1. Ten geleide

Rond 1980 heb ik wat geëxperimenteerd met een loop als zendantenne. Mijn verwachtingen waren onrealistisch hoog. De resultaten vielen dan ook tegen, en mijn ambitie om de magnetic loop te gebruiken als zendantenne was snel verdwenen. In de loop van 2012 herontdekte ik de magnetic loop, maar nu als ontvangstantenne. Ondertussen heb ik mijn achtste exemplaar afgewerkt.

Een van mijn kleine pleziertjes in het leven bestaat erin mijn gewrochten een typenummer te geven. Voor de loop antennes zijn die typenummers AL121 (Antenne Loop 2012 , 1ste loopantenne van dat jaar), AL131, AL132, AL133, AL141, AL151, AL161 en AL162. 

Verder in dit artikel wordt de term "LOOP" gebruikt voor antennes met één of twee windingen met koperen buis als geleider. Ik vermijd de term "magnetic loop" omdat een aantal van mijn loops strikt genomen bij de hoogst bediende frequentie te groot zijn om aan die omschrijving te beantwoorden. De term raamantenne gebruik ik voor antennes bestaande uit meer dan twee windingen en met draad als geleider.   

2. Magnet-loop DG0KW

Met de bouw van AL121 wou ik vooral nagaan of een relatief kleine loop, zonder aangebouwde versterker, bruikbaar is voor ontvangst. De resultaten waren zeer bemoedigend. In de loop van 2013 hoopte ik betere prestaties te bekomen door een loop te vervaardigen uit buis met een grotere diameter en door bovendien ook de diameter van de loop zelf te vergroten. Het uitgangspunt was "groter zal wel beter zijn", maar ik had er geen idee van wat mijn inspanningen zouden opleveren. In 2014 ontdekte ik het programma "Magnet-loop" van DG0KW. Dat was een grote stap voorwaarts, want nu kon ik het belang van diverse parameters gaan onderzoeken. De berekende prestaties van mijn loops die u hieronder aantreft zijn allemaal het resultaat van simulaties met Magnet-loop.

 

3. Loops en raamantennes vs dipool

Bij dezelfde veldsterkte is de spanning aan de klemmen van een loop voor ontvangst kleiner dan de spanning aan de klemmen van een dipool in resonantie. Toch is de loop in sommige gevallen een goed alternatief. Het comfort bij ontvangst wordt immers vooral bepaald door de signaal/ruis verhouding en minder door de sterkte van het signaal. 

De ruis kan van verschillende externe bronnen komen (menselijke activiteiten, onweer, kosmische ruis,…). Daarnaast produceren ook de verschillende kringen in de ontvanger zelf ruis. Die ruis kan door een goed ontwerp klein gehouden worden (ruisgetal van de ontvanger). Er is tenslotte ook de thermische ruis die o.a. afhangt van de temperatuur van de ingangskringen van de ontvanger en die voor de doorsnee amateur de grens bepaalt beneden dewelke geen signalen kunnen waargenomen worden.

De figuur hieronder toont (zwarte stippellijn) de verhouding van de spanning aan de klemmen van een dipool als gevolg van de minimum te verwachten externe ruis (voor frequenties begrepen tussen 1 en 30MHZ en ongeacht de bron) ten opzichte van de thermische ruis. Dat op het meest gunstige moment van de dag en in een zeer landelijke omgeving. De verhouding is uitgedrukt in dB. Voor het tekenen van de curve baseerde ik mij op document Rec. ITU-R P.372-8 van de ITU, versie 2003.

Op dezelfde figuur (en ook in dB) is tevens de verhouding weergegeven van het signaal opgewekt in een dipool ten opzichte van het signaal aan de klemmen van enkele gerealiseerde loop antennes (berekende waarden) bij gelijke veldsterkte. De afstand tussen de zwarte stippellijn en de gekleurde curve van de betrokken loop geeft het aantal dB waarmee de ruis aan de uitgang van een ideale ontvanger (een die zelf geen ruis produceert) bij het aansluiten van de loop toeneemt, als gevolg van de externe ruis. In werkelijkheid produceert de ontvanger zelf ook ruis. De hoeveelheid hangt af van het ontwerp. Als wij uitgaan van een ontvanger die zelf 10 dB ruis produceert, dan zal de ruis in de luidspreker van die ontvanger dus al 10 dB groter zijn zonder dat de loop aangesloten is. Om daar rekening mee te houden is de stippellijn 10 dB lager herhaald als dikke zwarte lijn.  De verwachte toename van de ruis bij het aansluiten van de loop is dan in de praktijk de afstand tussen de dikke zwarte lijn en de curve van de betrokken loop.

Is er een duidelijk hoorbare toename van de ruis bij het aansluiten van de loop, dan heeft een “betere” antenne niet veel zin. Voor elke dB winst in signaal zou ook de ruis met één dB toenemen maar de signaal/ruis verhouding zou niet verbeteren. Gezien de dikke zwarte lijn betrekking heeft op de meest optimistische situatie in verband met externe ruis mag aangenomen worden dat een loop in alle omstandigheden voldoet als de curve ervan daar enkele dB onder blijft.

