdrukken.