Erweiterungen, Änderungen, Verbesserungen zur Aktivantenne

Danke, Ha-Jo,

für Deine Erläuterungen. Ja, die Schliefe ist eine Schleife und mit der Netz- oder Knotenliste meinte ich die für den Radio Designer. Mit dem mache ich auch sehr viel und bin mit einigen Details recht vertraut.

Welche Art von Verstärker verwendest Du? Betreibst Du einen 50-Ohm-Verstärker mit Aufwärtstrafo oder einen mit niederohmigem Eingang?. Ich werde übers Wochenende mal versuchen, quick and dirty einen Verstärker aus einer Basis- und einer folgenden Emitterstufe aufzubauen und dann diese nochmals in der Praxis zu testen. Die Basisschaltuing hat ja in den Emitter gesehen eine niedrige Eingangsimpedanz - bei meinen Messungen hat die bislang auch die höchsten Pegel geliefert (bei gleicher Verstärkung wie meine 50-Ohm-Version).

Dass Du 40 dB Verstärkung benötigst um bei den unteren Bändern etwa Signalgleichheit zu erzielen deckt sich mit den Ergebnissen einiger Loop-Tester und meinen ersten praktischen Versuchen. Ich denke, so langsam gewinne ich einen Überblick über das Machbare und komme zu einer brauchbaren Lösung.

73, Uli, DK4SX

Lbr Uli,

als Verstärker hatte ich zunächst eine mit Drehko abstimmbare Vorselektion mit einem LT1252 dahinter (cq-DL 1/2009) und dann noch einen 10-dB-Vorverstärker dazu. Das ergab ebenfalls ca 40 dB Verstärkung. Wegen der vorhandenen Vorselektion war diese Lösung natürlich frei von Intermodulationen, aber ich mußte jedes Kurzwellenband Band extra einstellen.

Meine jetzige Lösung verdanke ich Uwe, der hier auf dem Server unter DE0508 firmiert und mir bei der Beschaffung von zwei MMICs behilflich war, da ich als Rentner nicht mehr so den Überblick über moderne Bauteile habe. Ein MSA-0270 und dahinter ein INA-02186, recht freitragend aufgebaut auf einer Platine mit durchgehender Massefläche, machen zusammen gut 40 dB Verstärkung , die ich bis 500 MHz mit einem Spektrumsanalyzer kontrollieren kann. Trotz einer Gesamtstromaufnahme von fast 60 mA benötige ich auch für diesen Verstärker eine Vorselektion, derzeit in Form eines 30-MHz-Sendertiefpasses. Sonst habe ich starke Intermodulationen. Bei meinem 50-Ohm-Verstärkereingang kann ich natürlich ein Filter problemlos einfügen. Die Verstärkung von 40 dB ist für CW-Bandbreite am Empfänger in Ordnung; bei SSB-Bandbreite steigt das Antennenrauschen bei dieser Verstärkung entsprechend an.

Der Übertrager vom Verstärkereingang zu meiner Schleife hat auf der 50-Ohm-Seite 18uH und an der Loop die gleiche Induktivität wie die Loop selbst, 2,3 uH.
Die Schleife selbst ist erdfrei und nicht geschirmt, besteht aus einfacher Netzlitze. Koppelkapazität zwischen den Wicklungen ist 7 pF. Meine Schleife hängt, wie schon gesagt, horizontal.

OK?

Vielen Dank, Ha-Jo,

für die ausführliche Schilderung. Wenn ich also von SSB-Betrieb ausgehe, dann lande ich immer wieder bei notwendigen rund 30 dB Verstärkung. Nach dem Aufbau meines geplanten Verstärkers werde ich dann von meinen Erfahrungen weiter berichten.
Der IC-7700, den ich seit einigen Wochen neu betreibe, ist ohne Vorverstärker so unempfindlich, dass S-7 Signale gerade noch mit S 1 angezeigt werden. Das hat mich zu der irrigen Aussage veranlasst, die Loop mit nur 22 dB Verstärkung und 50-Ohm-Eingang würde nicht funktionieren. Um also tatsächlich die schwachen Signale mit besserem S/N aufnehmen zu können, die bei mir aktuell im Lokal-QRM verschwinden, bin ich auf angepasste Verstärkung und eine effiziente Loop angewiesen. Ich werde also versuchen den besten Kompromiss herauszuarbeiten.

