Het equivalent schema van een ferrietantenne onderscheidt zich enkel van het equivalent schema van een loop door de aanwezigheid van een extra weerstand, die de verliezen in de kern voorstelt. Het nauwkeurig berekenen van de elementen van het equivalent schema is bij de ferrietantenne echter wat moeilijker.

De in de antenne opgewekte RF spanning en de inductantie hangen af van de permeabiliteit. Die permeabiliteit is niet de permeabiliteit van het ferrietmateriaal maar de effectieve permeabiliteit. De effectieve permeabiliteit wordt mee bepaald door de verhouding lengte/diameter van de ferrietkern en van de verhouding lengte spoel/lengte ferrietkern. Voor beide afhankelijkheden bestaan grafieken en benaderende formules. 

De verliezen in de ferrietkern zijn afhankelijk van de frequentie. Ook die vindt men in grafieken. Helaas geven de grafieken meestal niet de verliezen bij zeer lage frequenties. Van gerecupereerde ferrietstaven zijn meestal helemaal geen gegevens beschikbaar.   

Bij gebruik van een spoel met meerdere wikkellagen is de eigen capaciteit niet verwaarloosbaar.

De BBC heeft in 2004 “white paper” whp091 gepubliceerd (nog altijd op het internet te vinden als whp091.pdf). Dat document is een zeer goede eerste kennismaking. Bij het document hoorde ook een calculator whp091excel.xls, maar dat bestand lijkt van het web verdwenen. Vertrekkend van het equivalent schema kan men ook zelf een Excel calculator maken. Het vraagt wat tijd maar het is minder moeilijk dan het lijkt en men leert er veel mee. Voor betrouwbare resultaten is met veel rekening te houden, maar voor alles (behalve het verloop van µ’ en µ” in functie van de frequentie) zijn verschillende benaderende formules te vinden. Ik heb zelf een Excel calculator  verwezenlijkt waarvan de voorspellingen vrij goed overeenkomen met de metingen. Voor geïnteresseerden heb ik achteraan dit artikel de voornaamste kenmerken en meetresultaten opgenomen van aantal loopsticks.

Terminologie enkel geldig binnen dit document.:

Loopstick:                    Bewikkelde ferrietkern

Aanpassingskring:        Kring met zeer hoge ingangsweerstand en lage uitgangsweerstand die tevens de afstemcondensator en een eventuele terugkoppeling bevat.

Ferrietantenne:           Bewikkelde ferrietkern met bijhorende aanpassingskring.

 

Ferrietantenne vs. dipool

Bijna niemand heeft de mogelijkheid om een full size dipool op te hangen voor 472kHz of lager. Eigenlijk zou ik de prestaties van een ferrietantenne dus niet mogen vergelijken met die van een dipool, maar omdat een referentie nodig is, en naar analogie met de behandeling van de loop antennes, heb ik  dat toch gedaan. Op de figuur hieronder is de te verwachten externe ruis in een dipool weergegeven, evenals het berekende signaalverlies ten opzichte van dezelfde dipool voor enkele van mijn ferrietantennes. Voor uitleg bij de figuur wordt verwezen naar de bespreking in het artikel over loop antennes waar de interpretatie van een gelijkaardige grafiek besproken wordt. In dat artikel is ook een korte bespreking te vinden van raamantenne AR171,  waarvan de berekende prestaties hieronder opgenomen zijn in paarse stippellijn. 

 

 

 Ervaringen en suggesties in verband met ferrietantennes:

- Theoretisch is het gebruik van litzedraad aangewezen maar omdat ik wikkeldraad gebruik met met relatief grote sectie, zijn de verliezen in de ferrietkern groter dan de verliezen in de wikkeldraad. Meestal gebruik ik hoogwaardige soepele geïsoleerde draad met een sectie van ongeveer 0,35mm² en samengesteld uit een groot aantal adertjes. Voor spoelen met weinig windingen durf ik ook wel eens massieve verniste wikkeldraad met een diameter van 0,9mm gebruiken. In twee gevallen werd overmaatse litzedraad uit een oude militaire PA gebruikt.

- De signaalopbrengst van een ferrietantenne neemt toe met het aantal windingen op de kern en met de doorsnede van de kern. Veel windingen op een dikke kern lijkt dus aangewezen, maar daarmee neemt ook de inductantie toe. Bij loopsticks voor HF ontstaat al gauw het probleem dat de maximum frequentie waarop kan afgestemd worden lager is dan gehoopt. Bij meerlagige spoelen is de eigen capaciteit van de loopstick niet verwaarloosbaar, maar dat soort spoelen is maar nodig bij loopsticks voor gebruik op LF en VLF.

- Een brede spoel geeft een kleinere inductantie, maar volgens de calculator heeft een brede spoel toch een (klein) gunstig effect op de gevoeligheid. Ik probeer tegenwoordig steeds de ferrietkern van één brede laag draad te voorzien. Daarmee wordt ook de eigen capaciteit klein gehouden.