Opm.

- Hierboven is geprobeerd om aan te tonen dat een compacte antenne zoals de magnetische loop in een omgeving met veel ruis een bruikbaar alternatief kan zijn voor een lange draadantenne.

- De redenering hierboven gaat natuurlijk alleen op voor een ontvangstantenne, Bij een zendantenne is elke dB verlies er een teveel.

- Een aantal belangrijke punten zijn niet besproken. vb. Een draadantenne zal wellicht buiten opgehangen zijn, weg van de storingsbronnen in huis en misschien bevindt zij zich ook wel op grotere hoogte. Dat soort dingen heeft natuurlijk ook een invloed.     

 

4. Diameter van de loop en van de geleider

Op de figuur hieronder is de theoretische verzwakking ten opzichte van een dipool voorgesteld van een aantal denkbeeldige loops, met de bedoeling de invloed te onderzoeken van de diameter van de loop zelf en die van de geleider. De dikke lijnen hebben betrekking op loops met een diameter van 1 m, de dunne lijnen op loops met een diameter van 50 cm. Voor de loops van 50 cm zijn de prestaties met een geleider van 40mm en van 2,5 mm niet getekend, om de grafiek niet te overbelasten en omdat ze voor het onderzoek van weinig belang zijn.

 Vaststellingen:

- Hoe dikker de geleider, hoe beter de prestaties, maar boven een diameter van ongeveer 20mm is er nog weinig winst. Een geleider met een diameter van 10 à 20 mm lijkt een goede keuze.

- Bij 1 MHz bedraagt de signaalwinst bij verdubbelen van de diameter van de loop ongeveer 12 dB. Bij 25 MHz bedraagt die winst nog ongeveer 6dB. Vanaf ongeveer 15 MHz gaan de loops met 1m diameter zich steeds minder als magnetische loop gedragen omdat hun omtrek daarvoor te groot wordt ten opzichte van de golflengte.

- Vergroten van de diameter van de loop lijkt meer winst op te leveren dan in het dezelfde mate vergroten van de diameter van de geleider. Dat is vooral zo bij lage frequenties. Natuurlijk is een loop met zeer grote diameter ook niet bijzonder praktisch. Voor de lagere banden lijkt een diameter van 85 cm tot 110 cm mij geschikt, tenzij daarvoor de plaats ontbreekt. Als het de bedoeling is om de loop te gebruiken tot 21,45MHz, dan kiest men de diameter best niet groter dan 90cm. 

Opm. De prestaties van een loop met een diameter van 1m zijn berekend voor frequenties tot 30 MHz. In de praktijk zal de minste externe capaciteit al beletten om een loop van 1m af te stemmen op frequenties boven ongeveer 25 MHz. 

 

Maximum diameter van de loop:

AL161 is met zijn diameter van 1110 mm mijn grootste loop. Het kan nog wel iets groter, maar om reden van handelbaarheid lijkt 1200 mm toch ongeveer het maximum.

Een grote diameter impliceert goede prestaties op de lage banden, maar het begrenst helaas ook de max. frequentie waarop de loop nog kan afgestemd worden. Loop AL161 geraakt niet hoger dan 26,2 Mhz, en dat met een split-CV met een minimum capaciteit van slechts 5,5 pF. Loop AL131 (diameter 1070  mm) gebruikt een condensator met een min. capaciteit van ongeveer 17 pF. Daarmee is nog nipt de 20 m band te bestrijken!

Al bij al lijkt een diameter van 900 tot 1.100 mm geschikt voor gebruik tot 14,5 MHz. Lukt het om met dergelijke loop ook de 21 MHz band te bestrijken, dan is dat een bonus. Voor hogere frequenties zou ik een enkele loop aanbevelen, met een diameter van 700 tot 850 mm (misschien lukt het op 30 MHz ook nog net met een loop van 900 mm).

 
5. Bouw elektrisch

Eén winding, of twee windingen met omschakeling serie/parallel (AL161 gebruikt ter illustratie):

Dubbele loop AL161 met een diameter van 1.110 mm bestaat uit 2 windingen (ik noem dit een dubbele loop) die in serie of in parallel kunnen geschakeld worden. Met beide windingen parallel geschakeld heeft de loop een eigen capaciteit van ongeveer 9,1 pF en een zelfinductie van ongeveer 2,622 µH. De afstemcondensator (CV) heeft 2 secties van 10,6-230 pF en is als split condensator gebruikt (dus 5,3 – 115 pF). Dat geeft het volgende afstembereik

windingen parallel	Voorspeld door "Magnet loop"	Gemeten na realisatie
Hoogste freq.	25,9 Mhz	22,7 MHz
Laagste frequentie	8,820 MHz	8,9 MHz

Om de loop te gebruiken op lagere frequenties zijn er twee mogelijkheden:

1 ) Door omschakeling van de configuratie van de windingen van parallel naar serie.