73, Uli, DK4SX

Hallo,

der Aufbau und die Messungen am neuen Verstärker haben einige Erkenntnisse gebracht. Die Schaltung ist zweistufig ausgelegt, mit einer Basisstufe im Eingang. Verstärkung im 50-Ohm-System ist 25 dB, gespeist aus einer niederohmigen Quelle (mit Breitbandtrafo 4:1) 29,5 dB mit einem Freuqenzgang von +/- 0,3 dB von 1,5 bis 30 Mhz. An der Stelle X ist eine 50-Ohm-Schnittstelle, an der man beide Vertsärkerteile messen kann. L2 und C9 bilden die Impedanztransformation für den Eingang der 2. Stufe und gleichzeitig einen Tiefpass, der die 2. Stufe von IM-Produkten bei 100 MHz um mehr als 30 dB entlastet.

Eine Magnetantenne empfängt das Fernfeld einer Station als homogenes Feld, sofern der Umfang kleiner ist als eine Viertelwellenlänge. Dieses Feld kann eine kleine Koppelschleife zur Messung nicht erzeugen, daher sind die Messungen mit der Koppelschleife nur zu Vergleichen interessant, nicht aber, um die Funktion und den Frequenzgang der Antenne für Empfangszwecke zu beurteilen. Daher ist es auch notwendig, gemäß der Theorie den Eingang des Verstärkers niederohmig auszulegen um die Schleife tatsächlich annähernd im Kurzschluss zu betreiben. Den mit der Koppelschleife erzeugten Frequenzgang der Schleife mit VV mit niederohmigen Eingang zeigt der Anhang. Es ergibt sich eine ansteigende Transferfunktion bis zu einem Maximum unterhalb der Resonanzfrequenz, bei mir 25,5 MHz. Die Optimierung der Anordnung auf einen "ebenen" Frequenzgang mit 50-Ohm-Verstärker erscheint nicht praxisgerecht.

Die 2. Schaltung zeigt meine stationäre Umschalteinheit mit Relais. Die 12 V-Spannung wurde etwas angehoben, um den Verstärker mit knapp 13 V zu versorgen und den Spannungsabfall bei 80 mA Belastung durch das 20 m lange Koaxkabel auszugleichen.

Die ersten Empfangsversuche zeigten auf dem bei mir sehr stark gestörten 40-m-Band S/N-Verbesserungen von 20 dB und mehr. Auch auf dem 20-m-Band waren solche Verbesserungen nachvollziehbar. Lediglich auf 80 m funktionierte das nicht. Obwohl sowohl am Verstärker als auch in der Umschalteinheit breitbandige Mantelwellensperren eingebaut sind, war das S/N schwacher Stationen auf 80 m mit der Schleife schlechter. Vermutlich haben die lokalen Störungen hier einen starken magnetischen Nahfeldanteil. Da werde ich noch Untersuchungen anstellen müssen.

Soviel mal als aktueller Bericht.

73, Uli, DK4SX

Hallo Andreas,

dann stimmt etwas an unseren Messungen/Überlegungen nicht. Wenn ich den Verstärker mit geringer Eingangsimpedanz gegen einen mit 50 Ohm Eingangsimpedanz und gleicher Verstärkung tausche, habe ich bei Frequenzen von 1,5 bis 10 MHz keine Pegelzunahme von 17 dB! Die Pegel sind in Bereich tiefer Frequenzen eher gleich. Und die professionelle Antenne meines Bekannten, gemessen mit einer kleinen Koppelschleife zeigt einen vergleichbaren Frequenzgang wie ich ihn gemessen habe. Und diese Antenne ist mit einem sehr niederohmigen Verstärker ausgestattet und hat eine über die Frequenz konstante (mit kalibriertem Feldstärkemesser verglichene) Empfindlichkeit. Das dürfte ja nach Deinen Überlegungen nicht der Fall sein. Was stimmt nun?