- Het is mij nog niet gelukt om duidelijke informatie te vinden over het ferrietmateriaal dat gebruikt werd in de ferrietantennes van oude radio’s. Ik vermoed dat in de meeste gevallen NiZn materiaal gebruikt werd met een initiële permeabiliteit van ongeveer 125 (materaal 61?). Dat materiaal wordt gekenmerkt door een zeer grote soortelijke weerstand. Sporadisch treft men ferrietstaven aan met een betrekkelijk lage soortelijke weerstand. Vermoedelijk zijn dat staven met MnZn materiaal (materaal 33?). De initiële permeabiliteit daarvan is groter, maar de verliezen ervan worden al snel te groot bij wat hogere frequenties. Ik heb nog maar drie dergelijke staven aangetroffen (weerstand staaf 10 kOhm à 50 kOhm, gemeten met een universeelmeter). Die staven zijn gegroefd. Misschien om foucault stromen te beperken?

 

- De effectieve permeabiliteit van een ferrietstaaf hangt vooral af van de verhouding lengte/diameter en minder van de initiële permeabiliteit van het ferrietmateriaal. Veronderstel een kern met drie ferrietstaven van 10x170mm. De verhouding lengte/diameter is 10. Op de figuur hieronder ziet u dat de effectieve permeabiliteit bij die verhouding 45 en 60 bedraagt voor materialen met een initiële permeabiliteit van respectievelijk 150 en 700. Bemerk dat het verlies aan permeabiliteit naar verhouding groter is bij gebruik van ferrietmateriaal met hoge initiële permeabiliteit. De meeste van mijn ferrietkernen situeren zich in de geel gekleurde zone (l/d = 8 tot 20). 

 

 - Ik heb loopsticks gebouwd voor 472 kHz met één staaf van 200 mm x 10 mm, maar bundelen van ferrietstaven geeft meer signaal en meer inductantie voor hetzelfde aantal windingen. Voor LF en VLF lijkt het bundelen van ferrietstaven (groter volume ferriet) mij bijna noodzakelijk om een behoorlijk resultaat te bekomen. Bij het bundelen van de staven streef ik naar een schikking waarbij de verhouding ferriet/lucht in de kern zo groot mogelijk is. Met zeven staven lukt dat vrij goed. Ook het gebruik van een langere ferrietkern heeft een positieve invloed op de resultaten. Als het kan gebruik ik staven van 200 mm of meer.. 

 - Afschermen heeft een gunstige invloed op de signaal/ruisverhouding. De afscherming mag echter geen gesloten wikkeling vormen en ze mag niet bestaan uit magnetisch materiaal. Bovendien moet er een redelijke ruimte blijven tussen de ferrietkern en de afscherming. Zelfs dan zal men vaststellen dat de afscherming de inductantie van de antenne doet afnemen. Als men de ferrietantenne afschermt is het logisch dat men zich ook de moeite getroost om de aanpassingskring af te schermen. ook daarvoor wordt best geen magnetisch materiaal gebruikt. 

- Ferrietantennes zijn uiteraard zeer gevoelig voor magnetische velden, ook voor ongewenste. Ze worden best weggehouden van voorwerpen uit magnetisch materiaal. Ze moeten vooral opgesteld worden weg van machines en transformatoren die magnetische strooivelden opwekken.

- Gelet op de grote gevoeligheid voor magnetische velden is voeding met batterijen of met een externe voeding aanbevolen.

- Ferrietstaven gerecupereerd uit radiotoestellen zijn in zekere mate bruikbaar op HF (ik heb ze met succes gebruikt tot 8,85 MHz). Het is echter moeilijk om de prestaties van een loop te evenaren op frequenties boven 3MHz. Het aantal windingen moet beperkt worden met het oog op de max. afstemfrequentie en dat gaat ten koste van de gevoeligheid. Ferrietstaven gerecupereerd uit oude radio’s hoefden oorspronkelijk niet te presteren boven 1,6 MHz, de verliezen daarin nemen misschien snel toe bij hogere frequenties. Op de 160m-band zijn ze nog perfect bruikbaar.  

- De gevoeligheid van een loopstick neemt evenredig toe met de loaded Q. Het is daarom van belang de ingangsimpedantie van de aanpassingskring zo groot mogelijk te houden. Daarom gebruik ik meestal automatische polarisatie voor de instelling van de FET aan de ingang. Dat geeft een zeer simpele schakeling met een bijzonder hoge ingangsimpedantie. Met de zeer hoge ingangsimpedantie is er wel een (beperkt) risico dat de aanpassingskring gaat oscilleren. Mijn aanpassingskringen zijn daarom meestal eenvoudige sourcevolgers zonder bijkomende transistor voor extra versterking. 

- De gevoeligheid van een ferrietantenne kan aanzienlijk vergroot worden door middel van gecontroleerde positieve terugkoppeling. Die techniek heb ik vanaf 2018 standaard toegepast. Opgelet! Een grotere gevoeligheid leidt niet noodzakelijk tot een betere signaal/ruis verhouding, in veel gevallen is de terugkoppeling dan ook overbodig. Anderzijds vraagt ze weinig extra componenten en kan ze gemakkelijk uitgeschakeld worden.    

- De loopsticks van oude radio’s hebben meestal een spoel voor de middengolf en een voor de lange golf, Beide spoelen bevinden zich dan niet in het midden, maar tegen een uiteinde van de ferrietstaaf. Dat vereist een extra correctie voor het berekenen van de karakteristieken. Bij mijn loopsticks zit de hoofdspoel altijd in het midden van de kern en de eventuele tickler spoel bevindt zich naast de hoofdspoel (langs de koude kant bij een hoofdspoel met één wikkellaag). Hieronder AF211 (twee wikkellagen van 110 wdg.) ter illustratie.

