Raam-antenne
Ouderwets recept in een nieuw "aktief jasje"
Dat we hieronder de konstruktie van een "raam-antenne" beschrijven, is deels uit nostalgie en deels om technische redenen: een raam-antenne kan namelijk, mits coed gekonstrueerd, in veel situaties een storingsvrijere radioontvangst garanderen dan een draad-antenne. De hier beschreven versie is speciaal ontworpen voor midden- en kortegolf en bovendien "aktief" uitgevoerd.
Radio-golven behoren tot de "elektro-magnetische" golven. Ze bestaan uit een wisselend elektrisch en een wisselend magnetisch veld. Het door een radiozender uitgezonden elektrische veld bevat dezelfde informatie als het eveneens uitgezonden magnetische veld. Voor het ontvangen van de radiogolven kunnen er dan ook twee soorten antennes worden gebruikt: ofwel een type dat het elektrische veld oppikt of een type dat gevoelig is vcor het magnetische. Welk van beide typen als ontvangst-antenne het beste is, hangt helemaal van de plaatselijke omstandigheden af.
Als er voldoende ruimte is om een antenne te plaatsen (bovenop het dak van het huis of achter in de tuin) dan zal men meestal voor een antenne kiezen die op de elektrische komponent van de radiogolven reageert.' Men kan dan bijvoorbeeld een (lang)draad-antenne spannen of een "ground plane" (vertikale antenne met kunstmatig aardvlak) of anders een (draaibare) dipool installeren. Ook een "beam" (bijvoorbeeld een "Yagi"-richtantenne: dipool met reflektor en direktoren) behoort dan tot de mogelijkheden.
In situaties waarin er maar weinig ruimte beschikbaar is, moet er naar andere, kompaktere oplossingen worden uitgekeken. Natuurlijk kunnen ook dan weer de reeds genoemde antennesoorten gebruikt worden, maar dan in ingekorte vorm. De diverse antenne-delen kunnen namelijk best wel wat worden ingekort, mits ze, elektrisch gezien, even lang blijven en dat kan door ze ieder in serie met een verlengspoel te zetten. In al die gevallen waarin het nog kompakter moet (bijvoorbeeld binnenshuis) en indien er plaatselijk veel elektrische- radio-storingen voorkomen, kan met sukses een antenne worden toegepast die niet op elektrische, maar op magnetische velden reageert. Zo'n antenne is niets ongewoons: in iedere draagbare radio zit namelijk een ferriet-antenne voor de lange- en middengolf-ontvangst en die reageert niet op de elektrische, maar op de magnetische komponent van de radiogolven. De teleskoop-antenne die ook op zo'n radio zit en die voor de kortegolf en de FM-band bedoeld is, reageert op de elektrische komponent.
De hier beschreven "raamantenne" kan voor een ontvangstverbetering zorgen indien u gebruik maakt van een draadantenne of een teleskoopantenne en er erg veel elektrische storingen zijn.
Eigenschappen
Naast het feit dat deze "magnetische antenne" veel minder last heeft van storingen, heeft de raam-antenne nog een tweede voordeel, namelijk zijn richtingsgevoeligheid. Indien er op hetzelfde radiokanaal twee zenders tegelijk uitzenden (en dat is meestal zo) dan kan de raam-antenne zodanig worden gericht, dat alleen de gewenste zender te horen is. Alleen als het signaal van beide zenders precies uit dezelfde richting komt (of precies uit de tegenovergestelde richting) dan gaat deze vlieger niet op.
De "raamantenne" die hier beschreven wordt, is, zoals gezegd, (bij de gegeven afmetingen en het gebruikte spoel-type) voor frekwenties van 400 kHz tot 21 MHz geschikt en heeft een achtvormige ontvangstkarakteristiek. Voor degenen die met andere soorten spoelen willen experimenteren of het apparaat voor een richting gevoelig willen maken, geven we verderop in dit artikel nog wat tips.
De schakeling
Om de raam-antenne ook onder moeilijke ontvangstkondities met sukses te kunnen inzetten, hebben wij hem "aktief' uitgevoerd; we hebben het simpele "raamwerk plus draad" dus gekombineerd met wat elektronica, die zowel voor impedantie-aanpassing als voor versterking zorgt. In figuur 1 ziet u dat het bij het aktieve deel van de antenne om een relatief eenvoudige schakeling gaat. Dual-gate MOSFET T1 heeft een dubbele taak: hij fungeert als HF-versterker en tevens als impedantieaanpasser.