Daarmee verdubbelt het aantal windingen van de loop (van 1 naar 2) waardoor de zelfinductie theoretisch verviervoudigt. Dat zorgt ervoor dat de afstemfrequentie voor elke stand van de afstemcondensator halveert als gevolg van de omschakeling van parallel naar serie. In de praktijk klopt het niet helemaal omdat o.a. de eigen capaciteit en de afstand tussen de windingen de zaak wat verstoren. 

windingen in serie	Theoretisch	Gemeten na realisatie
Hoogste freq.	11,35 Mhz	11,2 MHz
Laagste frequentie	4,45 MHz	4,4 MHz

Om de loop ook nog bruikbaar te maken voor de 80m band is extra capaciteit nodig. In het geval van AL161 zorgt het inschakelen van een extra vaste condensator van 120pF voor een extra bereik van 3,28 tot 4,5Mz.

Opm.

In plaats van de windingen om te schakelen van serie naar parallel zou men ook de secties van een dubbele afstemcondensator kunnen omschakelen. Die methode heb ik toegepast bij een versterker (AM162) voor ferrietantennes (zie artikel over ferrietantennes).  

2 ) Uitsluitend door gebruik van extra vaste condensatoren.

Men kan in principe het bereik bijna eindeloos naar beneden toe uitbreiden door inschakelen van vaste condensatoren. Bij mijn ferrietantennes heb ik die methode met succes toegepast. Naarmate meer vaste capaciteit ingeschakeld wordt vermindert echter de invloed van de afstemcondensator. Loop AL131 is bruikbaar gemaakt voor de 160m band door bijplaatsen van een vaste condensator van 640pF. Het extra bereik omvat echter maar net de volledige band (1,8 - 2MHz). Voor elk extra bereik wordt beter ook een aparte vaste condensator gebruikt van goede kwaliteit. De  prestaties van de loop lopen immers snel terug als de Q-factor van de kring vermindert door verliezen in de condensator(en). Bij de bouw van AL121 moest ik vaststellen dat de ontvangst op het laagste bereik (bereik met extra vaste condensator van 82 pF) zeer matig was. Na het vervangen van de vaste condensator door een ander type was alles OK. 

 

Schema voor de omschakeling serie/parallel:

Mijn voorkeur gaat uit naar de dubbele loop met omschakeling serie / parallel. Bij AL161 wordt daarmee in 3 bereiken elke frequentie bediend tussen 3,28 tot 22,7 MHz. Het schema van de omschakeling serie /parallel is hieronder voorgesteld. Opgelet! Een externe weerstand in serie met de loop is zeer nadelig voor de Q-factor en daarmee ook voor de gevoeligheid. De omschakelaar moet er een te zijn met zeer kleine contactweerstand.  

 

 

Opmerking: Met "loop A" en "loop B" wordt eigenlijk winding A en winding B bedoeld.

Mijn loop antennes met omschakeling serie - parallel hebben telkens een klein frequentiegebied waarbij de antenne in beide configuraties kan afgestemd worden. Daarbij wordt geen verschil in prestatie waargenomen tussen serieschakeling en parallelschakeling. Magnet-loop voorziet niet in berekeningen voor antennes met 2 windingen parallel geschakeld. Als benadering laat ik het programma de prestaties berekenen voor 1 winding, maar met dubbele diameter van de geleider. In dat geval geeft Magnet-loop ook evenwaardige resultaten voor beide configuraties.

 

De loop bestaande uit één winding coax met massieve mantel:

Voor AL161 werd coaxkabel met massieve mantel gebruikt. Dergelijke coax laat zich zeer eenvoudig in vorm brengen, zonder gevaar voor knikken. Op elektrisch gebied gedraagt de coax zich als een buis. Met wat aan coax overbleef werd AL151 gebouwd. Toen AL151 gebouwd was wou ik de extra mogelijkheden bij het gebruik van coax onderzoeken.

De grafiek hieronder toont de afstemfrequentie in functie van de verdraaiing van de afstemcondensator (0-180°) van loopantenne AL151 voor 3 gevallen:

o    "1": winding gevormd door de mantel in serie met de winding gevormd door de ader van de coax.

o    "2": Het geval waarbij de ader van de coax gebruikt wordt als de actieve loop (een afgeschermde loop dus).

o    "3": mantel van de coax gebruikt als geleider van de loop waarbij de ader al of niet verbonden wordt met de mantel (het laatste maakt geen verschil).   

 

Vaststellingen :

-       Als men de mantel van de coax als actieve geleider gebruikt geeft het geen merkbaar verschil of men de ader van de coax aan beide kanten verbindt met de mantel, of als men de ader van de coax nergens mee verbindt. Dat lijkt ook logisch.