 

 - Indien voorzien van een goede afscherming kan men met een ferrietantenne zeer nauwkeurige peilingen uitvoeren op lage frequenties. Een draaibaar plateau met gradenverdeling is daarbij handig. Met de naaf van een fietswiel kan dat vrij eenvoudig gemaakt worden (zie foto bij aanpassingskring AM162 hieronder). De naaf is aan het zicht onttrokken door een alu cilinder voorzien van een papieren band met een verdeling per 10°. Het gele plaatje op de voetplaat laat toe om de richting tot op één graad af te lezen. 

- Diodes aan de ingang van de aanpassingskring beschermen de FET(s) tegen overspanningen als gevolg van sterke magnetische pulsen. Misschien volstaat dat niet om de aanpassingskring te beschermen tegen ontladingen bij onweer. Tegenwoordig gebruik ik enkel nog aanpassingskringen in combinatie met losse loopsticks, ik probeer er aan te denken om die te verwijderen bij onweer. De diodes voorkomen ook dat de spanning aan de uitgang van de aanpassingskring zeer groot wordt.   

 

Enkele verwezenlijkingen

Geïnteresseerden kunnen zich door mijn gewrochten laten inspireren, maar andere mechanische uitvoeringen en andere schema’s kunnen even goed werken, of beter. Mijn keuzes betreffende componenten en behuizingen hebben vooral te maken met wat ik nog liggen heb.

Hieronder worden een aantal van mijn realisaties, min of meer chronologisch toegelicht. Wie niet geïnteresseerd is in de evolutie kan alles overslaan vóór de beschrijving van AM191, dat is mijn meest performante project in verband met ferrietantennes.  

 

AF141

Bedoeld voor ontvangst op 472 kHz. 7 gebundelde ferrietstaven 10 x 200 mm, bewikkeld met 48 wdg. dikke litzedraad. Die litzedraad komt uit een militaire PA en de spoel waarop hij gewikkeld was had een aantal aftakkingen. De sporen van die aftakkingen zijn nog zichtbaar. L= 363 µH (zonder afscherming).

De loopstick is geplaatst in het center van een aluminium koker met een doorsnede van 70 x 110 mm. De koker is in de lengte doorgezaagd om te vermijden dat hij een kortgesloten wikkeling zou vormen.

De loopstick is met de afstemcondensator verbonden door middel van een korte afgeschermde kabel met twee geleiders. Het signaal van de afgestemde kring komt aan de gate van een JFET BF245c, geschakeld als source volger. De instelling van de FET gebeurt uitsluitend door middel van de source weerstand. Dat is niet ideaal voor het gedrag van de transistor bij sterke signalen, maar het zorgt voor een zeer hoge ingangsimpedantie en door de hoge Q van de antenne is de bandbreedte zo klein dat in de praktijk toch maar weinig kruismodulatie optreedt. Het signaal voor de ontvanger wordt via een condensator aan de source van Q1 afgenomen.

 

 

De simpele schakeling heeft een tweede tekortkoming. Om het signaal van de antenne onverzwakt aan een 50 ohm belasting af te leveren zou de steilheid van de FET meer dan 20 mA/V moeten bedragen. Geen enkele FET in mijn bezit haalt dat. Maar in de praktijk lijkt wat signaalverlies ook geen probleem te vormen. De antenne is afstembaar tussen 280 kHz en 895 kHz. De FET verbruikt amper 2 à 3 mA. Met deze antenne hoor ik in de avonduren meestal het baken AS (474,5 kHz, JO48EK). Als ontvanger wordt daarbij een Telefunken ELK639 gebruikt.

De antenne is gemonteerd op een draaibare sokkel die voorzien is van een draaibare schijf met gradenverdeling. Peilen op minimum signaal werkt bijzonder goed. De schijf met gradenverdeling wordt daarvoor eerst gedraaid tot van een lokaal baken (vb.=. ONO) de juiste richting aangegeven wordt.

Het is natuurlijk de bedoeling dat het RF opgepikt wordt door de ferrietstaven en niet door de afstemcondensator, de sourcevolger en de bedrading. Mijn voorkeur gaat daarom uit naar een Metalen behuizing.

Met een ABS-kastje lukt het ook, mits wat voorzorgsmaatregelen. Zo kan een metalen plaatje achter de afstemcondensator de statorbladen daarvan afschermen  van elektrische velden. Gebruik van dunne coax voor de signaal voerende geleiders helpt ook nog wat.

 

AF151

In 2015 kwam ik toevallig in het bezit van een draaibare ferrietkop (loopstick lijkt hier niet gepast) voor een radiokompas AN/ARN-6. Dat radiokompas heeft een frequentiebereik van 100 kHz tot 1750 kHz in 4 bereiken. De inductantie van de ferrietkop bedraagt amper 26µH. Geen enkele variabele condensator zou die antenne afgestemd krijgen op 100 kHz. In de ontvanger van de ARN-6 installatie zit echter een module (de LOOP module) met daarin 4 transformatortjes die de inductantie van de antenne voor elk bereik transformeren naar een meer geschikte waarde. In de aanpassingskring van deze antenne is een LOOP module van een R101 ontvanger verwerkt.

