<<

LZ1AQ / pa0nhc breedband band raam ontvang antenne.
Dit raam behoeft geen aarde. Plaats het raam op een stoor vrije plek, rol de kabel uit, en sluit aan. Klaar.
Publicatie van LZ1AQ gegevens met toestemming van Chavdar Levkov.

UPDATE : Het raam afschermen.
20191115 13:00

Wijzigingen en updates voorbehouden zonder voorafgaande kennisgeving.
(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 hier naar deze antenne :
De websdr van PA0EBC :  http://mwiek.nl:8073/

Druk svp. alle onderstaande bestanden, en deze internet pagina, af op papier.
Bewaar ze als documentatie.

Controleer af en toe op updates.

PCB
service
Onderdelen lijst
Update 20101003
Splitter box.
Mouser.
Versterker schema
Update : 20190828
Versterker onderdelen
locaties
20190828-p97
Splitter
schema

Update : 201909
21
Overvoltage protectie circuit detail Versterker behuizing schets voor in
75mm PVC pijp
Extern HPF + LPF
output  filter
Constructie details
en testen.

20191014
Kern isolatie.
Splitter.

De artikelen van LZ1AQ staan hier.

Onderstaande printjes zijn leverbaar. Zie PCBcatalog en Hoe Bestellen


Versterker Ver 94


Splitter Ver 40

Frequentie karakteristiek, gemeten met het raam vervangen door 1,1 uH smoorspoel.
NanoVNA "ch0" (sig out) via 2x 470 Ohm gebalanceerd met de raam aansluiting op de versterker PCB verbonden.


Met C5/10=150pF is een vlakke frequentie karakteristiek verkregen van 0,5-28 MHz +0/-3 dB.


Onderdrukking van FM omroep.


Versie1.
Kruis : 32mm / 19mm PVC pijp.
Verbonden mbv. aansluit draden.
Raam : 15x2mm ALU strip, omtrek 2m,


De 15x2mm ALU antenne strip past in drie in de PVC buizen gezaagde sleuven. Ze zijn daar met stevige zwarte wurgbandjes op hun plaats gefixeerd.
NB: De strip hoeft NIET in deze vorm gebogen te worden. Bind de strip in de sleuven, en ze wordt automatisch in ronde vorm gehouden.


Test versie 2 en 3. Verterker in 75mm PVC buis.


Draadloze aansluiting dmv. schroeven.

Ontvangst in mijn zeer storende omgeving
Airspy HF+ , SDRconsole met "visual gain" afgesteld voor 30dB extra signaal indicatie
om het verschil in output met een dipool antenne te compenseren.
Zeer sterk signaal s'avonds (Roemenie S9+56 dB !).

 


Het 16 kHz FSK station is nog goed te ontvangen.

          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 aarding voor de versterker. 
-  Normaal GEEN FERRIET over de verbindende kabel nodig.
   Eenvoudige installatie. Zet antenne nee, rol de kabel uit, sluit aan. Klaar.
Pure, gebalanceerde, afgeschermde H-veld (magnetische) antenne. Zeer ongevoelig voor E-velden.
-  Één stndaard 1:1 UTP (Unschielded Twisted Pair) 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).
-  Goede ontvangst vanaf VLF t/m alle KG banden met optimale S/N..

        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 externe ruisvrije analoge voeding :
132 mA, 12,0 Vdc (maximaal 16Vdc).
De minimum voeding voor de antenne PCB is 11,0Vdc.
De minimaal op de splitter aan te sluiten voeding spanning is echter afhankelijk van de lengte van de UTP netwerk kabel. Per 10m UTP kabel kan h
et spanning verlies 0,5 V zijn. Met 12,0Vdc is de max. lengte van de CAT5 netwerk kabel daarom ca. 20m. Voor langere UTP verbindingen moet de aangesloten voedingspanning verhoogd worden. 

      De versterker.
   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.
Versterker bandbreedte, gemeten met nanoVNA :
       500 kHz tot 23 MHz -3 dB => breedband.
       30 MHz -5 dB.
       70 MHz -45 dB.
       50  kHz -20 dB.
Raam bandbreedte (omtrek 2 m) 15 MHz.

Splitter uitgang impedantie: 50 Ohm asymmetrisch.

        Versterker 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.

     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 asymmetrischm met gescheiden wikkelingen voor optimale common mode onderdrukking beneden 7 MHz.
-  Transformatoren zijn op #77 kernen gewikkeld voor grotere zelf inductie, en tot 25 kHz naar omlaag verbreed VLF frequentie bereik.
Getwiste draadstrengen voor optimale koppeling en bandbreedte tot in hoge KG banden.
-  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.
-  Stelde een componentenlijst samen met bestel nummers voor Conrad en Arrow..

         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 dan een HF stroom van 0,014 mA.
-  Dit raam, tezamen met deze versterker, leveren dan tussen 30 kHz en 15 MHz : -43 dBv, of -30 dBm (S9+43 dB) uitgang vermogen over 50 Ohm.

Op 3,65 MHz is het verschil in uitgang vermogen tussen dit raam, en een 40m lange dipool antenne, dus  -30 dB.
Stel dus voor dit raam +30dB "Visual gain" in.

        Versterker ruis vloer. 
In stedelijke omgevingen is boven 14 MHz het stoor niveau hoger dan de versterker ruisvloer. 
MHz   :   1.8    3.65    7.1    14.175
-dBm :   112    115    115      117
Gemeten met :  SDR#,  Airspy HF+,  B=10 kHz, de raam versterker antenne ingang afgesloten met (te ruime) 2,2 uH, en de splitter uitgang belast met 50 Ohm.

