Rob's web

Antenneversterkers

Ja of nee?

Waar versterkt wordt, ontstaat ruis. Als het dus niet alleen gaat om versterking ten behoeve van de antenne-energieverdeling, maar om antenneversterkers ter verbetering van de ontvangst, dan dient men zich de samenhang tussen versterking, ruis en gevoeligheid toch wel terdege te realiseren.

Antenneversterkers: ja of nee?

Wie over de kwaliteit van zijn FMrespektievelijk TV-ontvangst tevreden is, behoeft zich niet te vermoeien met het denken over antenneversterkers. Bij een ontvanginrichting bestaande uit een prima ontvanger, een goede en juiste antenne en een korte, dempingsarme antennekabel, kan zelfs de beste antenneversterker geen verbetering geven. Zulke ideale omstandigheden zijn echter buitengewoon zeldzaam. Geheel anders ziet het er al uit bij grotere kabellengten tussen antenne en ontvanger. De antennekabel veroorzaakt in al le gevallen een verzwakking van het antennesignaal, welke afhankelijk is van de lengte en de kwaliteit van die kabel. Een coaxkabel van de gemiddelde, voor amateurgebruik verkrijgbare kwaliteit geeft bij een lengte van 20 meter al gauw een demping van zo'n 6 dB. Nog slechts 25% van de antennesignaalenergie komt dan bij de ontvanger aan. Dat is reeds goed merkbaar bij de ontvangst van verafgelegen zenders. Hier ligt dan ook de hoofdtaak van een antenneversterker: het kompenseren van de dempingsverliezen en de overdrachtverliezen, zoals de overgangsdempingen aan de antenne en aan de ontvanger.

Een tweede, in amateurkringen geliefde toepassing is het verbeteren van de gevoeligheid van een middelmatige ontvanger. In dat geval wordt de antenneversterker eigenlijk ge/mis-bruikt als een extra, niet-afgestemde HF-voortrap. Deze toepassing is niet probleemloos; er kan bijvoorbeeld kruismodulatie ontstaan die aan de gevoeligheidsverbetering een bittere bijsmaak geeft.

Antenneversterkers: ja, maar ...

In principe is het dus wel voordelig de in het antennesysteem optredende verliezen met een antenneversterker te kompenseren. Evenwel moet daarbij door de antenneversterker en ook door de ontvanger aan enkele voorwaarden worden voldaan. De antenneversterker moet altijd direkt op de antenne zijn aangesloten en de voeding moet plaats vinden door een in de antenneversterker ingebouwd voedingsapparaat of door afstandvoeding via de antennekabel. De beste oplossing daarbij zou een afstembare antenneversterker zijn. In de praktijk heeft dit systeem enkele bezwaren wegens de hoge kosten en de lastige bediening (gescheiden afstemming van antenneversterker en ontvanger). Een andere mogelijkheid is het gebruik van een bereikversterker welke alleen signalen in een bepaald ontvangbereik (bijv. FM, VHF, UHF) versterkt. Daarmee worden op zijn minst alle buiten het ontvangbereik liggende zenders van de ontvanger weggehouden, zodat ze geen problemen meer kunnen opleveren. Een breedbandversterker versterkt daarentegen ook signalen die buiten het ontvangbereik liggen, waardoor het risiko vergroot wordt dat sterke zenders kruismodulatie veroorzaken of de ontvanger gewoon dichtdrukken. Voor een enkelbereikantennesysteem (bijv. alleen FM) is een breedbandversterker daardoor minder geschikt. Gaat het echter om een meerbereikensysteem (bije. FM, VHF en UHF) met bereikantennes en koppelfilters, dan kan een breedbandversterker goed worden gebruikt om de kabeldemping van de kabel naar de ontvanger te kompenseren.

Fig 1
Figuur 1. Voorbeeld van de toepassing van antenneversterkers in een ontvangsysteem. Elke antenne is hier voorzien van een bereikversterker (A1 ... A3). De bereikversterkers versterken alleen signalen in een bepaald frekwentiegebied. Een koppelfilter B voegt de vdorversterkte antennesignalen bij elkaar en voert ze toe aan een breedbandversterker C. Na de antennekabel worden de signalen door filter D van elkaar gescheiden en aan de verschillende ontvangers toegevoerd.