De aanpassingskring is verder gebouwd volgens het vertrouwde eenvoudige schema.

Qua frequentiebereik werkt alles zoals verwacht, maar op het gebied van ontvangst komt de antenne niet in de buurt van AF141 en AF153. De wikkelingen van AF151 zijn afgeschermd met kopergaas, maar toch wordt veel lokale storing opgepikt. Gewenste signalen daarentegen worden zwakker ontvangen dan met de andere ferrietantennes. Wegens de tegenvallende resultaten ligt dit project voorlopig aan de kant.

 

AF152

Deze antenne werd vooral gebouwd voor het opsporen van lokale storingsbronnen. Eén enkele ferrietstaaf 240 x 10 mm, in het midden voorzien van een spoel van 133 mm breed, met daarop 41 windingen in één laag. De ferrietstaaf is in het center geplaatst van een in de lengte doorgezaagde aluminium buis met een diameter van 50 mm. De afstemcondensator, de klassieke klassieke sourcevolger en een 9V batterij werden ondergebracht in een kastje van niet magnetisch metaal.

De aluminium buis is elektrisch verbonden met het metalen kastje en dat kastje is meteen ook de negatieve klem van de voeding. Het kastje werd ook nog voorzien van een handgreep.

De figuur hieronder toont de ferrietkern met de brede wikkeling

 

Deze antenne is afstembaar tussen ongeveer 2,5 MHz en 5 MHz (het frequentiebereik bij het schema slaat nog op het prototype) .  Ze doet het goed op 80m. Het signaal is iets minder sterk dan het signaal van mijn loop antennes, maar deze antenne was nooit bedoeld als alternatief daarvoor. Als peilantenne voor lokale signalen werkt ze uitstekend. Er is ook steeds een duidelijke piek bij het afstemmen. Voeding gebeurt in principe met een interne 9V batterij, maar in de OFF stand is externe voeding mogelijk. 

Opmerking.

Het is mij bij het gebruik van AF152 duidelijk geworden dat ferrietantennes bijzonder gevoelig zijn voor beïnvloeding door andere antennes in de buurt, vooral als ze daar gemakkelijk inductief mee kunnen koppelen. Zo kan een magnetische loop in de buurt de ontvangst door middel van een ferrietantenne sterk beïnvloeden. Ook de verlengspoelen van een verkorte dipool blijken zich goed te lenen tot inductieve koppeling. Zelfs op verrassend grote afstand. 

 

AF153

7 gebundelde ferrietstaven van 200 x 10 mm voorzien van een spoel met een breedte van 155 mm met daarop 82 windingen dikke litzedraad (hetzelfde type als die gebruikt voor AF141) in één laag. L = 809 µH zonder afscherming. Met afscherming (identiek aan die gebruikt voor AF141) bedraagt de inductantie nog 695 µH. 

AF153 lijkt qua afwerking bijzonder goed op AF141. De antenne past ook op dezelfde draaibare sokkel.

AF153 werd oorspronkelijk voorzien van een aanpassingskring met twee transistoren. Die geeft een versterking van ongeveer 8 dB.

Opmerking

De combinatie loopstick - aanpassingskring kan gaan oscilleren. Bij inductieve terugkoppeling met de loopstick wordt de rondgaande spanningsversterking immers al snel groter dan 1. Gebruik van korte verbindingen en goed afschermen is absoluut noodzakelijk. Om het gevaar voor oscilleren te beperken gebruik ik de BFY90 tegenwoordig niet meer. Het signaal wordt nu weer afgenomen aan de source van de FET zoals bij eerdere realisaties . 

 

AF161

10 ferrietstaven van 200 x 10 mm gebundeld en voorzien van een spoel met een breedte van 145 mm waarop zich 473 windingen bevinden verdeeld over 4 lagen. L = 34,94 mH. De weerstand bedraagt 3 Ohm. De eigen capaciteit bedraagt ongeveer 128 pF.

AF161 blijkt in de praktijk geen afscherming nodig te hebben. Dat is ook te verwachten omdat de afmetingen van de antenne zeer klein zijn ten opzichte van de golflengte binnen het frequentiebereik waarin ze gebruikt wordt. AF161 werd gebouwd voor gebruik met aanpassingskring AM162. In 2020 is een wikkeling van 25 wdg. toegevoegd voor terugkoppeling. Daarmee kan AF161 ook profiteren van de ondersteuning voor gecontroleerde terugkoppeling zoals die geleverd wordt door aanpassingskring AM191.

 

AF163 / AM162

De combinatie loopstick AF163 / aanpassingskring AM162 is vooral bedoeld voor ontvangst tussen 10 en 20 kHz. Er is echter alles aan gedaan om de combinatie ook bruikbaar te maken op hogere frequenties.

De loopstick bestaat uit één ferrietstaaf met een lengte van 315 mm en een diameter van 25,9 mm. Het ferrietmateriaal is NiZn met initiële µ = 125. Op die staaf zijn 3 wikkelingen van 111 windingen massieve verniste koperdraad met een diameter 0,9 mm gewikkeld. De drie wikkelingen zijn permanent in serie geschakeld. De aftakkingen werden nog niet gebruikt. De totale wikkeling beperkt zich tot één laag met een totale breedte van 300 mm. De eigen capaciteit bedraagt amper 6pF (vergelijk dat met de 128 pF van AF161 met meerdere wikkellagen). De loopstick is omgeven door een los geperforeerd aluminium scherm.