-       Als men de ader van de coax gebruikt als actieve geleider (afgeschermde loop), dan merkt men dat voor elke stand van de afstemcondensator de resonantiefrequentie lager ligt dan in het vorige geval. Ook dat is te verwachten, wegens de capaciteit van de ader tegenover de mantel. Er was geen waarneembaar verschil op het gebied van signaal/ruis verhouding en ook op het gebied van signaalsterkte was er geen duidelijk verschil te merken.

-       De winding gevormd door de mantel en die gevormd door de ader in serie plaatsen leidt ook tot een bruikbare loop antenne. Dat de curve voor dat geval (1) in de grafiek hierboven divergeert ten opzichte van de de curves voor de andere gevallen (2 en 3) had ik niet verwacht. Ik heb er ook nog geen sluitende uitleg voor.

 

 Uitkoppeling:

Bij al mijn loops wordt het signaal afgenomen door middel van een koppellus. Niet alleen de impedantie, maar ook de amplitude van het signaal wordt daarmee naar beneden getransformeerd. Het programma Magnet Loop van DG0KW waarmee de prestaties berekend werden lijkt daar rekening mee te houden. Deze simpele wijze van koppelen geniet mijn voorkeur.    

 

Daarvoor wordt een stuk coaxkabel gebruikt. De mantel van de coax dient hier enkel als afscherming en de impedantie van de coax is dan ook van weinig belang. Het is absoluut noodzakelijk dat de afscherming geen gesloten winding vormt. Voor loop AL133 werd een variante gebruikt, waarbij de onderbreking in de afscherming van de koppel-lus in het midden bovenaan zit in plaats van aan het uiteinde. Ik merk geen verschil in prestatie tussen beide uitvoeringen.

Tegenwoordig laat ik mij voor de diameter van de koppellus inspireren door het programma Magnet-loop van DG0KW. Meestal levert dat een waarde van ongeveer 1/5 à 1/6 van de diameter van de eigenlijke loop. De koppellus komt steeds bovenaan de loop, tot in de onmiddellijke nabijheid van de geleider.

Bij mijn raamantennes gebeurt de impedantietransformatie door middel van een aanpassingskring met grote ingangsimpedantie. Die aanpassingskring is rechtstreeks met de klemmen van het afgestemde raam verbonden. De versterker is echter een complicatie die ik maar aanwend waar het nodig is. Bij geen enkele van mijn loopantennes is dat het geval. Ik woon in een omgeving met tamelijk veel "man made noise", misschien is dergelijke versterker wel nuttig voor wie in een rustiger omgeving woont.

De loop zelf afschermen is moeilijk maar het is ook niet nodig, afschermen van de koppellus volstaat om de antenne vrijwel ongevoelig te maken voor elektrische velden. 

   

Aanpassingskring AM201:

Om een idee te krijgen van de prestaties van mijn loops zonder belasting die de "loaded Q" (en dus ook de signaalopbrengst) vermindert heb ik eind 2020 de actieve aanpassingskring AM201 (zie schema hieronder) gebouwd. Die wordt niet op de eigenlijke loop, maar wel op de koppellus aangesloten.

De aanpassingskring kan ook dienen als aanpassingskring voor een e-field probe. Het is ook mogelijk om de aanpassingskring direct op de eigenlijke loop aan te sluiten, ik heb dat geprobeerd met mijn raamantennes (zie verder) maar dat was geen succes op het gebied van signaal/ruis verhouding.

De afwezigheid van belasting zorgt, zoals verwacht, voor een groter signaal en een kleinere bandbreedte, zonder negatieve invloed op de signaal/ruis verhouding. Bovendien zorgt AM201 ervoor dat de loop antenne de  capaciteit van de coax voorbij AM201 niet meer "ziet". Die capaciteit heeft anders enige invloed op de afstemming van de loop. De kring bevindt zich dus best zo dicht mogelijk bij de koppellus van de loop.

 

De afbeelding hierboven toont aanpassingskring AM201 aangesloten op loop AL151.

Op alle frequenties vermindert AM201 de bandbreedte en zwakke FM-stations op 27 MHz lijken op loop AL151 iets beter te nemen met gebruik van AM201. Op frequenties lager dan 14 MHz is het ruisniveau op mijn locatie dermate groot dat de complicatie van een actieve kring weinig zin heeft. Begin 2021 ben ik echter gaan experimenteren met reactieve ontvangertjes, aangesloten op loop antennes. Daar wordt de aanpassingskring noodzakelijk voor de isolatie tussen de loop en de reactieve detector. In dat geval wordt de kring echter best zo dicht mogelijk bij de ontvanger geplaatst.         

 

Afstemcondensator:

Voor de afstemcondensator is het gebruik van een split CV sterk aanbevolen:

- De sleepcontacten van een gewone CV kunnen bij het afstemmen wat gekraak veroorzaken, wat de afstemming bemoeilijkt. Bij gebruik van een split CV heeft men daar geen last van omdat het signaal niet door die sleepcontacten passeert.