Versterken en ruisen

Om de kabeldemping te kunnen kompenseren, moet een antenneversterker niet alleen versterken, maar moet die versterker ook ruisarmer zijn dan de ontvanger zelf. Om de algemene be. oordeling van ruileigenschappen van de ontvangers en versterkers mogelijk te maken, is het begrip ruisfaktor (F) ingevoerd. Deze ruisfaktor (ook wel eens ruisgetal genoemd) is gedefinieerd als de verhouding van twee andere verhoudingen, nl. de signaal/ruis-verhouding aan de ingang en de signaal/ruisverhouding aan de uitgang. Met deze verhoudingen zijn hier energieverhoudingen bedoeld. Voor de ruisfaktor geldt de vergelijking:

Eq 1

waarin
Psi = signaalvermogen aan de ingang;
Pri = ruisvermogen aan de ingang;
Psu = signaalvermogen aan de uitgang;
Pru = ruisvermogen aan de uitgang.

Bij een ideale versterker die wel versterkt maar geen ruis toevoegt, zijn de signaal/ruis-verhoudingen aan de ingang en de uitgang gelijk, dus dan geldt F = 1. Omdat zelfs de beste versterker nog wel enige ruis toevoegt, kan de ruisfaktor nooit kleiner dan 1 zijn. De ruisfaktor F is een dimensieloos getal. Er wordt ook wel gebruik gemaakt van de logaritme van de ruisfaktor, dus FdB = 10log F. In dat geval spreekt men van het ruisgetal, maar beide namen worden nogal eens door elkaar gebruikt.

Kwaliteitsontvangers hebben een ruisfaktor kleiner dan 5 (7 dB) en goede FM-tuners brengen het tot ruisfaktoren tussen 3 en 4 (4,8 en 6 dB). Een goede antenneversterker moet een aanmerkelijk kleinere ruisfaktor hebben dan de ontvanger, wil men er tenminste iets mee winnen. Dat volgt uit de vergelijking voor de totale ruisfaktor van een aantal achter elkaar geschakelde versterkers (zie figuur 2):

Eq 2

Fig 2
Figuur 2. Bij achter elkaar schakelen van diverse versterkers wordt de totale ruisfaktor voor een groot deel bepaald door de ruisfaktor en de versterking van de eerste versterker.

Hieruit kan men zien dat de ruisfaktor F1 van de eerste trap het meeste bijdraagt aan de totale ruisfaktor. De ruisfaktor F2 van de tweede trap komt pas na deling door de vermogensversterking Api van de eerste trap in het totale resultaat terecht. Bij voldoende versterking van de eerste trap kan men de invloed op de totale ruis van de tweede en de volgende trappen bijna geheel verwaarlozen; alleen nog de eerste trap (en dat is de antenneversterker) bepaalt dan de ruileigenschappen en daarmee dus de gevoeligheid van de ontvanginrichting. Het is daardoor praktisch mogelijk de gevoeligheid van een matige ontvanger te verbeteren door toevoeging van een voorversterker met een kleine ruisfaktor en voldoende versterking. Anderzijds is geen verbetering mogelijk als de ruisfaktor van de voorversterker niet of onvoldoende kleiner is dan die van de ontvanger en/of de versterking Api te laag is om de invloed van de ruisfaktor van de ontvanger op het totaal te reduceren. Een voorbeeld: een antenneversterker met een ruisfaktor van 3 wordt voor een ontvanger met een ruisfaktor van 5 geschakeld. De totale ruisfaktor Ft is nu afhankelijk van de versterking van de voorversterker. Bij een vermogensversterking van 2 is het resultaat

Eq 3

dus geen verbetering.

Is de versterking van de voorversterker echter 10, dan wordt

Eq 4

terwijl dit bij een versterking van 100 overgaat in

Eq 5

dus praktisch gelijk aan de ruisfaktor van de voorversterker.