Een dubbele condensatorenbank in combinatie met een dubbele afstemcondensator laat toe elke condensatorwaarde tussen 6 pF en 23,5 nF parallel te schakelen met de loopstick. Daarmee is afstemmen mogelijk tussen 9,7 kHz en 270 kHz. Om een afstembereik tot 270 kHz mogelijk te maken is schakelaar S1 voorzien waarmee de condensatorsecties in serie kunnen geschakeld worden. De minimum capaciteit bedraagt daarmee slechts 6 pF (tegenover 24 pF bij parallel geschakelde condensatorsecties). De aanpassingskring zoals getekend zorgt ook nog voor een extra versterking van ongeveer 6 dB. Uit bezorgdheid over de stabiliteit wordt de extra trap met de BFY90 ondertussen niet meer gebruikt. Het signaal wordt tegenwoordig weer afgenomen aan de source van de FET zoals bij eerdere realisaties.

 

De binnenkant van de behuizing van AM162 (bakeliet) is volledig bekleed met aluminiumfolie.

Ik gebruik AM162 vooral voor ontvangst op ELF, maar de aanpassingskring is universeel. Hij kan gebruikt worden in combinatie met elke loopstick, raamantenne of loop, in het laatste geval wordt hij met de koppellus verbonden, of direct met de klemmen van de loop zelf.
 

Oscilleren van de aanpassingskring

Een hoge Q is noodzakelijk voor een behoorlijke signaalopbrengst. De FET sourcevolger die ik steeds gebruik voor de aanpassingskring versterkt de spanning niet, maar impedantietransformatie, bijna zonder verlies van signaal, is ook een vorm van versterking en die is in dit geval zelfs aanzienlijk. Daarmee gaat de zaak bij de minste terugkoppeling oscilleren.

Als men zich het schema van AF152 met enkel de sourcevolger voorstelt uitgebreid met de gate-source capaciteit van de FET en de capaciteit van de coaxkabel aan de uitgang (naar de ontvanger), dan herkent men daarin ook nog eens een Colpitts oscillator. De gate-source capaciteit is weliswaar zeer klein, maar toch.

Sommige van mijn ferrietantennes gaan inderdaad oscilleren als er een (niet afgesloten) kort stukje coaxkabel op aangesloten wordt. Het oscilleren stopt zodra het open uiteinde van de coax verbonden wordt met de ontvanger. Bij normaal gebruik heb ik met de aanpassingskring met enkel de sourcevolger geen problemen maar met een tweede transistor erbij was het steeds weer op het randje.   
 

Experimenten met ferrietantennes op HF

Eind 2017 dacht ik bijna klaar te zijn met ferrietantennes, enkel in het lage HF gebied (160, 80, 60 en 40m) leek nog wat verbetering mogelijk. Het was echter duidelijk dat het zeer moeilijk zou worden om de loop te evenaren,

 

AF181

Deze antenne was bedoeld als een verbeterde AF152, die op dat ogenblik mijn enige ferrietantenne was voor gebruik boven 2 MHz. Er was gehoopt op vooruitgang, door het gebruik van een afscherming met grotere diameter en door een meer verzorgde constructie van de loopstick (41 wdg. gewikkeld over 133 mm op een staaf van 238mm, L = 105 µH). AF181 is een verdienstelijke antenne geworden voor 160m en 80m (1,6 – 4,9MHz) maar de kloof tussen AF152 en de loops wordt er zeker niet mee overbrugd. De signaalopbrengst blijft merkelijk onder die van loop AL131, die als referentie diende.

 

 

 

AF182

Bij deze antenne werd ingezet op ferrietmateriaal met minder verliezen op HF. Over het algemeen heeft ferrietmateriaal een lagere initiële permeabiliteit naarmate het geschikt is voor hogere frequenties. Met dat in gedachten werd een kartonnen kokertje met daarop een twintigtal windingen draad gemaakt. Dat spoeltje werd in het midden van elke resterende ferrietstaaf geplaatst en de inductantie werd telkens genoteerd. Eén ferrietstaaf (10 x 183mm) bleek een merkelijk lagere permeabiliteit te hebben (door middel van de calculator geschat op ongeveer 60, tegenover 125 à 150 voor de rest van de ferrietstaven). De staaf werd voorzien van een wikkeling met 32 windingen over een breedte van 88 mm (L = 42,8 µH) en ze werd geplaatst in een doorgezaagde alu-buis met 55mm binnendiameter. De resultaten waren vergelijkbaar met die van AF181 maar boven 5 MHz ging de zaak spontaan oscilleren. Als noodoplossing werd de voedingspanning regelbaar gemaakt. Dat werkte, maar de voedingspanning moest soms onder 1,5 Volt gebracht worden om het oscilleren te stoppen. De instelling van de FET ging daarmee natuurlijk de mist in. Ondanks dat nam de signaalopbrengst sterk toe net voor de kring ging oscilleren. Zo ontstond het idee om een ferrietantenne te bouwen met gecontroleerde terugkoppeling.

