Beiträge von HB9EHI

Hallo Andi

der von Dir angepeilte Zusammenhang zwischen dem Messloopstrom und der induzierten Spannung am Ausgang der Empfangsloop ist einfach zu verstehen. Aber eine quantitative Aussage ist leider nur über eine numerische Integration möglich.

Die am offenen Empfangsloop (koaxial oder Draht spielt keine Rolle) induzierte Spannung Ui wird durch das Induktionsgesetz Ui=dJ/dt bestimmt, wobei J der Magnetfluss J durch den Loop senkrecht zu seiner Ebene bedeutet. Wenn das Magnetfeld B über die Loopfläche mit dem Wert A, konstant ist, kann der Fluss J=B*A leicht berechnet werden, da dann Ui=A*dB/dt ist. Wenn B=Bo*sin(omega*t) ist, ergibt sich für Ui=A*Bo*omega*cos(omega*t).

Im Fall des Messloops ist, wie Du bereits bemerkt hast, das Magnetfeld nur im Bereich um den Berührungspunkt konzentriert und damit nicht über die gesamte Loopfläche konstant. Das bedingt die numerische Integration des vom Messloop erzeugten Magnetfelds über die gesamte Messloopfläche. Die Ausführung einer solche Integration, deren Resultat von der gewählten Geometrie abhängig ist, ist sicher recht aufwendig.

Ich vermute, dass es einfacher und geneuer wäre, einen Messloop zu verwenden, der den gleichen Durchmesser wie der Empfangsloop besitzt. In diesem Fall muss der Messloop in geringem Abstand und axial zentriert aufgestellt werden. Zwei japanische Forscher haben sich mit dieser Konfiguration beschäftigt - leider ist mir die Referenz zu dieser Arbeit abhanden gekommen.

Noch eine praktische Frage: wie gut stimmen bei Dir die gemessenen und berechneten Grenzfrequenzen überein?

73, Andreas

Hallo Andy

1. Die erste Resonanzfrequenz der Koaxial Loop ist liegt bei V*c/(2*l), mit dem Loopumfang l, dem Verkürzungsfaktor V des Koaxkabels und der Lichtgeschwindigkeit c.

2. Die untere Grenzfrequenz dagegen ist ungefähr 1/(2*pi)*R/L, wobei R der Lastwiderstand und L die Induktivität des Schirms des Koaxialkabels bedeuten. Letztere ist vom Loop- und Koaxkabel Durchmesser abhängig.

3. Für ein möglichst flaches Frequenzverhalten sollte der Lastwiderstand gleich gross sein wie die Wellenimpedanz des Koaxkabels. Dieser Zusammenhang wurde durch Spice Simulationen gefunden.

Ich kenne mich mit der Vierpoltheorie nur wenig aus, vermute aber, dass eine Koaxloop mit hintereinader geschalteten Vier-Polen beschrieben werden könnte. Ich glaube nicht, dass das Impedanzverhalten (3.) mit einer Formel beschrieben werden kann, sondern auch nur numerisch.

73 Andreas

Hallo Jochen

anbei ein LTSpice Modell für den Nortonverstärker. Es beschreibt die erste Stufe des Vorverstärkers der QRP AG. Der Einfachheit halber habe ich den Transistor BFR96S durch einen 2n3904 ersetzt, da sein Modell NortonVerstärkerModell.pdf in der Bibliothek von LTSpice bereits enthalten ist. Der Gain beträgt 11.4 db.

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

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 Günter

Du sprichst mir ganz aus dem Herzen - vielen Dank für Deine Anregungen. Ich fasse gerne die Aspekte zusammen,
über die ich in den verschiedenen Threads beigetragen habe. Im Moment bin ich mit der Organisation einer fünf monatigen Reise in den australischen Busch stark beschäftigt, sodass es etwas dauern wird. Dazu kommt, dass meine QRP-Endstufe samt Filter noch vorher getestet werden muss.

Am Besten wäre es aus meiner Sicht, wenn wir die Arbeit aufteilen könnten - ich vestehe relativ wenig von praktischen Aspekten und bin mit der Verstärkertechnik nur am Rand vertraut. Es wäre auch gut, wenn jemand Ordnung in die Diskussionen einbringt - Günter, könntest Du das übernehmen?

Peter Ist es möglich, die Reihenfolge von Beiträgen ohne Aufwand von Deiner Seite in einem thread zu ändern,
oder wäre es besser alle Information in einen Threadbeitrag zu stecken und weitere relevante Threadbeiträge jeweils durch Editieren ein zuarbeiten?

Das erwähnte Buch ist als eine einfache Einführung und für praktische Aspekte gut. Leider findet man keine Information zur Funktionsweise eines Koax Magnetloops, was meine Neugierde weckte.

