|
Trefwoorden |
EISEN AAN
ANTENNES VOOR RADIO ONTVANGST Inleiding Bij het ontwerpen en construeren van
antennes voor het zendbedrijf wordt in het algemeen uitgegaan van het
minimaliseren van zoveel mogelijk verliezen, teneinde de energie-overdracht
van de antenne naar een elektromagnetisch veld nabij de antenne zo
groot mogelijk te maken. Door de onvermijdelijke serie reactantie van de
antenne buiten resonantie vooral in radioamateur toepassingen, is
het verstandig om bij zo’n ontwerp niet alleen de antenne zelf, maar ook alle
zaken tussen de antenne en de zender in de beschouwing op te nemen. Door de
toenemende antenne reactantie verandert de aansluit impedantie, waardoor deze
steeds meer gaat afwijken van de karakteristieke systeem impedantie, met
toenemende verliezen in alle componenten in dit toeleveringscircuit. Bij het gebruik van antennes voor een
ontvanger spelen echter andere factoren een belangrijke rol. Zo wordt de
kwaliteit van een ontvangen signaal beoordeeld naar de mate waarin de
informatie die hiermee wordt overgedragen wordt aangetast door allerlei
verstorende zaken, o.a. de altijd aanwezige ruis. Het is daarom juist die
signaal / ruis verhouding die bij communicatie in breedste zin van doorslag
gevende betekenis is. Wanneer we iets willen weten over de
signaal / ruis verhouding bij communicatie systemen via radio-overdracht, is
het verstandig om eerst eens te zien waaruit die ruis-energie zoal uit zou
kunnen bestaan. Zo is daar in de eerste plaats de
atmosferische ruis, die wordt veroorzaakt door kosmische omstandigheden (zon
en straling uit het heelal). Hier kunnen wij helaas niets aan veranderen,
behalve wanneer het onder speciale omstandigheden mogelijk is om door
gerichte antennes en direct-zicht verbindingen minder gevoelig te zijn voor
deze straling uit het heelal. Dit type ruis wordt vooral belangrijk bij
frequenties van 100 MHz. en hoger. In de tweede plaats is het de aarde
zelf die ruissignalen doet ontstaan, omdat de aarde immers een hogere
temperatuur heeft dan het absolute nulpunt. Elk voorwerp met een temperatuur
boven dit absolute nulpunt zendt elektromagnetische straling uit, die we
vanaf bepaalde temperaturen ook als licht beginnen waar te nemen, denk
hierbij maar aan een gloeiend stuk metaal of een gloeilamp. Dit licht is maar
een deel van het totaal uitgezonden elektromagnetische spectrum dat door
voorwerpen boven het absolute nulpunt wordt uitgezonden en ook de warme aarde
is daarom een bron van straling. Van deze straling (thermische ruis) hebben
we vooral last op de hogere frequenties van 1 GHz. en meer en we kunnen deze
alleen ontwijken met richtantennes met een kleine openingshoek
(radiotelescoop), en juist kijkend naar die eerder genoemde kosmische
ruisbronnen. In de derde plaats is daar de
atmosferische ruis, die wordt veroorzaakt door onweer dat altijd wel ergens
optreedt over de hele wereld. Bij korte afstanden klinkt dit onweer uit de
radio als een impulsvormige storing maar wanneer de afstanden tot de
ontvanger groot genoeg zijn, worden de impulsstoringen van deze korte
ontlading a.h.w. uitgerekt in de tijd en uitgesmeerd over een groot aantal
frequenties (dispersie). Deze ontladingen op verschillende plaatsen op aarde
kaatsen vele malen heen en weer tussen de ionosfeer en de aarde en krijgen
daardoor uiteindelijk een meer ruis-achtig karakter. Wie op meerdere
HF-banden luistert, is het wellicht opgevallen dat de ruis op de lagere HF
banden een ‘korreligere’ structuur heeft dan dat op de hoogste banden. Deze
ruis is altijd en overal op aarde aanwezig, al is het vooral in de tropische
zones met zijn hevige onweer dat het een belangrijke factor is op de lagere
HF-banden, Tegen deze ruis kunnen we weinig uitrichten door antenne
maatregelen of anderszins. In de vierde plaats is er de
‘man-made noise’. Dit is de ruis die ontstaat
door alle apparatuur die storingen veroorzaakt over een breed frequentie
gebied en die, hoewel niet bewust zo gefabriceerd, toch ontstaat als
bijproduct van vele elektrische en elektronische apparaten die de mens tot
zijn beschikking heeft. Soms wordt die ongewenste straling rechtstreeks en
ter plaatse geproduceerd, maar net zo vaak verzorgt zo’n apparaat een
vervorming van en op de netfrequentie. Deze vervorming plant zich over een
groot deel van het netwerk voort en wordt op diverse plaatsen weer
uitgezonder als storing, wanneer de toevallige lengte van de bekabeling boven