- De rotoras van de afstemcondensator kan eventueel geaard worden, wat de symmetrie van de loop bevordert en eventueel hand-effect vermindert. Al valt het met dat hand-effect in de praktijk ook wel mee met een enkele afstemcondensator.

- Een dubbele condensator gebruikt als split CV heeft een minimum capaciteit die slechts de helft bedraagt van de minimum capaciteit van één sectie. Dat helpt om het afstembereik van de loop naar boven uit te breiden. Natuurlijk kan men daarvan maar profiteren als de capaciteit van de bedrading zeer klein is.  

 

Verbindingen:

Minimale extra weerstand, capaciteit en zelfinductie verhogen de prestaties. Dus degelijke verbindingen en korte draden. 

 

6. Bouw mechanisch
 
Voor het ondersteunen van dubbele loops ben ik door de jaren tot de oplossing gekomen die voorgesteld is op de figuur hieronder.

-       Voor het kruis gebruik ik houten latten 27 x 44 mm. De latten blijven in één stuk, maar waar ze elkaar kruisen zijn ze teruggebracht tot de helft van de dikte, zodat ze na montage in hetzelfde vlak blijven (op de linkse figuur hieronder zouden de 4 verticale lijntjes naar het midden toe van de horizontale lat er niet mogen staan). Tussen de verticale latten wordt voldoende ruimte voorzien om de condensator en de omschakelaar in onder te brengen (100 à 120 mm).

 -       Waar de latten elkaar kruisen is aan voor- en achterkant een cirkelvormige triplexplaat (4 mm) voorzien. Daarmee kunnen de latten niet meer uit elkaar en wint het kruis aan stevigheid. Voor de duidelijkheid is de voorste plaat niet getekend op de figuur links.

-       De verticale latten worden onderaan geschroefd tegen 2 horizontale planken met een doorsnede van ongeveer 22 x 100 mm (de lengte is in functie van de grootte van de loop). Ik gebruik 2 houtschroeven per lat, ongeveer 70 mm van elkaar en niet loodrecht boven elkaar. Het laatste om splijten van het hout te voorkomen. Om dezelfde reden is voorboren aangewezen.

-       Een bodemplaat (vb. 20 mm multiplex) wordt tegen de horizontale planken geschroefd (weer best voorboren tegen het splijten). Zorg ervoor dat de verticale latten van het kruis evenwijdig blijven.

-       De  afstemcondensator komt op de bodemplaat, tussen de benen van het kruis. Eventueel kan nog een houten blokje op de bodemplaat geschroefd worden om de afstemcondensator op de gewenste hoogte te brengen.

-       De windingen van de loop worden aan het kruis bevestigd door middel van beugels, spanbanden,…, enz.

-       De onderbouw leent zich ertoe om eventueel bekleed te worden met triplex platen.

 

Afstemschaal:

Indien gewenst kan een vertraging en /of een afstemschaal voorzien worden. Zelf gebruik ik daarvoor eerst een tijdelijke schaal met een gradenverdeling van 0-180°.

  

Vervolgens noteer ik (met behulp van een generator) voor elk bereik de positie (in graden) van de afstemknop voor een aantal ronde frequenties. Met die gegevens wordt de definitieve schaal gemaakt.

 

De afstemschaal uit de figuur hierboven werd getekend met het tekenprogramma van Open Office. Dat werkt uitstekend, omdat het programma toelaat om voor tekst en markeerstreepjes de hoek op te geven tot op een fractie van een graad. De afgewerkte afstemschaal kan eventueel nog gelamineerd worden vóór plaatsing.

Bij de dubbele loops AL131 en 133 werd een 3/1 vertraging gebruikt in de afstemming. AL161 heeft die vertraging niet, maar bij die loop is ter compensatie een grote afstemknop (63mm) gebruikt. Dat werkt ook, maar een vertraging geeft toch wat meer comfort. Met de hier beschreven constructie is daar ook voldoende plaats voor.

 

Vorm geven aan de loop:

Een dunne buis (tot 8mm) kan men tamelijk goed vorm geven door ze te plooien rond een groot rond voorwerp, zoals een ton.

Voor het vorm geven aan Cu buis van 10 mm gebruik ik een tool bestaande uit drie gelagerde rolletjes, waarvan het middelste verplaatsbaar is. Is de mogelijke dwarse verplaatsing voldoende groot, dan kan de tool zowel gebruikt worden om de diameter van een winding te verkleinen als om de diameter te vergroten.

De rolletjes omsluiten precies een buis van 10mm en de resultaten overtreffen alle verwachtingen.

Voor grotere buisdiameters heb ik geen geschikte rolletjes, en dus geen geschikte tool. In de praktijk heeft de diameter van de geleider voor mijn loops dikwijls meer te maken met beschikbaarheid dan met andere overwegingen. Voor grotere buisdiameters ben ik steeds op uitkijk naar overschotten waar de gewenste vorm van de windingen al min of meer in zit.