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

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 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 Chris und Mitleser

zwei Bemerkungen:

Wenn die Koax Loop aus Stabilitätsgründen in ein metallisiertes Rohr eingelegt wird, darf es and den Enden elektrisch nicht verbunden sein, damit kein
induktiver Kurzschluss ensteht. Ich vermute, dass das Rohr nicht mit dem Koax Loop verbunden werden sollte (Verhinderung kapazitive Effekte).

Die Koax Loop direkt aus einem leitenden Rohr mit eingezogenem Draht zu bilden, führt zu einer wesentlich höheren Impedanz als 50 Ohm. Der Anschluss
einer solchen Loop an eine Verstärkereingangsimpedanz von 50 Ohm führt zu einem schlechten Frequenzgang!
Viel besser wäre es für die Kurzwellenanwendung ein dünnes elektrisch leitendes Rohr zu finden, in dessen Inneres ein isolierter Draht mit passendem
Durchmesser eingeführt ist.

73 de Andreas

Hallo Uwe

ich habe meinen Koax Loop auch horizontal ausprobiert. Die Signale waren durchwegs wesentlich schwächer. Wenn ich mich recht erinnere hat Peter (DL2FI) hier im Forum ähnliches berichtet. Ein grosser Vorteil ist bei vertkalem Betrieb, dass magnetische Störungen durch Drehen des Loops reduziert werden - das ist zumindest an meinem Standort der Fall.

Baust Du einen Draht Loop auf?

73, Andreas

Hallo Günter

beiliegend schicke ich Dir verbesserte Informationen bezüglich den Rauschsimulationen. Anhang 1 zeigt die Schaltung. Ich habe die Loopspannung (Quelle V2) 0 gesetzt. Die in den angehängten Anhängen 2 und 3 gezeigten Rauschspannungsspektren (V(inoise) muss man sich in Serie zu V2 vorstellen (auf den Eingang bezogen).

Mit Typ 2 b meinte ich in der Tat den von Dir gezeigten Loop.

73 de Andreas

Hallo Miteinander

die Frage Günters nach der Verschlechterung der Rauschzahl hat mich sehr interessiert. Im ersten Moment erschienen mir seine Bemerkungen plausibel. Nach genauerem Hinschauen habe ich aber realisiert, dass das Argument mit der stark erhöhten Dämpfung beim Zwischenschalten eines 50 Ohm Widerstandes zur besseren Anpassung nicht hin haut. Die Ausgangsimpedanz des Loops enthält schlussendlich auch die Loop Induktivität, deren Blindwiderstand im Arbeitsbereich
(oberhalb der unteren Grenzfrequenz) viel grösser als 50 Ohm ist. Um das Rauschverhalten der Schaltung bei 50 Ohm bzw. 0 Ohm Zwischenwiderstand quantitativ zu verstehen, habe ich mit SPICE Rauschsimulationen durchgeführt. Die Koax Loop wurde über 50 bzw 0 Ohm mit dem Eingang des Common Base Verstärkers verbunden. Die auf die Loop Spannung bezogene Rauschspannung betrug bei 10 MHz für 50 Ohm 2.4 nV/(Hz)*.5 bzw. 2.36 nV/(Hz)*.5 bei 0 Ohm, also eine vernachlässigbare Differenz.
Abgsehen davon würde ich auch für Koax Loops MMICs mit möglichst hohem IP3 einsetzen, bei Draht Loops eher Common Base Dfferenzverstärker.

Im Grunde sind Rauschbetrachtungen (themisches Rauschen) eher irrelevant, da schlussendlich der externe Störpegel das Rauschen und damit die Loop Empfindlichkeit bestimmt. Bei mir jedenfalls liegt der Störpegel ca. 10-15 db über dem Eigenrauschen des verwendeten low noise MMICS. Viel wichtiger ist in den meisten Fällen die Empfindlichkeit des Loopsystems auf externe elektrische Störungen: symmetrische Drahtloops mit niederohmigem Differenzverstärker oder asymmetrische Koax (abgeschirmte) Loops mit hochohmigem (50 Ohm) Einfachverstärker. Eine weitere Variante, die bisher nicht zur Sprache kam, sind symmetrische Koax Loops mit zwei 50 Ohm Ausgängen (Typ2b). Spielt die Loop Grösse eine Rolle bezüglich Störungen? - ein weites Feld für eigene Experimente...

73 de Andreas

Hallo Miteinander

die von Andreas gemachten Messungen entsprechen recht gut meiner SPICE Simulation (erster Anhang). Allerdings sollte man einen Koaxial Loop, wie ihn Andreas verwenden möchte, mit seiner Kabelimpedanz (50 Ohm) abschliessen: die Transferfunktion des Loops wird dadurch in der Nähe der Resonanz wesentlich flacher und seine Ausgangsspannung um den Faktor 25 (50 Ohm/ 2 Ohm) grösser (Anhang 2). Allerdings rutscht die untere Grenzfrequenz um den Faktor 25 nach oben. Diese Veränderung liesse sich mit einem Widerstand von 47 Ohm am Eingang des Verstärkers leicht nachweisen. Die Ausgangsspannung des Verstärkers sollte etwa gleich bleiben. Zur Ergänzung habe ich Simulation und Messung eines 50 Ohm Koax Loops mit einem Radius von 34 cm beigelegt (Anhang 3 und 4).