Figuur 1. De schakeling bestaat uit een versterker-trap met een dual-gate-MOSFET (T1), die het signaal van de "raamantenne" (L1... L4) krachtig versterkt. De zeer hoge ingangsimpedantie van Tl maakt dat de antenne-spoel niet wordt belast. L5/L6 zorgt dat de schakeling is aangepast aan de impedantie van de ontvanger-ingang (50 Ω).
Spoel L1 ... L4 is de ontvangstspoel; de eigenlijke antenne dus. Deze is van aftakkingen voorzien, zodat met schakelaar S1 een bepaald frekwentiegebied kan worden gekozen. Met afstemkondensator Cl kan vervolgens in het gekozen frekwentiegebied "fijn" worden afgestemd.
De kringspanning moet op zodanige wijze van de afstemkring worden afgenomen, dat de kring niet teveel belast wordt, anders wordt de kringspanning lager en neemt de selektiviteit af. De kring moet dus zo hoog-ohmig als mogelijk is, worden afgesloten. Bij deze schakeling is dat gelukkig het geval, omdat de ingangsimpedantie van T1 in het mega-ohm-bereik ligt. De afstemkring is daardoor goed aangepast aan de versterker en wordt niet of nauwelijks belast.
Ook aan de uitgang van de versterkertrap moet de aanpassing korrekt zijn. De impedantie van de versterker-uitgang mag namelijk niet te veel van die van de ontvanger-ingang afwijken, anders werkt de afscherming van de coaxkabel niet meer goed (een 50-ohm-kabel moet aan beide uiteinden altijd 50 ohm "zien"). Aanpassingstrafo L5 zorgt dat de impedantie van de FETuitgang tot een waarde van circa 50 ohm omlaag wordt getransformeerd, zodat de coaxkabel niet zelf als antenne kan gaan werken. Omdat het bij zeer sterke signalen zou kunnen gebeuren dat de ontvanger overstuurd raakt, is de versterking instelbaar gemaakt. Het instellen van de versterkingsfaktor van Tl kan met behulp van de spanning op gate-2. Als deze de halve voedingsspanning bedraagt, dan versterkt de FET maximaal; wordt de gate-2- spanning op massa-nivo gebracht, dan versterkt T1 vrijwel niet. Met potmeter P1 kan de gate-2-spanning van Tl tussen deze twee waarden worden gevarieerd, zodat de versterking precies op de meest gunstige waarde kan worden ingesteld: niet te veel, want dan wordt de ontvanger misschien overstuurd en ook niet te weinig, want dan wordt de signaal-ruis-verhouding te slecht.
De drie kondensatoren C2...C4 waarover we het nog niet gehad hebben, fungeren als ontkoppel-kondensatoren. C2 ontkoppelt de gate-2-aansluiting van T1 en C3 de source-aansluiting. C4 ontkoppelt de plus van de voedingsspanning naar massa.
Opbouw
Hoewel het elektronische gedeelte van de schakeling niet ingewikkeld is, staat of valt het sekses van de "raamantenne" met de opbouw. Niet zozeer die van de print, maar die van de antennespoel en de afwerking daarvan.
Wikkel eerst de aanpassingstrafo L5/L6 (de antenne-spoel komt later); dit is niet al te moeilijk omdat het aantal windingen (16 en 3) dat op de ferrietkraal gelegd moet worden, maar klein is. Gebruik hiervoor geïsoleerd, draad aangezien de trafo (en de overige onderdelen) op de koperzijde van de print gemonteerd dienen te worden. Monteer de FET het laatst, zodat hij niet door statische elektriciteit voortijdig de geest geeft. Mocht u onverhoopt de FET al op de print hebben gemonteerd en nog soldeerwerkzaamheden aan de gate-l-aansluitingen van Tl willen verrichten (om bijvoorbeeld een andere spoel uit te proberen), sluit dan eerst gate-1 naar massa kort met een krokodillebekken-snoertje. Als u van plan bent om allerlei soorten spoelen op hun ontvangsteigenschappen te testen, kunt u ook een schakelaar met meer standen nemen dan Si en een stand van een kortsluitdraad naar massa voorzien. Met de schakelaar in die kortsluit-stand "zweeft" gate-1 van Tl niet en kan de FET nooit "opgeblazen" worden.