 

 

 

AF191

Het principe om de Q factor te vergroten door middel van positieve terugkoppeling is niet nieuw en ik had lang geleden al geprobeerd om de gevoeligheid van een draagbare omroepradio op die wijze te verhogen. Alle opgedane ervaring werd gebundeld in het ontwerp van een ferrietantenne voor 160, 80, 60 en 40m met gecontroleerde terugkoppeling. Het materiaal van de kern bestaat niet uit ferrietmateriaal dat specifiek voor antennes bedoeld is, maar uit een vijftal latjes die gediend hebben als afscherming in de eindtrap van een Siemens kW-zender. Bundeling van die vijf latjes resulteert in een ferrietkern van 40 x 50 x 110 mm. Daarop zijn 10 windingen aangebracht over een breedte van 70 mm. Daarnaast is nog een "ticklercoil" met één winding aangebracht. Omdat het ferriet gebruikt werd in de eindtrap van een zender met hoog vermogen en met een bereik tot 30 MHz veronderstelde ik dat de verliezen in het ferrietmateriaal vrij laag moesten zijn.   

Het schema van een MkII versie lag al klaar maar bij wijze van proef werd eerst geprobeerd  met een aanpassingskring waarin één FET terugkoppeling en impedantieaanpassing combineert

 

De signaal/ruisverhouding was goed, maar zoals verwacht ging een deel van de winst afkomstig van de hoge Q verloren door de extreem lage voedingsspanning (nodig om spontaan oscilleren te stoppen).

AF191 MkII heeft dat probleem niet.

 

Daar gebeurt de terugkoppeling door middel van een tweede FET, die onafhankelijk werkt van de eerste. Dat werkt zeer goed. Het regelen van de terugkoppeling speelt zich wel af binnen een klein gebied, van volledige inactiviteit tot oscillatie verandert de spanning aan de drain van Q2 minder dan één Volt.

Op het gebied van comfort bij het afstemmen scoort loop AL131 beter, maar het regelen van de terugkoppeling van AF191 valt nogal mee en eens die correct ingesteld is doet AF191 nauwelijks onder voor de loop, al lijkt de loop beter geschikt in de nabijheid van lokale ruisbronnen. Al bij al vind ik de resultaten verbluffend voor een antenne die gebouwd is rond een blokje ferrietmateriaal van amper 40 x 50 x 110mm! AF191 moet zijn gevoeligheid hebben van de hoge Q en voor dezelfde signaalsterkte is de bandbreedte dan ook veel kleiner dan die van de loop. Op 80m, net vóór oscilleren, bedraagt de bandbreedte van AF191 minder dan 1kHz. Die mate van terugkoppeling is echter absoluut niet nodig bij normaal gebruik.

AF191 heeft wat weg van een ontvanger met regeneratieve detector. Met een paar kleine aanpassingen en een audio versterker erachter, in plaats van een ontvanger, werkt AF191 inderdaad ook zo (zie bij AM191). Het is echter niet de bedoeling om AF191 te laten oscilleren. Als dat toch gebeurt verschijnt ongeveer 210 mV RF spanning aan de uitgang (onbelast). De amplitude wordt grotendeels bepaald (en beperkt) door de diodes over de afgestemde kring. Tot op heden heeft geen van mijn ontvangers schade opgelopen als gevolg van het oscilleren. Zonder de diodes zou de spanning wellicht oplopen, maar de diodes worden ook om andere redenen beter niet weggenomen. Bij twijfel misschien toch beter eens nazien welke RF spanning de ontvanger aankan, vooraleer hem aan te sluiten op een aanpassingskring met terugkoppeling.    

Nog een laatste keer iets over de (slecht ingestelde) FET sourcevolgers: Een BF245A heeft een steilheid van ongeveer 5mA/V bij een drainstroom van 2mA. Dat is op zich al te weinig om het antennesignaal onverzwakt over te brengen naar de ontvanger. De drainstroom van Q1 in AF191 bedraagt amper 0,8 mA wat resulteert in een nog kleinere steilheid. Bij sommige van mijn aanpassingskringen is het nog erger. Door die lage drainstroom werkt de FET bovendien niet in het lineaire gebied. Maar een (te) kleine drainstroom voorkomt dat de FET ongewenst gaat oscilleren en wat signaalverlies vind ik aanvaardbaar. In de praktijk zorgt de instelling in het niet lineaire gebied niet voor problemen, wellicht als gevolg van de zeer kleine bandbreedte.   

 

AF191 op 10MHz en 14MHz

 Het bereik van een ferrietantenne kan naar boven toe uitgebreid worden door de loopstick te shunten met een externe spoel. Ik ben er op die manier in geslaagd AF191 met enig succes te gebruiken tot 15MHz. Het is toch maar een noodoplossing, die ook nadelen heeft. In de externe spoel wordt een spanning geïnduceerd die verschilt van de spanning geïnduceerd in de spoel van de loopstick. Als gevolg daarvan zal tussen beide spoelen een RF stroom vloeien die voor extra verliezen zorgt. In het slechtste geval is de externe spoel verkeerd georiënteerd en werkt de erin geïnduceerde spanning die van de loopstick tegen.

