unabgestimmte Breitbandloop - kurzer Erfahrungsreport

Hallo OM's,

mit der beigefügten Schaltung habe ich gute Erfahrungen gemacht. Alle Bauelemente stammen aus der Bastelkiste. Vor allem wollte ich keine Übertrager wickeln...
Die Aktivloop versorgt meinen FA- SDR empfangsseitig, nur 3m vom PC entfernt.

73, Wolfgang

p.s. Danke für den Tip, Gerhard, habe es berichtigt.
Günter: Der Transistor verträgt max. 600 mW, das habe ich noch nicht ausgereizt.

Klar geht es einfacher Wofgang, nur wie?
Diese Schaltungsauslegung hat eine sehr hohe Gesamt-Verstärkung ohne jegliche Gegenkopplung in der zweiten Stufe und das bei nur 15 mA Strom. Da wollte ich mal gerne mehr über das Übertragungs- und das Großsignalverhalten wissen.

73, Günter

Zitat von DH1AKF

Hallo OM's,

mit der beigefügten Schaltung habe ich gute Erfahrungen gemacht. Alle Bauelemente stammen aus der Bastelkiste. Vor allem wollte ich keine Übertrager wickeln...
Die Aktivloop versorgt meinen FA- SDR empfangsseitig, nur 3m vom PC entfernt.

73, Wolfgang

Hallo Wolfgang,
was mir so an Deiner Schaltung auffällt, sind die vergessenen HF-Abblockkondensatoren gegen Masse hinter der Drossel des Vorverstärkers und zwischen dem Spannungsregler und der Drossel.

Zitat von DH1AKF

Günter: Der Transistor verträgt max. 600 mW, das habe ich noch nicht ausgereizt.

Hallo Wolfgang,
Meine Bedenken gelten weniger dem Strom allein, eher dem Design der letzten Transistorstufe. Es handelt sich hier um eine simple Emitterschaltung ohne jede Wechselstrom-Gegenkopplung, da der Emitterwiderstand mit einem Kondensator überbrückt ist. Der Transistor arbeitet also "Vollgas" mit Allem was er kann auf den Kollektorwiderstand. Die Linearität ist dabei nur bei kleiner Aussteuerung befriedigend.

Ein Anmerkung noch zu deinem 100 uF Elko. Da du sowieso nur HF Signale verstärkst, ist ein 100 uF Elko hinter dem Spannungsregler eher schädlich. Denn die Regler der 78xx Serie sind sehr empfindlich gegen Verpolung. Verpolung tritt beim Abschalten auf, wenn die Spannung am Ausgang des Spannungsreglers (z.B. durch die Ladung in einem großen Elko) langsamer abfällt als die Eingangsspannung und somit seine Ausgangsspannung kurzzeitig höher als die Eingangsspannung wird (verpolter Regler) Dadurch wird der Regler oft zerstört. Abhilfe bringt eine schnelle Diode (1N4007, UF4007) als Verpolschutz vom Ausgang zum Eingang über den Regler.

73, Günter

Edit:
Hab mir mal gestattet deinen Verstärker zu simulieren ( Generator mit Ri 50 Ohm und 50 Ohm Last, Transistormodell BFR96). Im Frequenzgang ganz ordentlich und wie schon vermutet mit stolzen 56 dB Verstärkung bei je nur 8 mA Strom pro Transistor. (grüner Trace ganz unten = Eingangssignal, roter Trace ganz oben = Ausgangssignal, mittlere Traces = Phasengang)

Hallo Wolfgang und Mitleser

die Belastung einer Koaxloop mit einem von der Impedanz des Kabels abweichenden Widerstandwertes führt je nach 'mismatch' zu unerwünschten Abweichung von einem flachen Frequenzgang. Bei einem Lastwiderstand von nur einigen Ohm nimmt die Empfindlichkeit des Koaxloops wegen Resonanzen in der Loop von 10 bis ca. 30 MHz um ca. 10-15 db zu. Auf den ersten Blick scheint deshalb Deine Schaltung weniger gut geeignet zu sein als eine mit einem MMIC oder Nortonverstärker, mit denen man einen flachen Frequenzgang erzielt. Der grosse Vorteil ist eine wesentlich tiefere (ca. 10 mal) tiefere untere Grenzfrequenz.