Zeer interessant voor het bouwen van loops is coaxkabel met massieve mantel. De geringe dikte van de mantel laat vlot plooien toe terwijl de isolatie tussen mantel en ader het knikken belet. AL151 en AL161 werden met dergelijke coax vervaardigd.

  
7. Mijn Loops

Loop	Info
AL121	Eerste schuchtere poging. Dubbele uitvoering met omschakeling serie / parallel. In de configuratie serie een stand met een extra vaste condensator. Diameter:   730 mm met Cu-buis van 8 mm Bereiken: 7,13 – 21,3 MHz (windingen in parallel) 3,6 - 11,3 MHz (windingen in serie) 2,8 – 4,5 MHz (windingen in serie + 82 pF)
AL131	Dubbele uitvoering met omschakeling serie / parallel. In de configuratie serie een stand met een extra vaste condensator. Diameter:   1070 mm met Cu-buis van 10 mm Bereiken: 7 – 14,5 MHz (parallel) 3,5 – 7,3 MHz (serie) 1,8 – 2 MHz (serie + 640 pF extra capaciteit)
AL132	Enkele uitvoering Gebouwd met een restje buis van AL131. Diameter:   510 mm met Cu-buis van 10 mm Bereik: 12,5 – 43,5 MHz
AL133	Dubbele uitvoering met omschakeling serie / parallel. In de configuratie serie een stand met een extra vaste condensator. Diameter:   890 mm met beklede Cu-buis van 22 mm Bereiken: 7,4 – 22 MHz (parallel). 3,7 – 11 MHz (serie) 3,4 – 4,6 MHz (serie + 50 pF extra capaciteit)
AL141	Enkele uitvoering, met restant buis van AL133 Diameter:   585 mm met beklede Cu-buis van 22 mm Bereiken: 15,45 – 37,7 MHz 11,8 – 16,55 MHz (met extra condensator van 60 pF)
AL151	Enkele uitvoering met een restje coax van AL161. Diameter:   760 mm met coax met vaste Cu-mantel van 14 mm. Bereik: ongeveer 9,5 – 35  MHz Dit is mijn meest gewaardeerde loop voor de banden die niet door mijn dubbele loops bediend worden.
AL161	Dubbele uitvoering met omschakeling serie / parallel. Diameter:   1110 mm met coax met vaste Cu-mantel van 14 mm. Bereiken: 8,9 - 22,7 MHz (parallel) 4,4 – 11,2 MHz (serie) 3,28 – 4,5 MHz (serie + 120 pF extra capaciteit) Dit is de mijn laatste en ook mijn meest efficiënte loop voor 80 m tot 15 m. Ik zou hem kunnen uitbreiden voor 160 m, maar de extra capaciteit zou misschien het gebruik ervan op de 15 m band in gevaar brengen.

 

 Theoretische prestaties (volgens het programma Magnet Loop):

 

AL131 is de enige loop die ook werkt op 160m.

Het knikje in de curve van AL161 heeft ermee te maken dat de prestaties van die loop (als enige) op de 40m band berekend werden voor serieconfiguratie.

De prestaties van AL151 zijn berekend voor de 40m-band, maar die band bedient AL151 (nog) niet.

Bij de jongere realisaties heb ik gestreefd naar een zo groot mogelijke gevoeligheid maar toch ben ik ook nog altijd tevreden over AL121.

De "gain" op de grafiek hierboven is steeds negatief. Eigenlijk moet "gain" gezien worden als minder verzwakking (ten opzichte van een dipool).

  
8. Raamantennes

Rond 1980 heb ik een achthoekige afgestemde raamantenne gebouwd met een diameter van ongeveer 1,4 meter en met een achttal windingen in hetzelfde vlak. Met die antenne aangesloten op een Hammarlund SP-600 luisterde ik vroeg in de morgen naar verre omroepstations op de middengolf. Afname van het signaal gebeurde ook hier met een afgeschermde lus. Ik woonde toen in een zeer rustige omgeving en ik was bijzonder blij met de resultaten.

Rond dezelfde tijd had ik op zolder een niet afgestemd raam geïnstalleerd met daarop ongeveer 2.000 meter dunne draad. Met dat raam, aangesloten aan een audioversterker luisterde ik naar whistlers. 

Begin 2013 kreeg ik zin om te gaan experimenteren met de ontvangst van signalen tussen 10 kHz en 60 kHz. Met ferrietantennes had ik nog vrijwel geen ervaring en een grote afgestemde raamantenne leek mij ook hier de oplossing. 

AL162, Superraam voor ontvangst op 17,2kHz

Deze raamantenne werd speciaal gebouwd voor het beluisteren van het station SAQ (op 17,2 kHz) op 2016-07-03. Ze was net op tijd operationeel.