de grond gunstig is voor een bepaalde frequentie (aangepaste antenne). Deze breedbandige storing is hoger in
een sterk bebouwde omgeving (huizen en industrie) en kan veel lager uitvallen
in dun bevolkte gebieden. Het is duidelijk dat deze ruis sterker is rondom
gebouwen omdat daar nu eenmaal meer storing-veroorzakende apparaten zijn
opgesteld (schakelende voedingen, LED verlichting, huishoudelijke machines
met collector motoren etc.), maar ook omdat daar meer bedrading in verticale
richting loopt, die de signalen (vervorming) op en van het lichtnet
effectiever kan uitstralen. Die laatste ‘elektrosmog’ neemt sterk
af met de afstand tot het huis en is op enkele meters daar vandaan al snel
tot lage waarden gedaald. Deze zeer lokale storing kunnen we het best
vermijden door antennes op enige afstand van het huis op te stellen, en dat
geldt speciaal voor antennes die hiervoor meer gevoelig zijn (actieve
antennes).
Figuur 1: Grafiek uit regelmatige ITU
rapportages. Atmosferische ruis (Fa in genormaliseerde bandbreedte van 1 Hz.) als functie van de frequentie. De
lijn C geeft het verloop van de ‘man-made noise’ in
een rustige landelijke omgeving en de lijn E het gemiddelde ruisniveau dat in
een stadsomgeving met zakelijke bedrijvigheid wordt gevonden. Als vijfde en laatste bron van alle
ruis die we aan de ingang van de ontvanger kunnen toerekenen vinden we de
eigen ruis van de ontvanger. Een gemiddelde, goede ontvanger (bv.
mijn Yaesu FT920) wordt gespecificeerd met een gevoeligheid
voor SSB signalen op de HF banden van ca. -120 dBm., bij een signaal-ruis
verhouding van 10 dB (S+N/N). Hierdoor ligt het eigen ruis niveau juist boven
een aanwijzing van S – 0 op een goed gekalibreerde S-meter, hoewel de meeste
S-meters in analoge ontvangers in dit gebied hopeloos te kort schieten in
nauwkeurigheid. Wanneer we door ons vernuft alle eerdere ruisbronnen hebben
uitgeschakeld, is dit de enige ruisbron die we om natuurkundige redenen
niet meer kunnen negeren en dit vormt dan ook de uiterste grens voor onze
signaal waarneming. Met alle ruisbronnen op een rijtje,
kunnen we eens kijken welke eisen we kunnen stellen aan een ontvangst
antenne, in vergelijking tot een zend antenne, welke laatste vooral wordt
beoordeeld vanuit het oogpunt van energie rendement. Om een signaal te kunnen ontvangen en
verstaan, moet dit ongeveer even sterk zijn als de ruisenergie waarin dit
signaal is ingebed. Afhankelijke van de vorm van de communicatie (morse,
spraak, digitale uitzendingen) kunnen sommige mensen en systemen nog
tot een aantal dB. onder deze ruisvloer voldoende waarnemen om communicatie
mogelijk te maken, hoewel dit dan allang niet meer ‘moeiteloos’ gaat. Het is
dus de signaal/ruis verhouding die belangrijk is. Wanneer de antenne buiten het gebied
van de elektrosmog van het huis is geplaatst, is er weinig meer dat we kunnen
doen om de ontvangen ruis op de antenne verder te verlagen, behalve
misschien, en enigszins marginaal, met speciale richt antennes. We komen nu
op het grote verschil tussen zend en ontvangstantennes. Bij een minder
efficiënte antenne vinden we aan de antenneklemmen een lager signaal dan bij
een efficiënte antenne, maar die verminderde ontvangst geldt ook voor de
ontvangen ruis; zolang de signaal / ruis verhouding niet
verandert, maakt het dus helemaal niet uit of we deze signalen ontvangen met
een goede of met een slechte antenne. Bij
onveranderde signaal / ruis verhouding, is de ‘kwaliteit’ van de antenne
helemaal niet van belang! De antenne kwaliteit wordt pas
belangrijk, wanneer het totaal ontvangen signaal plus de ruis in de buurt
komt van de niet te vermijden eigen ruis van de ontvanger (zie punt 5). Pas
wanneer de S-meter minder verschil dan ca. twee S-punten ‘ziet’
tussen een met 50 Ohm afgesloten antenne ingang, en wanneer onze antenne
daarop is aangesloten (op de HF banden), zal er minder onderscheid zijn
tussen de ruis uit de antenne en de ruis van de ontvanger. De energetische
som van deze twee ruissignalen bepaalt het absolute ruisniveau beneden deze
grens en is hiermee de referentie waar tegen het binnenkomende signaal wordt
beoordeeld. Wanneer het signaal door een slechtere antenne nog lager zou
worden, kan de ruis aan de ingang niet verder omlaag vanwege die gesommeerde
ingangsruis en pas dan verslechtert de signaal / ruis verhouding en dus de
verstaanbaarheid van het signaal.