Ruisfaktor en gevoeligheid

Met de verbetering van de ruisfaktor wordt de ontvanger gevoeliger. De vraag is nu: hoeveel? Gewoonlijk wordt de gevoeligheid gedefinieerd als de antenne-spanning die nodig is om een bepaalde laagfrekwente signaal/ruis-(spannings) verhouding aan de uitgang van die ontvanger (demodulatoruitgang respektievelijk dekoderuitgang bij stereo-ontvangers) te verkrijgen. De voor een bepaalde signaal/ruis-verhouding benodigde ingangsspanning aan de antenne-ingang van de ontvanger is niet alleen afhankelijk van de ruisfaktor, maar ook van de toegepaste wijze van modulatie, de modulatiediepte, de LF- en HF-bandbreedte en de antenne-ingangsimpedantie van de ontvanger. Alleen wanneer deze eigenschappen gelijk blijven is het mogelijk een verbetering van de gevoeligheid uit een verbetering van de ruisfaktor af te leiden. Voor de verbeteringsfaktor of winst G geldt dan:

Eq 6

waarin:
Fo = ruisfaktor van de ontvanger;
Ft = totale ruisfaktor;
Gp = vermogenswinst;
Gs = spanningswinst.

In dB:

G(dB) = 10 log Gp = 20 log Gs

Wat kan men nu met deze verbetering beginnen? Wel, de winst G, uitgedrukt in dB, geeft direkt uitsluitsel over de verbetering van de hoogfrekwente signaal/ruisverhouding. De hoogfrekwente signaal/ruis-verhouding heeft betrekking op de ingang van de demodulator. Achter de demodulator vindt men de laagfrekwente signaal/ruis-verhouding, die alleen bij AM-ontvangers bij benadering overeenkomt met de hoogfrekwente signaal/ruis-verhouding. Bij FM-ontvangers is dat, vooral in het gebied van de kleinere en van de grotere ingangssignalen, niet het geval.

Bij de technische gegevens voor goede FM-stereo-ontvangers wordt dikwijls een diagram gegeven waarin de signaal/ruisafstand voor mono en voor stereo als funktie van de ingangsspanning Ui is opgetekend. In figuur 3 is een dergelijk diagram gegeven. Men ziet duidelijk dat de ruisafstand bij de kleine ingangsspanningen (rond 1 µV) zeer snel, maar in het gebied van de gemiddelde ingangsspanningen daarentegen geleidelijk met de ingangsspanning verandert. Boven een bepaalde ingangsspanning blijft de ruisafstand konstant. In het voorbeeld ligt deze bovenste grens bij ongeveer 200 µV voor mono en bij ongeveer 300 tot 400 µV voor stereo.

Fig 3
Figuur 3. Diagram van de ruisafstand van een ontvanger als funktie van de ingangsspanning. De ruisafstand is gemeten bij een zwaai van ± 40 kHz en een bandbreedte van 180 Hz tot 16 kHz. Men kan zien dat de ruisafstand niet evenredig met de ingangsspanning verloopt.

Wat volgt nu daaruit? Bij ontvangst van zeer zwak binnenkomende FM-zenders kan een kleine winst (door antenne of antenne-versterker) een relatief sterke verbetering van de ruis-afstand veroorzaken. Bij betrekkelijk sterk binnenkomende zenders geeft een winst door antenne of versterker niet zo erg veel verbetering. Bij goede ontvangers is door gebruik van een antenneversterker slechts een geringe verbetering van de ruisafstand mogelijk. Bij gebruik van slechte ontvangers is de teoretisch haalbare winst groter. Ongetwijfeld kan worden verwacht dat dergelijke, ongevoelige ontvangers ook op andere punten, zoals selektiviteit en distorsie, niet bepaald zullen uitblinken, zodat het misschien beter zou zijn moeite en geld in een nieuwe ontvanger te investeren. Er is echter een uitzondering waarbij een verbetering van de gevoeligheid ook zonder verbetering van de ruisfaktor mogelijk is. Als een ontvanger een afstemgedeelte met kleine ruisfaktor heeft, maar te weinig MF-versterking bezit, wordt de wegens de goede ruisfaktor mogelijke grensgevoeligheid niet gehaald. Dan kan de ontvangst worden verbeterd door toepassing van een antenneversterker die de totale ruis weliswaar niet beter maakt, zelfs verslechtert, maar de ontbrekende versterking levert. Eigenlijk zou het bij een dergelijke, op het punt van versterking onderontwikkelde, ontvanger beter zijn de versterking in het MF-deel te verbeteren. In de praktijk echter is toepassen van een antenneversterker veel eenvoudiger dan wijzigen van de ontvanger.