Die Serieschaltung von Widerstand (33 Ohm) und Kapazität (22 pf) kann keinerlei Wirkung haben, da die Gesamtmpedanz immer wesentlich grösser ist als der Eingangswiderstand des Vorverstärkers (einige Ohm). Sehr viel vielversprechender (Simulation) ist eine Kapazität von einigen Nanofarad (Wert abhängig vom Eingangswiderstand des Vorverstärkers) zur Loop. Der Kapazitätswert scheint auf den ersten Blick für einen klassischen Tiefpass viel zu hoch. Für eine Loopinduktivität von ca. 2 uH und einem C von 1 nF ergibt sich eine obere Grenzfrequenz von nur 3.6 MHz und nicht die gewünschten 30 MHz. Der Grund hierfür liegt im linearen Anwachsen der induzierten Loopspannung mit der Frequenz. Deshalb muss die Grenzfrequenz des Tiefpass weit unterhalb von 30 MHz liegen.
Mit der erwähnten Parallelkapazität lassen sich mit der von Dir gezeigten Schaltung eine tiefe untere Grenzfrequenz bei einem flachen Frequenzgang erreichen.

Wie von Günter erwähnt ist die Spannungsverstärkung viel zu hoch. Sie sollte ca. 100 sein, damit das Eigenrauschen von Loop und Vorverstärker gerade sichtbar bei eine komfortablen Dynamik erreicht werden. Um den Eisatz eines Ausgangstrafos wirst Du für maximale unverzerrte Ausgangsleistung bei Deiner einfachen Schaltung nicht herum kommen.

73 de Andreas

Hallo Om`s,

velen Dank an Andreas und Günter, für Eure fundierten Beiträge!

Ich habe mit meinen einfachen Mitteln einmal R, L und C an den Antennenklemmen der Loop gemessen.
Unter Vernachlässigung der Kabelresonanzen im 60MHz- Bereich ergibt sich das beigefügte Ersatzschaltbild. Den Verlustwiderstand bei HF kann ich nur schätzen, gemessen habe ich ca. 0,2 Ohm.
Es ergibt sich ein Schwingkreis mit f ~ 7,5 MHz und Q ~ 75.
Daraus folgt meine Frage, warum wir hier noch über ebene Frequenzgänge diskutieren...

Günter, könntest Du bitte Deine Simulation einmal entsprechend anpassen und noch einmal wiederholen??

73, Wolfgang

Hallo Wolfgang

Mit dem Frequenzgang der Loopantenne plus Verstärker meinte ich die Ausgangsspannung dividiert durch die Magnetfeldamplitude als Funktion der Frequenz. Wäre eine Loop offen, würde die Loopspannung mit der Frequenz linear zunehmen! Die wird bei Diskussionen auf dem Forum häufig ausser Acht gelassen und führt zu Missverständnissen.

Dein Ersatzschema enthält Fehler:

Der Eingangswiderstand des Verstärkers (Belastung der Loop) von einigen Ohm fehlt im Schema - er würde ein sehr kleines Q erzeugen. Wichtiger aber ist, dass bei seiner Anwesenheit ein flacher Frequenzgang resultiert (siehe weiter unten).

Wie oben erwähnt nimmt die Loopspannung, repräsentiert durch die Spannungsquelle, mit der Frequenz zu und ist nicht konstant, wie häufig angenommen wird. Sie wird durch den R L Spannungsteiler, bestehend aus Loopinduktivität L und dem Eingangswiderstand R des Verstärkers, linear mit der Frequenz verringert. Dies erklärt, dass oberhalb der unteren Grenzfrequenz (zwischen einigen 10 und 100 KHz) der Frequenzgang flach wird (frequenzunabhängiger Verstärker vorausgesetzt). Aus diesem Grund ist Dein Ersatzschaltschema für eine einfache Diskussion des Frequenzgangs ungeeignet. Man kann das Problem der frequenzabhängigen Loopspannung mit Hilfe einer Laplace Transformation umgehen, was in LTSpice möglich ist.