Tegenwoordig neemt het door de mens
gemaakte ruisniveau steeds meer toe en op de lage HF banden (bv. 3,6 MHz.)
ligt dit op mijn locatie al rond sterkte S7 – S8. Hiertegen ontvang ik de
signalen, die dus liefst een S-punt of meer daar boven moeten liggen voor een
prettige ontvangst. Met wat we hierboven al zagen, mag onze antenne voor
alleen ontvangst dus S7 – S2 = 5 S - punten minder efficiënt zijn dan een
perfecte zend antenne, voordat deze als antenne niet meer zou voldoen omdat
de signaal / ruisverhouding wordt aangetast. Het is dus helemaal niet
noodzakelijk om aan een antenne voor de radio-ontvangst dezelfde
eisen te stellen als aan die voor het zend bedrijf, en daarmee worden de
keuzemogelijkheden voor een ontvangstantenne ook veel groter. Het totale ruisniveau op de antenne
neemt echter af bij toenemende frequentie, zodat de eisen aan de antenne
hoger worden naarmate de frequentie toe neemt. Op 30 MHz. is de marge door
afnemend atmosferisch en man-made ruisniveau dan ook minder dan de eerder
berekende 5 S-punten en is hier niet meer dan 1 – 2 S-punten. Een antenne die korter is dan een
halve golflengte op de werkfrequentie, kenmerkt zich door een steeds lager
wordende stralingsweerstand, in serie met een steeds hoger wordende
reactantie. De antenne zelf ontvangt echter nog steeds alle
elektromagnetische straling die in de buurt van deze antenne rondzwerft,
zonder dat de ontvangststerkte van deze signalen noemenswaardig vermindert.
Zo is de ‘ontvangst capaciteit’ (apertuur) van een dipool antenne met een
lengte van juist ¼ golflengte niet meer dan 0,6 dB minder dan die van een
dipool antenne met een lengte van juist ½ golflengte (afgestemde ‘standaard’
antenne). Door die groter wordende capacitieve reactantie in serie bij
kortere antennes wordt het echter steeds lastiger om die signalen op de 50
Ohm ingang van de ontvanger te krijgen, vanwege de grote spanningsdeling die
door die hoge serie reactantie ontstaat. De eerder genoemde antenne van juist ¼
golflengte lang (2 x 10 m. op ca. 10 m. hoogte voor de 80 m. band)
vertoont een stralingsweerstand van ca. 10 Ohm, in serie met een reactantie
van ongeveer 1000 Ohm. Een ruisniveau dat ontvangen wordt op de
stralingsweerstand en dat nauwelijks lager is dan op de antenne van
½ golflengte (0,6 dB), wordt daarom naar de 50 Ohm ingang van onze
ontvanger verzwakt met een waarde van
ca. 50 / 1000 = 1/20 of -26 dB, dus iets meer dan 4 S-punten lager dan
bij een afgestemde antenne. Hiervoor zagen we dat we op deze frequentie door
het hoge ruisniveau in de stad een marge hadden van ruim 5 S-punten t.o.v.