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

         De 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 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, en daarom van weinig invloed op de raam stroom. Ook met minder goed geleidende metalen, is de waarde van de inwendige serie (verlies) weerstand lager dan de reactantie van deze raam zelf inductie. Aluminium is een goed materiaal voor dit raam.

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.

        Waarom dan toch het raam afchermen.
De verbindende UTP kabel is voor common mode spanningen van de antenne gescheiden door effectieve common mode chokes 
Op een frequentie waar de kabel lengte 1/2 lambda is, resoneert de kabel voor common mode, evenals op veelvouden daarvan.
Omdat de kabel voor common mode geïsoleerd en niet belast is, straalt hij eerder opgepikte storingen uit als E-velden..
Omdat één uiteinde van de kabel zich onvermijdelijk direct onder de antenne bevindt, koppelt dit kabel einde met een onafgeschermd raam.
Hetgeen op bepaalde frequenties merkbaar wordt als breedbandig verhoogde stoor niveaus.
Met een lange kabel is dit het hinderlijkste, want het treedt dan vaker en ook op lagere frequenties op.

        Een afgeschermd raam is eenvoudig te construeren met een 2m lang stuk coax kabel. 
Verwijder 1cm van de afscherming in het midden van een 2m lang stuk coax, zodat twee even lange van elkaar geïsoleerde afscherming delen ontstaan.
Bescherm dit coax deel tegen weer invloeden (krimp kous of isolatie band).
Verbind beide onderste uiteindes van de afscherming delen met het massa vlak van de antenne print  
Verbind ieder uiteinde van de coax kern met een versterker ingang. Dit is het eigenlijke raam.

    Let Op :
Omdat beide 1m lange raam afschermingen ieder 100pF extra parallel met de ingangen veroorzaken, moeten  C5 en C10 op de antenne print ieder de waarde 68pF hebben. De frequentie karakteristiek van de versterker is dan weer vlak tot ca. 30 MHz.


De invloed van de interne 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 ruisvloer verlagen :
-  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.

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 (Hammond 1590S) gemonteerd worden.

Alle INTERNE massaverbindingen zijn met de
BINNENZIJDE van de kast verbonden.


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

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 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 versterker trekt ca. 135 mA. Elke 10m CAT5 netwerkkabel veroorzaakt 0,5 Vdc spanning verlies

Met 12,5Vdc is de maximale kabel lengte 30 m.
De veilige waarde voor de externe voeding spanning is 16 Vdc (goed voor 100m UTP kabel).
Een lange kabel veroorzaakt echter niet alleen voeding spanning verliezen, maar ook verliezen op hogere KG frequenties.

TIP : op Aliexpress zijn kleine, ruisarme, lineaire 12Vdc voedingen voor HIFI audio toepassingen te vinden. Hun uitgang spanning is intern naar 14Vdc instelbaar.


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

    Wel aarden 
De aangesloten ontvanger of de aangesloten PC.

Als u een relatief hoog ruis- of stoor niveau waarneemt, kan die storing op verschillende manieren de antenne installatie binnen dringen.

Probeer storingen in onderstaande volgorde te verminderen.

          a. Storing uit de lichtnet aarde.  

Netstoringen mogen de 12Vdc uitgang 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".

 


CMC'sdoor #31 ringkernen gewikkeld.

        b. Storing via de overige bekabeling.

De UTP netwerk kabel is reeds zeer goed ontkoppeld van de antenne en de splitter. Testen toonden aan, dat een extra CMC over de netwerk kabel geen verbetering gaf. De kabel introduceerde GEEN merkbare storing.

Test eventueel of het aanbrengen van CommonModeChokes op de volgende kabels verbetering geeft :

1. Als u een USB gebruikt, moet over de USB kabel, dicht bij de SDR unit, een CMC aangebracht zijn.
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 (NVIS) signalen vertoont het raam geen merkbaar richt effect.
Die storingen zijn niet te onderdrukken.


        Hoe een CommonModeChoke aanbrengen :
Wikkel DUNNE (1/10") kabel zo vaak mogelijk door een grote FairRite mix #31 ferriet kern of een Ferroxcube 3S4 kern..

        LET OP : 
-  Wikkel altijd in één richting.
-  Elke winding moet NAAST de voorgaande liggen.
-  Geen enkele winding mag dus onder een andere winding door lopen of die erover kruisen.

Elke foutief gewikkelde winding werkt één andere tegen, resulterende in TWEE niet wekende windingen !
Beide kern helften van een klapkern moeten perfect vlak op elkaar aansluiten, anders werkt de kern in het geheel NIET. 

            Om zeker te zijn, dat de twee helften van een klapkern zonder lucht spleet op elkaar aansluiten :
-  Liggen alle kabel windingen LOSJES in het kern gat,
-  Worden beide kern helften extra goed samen gedrukt mbv. een strak aangetrokken zwart wurgbandje.

            Welke kernen gebruiken :
"Snap-It" kern ("gedeelde"of "klap" kern) FairRite MIX #31 Nr. 0431173551,  om te testen en makkelijk te verwisselen.
    Correct wikkelen is echter lastiger.
            of
-   Ongedeelde ring kern  FairRite MIX #31 Nr. 2631801202  met zoveel mogelijk windingen DUNNE kabel er doorheen.
                                               Deze kern is bij DX-wire.de te koop als Ferroxcibe T36-23-15-3S4 voor slechts 2E20 / stuk.