73, Uli, DK4SX

Hallo Andreas,

wenn ich die Einkoppelschleife aus 50-Ohm-Koaxkabel aus einem Generator mit dem Generatorwiderstand von 50 Ohm speise und mit 50 Ohm abschließe und die Empfangsschleife aus 50-Ohm Koaxialkabel an einem Ende ebenfalls mit 50 Ohm abschließe und an das andere eine 50-Ohm-Verstärker anschließe, dann habe ich zwei perfekt abgschlossene Kabel, die ich auch als solche betrachte. Das Ganze bildet dann einen Transformator, der nicht über die Windungszahl, sondern über die Umfänge der Schleifen transformiert. Allerdings mit dem Koppelfaktor NULL!

Sofern die Koppelschleife Leistung an die Empfangsschleife abgibt, stellt sie kein ideales Koaxialkabel mehr dar und man müsste an den Ausgang des Generators noch eine Impedanz anschließen, bestehend aus der Schleifeninduktivität und einem Strahlunswiderstand. Dann ist aber auch der Strom durch die Enkoppelschleife nicht mehr frequnezunabhängig. Dasselbe gilt natürlich auch für die Empfangsschleife. Das bedeutet, dass Dein Ersatzschaltbild für die Simulation nicht passt, oder?

73, Uli, DK4SX

Hallo Andreas und Mitleser,

ich bin manchmal etwas voreilig mit meinen Postings. Jetzt habe ich mir mal Zeit genommen, um mit einem Funk-Kollegen, der ebenfalls mit Magnetloops arbeitet, sowohl die Theorie etwas aufzuarbeiten, als auch eine Simulation durchzuführen. Dabei haben wir der Einfachkeit halber zuerst mal beide Loops als reine Induktivitäten angesetzt. Es ist richtig, dass

- die kleine Koppelinduktivität in erster Näherung von einem frequenzunabhängigen Strom durchflossen wird (bei niedrigen Frequenzen)
- diese in der "großen" Schleife eine Spannung induziert, die linear mit der Frequenz ansteigt (ebenfalls in erster Näherung)

Du hast also Recht mit Deinen Aussagen, Andreas!

Greift man die induzierte Spannung mit einem Verstärker definierter Impedanz ab, so ist die abgenommene Leistung von der Eingangsimpedanz des Verstärkers abhängig, wobei mit einer höheren Impedanz mehr Leistung entnommen werden kann, als mit einer niedrigeren Impedanz, da der Strom bei "Kurzschluss" von der Schleifenimpedanz begrenzt wird (die Schleife also keinen hohen Kurzschlussstrom liefern kann). Mit einem Verstärker mit Eingangsimpedanz 100 Ohm kann also ein höherer Empfangspegel als mit einem solchen mit nur 20 Ohm erzielt werden.

Der große Unterschied besteht allerdings darin, dass sich die untere Grenzfrequenz (der Empfangsempfindlichkeit) mit niedrigerer Verstärker-Eingangsimpedanz sehr weit nach unten verschieben lässt. Das ist offensichtlich der Grund, weshalb kommerzielle Hersteller Mess-Antennen mit beispielsweise nur einem halben Meter Durchmesser bauen können, die eine untere Grenzfrequenz von nur wenigen zehn kHz (!) haben, bei bügelbrettgeradem Frequenzgang bis über 30 MHz. Dazu werden dann Verstärker benutzt, deren Eingangsimpedanz nur Bruchteile eines Ohm betragen. Das geht dann natürlich auf Kosten des Ausgangspegels, der mit massiver, sehr rauscharmer Verstärkung aufgepäppelt werden muss.