Kompensatie van kabeldemping

Elke kabel geeft verliezen. Voor coaxiale kabel zijn deze verliezen (demping) bij de diverse uitvoeringen nogal verschillend. In principe geldt: hoe dikker de kabel, des te kleiner de demping. Bij de in de handel verkrijgbare kabels ligt de demping bij 200 MHz tussen ongeveer 4 en 45 dB per 100 m. Voor een goede, redelijk betaalbare coaxkabel, zoals verkrijgbaar in de vakhandel, kan men rekenen op een demping van ongeveer 25 dB/100 m. Zogenaamde dempingsarme kabel ligt bij 12 tot 15 dB/100 m.

Fig 4
Figuur 4. De demping van coaxkabels neemt toe met toenemende frekwentie. De kwaliteit van de kabel hangt nauw samen met de diameters van de binnen- en de buitengeleider.

Bij deze kabelverliezen komen nog andere verliezen door de bijna altijd onvermijdelijke kleine misaanpassingen aan ingangen en uitgangen en door de doorlaatdemping van stekerverbindingen en aansluitklemmen. De som van al deze verliezen vermindert natuurlijk de ontvangprestaties van de ontvanginstallatie. Daarbij is de resulterende verslechtering van de ruisafstand respektievelijk van de gevoeligheid niet zonder meer gelijk aan de demping (in dB) en evenmin kan de demping eenvoudig weer door een overeenkomstige versterking worden gekompenseerd. Voor een nauwkeurige beschouwing moet, aan de hand van de ruisfaktoren, een verlies- en winstrekening worden opgemaakt. De demping wordt daarbij net zo behandeld als een antenneversterker, n.l. een kastje (vierpool) met een ruisfaktor F en een versterking. Bij een kabel is er praktisch geen eigen ruisbijdrage, dus is de ruisfaktor F = 1, terwijl de versterking kleiner is dan 1 (demping!).

Voor kabel en ontvanger samen geldt dan een totale ruisfaktor van:

Eq 7

waarin D = kabeldemping.

Is er een antenneversterker aangebracht, dan levert de serieschakeling van antenneversterker, kabel en ontvanger:

Eq 8

waarin:
Fa = ruisfaktor van de antenne-versterker;
Aa = vermogensversterking van de versterker.

De totale ruisfaktor wordt dus evenals bij de kombinatie van antenneversterker en ontvanger zonder kabeldemping ook hier bepaald door de ruisfaktor Fa van de antenneversterker en de versterking Aa van die versterker. Het enige verschil is dat de versterking Aa van de antenne-versterker door de kabeldemping D zodanig wordt verminderd dat de resulterende versterking Aa × D bedraagt. Als Fa kleiner is dan Fo en de werkzame versterking Aa × D is voldoende groot, dan wordt de kabeldemping geheel gekompenseerd en Ft wordt kleiner dan Fo. Ongunstiger is het de antenne-versterker achter de demping (de kabel) op te nemen. De totale ruisfaktor voor antennekabel, antenneversterker en ontvanger tezamen bedraagt dan:

Eq 9

In dat geval maakt de kabeldemping de ruisfaktor van de antenneversterker slechter, zodat Ft overeenkomstig toeneemt.

Ter vergelijking zijn in figuur 5 een vijftal verschillende konfiguraties gegeven van een ontvanginstallatie. Voor de diverse delen geldt in alle getekende gevallen:

Fig 5
Figuur 5. Vijf manieren waarop ontvanger, antenneversterker en kabel kunnen worden gekombineerd. Bij elke situatie is de vergelijking voor de ruisfaktor aangegeven. De eindresultaten zijn gegeven in tabel 1.