Eine weitere Möglichkeit zur 'korrekten Anpassung' der Loop an den Eingangswiderstand des Verstärkers wäre die Verwendung eines Koaxialkabels, dessen Impedanz wesentlich kleiner als 50 ohm ist (zB. 12.5 Ohm), auch um die untere Grenzfrequenz um den Faktor 4 zu verringern. Der Innenwiderstand des Common Base Transistors müsste dann entsprechend auf 12.5 Ohm erhöht werden (mittels eines 6-fach kleineren Emitterstroms). Ein Koaxialkabel mit sehr kleiner Impedanz liesse sich eventuell im Eigenbau herstellen.

Für die Messung des Transferverhaltens des Loops sollte der Messloop von Aussen am Empfangs Loop anliegen und sein Anschlusskabel möglichst weit vom Empfangs Loop entfernt sein. Ich habe bei meinen Messungen den Messloop während der Messungen von Hand gehalten und seine Position mit dem NWT visuell optimiert. Eine Drehung des Empfangsloops um 90 zeigt übrigens im Frequenzbereich oberhalb der Resonanzfrequenz sehr schön, dass die Kopplung vor allem elektrisch wird, und damit die Messung irrelevant wird.

Die Erklärung der gemessenen Resonz lässt sich nicht als LC-Resonanz erklären, da der Lastwiderstand von 2 Ohm zu klein ist. Vielmehr kommt die Resonanz durch Wellenausbreitung und Reflektionen im Koax Loop zustande. Ihr Wert ist Vp/(2*L), wobei Vp die Phasengeschwindigkeit im Kabel ist, und L die Gesamtlänge des Loops bedeutet (durch Simulation und Messung mit 1% Uebereinstimmung verifiziert).

Die Funktionsweise des Koax Loops ist nicht so einfach zu verstehen (http://www.compliance-club.com…ve/old_archive/030718.htm). Damit auch für mich die Funktion im Detail klarer wird, will ich versuchen, mir die Referenzen (vor allem die fünfte) zu beschaffen. Im Uebrigen werden im Artikel weitere Koax Loop Typen vorgestellt

73 de Andreas

Hallo Wolfgang

könnte es sein, dass Du den Störnebel aus der Laborumgebung empfàngst?

Wenn dem so ist, sollte das Prasseln verschwinden, wenn Du den Empfängereingang offen lässst oder noch besser mit 50 Ohm abschliesst.
Bei mir ist es jedenfalls so, weshalb ich eine externe aktive Breitbandantenne verwende.

73, Andreas

Ja, ich würde 80 uH ausprobieren und nochmals messen

73, Andreas

Hallo Miteinander

die Diskrepanz zwichen Günters Simulation und Uwes Messung rührt davon her, dass in der Simulation für L1=80uH verwendet wurde und bei der Messung ca. 8 uH zum Einsatz kamen.

Wählt man für Simulation und Messung L1= 8 uH, R11=3k9 und für die durch die beiden FETs verursachte Lastkapazität 2pf (ich habe die FETs und den Rest der Schaltung nicht simuliert) so erhält man in einer linearen Frequenzdarstellung einen simuliertes Frequenzverhalten, das demjenigen der Messung recht ähnlich ist.

73, Andreas

Hallo Matthias

Was passiert, wenn die Loop durch eine Induktivität (ca 2-3 uH) ersetzt wird?

Ist der Vertärker gegenüber der Loop elektrisch abgeschirmt?

Wie hoch ist der gemessene totale Spannungs-Verstärkurkungsfaktor?

Wie gross st die bei der Darstellung des Leistungsspektrums gewählte Filterbandbreite?

73 de Andreas

Mir ist nachträglich in den Sinn gekommen, dass der Frequenzgang Deiner ersten Messung nur teilweise erklärt werden kann (durch die Emitterinduktivität). Gegen hohe Frequenzen (so oberhalb von 10 MHz) wird der Durchlass aber flach. Eigentlich sollte die Leistung
kontinuierlich mit (1/f)**2 abnehmen (Impedanz einer Induktivität nimmt linear mit der Frequenz f zu).

Eine mögliche Erklärung wäre ein schwingender Verstärker, dessen Oszllationen vom NWT als konstantes überlagertes Signal detektiert werden.

73 de Andreas

Hast Du den zweiten Verstärkereingang geerdet, und wie sieht der Frequenzgang am Kollektor der bf199 aus?

Wenn ich Dich recht verstanden habe, hast Du den NWT Ausgang über 50 und 2 Ohm in Serie mit Masse verbunden und den Verstärkereingang über die 2 Ohm angeschlossen.

73 de Andreas