Naar analogie met de loop antennes zou men een loopstick kunnen gebruiken met twee identieke, symmetrisch opgestelde spoelen, die men in serie of in parallel schakelt. Daarmee zou men het afstembereik verdubbelen. Ik loop daar niet bijzonder warm voor, maar enkel uit nieuwsgierigheid  probeer ik het misschien toch eens.

 

AF192

AF192 is een draagbare versie van AF191, een beetje een AF152 op steroïden. De foto hieronder toont beide antennes naast elkaar.

 

 De afscherming van AF192 bestaat uit een Alu-buis met een diameter van 80mm. Er werd afgestapt van de tien toeren potentiometer waarmee de terugkoppeling geregeld werd bij AF191. Bij AF192 (en verdere realisaties) wordt een goede "gewone" draadgewikkelde potentiometer gebruikt die gevoed wordt over een zenerdiode van 4,7 of 5,1V.

De loopstick bestaat uit een ferrietstaaf van 10x205 mm, voorzien van een 60mm brede spoel met 16 wdg massieve koperdraad van 0,9mm (L = 21,5 µH).

Frequentiegebieden 1,63 – 2,95 MHz en 3,25 – 8,3 MHz.

 

AM191

Al bij al verkies ik voor 3,5 MHz en hoger de loop antennes, maar voor frequenties tussen 10 kHz en 2 Mhz is de afgestemde ferrietantenne volgens mij moeilijk te evenaren. Tot 2019 was AM162 mijn favoriete realisatie op het gebied van ferrietantennes. Als afsluiting van het hoofdstuk wou ik van AM162 een versie maken met gecontroleerde terugkoppeling. 

AM191 is gebouwd rond een afstemcondensator uit een oude omroepradio met AM en FM. De condensator heeft één sectie van ongeveer 10-30 pF en twee gelijke secties van ongeveer 12,5-410 pF. De twee gelijke secties zijn permanent parallel geschakeld. Tevens is een condensatorenbank met zeer hoogwaardige condensatoren voorzien, waarvan elke condensator een capaciteit heeft die ongeveer 700 pF groter is dan de vorige. Een schakelaar laat toe te schakelen tussen de 10-30 pF sectie en de 25-820 pf sectie van de afstemcondensator.  Voor experimenteel gebruik is nog een stand voorzien waarbij geen interne capaciteit gebruikt wordt. Een tweede schakelaar laat toe de 25-820 pF van de afstemcondensator alleen te gebruiken of die te combineren met een condensator (700 pF tot 7300 pF in stappen van ongeveer 700 pF) van de condensatorenbatterij. De condensatoren van 4,7 µF moeten ervoor zorgen dat de aanpassingskring nog goed presteert bij 10 kHz.

AM191 kan met meerdere loopsticks gecombineerd worden maar omdat ik nog niet over een goede losse loopstick beschikte voor de middengolf werd AF193  gerealiseerd als eerste partner (zie tekening voor info).

 

Toevallig beschikte ik over een ideale behuizing uit gegoten aluminium. Met het tekenprogramma van Open Office werd een voorpaneel getekend en dat werd vervolgens gelamineerd. De afstemknop is voorzien van een verdeling 0-100. Eigenlijk is de afstemcondensator een type met aangebouwde vertraging 1/3 zodat de afstemknop over anderhalve toer kan gedraaid worden (de aflezing gaat dus eigenlijk van 0 tot 150). Het schema maakt duidelijk dat de kring ook kan gebruikt worden voor loopsticks zonder tickler coil. Men kan in dat geval een weerstand van vb. 10k tussen de klemmen 3 en 4 plaatsen om te beletten dat de gate–drain junctie van de BF245A zou gaan geleiden, maar dat blijkt in de praktijk niet echt noodzakelijk.

        

Hierboven AM191 in combinatie met AF161 MkII (AF161 voorzien van een ticklercoil met 20 wdg). De foto moet vooral tonen hoe de afscherming kan geopend worden voor het wisselen van de loopstick.

De prestaties overtreffen de verwachtingen. In totaal zijn ondertussen 8 loopsticks beschikbaar die kunnen gebruikt worden in combinatie met AM191. Daarmee kan elke frequentie tussen 10kHz en 8.850 kHz bediend worden. Alle combinaties kunnen over heel hun bereik perfect op de rand van oscilleren gehouden worden. Daarbij wordt de bandbreedte zo klein dat van een AM station enkel nog de draaggolf ontvangen wordt, zonder enig spoor van de modulatie. Bij normaal gebruik wordt een stuk minder terugkoppeling toegepast, maar ook dan blijft de signaalopbrengst van AM191 op alle frequenties ruim voldoende,

Aanpassing van AM191 voor gebruik als regeneratieve detector

Hoewel die functie geen aandacht kreeg bij het ontwerp, kan AM191 mits een klein aanpassing van het schema, ook gebruikt worden als regeneratieve detector. Het schema hieronder toont het schema van de aanpassing.

 Voor gebruik als detector dient men een laagfrequent versterker met hoge ingangsweerstand aan te sluiten aan de klemmen “AF”. 

AM191 in combinatie met de eerste 8 loopsticks van de tabel onderaan dit artikel heeft alle andere realisaties (behalve AF192, die portabel is) redundant gemaakt. AM191 is onovertroffen in het bereik 10kHz - 2Mhz. Boven 2 Mhz gebruik ik AM191 niet, hoewel ze competitief is met mijn beste loop antennes tot en met de 40m band.