van het eigen ruisniveau van de ontvanger. De veel te korte antenne voor de
80 m. band is dus nog steeds een prima antenne voor radio ontvangst,
waarbij de signaal / ruis verhouding op de ontvanger ingang nog niet wordt
aangetast door de eigen ruis van de ontvanger. De signalen als aangeven op de S-meter
zijn nu wel veel lager (4 S-punten), maar de verstaanbaarheid in de vorm van
de signaal / ruis verhouding is nog helemaal niet aangetast. Deze veel te
korte antenne voor zendbedrijf op de 80 m. band wordt wel steeds beter
bruikbaar als zendantenne op de hogere HF banden, maar voor de signaal-ruis
verhouding bij radio-ontvangst maakt dat geen verschil. Denk er wel aan dat je de signalen
vanaf de antenne nog tot bij de ontvanger moet brengen. Gebruik hiervoor geen
coaxiale kabel (natuurlijk via eerst een goede balun), omdat door de grote
misaanpassing van vooral de grote serie-reactantie je hierin bij 15 m. lengte
tussen de antenne en de ontvanger al ruim 20 dB extra verliest. Een veel betere optie is dan ook de
bekende 450 Ohm ladder lijn, waarbij ondanks de misaanpassing hierin onder
deze condities niet meer dan een enkele dB achter blijft. Je kunt zelfs
overwegen om bij deze transmissielijn bij de ontvanger nog een goede
(symmetrische) antenne tuner te plaatsen. Door de nu juiste aanpassing op de
ontvanger ingang, zijn de signalen weer vrijwel even sterk als met een
aangepaste, antenne-in-resonantie, waardoor ook de S-meter aflezing weer
ongeveer juist is. Je ‘betaalt’ deze aanpassing overigens met het regelmatig
optimaliseren van de tuner voor een nieuwe luister frequentie. Aan de
signaal-ruisverhouding verandert zo’n tuner echter niets, zolang de
atmosferische ruis ruim boven de ruisvloer van de ontvanger blijft (zie
hiervoor de test met het verschil van twee S-punten t.o.v. een 50 Ohm
afsluiting). Een andere vorm van zo’n kleinere en
zeer eenvoudige antenne voor alleen radio-ontvangst is een (zelf te
bouwen) actieve antenne met een sprietje van ca. 1 m. of ook een metalen
plaatje van 10x10 cm. Net als bij de kortere antenne, is de ‘ontvangst
capaciteit’ van zo’n korte antenne niet meer dan ca. 1 dB lager dan bij een
antenne in resonantie, maar wordt het steeds moeilijker om deze signalen ook
werkelijk uit te lezen. Deze heel kleine antenne wordt gevolgd
door een antenne-versterker, die echter alleen tot doel heeft om de zeer hoge
impedantie aan de voet van deze antenne (door de serie reactantie) om te
zetten naar een zodanige waarde, dat dit bij transport via een 50 Ohm
coaxkabel niet verder wordt aangetast of verzwakt. De spanningsversterking
van deze antenneversterker is echter nog steeds maar juist 1 x, zodat
dezelfde spanningen op de antenne ingang van onze ontvanger worden
aangeboden, als die op het sprietje of het plaatje werden ontvangen.