AL162 bestond uit 2 kabels van elk 14,55 meter lang en met respectievelijk 25 en 18 geleiders van 0,75 mm². De geleiders van beide kabels werden allemaal in serie geschakeld, wat geleid heeft tot een min of eer zeskantige loop met een omtrek van 14,55 meter en met in totaal 625 m draad.

het raam werd direct (zonder koppellus) verbonden met een aanpassingskring met zeer hoge ingangsimpedantie.

De eigen capaciteit van de antenne bleek helaas  zo groot dat de antenne niet kon afgestemd worden boven 22 kHz. SAQ werd op mijn oude Telefunken ELK639 gehoord 15 à 20 dB boven de ruis. Toen ik wat later ferrietantennes begon te maken stelde ik vast dat die veel beter presteerden. Ik heb de loop bij wijze van proef nog eens in acht-vorm gelegd en op zichzelf teruggeplooid waardoor ik een loop verkreeg met een diameter van ongeveer 2,45 meter met daarop in totaal 86 windingen. Dat was al evenmin een succes. Gevolg: Exit raamantennes voor ontvangst op ELF!

 

AR171 (proef met een raamantenne in het bereik 400 - 1.600 KHz)

AR171 werd gebouwd voor gebruik op 472 kHz, toen ik al beschikte over zeer goede ferrietantennes voor dat frequentiebereik. Ik had dus geen behoefte aan een raamantenne die in elk geval een stuk groter zou uitvallen en waarvan ik geen betere prestatie verwachtte, maar ik wou het toch eens geprobeerd hebben. 

Het raam heeft een diameter van 85 cm en de wikkeling bestaat uit 20 windingen verdeeld over een breedte van 23cm. Bij de eerste proeven beschikte de antenne niet over een eigen afstemcondensator of versterker. Afstemmen gebeurt met behulp van aanpassingskring AM162 die ik gebouwd had voor gebruik met mijn ferrietantennes  (zie artikel over ferrietantennes).

De resultaten waren zoals verwacht. De signaalopbrengst was een stuk groter dan die van mijn ferrietantennes, maar de signaal/ruis verhouding was veel minder goed.

In het voorjaar van 2020 werd AR171 voorzien van een grote afgeschermde koppel-lus, zoals die welke ik standaard gebruik bij loop antennes. Gelet op de grootte van de lus en het aantal windingen van de raamantenne situeert de transformatieverhouding van de uitkoppeling zich in dezelfde grootteorde als die bij mijn dubbele loops.

Met de afgeschermde inductieve uitkoppeling is de signaal/ruisverhouding nu uitstekend, maar zoals te verwachten is de signaalopbrengst daarmee een kleiner. De antenne heeft duidelijk een hoge Q maar dat blijkt toch niet te volstaan om de achtergrondruis duidelijk boven de ruisvloer van de ontvanger te tillen. 

 

9. Signaalopbrengst en signaal/ruis verhouding:

Voor het beoordelen van loopantennes en ferrietantennes is het belangrijk om onderscheid te maken tussen de signaalopbrengst (het signaalniveau)(gele stippen op de figuur hieronder) en de signaal/ruisverhouding (op het niveau van de opgewekte EMK in de antenne)(groene stippen op de figuur hieronder) .

Gebruik maken van de hoge Q-factor om de EMK te boosten maakt dat de signaalopbrengst van een loop of een ferrietantenne nogal meevalt. Toch moet men niet verwachten dat die signaalopbrengst groter is dan die van een dipool in resonantie.

Wat signaal/ruisverhouding betreft hoeven ferrietantennes en loopantennes echter niet onder te doen voor een dipool, integendeel. 

De (vereenvoudigde) voorstelling hieronder kan een en ander verduidelijken. 

 

De ruisvloer van een ontvanger wordt bepaald door de thermische ruis en de ruis die in de ontvanger zelf ontstaat (NF). Aan die ontvanger worden achtereenvolgens twee antennes aangesloten. Links is de situatie met de eerste antenne voorgesteld (case RED) en rechts de situatie met de tweede antenne (case BLUE). De gele en de groene stippen tonen de grootheden waarop de ontwerper invloed kan uitoefenen. Dat zijn respectievelijk de signaalopbrengst van de antenne en de signaal/ruisverhouding binnen de opgewekte EMK in de antenne. Wat ons uiteindelijk interesseert is de signaal/ruis-verhouding aan de uitgang van de ontvanger.

In geval RED bevindt het niveau van de achtergrondruis zich boven de ruisvloer van de ontvanger en het signaalniveau bevindt zich A dB hoger. De uiteindelijke signaal/ruisverhouding aan de uitgang van de ontvanger is in dat geval ook gelijk aan A.

De antenne van geval BLUE heeft net dezelfde afstand tussen de niveaus van het gewenste signaal en dat van de achtergrondruis. De antenne produceert echter minder signaal en als gevolg daarvan bevindt het niveau van de achtergrondruis zich nu onder de ruisvloer van de ontvanger. Met als gevolgen:

• De ruis neemt niet toe bij het aansluiten van de antenne
• De signaal/ruisverhouding aan de uitgang van de ontvanger is kleiner dan bij geval RED.