Das Ersatzschaltbild einer Koaxial Loop, so wie sie von der QRP-AG verwendet wird, ist sehr viel komplexer als
das einer Draht Loop. Es treten Reflektionen auf, die zu Resonanzen führen. Die von mir vorgeschlagene Parallelkapazität von einigen 1 nF flacht die Zunahme des Frequenzgangs unterhalb der ersten Resonanz ab.

Wahrscheinlich wäre es nützlich, die Theorie koaxialer und breitbandiger Magnetloops separat zusammen zu fassen.

73 de Andreas

Hallo Andy

Asche auf mein Haupt - ich werde mich in Zukunft mehr zurück nehmen. Ich kann Deinen Frust nachempfinden, und mir wäre es auch lieber einen separaten Thread zu bilden, für die Funktionsweise von Magnetloops.

Es gibt inzwischen mehrere Threads, in denen Koaxial und Wire Loops durcheinander gebracht werden, und die zudem fundamentale Fehler in Ausführung und Konzept enthalten. Ich bin es halt gewohnt, technische Probleme möglichst leidenschaftslos und verletzungsfrei zu diskutieren. Für mich ist es wichtig, nicht nur etwas zu realisieren, sondern auch qualitativ und quantitativ möglichst gut zu verstehen sowie weiter zu vermittlen. Dazu gehört für mich auch das Lernen von Neuem und Anregungen, wofür dieses Forum sehr gut geeignet ist.

Der Gebrauch des Schreckwortes 'La Place Transformation' war eigentlich mehr als Hinweis für diejenigen gedacht, welche dieser Methode nachgehen möchten.

73 de Andreas

Es ist halt nun mal so, dass ein Thread, wenn er mal gestartet ist, durch neue - aber dennoch wichtige - Aspekte eine Eigendynamik entwickelt. Und gerade das tut einem Diskussionsforum gut, und deshalb sollte meines Erachtens ein Threadopener dem Fortgang der Diskussion offen und neugierig begegnen und seine Rolle vornehmlich als Anstoßgeber einer Diskussion und nicht als Eigentümer des Diskussionslaufes begreifen. Denn die informativen und sachlichen Anregungen und Beiträge zeigen auch , dass damit ein Thema angestoßen wurde, an dem breites Interesse herrscht, dass viele Mitleser und Mitdiskutierer auch am tieferen Verstehen der Hintergründe interessiert sind und von der Diskussion profitieren. Es gibt also daher m.E. auch keinen Grund sich mit fachlichen Beiträge zurückzunehmen und es gibt auch keinen Grund für OM Waldheini sich vor Begriffen wie Laplace Transformation zu ängstigen. Niemand verlangt von ihm alle Aspekte einer Diskussion theoretisch nachzuvollziehen. Jeder Mitleser kann sich das rauspicken, was ihn persönlich interessiert und weiterbringt.

Dass ab einem gewissen Zeitpunkt ein eigener Thread aus Gründen der Übersichtlichkeit Sinn machen würde liegt auf der Hand, doch wann ist dieser Zeitpunkt und wer gibt den Anstoß?
Jetzt wäre zum Beispiel ein guter Zeitpunkt.

73, Günter

Hallo OM's,

dank der Ratschläge in diesem Thread konnte ich meine einfache Schaltung noch etwas verbessern bzw. stabiler gestalten.