Erhöht man die Verstärker-Eingangsimpedanz steigt der Ausgangspegel stark an, allerding mit steigender unterer Grennzfrequenz. Wie schon bemerkt wurde, liegt sie für eine Schliefe mit 1,1 oder 1,2 m Durchmesser etwa bei 3 MHz für einen 50-Ohm-Verstärker. Oberhalb ist der Frequenzgang wieder linear. Wer mehr Pegel haben möchte bei gleichbleibender unterer Grenzfrequenz muss daher den Schleifendurchmesser erhöhen (auf Kosten der oberen Grenzfrequenz) oder einfach mehr Verstärkung investieren.

Warum ich bei meinen Messungen mit 50-Ohm-Verstärker einen linearen Frequenzgang, bei der Messung mit dem Verstärker niedriger Eingangsimpedanz jedoch einen mit der Frequenz ansteigenden Frequenzgang mit etwa gleichem Pegel bei z. B. 3 MHz gemessen habe, ist mir aktuell noch nicht klar. Diese Messungen werde ich wiederholen. Zudem hat unsere Simulation nicht berücksichtigt, dass die beiden Schleifen nicht aus Draht sondern Koaxkabel bestehen. Es gibt also noch was zu tun, um die ganze Funktionalität vollständig zu begreifen.

Soweit für heute.

73, Uli, DK4SX

Hallo Andreas,

ja, wir kommen so langsam aufs gleiche Gleis. Danke für Deine erneuten Messungen! Wenn Du Dein 1. Diagramm mit linearer Frequenzachse darstellst, kommt im Prinzip genau dieselbe Kurve heraus, die ich mit kleiner Koppelschleife und meinem niederohmigen Verstärker gemessen habe. Diese Resonanzen stammen dabei offensichtlich von der Loop aus Koaxialkabel, da sie mit einfachen Induktivitäten in der Simulation nicht darstellbar sind. Das erklärt auch die vergleichsweise kleinen Loopdurchmesser der kommerziellen Messantennen, um die obere Resonanz und ihre Auswirkung auf den Frequenzgang über 30 MHz hinauszuschieben. Die untere Grenzfrequenz scheint aber dennoch sehr niedrig zu sein (und auch so erwünscht), denn einige Hersteller geben tatsächlich so niedrige Messfrequenzen an (z. B. Schwarzbeck, Typ FMZB 1519).

Erstaunlich ist, dass diese Resonanzen tatsächlich "eingeebnet" erscheinen, wenn die Verstärker-Eingangsimpedanz dem Wellenwiderstand des Koaxkabels entspricht. Das ist nicht unbedingt einzusehen, solange die Loop am anderen Ende kurzgeschlossen ist.

Was mich nur wundert ist, dass diese Simulationen und Messungen den Ergebnissen meines Bekannten völlig widersprechen, der mit seiner professionellen Rechteckschleife mit 1 m Kantenlänge und Verstärker sehr niedriger Eingangsimpedanz einen ebenen Frequenzgang im Feld gemessen hat, mit einem Empfindlichkeitsabfall nach unten, beginnend bei etwa 3 MHz. Vielleicht spielt uns doch noch die Koppelschleife in der Simulation und Messung einen Streich und wir sind bloß noch nicht auf den Zusammenhang gestoßen.

73, Uli, DK4SX

Hallo Andreas und Mitleser/Bauer/Simulierer,

Die von meinem Freund kommerziell gebaute Antenne ist ein metallischer, quadratischer Rahmen (keine geschirmte Loop) mit einem Verstärker mit sehr niederohmiger Eingangsimpedanz (genauere Infos habe ich, möchte ich jedoch nicht hier veröffentlichen). Diese Schleife wurde auf dem Antennengelände der Fa. vermessen. Dazu diente bei höheren Frequenzen eine Stabantenne, deren Pegel so verändert wurde, dass am Messstandort mit einem kalibrierten Feldstärkemesser von R&S mit Rahmenantenne eine definierte Feldstärke erreicht war. Deren Stärke an der Loop wurde dann registriert. Bei sehr tiefen Frequenzen dienten Langwellensende zur Messungr, da die Stabantenne nicht genug Pegel lieferte. Diagramm 1 zeigt die Empfindlichkeit der Antenne (Vertikalmaßstab beachten). Sie liegt bei -40 dBuv für ein S/N von 0dB und 1 Hz Bandbreite. Das entspricht etwa 0,7 uV bei 10 dB und SSB-Bandbreite.