Tabel 1
situatieFtG (dB)gevoeligheid (µV) 1)ruisafstand (dB) 2)
I3,5010060
II1,533,66664
III1,63,46863
IV3,10,59461
V11-517755

1) voor 60 dB LF-ruisafstand bij stereo
2) voor stereo bij Ui = 100 µV

De resultaten zijn in tabel 1 gegeven. Uit de tabel volgt dat in de situaties zonder antennekabel de antenneversterker teoretisch een verbetering van de stoorafstand met ongeveer 4 dB geeft (situaties I en II) en dat met een antennekabel de verbetering door een antenne-versterker ongeveer 8 dB bedraagt (situaties III en V). Ook als deze berekende waarden in de praktijk tengevolge van misaanpassingen en andere bijkomende dempingen niet geheel worden bereikt, dan nog is van situatie III ten opzichte van situatie V een duidelijke verbetering te verwachten. In situatie Il zijn de vooruitzichten ten opzichte van situatie I wel niet helemaal zo gunstig, maar een poging zou lonend kunnen zijn. Dit geldt vooral wanneer het FM-DX-ontvangst betreft (ontvangst van ver verwijderde zenders in mono).

Oversturing en de gevolgen daarvan

Een mogelijk bezwaar van antenne-versterkers wordt gevormd door de kans op oversturing, zowel van de antenne-versterker als van de ontvanger. Bij moderne antenneversterkers is door toepassing van ver uitstuurbare transistors dit gevaar wel sterk verminderd, maar daardoor loopt de ontvanger meer risiko overstuurd of zelfs dichtgedrukt te worden. Dat geldt in het bijzonder in de gevallen dat de antenneversterker niet is afgestemd op de te ontvangen zender en de ontvanger geen afgestemde ingangstrap en/of versterkingsregeling heeft. Oversturing leidt tot vervorming van de transistorkollektorstroom aan de ingang van de ontvanger of van de antenneversterker. De gevolgen daarvan zijn o.a. vorming van harmonischen, kruismodulatie en vervormingen.

Vorming van harmonischen geeft aanleiding tot vorming van ongewenste mengprodukten welke merkbaar worden als ontvangst van dezelfde zender op meerdere plaatsen in het ontvangbereik. Bij AM kan door kruismodulatie de modulatie van een sterke zender worden overgebracht naar een relatief zwakke zender. Dat kan ook voorkomen bij FM-ontvangers met slechte AM-onderdrukking. Verder kunnen allerlei vormen van fluiten, lispelen en andere nevengeluiden worden veroorzaakt. Als een ontvanger bij gebruik van een antenneversterker dergelijke verschijnselen vertoont, kan men beter van de versterker afzien. Andere mogelijkheden zijn: gebruik maken van een afstembare antenneversterker, een antenne met richtingskarakteristiek proberen, een afstembare voorkring en/of versterkingsregeling in de ontvanger inbouwen of een betere ontvanger aanschaffen.

De versterking van een richtantenne wordt opgegeven in vergelijking met een enkele dipool-antenne, welke dan als 0-dB-referentie dient. Een richtantenne bundelt als het ware de ontvangen energie. Een antenne met een opgegeven versterking van 8 dB geeft 6,3-maal meer antenne-energie dan een enkele dipool, de antennesignaalspanning is 2,5 maal zo groot. De versterking van 8 dB betekent direkt een verbetering van de signaal/ruis-verhouding met 8 dB, omdat die antenne de 8 dB versterking levert zonder toevoeging van enige ruis. Bovendien is een ontvangantenne praktisch onbegrensd vrij van oversturing en heeft geen stroomvoorziening nodig.

Fig 6
Figuur 6. De beste antenneversterker is een goede antenne. Vagi-antennes met meerdere elementen leveren ten opzichte van een enkele dipool-antenne een winst zonder extra ruis. Zoals figuur a aangeeft neemt deze winst toe met het aantal elementen. De figuren b, c en d geven voorbeelden van goede antennes.
Figuur b: 14 elementen FM-antenne, versterking ca. 12 dB.
Figuur c: 13 elementen VHF-antenne (band III), versterking ca. 11 dB.
Figuur d: 91 elementen UHF-antenne, versterking ca. 16 dB.