Trefwoorden

 

ruis

signaal / ruis

kengetallen

korte antenne

actieve ant.

 

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.

 

 

Ruis

 

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). 

 

Beschrijving: Beschrijving: Noise atmospheric

 

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.

 

 

Ruis en signaal

 

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.

 

 

Enige kengetallen

 

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.

 

 

Korte antenne

 

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).

 

 

Actieve antenne

 

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