Eine kurze Beschreibung:
Fangen wir links an. Als Antennenkabel im 80 cm- Hoola Hoop- Reifen dient ein 75 Ohm- Schaumstoffkabel, wegen der geringeren Querkapazität.
Die Kombination 22pF / 33 Ohm verhindert Schwingungen im UHF- Bereich, denn der eingesetzte Transistor hat eine Transitfrequenz von
5 GHz, (und eine Rauschzahl von 1,1 dB bei 7 mA und 1GHz).
Die Ringantenne wird mit 2..5 Ohm belastet von der niederohmigen Basisschaltung des 1. Transistors.
Die zweite Stufe bekam eine Stromgegenkopplung von 5,6 Ohm, welche gleichermaßen ihren Eingangswiderstand erhöht. Der Kollektorstrom wurde auf ca. 20 mA vergrößert.

Da meine Loop im Zimmer steht, (im 2. Stock,) wird eine hohe Verstärkung benötigt.
Die Stromversorgung erfolgt über das Antennenkabel, sie ist im FA- SDR eingebaut. Es wurde Wert darauf gelegt, dass sie kurzschlußfest ist, um auch mal eine andere Antenne anschließen zu können. Dazu dient das Glühlämpchen.

Nochmals herzlichen Dank für die Hinweise, Günter!

73, Wolfgang

Zitat von DH1AKF

Die Kombination 22pF / 33 Ohm verhindert Schwingungen im UHF- Bereich, denn der eingesetzte Transistor hat eine Transitfrequenz von
5 GHz (und eine Rauschzahl von 1,1 dB bei 7 mA und 1GHz)

Wolfgang,
ich behaupte mal ganz frech, diese RC Reihenschaltung ist der Basisschaltung ist eher Balsam für die Seele, der Eingangswiderstand des Transistors ist um Größenordnungen kleiner, wie soll eine (dazu parallele) RC Kombination eine Wirkung entfalten? Wenn, dann vielleicht als Snubber zwischen Kollektor und Basis, aber sicher nicht zwischen Emitter und Masse (Basis). Wenn etwas gegen Schwingungen hilft, dann am besten eine Ferritperle über der Basisleitung oder - mit weniger Wirkung - dem Kollektorbeinchen.Die Rauschzahl des Transistors ist in dieser Anwendung auch ziemlich schnurz, zumal sie wegen der Fehlanpassung nicht ansatzweise erreicht wird. Da tut es nahezu jeder HF Transistor gleich gut.

Hat es einen besonderen Grund warum der obere Widerstand des Basisspannungsteilers an dem Kollektorpotential angeschlossen ist und nicht direkt an der gut verblockten Betriebsspannung (DC Stabilierung?). Da die Basis sowieso für Wechselspannungen auf Massepotential liegt, würde dadurch keine Gegenkopplungswirkung entfaltet, wenn dies die Absicht gewesen sein sollte.

73, Günter

Hallo Günter und Mitleser,

bei UHF wirkt das Koaxkabel als Lecherleitung, es treten Resonanzen auf. Deshalb konnte (mußte ich leider) auf ca. 660 MHz Schwingungen feststellen. Als heißen Punkt ermittelte ich den Emitteranschluß, die RC- Kombination 22pF / 30 Ohm unterbindet diese Schwingungen vollständig.

Die Gleichstromgegenkopplung stammt noch aus den Anfängen meiner Schaltung, als die Stromversorgung noch unstabiliert war. Schadet sie?

Als nächstes werde ich es mit einer noch kleineren Loop versuchen, einer Tischantenne sozusagen mit etwa 30 cm Durchmesser. Da braucht man schon eine niedrige Rauschzahl...