Figuur 2. De layout en de onderdelenopstelling voor het maken van een print voor de schakeling. Let op: alle onderdelen worden op de koperzijde gemonteerd.
| R1 | 100 kΩ |
| R2 | 47 Ω |
| P1 | 100 kΩ lin. potmeter |
| C1 | variabele kondensator 500 pF |
| C2...C4 | 100 nF |
| L1 | 18 wdg (zie tekst) |
| L2 | 6 wdg (zie tekst) |
| L3 | 2 wdg (zie tekst) |
| L4 | 1 wdg (zie tekst) |
| L5 | 16 wdg op ferrietkraal G2-3FT16 |
| L6 | 3 wdg op ferrietkraal G2-3FT16 |
| T1 | BF981 |
| S1 | draaischakelaar 3 x 4 standen |
| S2 | schakelaar enkelpolig aan/uit |
| K1 | BNC-konnektor female |
| Batt. | (oplaadbare) 9 V batterij |
| eventueel: print EPS 916038 | |
| hout en bevestigingsmateriaal voor raam (zie tekst en bouwtekening, figuur 4) | |
Figuur 3. De opgebouwde print van ons prototype. Met het maken van de print bent u er nog niet: ook aan de konstruktie van de antennespoel moet de nodige zorg besteed worden.
Als de opbouw van de print achter de rug is, dan moet de konstruktie van de antennespoel ter hand worden genomen. Het is niet per se nodig dat u hiervoor het spoeltype van ons prototype gebruikt. Wij hebben namelijk om nostalgische redenen voor deze vorm gekozen, maar andere vormen zijn ook bruikbaar (zie verderop).
Bij ons prototype hebben we twee naast elkaar opgestelde vlakspoelen gebruikt; dit zijn eigenlijk twee spiralen, een van veertien en een van dertien windingen, die parallel aan elkaar zijn opgesteld. Beide spiralen staan in serie; dit moet wel op de juiste manier gedaan worden, anders werken de beide afzonderlijke spoelen elkaar tegen en vormen ze niet samen een spoel. Om de beide spiralen korrekt met elkaar in serie te zetten, moet de binnenkant van de ene met de buitenkant van de andere worden verbonden. De twee overblijvende aansluitingen (de buitenkant van de ene spiraal en de binnenkant van de andere) vormen dan de aansluitpunten van de antennespoel. De antenne-spoel moet uiteraard wel nog op de juiste plaatsen van aftakkingen voorzien worden, zodat deel-spoelen van 1, 2, 6 en 18 windingen ontstaan. De draden voor de aftakkingen mogen direkt aan de antennespoel worden vastgesoldeerd, maar het is ook mogelijk om de aftakkingen op een wat mooiere manier te maken. Voor dit laatste worden de aftakkingen al tijdens het leggen van de windingen gemaakt en wel door telkens even een lus van circa 15 cm te maken (na 1, 2 en 6 windingen).
Iedere lus kan in de lengte worden uitgerekt en vervolgens in elkaar worden gedraaid, zodat rechte geleiders ontstaan; deze worden met hun uiteinde aan schakelaar Si gesoldeerd. Maak de draden tussen L1... L4, S1, C1 en de print niet langer dan nodig is; stel de print dus zo dicht mogelijk bij de antennespoel op.
De antennespoel dient uiteraard op een stevig raamwerk te worden gewikkeld. Dit raamwerk mag niet van elektrisch geleidend of magnetiseerbaar materiaal zijn, anders heeft dat invloed op de spoel. Bij ons prototype hebben we een soort kruis van hout als raamwerk gebruikt. De afmetingen en de konstruktie daarvan zijn in figuur 4 te zien. De kruisbalken werden, beginnend op een afstand van 15 cm van het midden van het kruis, van schuine inkepingen voorzien, om de 5 mm; daarin konden de spoelwindingen worden gelegd. Voor de ene spiraal moesten er telkens 13 inkepingen gemaakt worden en voor de andere 14. In plaats van met inkepingen, kan de spoel ook over spijkertjes worden gewikkeld die om de 5 mm in de kruisbalken worden geslagen.
Uit figuur 4 zijn ook de afmetingen van de antenne-spoel af te leiden voor het geval dat u een heel andere draagkonstruktie wilt verzinnen. Zoals u kunt zien, gaat het in wezen om twee vierkante vlakspoelen waarvan afstanden tussen twee tegenover elkaar liggende hoeken (aan de binnenzijde gemeten) 30 cm bedragen; dat is dus de diagonaal-lengte. De afmetingen van de binnenzijden bedragen 30/√2 cm, dus circa 21,3 cm.