Figuur
2: Eigen actieve antenne met een ‘sprietje van ca. 1 m. lengte (voormalige
auto antenne), op een mastje van ca. 5 m. lengte. Bij mijn eigen actieve antenne volgens
dit concept is op 3,6 MHz. een signaal ca. 0,5 S-punt zwakker dan met mijn
full-size 5-band antenne (ca. 35 m. lange
dipool, zie website), die
speciaal ontwikkeld werd om op 80, 40, 20, 15 en 10 m. de hoogste
efficiëntie te halen bij zend bedrijf. De S / N verhouding tussen beide
antennes is echter onder alle omstandigheden steeds gelijk. Omdat de actieve
antenne een breedband ontwikkeling is, die werkt vanaf enkele ca. 10 kHz. tot
boven 20 MHz., zijn de signalen op andere dan de genoemde amateur
banden S-punten sterker dan bij de full-size antenne,
met nog steeds dezelfde S / N verhouding bij ontvangst op beide antennes! Voor ontvangst over alle banden anders
dan de vijf genoemde amateur banden maak ik daarom graag gebruik van mijn
actieve antenne. Natuurlijk werd deze opgesteld op meters afstand van mijn
woning, aan de achterzijde van de tuin en dus ruimschoots buiten de lokale
stoornevel. Een verder voordeel van zo’n actieve
antenne is, dat je door de nu karakteristieke afsluiting aan beide zijden
weer standaard 50 Ohm coaxiale kabel kunt toepassen, dat ook een antenne
tuner overbodig is en dat de S-meter ongeveer de juiste aanwijzing blijft
geven over het hele bereik, bij mij van 10 kHz. tot ruim boven 20 MHz.. Wanneer je zo’n actieve antenne zou
willen toepassen, zijn er nog enkele punten die de aandacht verdienen. Zo is
de retour van de coax een heel slechte bron van aarding, omdat de buitenzijde
hiervan op zichzelf al weer een antenne vormt, die voor een deel binnen de
elektrosmog van de woning voert. Zo’n parasitieve ‘antenne’ koppelt heel
gemakkelijk capacitief met de ultra korte antenne, die zelf ook een heel hoge
impedantie vertegenwoordigt (serie reactantie). Zorg daarom zowel bij de
antenne als aan de andere zijde van de coax voor een goede mantelstroom
smoorspoel. Zo’n mantelstroom smoorspoel wordt
vaak als een eenduidig omschreven component gezien, die, mits goed
geconstrueerd, voor elke situatie toepasbaar is. Dit leidt dikwijls tot
teleurstelling. Een mantelstroom smoorspoel dient een eigen impedantie te
vertonen die een aantal maal zo hoog is als de impedantie van de
(stoor-)bron. Bij een antenne is dit de aansluitimpedantie hiervan, die door
de serie reactantie kan oplopen tot hoge waarden. Je kunt zo’n smoorspoel
daarom pas definiëren wanneer je deze (antenne-)impedantie kent / gemeten
hebt. De waarde hiervan kan over een erg breed gebied variëren, waarop de
mantelspoel dient te worden aangepast. In het geval van de actieve antenne
dient er daarom een mantelstroom smoorspoel te komen tussen de (voedende)
coax en de, geïsoleerd opgestelde, antenne versterker. Deze smoorspoel dient
een zo hoog mogelijke impedantie te vertonen, denk aan vele duizenden Ohm
over het gebied van toepassing. Gebruik hiervoor een ringkern met een heel
hoge permeabiliteit. Bij mij wordt hier een 26 mm. ringkern toegepast van
3E25 materiaal met een permeabiliteit µ’= 6000. Hierop komen zo veel
windingen van twee getwiste draden geëmailleerd wikkeldraad van elk ca. 0,3
mm., dat er aan de binnenzijde nog juist een draad dikte tussen de windingen
over blijft en tussen de wikkeluiteinden nog 5 mm., alles ter verkleining van
de parasitaire capaciteit van de spoel, die anders de impedantie op hogere
frequenties juist weer laat afnemen. Ikzelf wikkel steeds een nylon draad
(visdraad of rijgsnoer, in dir geval ca. 0,3 mm.) tussen de windingen om
de afstand aan de binnenzijde te waarborgen. De antenne met versterker staat bij
mij op een kunststof mastje van 5 m. hoog. Metaal kan ook, mits de coaxiale
voeding (plug!) geïsoleerd wordt ingevoerd. In geval van de kunststof mast
bestaat de aarding van de versterker uit een niet te dunne draad, die zo kort
mogelijk bij de mast verbonden is met een metalen pen die
zeker 1m. de grond in gaat. Een metalen mast kan direct met dit
punt worden verbonden. Verder is dit aardpunt verbonden met het hekwerk om
mijn tuin, om maar een zo laag mogelijke impedantie te creëren. De voedingscoax loopt langs de mast
omlaag, en verdwijnt daar onder de grond tot aan de woning, waar deze weer
omhoog komt en het huis wordt binnen gevoerd. Bij de transceiver komt weer
een mantelstroom smoorspoel, ditmaal bestaande uit 7 windingen van dezelfde
coax (RG58U) om een 36 mm. ringkern van opnieuw 3E25 materiaal. Deze
smoorspoel om eventuele signalen van de parasitaire antenne van de coax
mantel te verzwakken t.o.v. een mogelijke overgangsweerstand naar de antenne
ingang. Misschien
een beetje veel uitweiding over de actieve antenne, maar bij onzorgvuldige
plaatsing en bedrading is het minder goed mogelijk om hier het volle
potentieel uit te halen. Bob
J. van Donselaar, on9cvd@veron.nl |
|