73, Wolfgang

Wolfgang, deine Spannungsgegenkopplung schadet nicht, so lange die Basis gut abgeblockt ist.
Aber zum Grundsätzlichen der Kombination Schleife-Vestärker: Wenn du dir die vorgehenden Posts und den Thread "Spice Simulation einer Aktivantenne" durchackerst und dir die Messungen und Simulationen betrachtest, dann kannst du erkennen, dass die Kombination einer abgeschirmten Koaxialen Schleife mit einem niederohmigen Verstärker in Basisschaltung sehr große Resonanzüberhöhungen verursacht. Andreas HB9EHI hat schon einiges dazu gepostet und Messungen von Koaxschleifen im Vergleich an einem niederohmigen zu einem 50 Ohm Verstärker die dies bestätigen sind auch genügend vorhanden.Der Grund dafür liegt offensichtlich darin, dass die abgeschirmte Koaxial-Schleife mit ihrem Wellenwiderstand abgeschlossen sein will, um keine Resonanzüberhöhungen zu verursachen. Das lässt sich auch gut in der Simulation bestätigen. Genau um diesem Unterschied zwischen dem Verhalten einer Koaxschleife im Gegensatz zu einer Drahtschleife herauszuarbeiten geht es in dem neuen Thread, der gestern eröffnet wurde.

Zitat von DH1AKF

Da meine Loop im Zimmer steht, (im 2. Stock,) wird eine hohe Verstärkung benötigt.

Warum?
Maßgeblich ist doch nicht die absolute Verstärkung, sondern der Signal-Geräuschabstand. Und das S/N Verhältnis wird auf Kurzwelle - erst recht im Wohnhaus - maßgeblich durch das Umgebungsgeräusch bestimmt (und eher nicht durch die theoretisch 1,1dB Rauschzal des Transistors, siehe auch Post #31 in diesem Thread). Deswegen hilft es nicht, die Verstärkung hochzusetzen, da du ja auch den Noise Anteil um den gleichen Betrag mit verstärkst. Du handelst dir durch eine zu hohe Verstärkung nur Übersteuerung und Intermodulation der Transistorstufe ein. Halte die Verstärkung so gering wie nötig.

P.S Ich bin mir ziemlich sicher dass ein simpler BF199 in deiner ersten Stufe nicht viel schlechtere Ergebnisse bringt als ein 2SC3355, dafür aber weniger schwingfreudig ist. Ansonsten hilft gegen die Schwingneigung auf UHF eine Ferritperle über dem Basisbeinchen.

73, Günter

Hallo Mitleser

Sorry, noch ein bisschen mehr Verunsicherung...

Der Abschluss der Koax Loop mit einem ohmschen Wert, welcher der Wellenimpedanz des Koaxkabels enspricht, bringt streng genommen keine Anpassung im landläufigen Sinn, weil die Ausgangsimpedanz der Koax Loop stark frequenzabhängig ist. Das hat mich lange verunsichert, bis ich merkte, dass die innere Generatorspannung, auch stark und im richtigen Sinn stark veränderlich mit der Frequenz sein muss, damit beim Abschluss mit der Wellenimpedanz bis zur tiefsten Resonanz ein flacher Frequenzgang von Loop und Verstärker entsteht. Dieser Effekt zeigte sich übrigens in Messungen und Simulationen.

73, Andreas

Hallo Andy

Ich gebe Dir Recht, dass mein letzter Beitrag und übrigens auch Beiträge von anderen OMs mit Deinem Thread '..... kurzer Erfahrungsreport' sinngemäss nur am Rande zu tun hat. Aber, wie soll man bei Problemen und auf Fehler anders reagieren als mit Beiträgen, welche weiter helfen und dabei notgedrungen auch andere Bereiche berühren.

Das Wort 'Verunsicherung' bezog sich auf meinen Beitrag #69 und die Ueberlegungen im letzten Absatz meines Beitrags (#80) in diesem Thread. Ich glaubte bis anhin, dass für einen flachen Frequenzgang generell Quell- und Lastwiderstand rein ohmsch sein müssen, was aber beim Koaxloop mit einer Wellenimpedanz von 50 Ohm und einer Belastung von 50 Ohm wegen der internen Reflexionen im Koaxloop sicher nicht der Fall ist. Trotzdem ist der Frequenzgang flach.

Ich hoffe, dass das alles klarer wird, wenn wir den neuen Thread mit Information füllen und dabei auch über die Wirkung des Loop Lastwiderstandes auf den Frequenzgang diskutieren.

73 Andreas