 

R213

R213 is een ontvanger met regeneratieve detector waarbij een loopstick meteen als detectorspoel gebruikt wordt. Het hoogfrequent gedeelte van R213 lijkt sterk op dat van AM191. De detector en alles wat erachter komt is dan weer grotendeels overgenomen van R211 (zie artikel over loop antennes).   

 

Met de beschikbare loopsticks en de gebruikte variabele condensator werkt R213 op alle frequenties tussen 15 kHz en 2.100 kHz. De combinatie R213/AF195 heb ik niet geprobeerd.

De afstemschaal is geijkt voor 3 bereiken:

• 15kHz – 20 kHz in combinatie met loopstick AF161
• 180 kHz – 550 kHz in combinatie met AF153
• 250 kHz – 640 kHz, eveneens in combinatie met AF153

Bij andere combinaties dient de gradenverdeling gebruikt te worden, samen met tabellen of grafieken.

Het bereik 15kHz - 20kHz is speciaal voorzien voor ontvangst van de uitzendingen op 17,2 kHz van het station SAQ opgesteld in Grimeton (Zweden).

R213 beschikt niet over een uitgebreide condensatorenbank zoals die van AM162 of AM191, maar de variabele condenstor met een bereik van 16pF – 2180pF maakt veel goed.

De Q-multiplier/oscillator is de vertrouwde schakeling die ook al toegepast werd bij de projecten AF182, AF191 en AM191. Op termijn wordt die misschien nog vervangen door een schakeling met een dual-gate MOSFET.

 De aluminium kast (niet magnetisch materiaal) is afkomstig van een oud meettoestel en de wieg (met afscherming) voor de verwisselbare loopsticks is gebaseerd op die van AM191. Om snelle vervanging van loopsticks mogelijk te maken zijn die allemaal voorzien van een connector.

 

Op het schema ziet men een schakelaar waarmee een 600 Hz CW filter kan in- of uitgeschakeld worden. Dat filter werkt uitstekend, maar de behoefte eraan blijkt uiteindelijk niet zo groot. Voorlopig wordt het filter niet gebruikt en de plaats van de schakelaar ervoor wordt nu ingenomen door een frequentie-fijnregeling waar ik meer aan heb. 

De gevoeligheid is zeer goed, vooral als de Q-multiplier lichtjes in oscillatie gebracht wordt. In en rond de 600m-band hoor ik regelmatig de NDB-bakens FTZ (468 kHz – Fritzlar - Duitsland) RZ (474 kHz – Rzeszow - Polen) en SA (474,5 kHz - Darlowo – Polen). Daarnaast hoor ik nog WSPR-stations.

BBC 4 (198 kHz) wordt ruisvrij ontvangen. Dat gaat prima met de Q-mutiplier net niet in oscillatie, maar met de Q-multiplier in oscillatie verdwijnt alle ruis en de weergave van hoge tonen verbetert. Ook het gebruik van een externe luidspreker heeft een gunstig effect op de weergave van hoge tonen. Met de frequentie fijnafstemming kan probleemloos een perfecte zero-beat bereikt worden (voor die fijnregeling wordt een variabele condensator van slechts 3-12 pF gebruikt). Bij perfecte zero-beat lijkt het alsof de oscillator zich synchroniseert met de draaggolf van het omroepstation. Bij constante kamertemperatuur wordt die perfecte zero-beat urenlang behouden. Kleine temperatuurschommelingen doen de frequentie enkele Hz verlopen (bij ontvangst op 198 kHz).

 

Losse loopsticks Opm. (1)

 

Opmerkingen:

(1): Sommige loopsticks zijn gerecupereerd van hierboven beschreven realisaties, eventueel herwikkeld en voorzien van een tickler spoel.

(2) Bewikkeld met dikke litze-draad afkomstig van een militaire PA

(3) bemerk de invloed van meerdere wikkellagen op de eigen capaciteit. Van de andere loopsticks is de eigen capaciteit te klein om ze met enige nauwkeurigheid te meten..

(4) ferrietstaven zijn gegroefd en bestaan wellicht uit MnZn materiaal (materiaal33?).

(5) ferrietstaven van 180, 190 en 200mm (gemiddeld 190mm)

(6) zonder tickler coil

 

Tenslotte hieronder nog de Q van de loopsticks, gemeten met een oude Marconi Q-meter. Helaas is 40 kHz de laagste frequentie waarop dat toestel werkt.   

 

De inductanties van AF153 (7 ferrietstaven NiZn? 10x200mm, bewikkeld met dikke litsedraad) en AF194 (3 ferrietstaven MnZn? 10x200mm, bewikkeld met gewone meeraderige draad) zijn vergelijkbaar, maar bemerk het grote verschil in Q factor.

De ferrietstaaf voor AF163 (25,9mm x 312,5mm) kocht ik nieuw voor 120 dollar!, met het oog op de realisatie van een super loopstick voor 17,2 kHz. Alle andere ferrietstaven kostten mij samen maar een paar euro. In de praktijk doet AF163 het op 17,2 kHz echter niet beter dan AF161. De inductantie daarvan ligt natuurlijk wel een stuk hoger en een hogere inductantie is voordelig op lage frequenties.