Was mich nun wundert ist der krasse Abfall am unteren Bandende, wo doch gerade die Simulationen gezeigt haben, dass eine niederohmige Verstärkerimpedanz die untere Grenzfrequenz absenkt.

Diagramm 2 zeigt nochmals meine beiden Verstärker im Vergleich. Der - etwa - gerade Frequenzgang stammt vom 50-Ohm-Verstärker und der mit der Frequenz ansteigende (und der viel tieferen unteren Grenzfrequnez) vom Verstärker mit niedriger Eingangsimpedanz. Wobei die untere Grenzfrequenz vielleicht etwas irreführend ist, weil die hohen Windungszahlen im DL-QRP-AG-Nortonverstärker und der vor allem durch den Trafo des 2. Verstärkers fließende hohe DC-Strom, diesen vormagnetisiert und dadurch seine Induktivität stark ab und die untere Grenzfrequnez zunimmt. Habe lange an diesem Verhalten geforscht, bis ich dank eines Tipps drauf kam.

Mit einigen Messungen habe ich die Eingangsimpedanz meines Verstärkers mit der Basisstufe im Eingang auf etwa 3,7 Ohm festgestellt. Mit 47-Ohm-Serienwiderstand ergibt sich dann im 50-Ohm-System eine Eingangsreflexion von 30 ... 40 dB. Rechnet man das um, so verstärkt dieser Verstärker rund 42 dB und liefert daher auch bei tiefen Frequenzen nahezu denselben Pegel wie der 50-Ohm-Verstärker. Auch der ansteigende Frequenzgang lässt sich eindeutig reproduzieren (bei Messung mit kleiner Koppelschleife).

Übrigens geht die Eingangskapazität des niederohmigen Verstärkers in die Resonanzüberhöhung ein. Auch nicht unbedingt einzusehen, zumal die kapazitive Shunt-Impedanz rund 50 mal höher ist als die Verstärkerimpedanz.

So, wer kann jetzt die Frequenzgänge plausibel erklären? Mir ist noch nicht alles klar....

73, Uli, DK4SX

Hallo,

Manfred, DL3ARW, hat mir seine Überlegungen zur geschirmten Antenne zugemailt (Danke!). Ich habe sie als Skizze angehängt. Im Prinzip handelt es sich dabei um nichts anderes als um zwei resonante Gebilde, die miteinander galvanisch gekoppelt sind. In Kreisform sind sie dann dem Fernfeld eines Signals ausgesetzt. Eine sehr clevere Idee.

Sie lässt sich sehr einfach in ein Ersatzschaltbild ummodeln, das man im Schaltungssimulator bearbeiten kann. Setzt man voraus, dass die Überlegung richtig ist, dass man mit einer kleinen Koppelschleife am Rand der Loop korrekt ein Messsignal einspeisen kann (korrekt heißt dem Fernfeld eines Signals entsprechend), so sollte dies auch im Ersatzschaltbild mit der Anordnung zweier kleiner gekoppelter Spulen (rechts oben) möglich sein. Dabei sind die Induktivitäten sehr klein, R dagegen sehr groß, damit man einen eingeprägten, frequenzunabhängigen Strom erhält. Diese Anordnung sollte sich jetzt an den Stellen X, Y, oder Z einfügen lassen.

Der Trafo Tr ist ein idealer Trafo mit Hilfe dessen Transformationsverhältnis die Lastimpedanz, also die Eingangsimpedanz des Verstärkers eingestellt werden kann.