De signaalopbrengst kunnen  we (onder andere) hoog houden door het gebruik van een dikke geleider voor de loop, een loop met grote diameter en een optimale diameter van de koppel-lus.

De signaal/ruisverhouding binnen de opgewekte EMK in de antenne kunnen wij verhogen door gebruik te maken van het richteffect dat eigen is aan magnetische antennes en door de antenne ongevoelig te maken voor elektrische velden (vb. door inductieve uitkoppeling door middel van een afgeschermde koppellus). Het laatste heeft zin omdat het elektrisch veld meestal domineert zeer dicht bij de ruisbron (tot op een afstand van een paar golflengten). Op grote afstand bestaat een vaste verhouding magnetisch veld/elektrisch veld, maar dicht bij de bron is dat niet zo.

De lezer kan zelf nagaan wat de gevolgen zijn als één of beide grootheden in de ene of de andere zin wijzigen. Zo kan hij vaststellen dat bij zeer sterke achtergrondruis (kleine A) die achtergrondruis zelfs met de antenne uit geval BLUE boven de ruisvloer van de ontvanger komt. In die omstandigheden presteren de "rode" en de "blauwe" antennes even goed, De "rode" antenne zal weliswaar meer signaal produceren in de ontvanger maar daar hebben we weinig aan,  het ruisniveau zal met die antenne immers in dezelfde mate stijgen. In het voorbeeld hierboven is verondersteld dat de signaal / ruis verhouding in de opgewekte EMK van dipool en loop even groot zijn, maar in de loop kan men de signaal / ruis verhouding verbeteren door slim richten van de antenne.  

De verticale afstand tussen "background noise level" bij "Case BLUE" en "Receiver noise floor"  in de tekening hierboven, stemt overeen met de afstand tussen de dikke curve "NOISE (Tot.)" en de gekleurde curves van de verschillende loops in de grafiek onder punt "3. Loops en raamantennes vs dipool" aan het begin van dit artikel. 

 

10. Besluiten:

- De afgestemde loop is geen wonderantenne, hij levert niet meer signaal af dan een dipool. De antenne is echter zeer verdienstelijk op een locatie met lokale ruisbronnen en al bij al overtreffen de resultaten de verwachtingen.

- Draaien van de magnetische loop is in veel gevallen zeer efficiënt om lokale storing weg te werken. Op signalen die via de ionosfeer binnenkomen heeft de richting van de loop daarentegen nauwelijks invloed. Dat is een gunstige combinatie van eigenschappen. 

- Een hoge Q-factor is essentieel voor een goede signaalopbrengst en om die hoog te houden moet een aanpassingskring voorzien worden tussen loop en ontvanger. Een inductieve koppeling door middel van een afgeschermde koppel-lus is een eenvoudige oplossing die de antenne grotendeels ongevoelig maakt voor elektrische velden. Als alternatief bestaat de mogelijkheid om de loop direct aan te sluiten op een elektronische aanpassingskring met hoge ingangsimpedantie. Dat geeft meer signaal maar het is een overbodige complicatie op ruisrijke locaties.  

- De geringe bandbreedte van de loop kan een voordeel zijn bij gebruik van "boatanchors" die gevoelig zijn voor kruismodulatie. De mindere signaalopbrengst kan daar ook als gunstig gezien worden.

- Het gebruik van een koperen geleider van 10 mm of meer is aan te bevelen, maar voor 160, 80, 60 en  40 m is de diameter van de loop zelf belangrijker.

- Voor gebruik tot en met 14 MHz vind ikzelf een dubbele loop met een diameter van 900 tot 1100 mm het meest geschikt. Voor het luisteren op frequenties boven 14 MHz volstaat een eenvoudige enkele loop van 700 tot 850 mm.

- Het gebruik van een split-CV is ten zeerste aanbevolen.

- Beperken van extra inductantie, extra capaciteit en extra weerstand door verzorgde bedrading en verbindingen is eveneens aanbevolen.

- De mechanische constructie beschreven onder punt 6 geeft volledige voldoening.

- In 2020 werd AL141 voorzien van een andere afstemcondensator, waardoor die antenne nu naar boven toe net de 6m band bestrijkt. Ook daar blijkt de loop nog bruikbaar. Eén van mijn loops bedient ook probleemloos de 160m -band. Daar is de ferrietantenne met positieve terugkoppeling echter een geduchte tegenstander. Op nog lagere frequenties lijkt de ferrietantenne niet te overtreffen. Ik heb raamantennes gebruikt in het bereik 300-1.650 kHz. Die deden het uitstekend, maar ferrietantennes doen het daar nog beter. 

Met AL133, AL151 en AL161 lijkt de grens bereikt van wat mogelijk is zonder te grote inspanningen. Ik beschouw het hoofdstuk loops dan ook als afgesloten.