Wenn man die Einkoppelspulen an den genannten Stellen einfügt, kommen jeweils völlig unterschiedlcihe Ergebnisse für Eigenresonanzen und Frequenzgänge heraus. Da stellt sich nun die Frage, ob die durch ein Fernfeld induzierte Spannung tatsächlich durch eine kleine Koppelschleife ersetzt werden kann und ob diese tatsächlich durch solche Spulen (konzentriert anstelle von verteilt) darstellbar sind. Jedenfalls zeigen alle Ergenisse korrekt, dass sich die geschirmte von der ungeschirmten Loop letztendlich zwar nur durch das Z der Leitung (50 Ohm bei Koax oder Feldwellenwiderstand bei ungesch. Loop) unterschieden, sich aber dennoch schlecht vergleichen lassen, weil sich durch die drastisch unterschiedlichen Grenzfrequenzen (oben und unten) völlig unterschiedliche Betriebsweisen und Dimensionierungen ergeben. Das solchermaßen erstellte Ersatzschaltbild ist somit dennoch unzulänglich.

Weitere erhellende Überlegungen sind gefragt.

73, Uli, DK4SX

Hallo,

damit keiner denkt, das Thema wäre im Sand verlaufen. Ich habe in den letzten Tagen viel mit dem ARRL Radio Designer simuliert. Die Ergebnisse stimmen aber nur tendenziell mit denen von Andreas und mit meinen Messergebnissen überein. Obwohl der Radio Designer mit konzentrierten Bauelementen präzise Ergebnisse liefert, vermute ich, dass das Modell für die Koaxialkabel unzulänglich ist.

Daher wollen wir die Simulation mit einem anderen Tool (ADS) wiederholen. Mal sehen, was dann herauskommt.

Selbstverständlich werden alle (plausiblen) Ergebnisse hier vorgestellt.

Meine (Koax-)Schleife mit etwa 1,1 m Durchmesser habe ich übrigens wieder mit dem niederohmigen Verstärker im Garten installiert. Prinzipiell funktioniert sie einwandfrei. Lokalstörungen lassen sich vor allem auf 40 m hervorragend unterdrücken.

73, Uli, DK4SX

Chavdar Levkov, LZ1AQ, hat auf seiner Webseite eine vielversprechende Lösung für eine Empfangs-Loop und einem Verstärker mit Differenzeingang veröffentlicht. Der Artikel ist mit umfangreichen Messwerten, Simulationen, und dem theoretischen Background mit zahlreichen Links angereichert. Interessant ist die Verwendung von gutmütigen 2N2222 Transistoren in Basisschaltung, um die für eine Loop Antenne geforderte möglichst niedrige Eingangsimpedanzu zu erzeugen. Um Störeinstrahlung auf der Zuleitung zu verhindern nimmt er - wie von Dallas Lankford in einer Abhandlung schon vorgeschlagen - kein Koax Kabel, sondern mit Gleichtaktdrosseln verdrosselte twisted Pair Leitung aus der Netzwerktechnik. Über andere Adern der gleichen Leitung führt er - auch verdrosselt - die Stromversorgung, so dass keine Bias-T Fernspeiseweiche erforderlich wird.

Link zum Artikel: "Wideband Active Small Magnetic Loop Antenna"

Das weckt natürlich Neugier, diese Schaltung an der Loop mit dem verhältnismäßig hochohmigen Norton Verstärker zu vergleichen.

Sehr aufschlussreich auch seine etwas ältere Veröffentlichung: "Very Weak Signal Reception with Small Magnetic Loop Antenne

73, Günter

Oder hier ein deutsches Qualitätsprodukt zum günstigen Preis: http://www.activeloop.de/

73 Sven

Zitat von DM1ADM

Oder hier ein deutsches Qualitätsprodukt

Fragt sich nur, woran man die Qualität dieses deutschen Qualitätsproduktes festmacht? Auf der Webseite erst mal viel Vorgeschichten Brimborium und Allgemeinweisheiten aber wenig Substantielles zum konkreten Aufbau. Auch einen Blick in die Schaltung, aus der man Rückschlüsse auf die Leistungsfähigkeit ziehen könnte, wird nicht gewährt, noch nicht mal als Blockschaltbild. Warum eine solche Geheimniskrämerei? Der Link auf den "Vergleich" mit einer anderen Antenne bezieht sich auch überwiegend auf Kofferradios zum KW/MW Empfang. Da darf man ruhig erst mal skeptisch sein.

73, Günter