Figuur 4. Volgens deze bouwtekening konstrueerden we het houten kruis voor onze "raamantenne": Andere draagkonstrukties voor de spoel zijn ook mogelijk, mits er magnetisch neutraal materiaal gebruikt wordt en er op gelet wordt dat er geen kortgesloten windingen gevormd worden.
Andere mogelijkheden
De nostalgisch uitziende spoelvorm waarvoor wij gekozen hebben, is niet verplicht. Als u liever een andere spoelvorm wilt maken, dan heeft dat wel invloed op het frekwentiebereik. Terwijl ons prototype goede resultaten gaf tussen 400 kHz en 21 MHz, zal een ander spoel-model wat andere frekwenties opleveren. Leg dus bij de konstruktie van een eigen spoel-model liever een paar windingen te veel dan te weinig en zorg ook voor voldoende aftakkingen op de spoel. Het is immers beter dat de diverse bereiken elkaar wat overlappen, dan dat de afstemkondensator (Cl) het net niet "haalt". Welke varianten zijn er nu mogelijk voor de spoel? We sommen er een paar op. U kunt bijvoorbeeld met maar een vlakspoel werken, maar die wel van meer windingen voorzien. U krijgt dan een heel platte ontvangst-antenne. Een andere mogelijkheid is om de spoel op de "gewone" manier te wikkelen, en deze dus niet als vlakspoel uit te voeren, maar als konventioneel model, met gewoon naast elkaar liggende windingen. Zo'n spoel kan op een houten kruis zoals wij gebruikt hebben gewikkeld worden; wel moeten de kruisbalken dan van extra dwarslatten voorzien worden, waarover vervolgens de windingen gelegd worden. Als u voornamelijk in het kortegolfgebied geïnteresseerd bent, dan hebt u een spoel met maar weinig windingen nodig. U kunt dan ook een grote spoel met maar 1 winding maken (doorsnede: 50.. .150 cm); zo'n spoel wordt in het Engels "loop"-antenne genoemd ("lus").
Het is ook mogelijk om voor het lange- en midden-golfgebied een spoel op een ferrietstaaf te wikkelen. De totale schakeling kan dan heel kompakt worden. Voor het kortegolfgebied maakt u dan wel een luchtspoel, zoals hier beschreven. Bij deze frekwenties werkt een ferrietantenne namelijk niet (goed) meer.
Elektrisch afschermen
In extreme omstandigheden, waarin een zeer hoog elektromagnetisch storingsnivo voorkomt met een overwegend elektrische komponent, kan de spoel tegen deze elektrische velden worden afgeschermd. Nu behoort een spoel weliswaar alleen op magnetische velden te reageren, maar in de praktijk werkt de bedrading, zeker bij grote spoelen, enigszins als "elektrische" antenne. Meestal is dat niet zo hinderlijk, maar wel als het elektrische storingsnivo heel hoog is. In dat geval kan de spoel in een soort, "kooi van Faraday" geplaatst worden die met de "massa" van de schakeling uit figuur 1 moet worden verbonden. Deze kooi (metalen afscherming) mag niet van magnetisch of magnetiseerbaar metaal zijn. Ook mag de kooi geen kortgesloten windingen vormen die parallel aan de antennespoel liggen, anders wordt het antenne-signaal kortgesloten. Kortgesloten windingen loodrecht op die van de antennespoel mogen wel.
Een metalen afscherming heeft wel altijd invloed op de zelfinduktie van de spoel; desnoods moet het aantal windingen dus worden aangepast.
Hoe de afscherming het beste gemaakt kan worden, hangt van het gekozen spoelmodel af. Figuur 5a laat zien dat rond een ferrietstaaf bijvoorbeeld heel makkelijk een (ruime) koker van aluminium kan worden aangebracht (of aluminiumfolie die op een kunststoffen koker geplakt is). Aan het aluminium kan met behulp van soldeerwater een massadraad worden vastgesoldeerd. In de lengterichting moet de koker van een spleet voorzien worden om te voorkomen dat de koker een kortgesloten winding vormt.
Figuur 5. Soms is een metalen afscherming van de spoel tegen elektrische stoorvelden noodzakelijk. Figuur 5a laat zien hoe een ferrietspoel van een aluminium koker kan worden voorzien. Een vlakspoel (5b) kan worden afgeschermd door middel van twee geaarde tralies aan weerszijden van de spoel (bije. twee stukken flat-cable). Een raam-antenne (5c) kan het beste zodanig met aluminiumfolie worden omwikkeld dat er net geen kortgesloten winding ontstaat. Een plaatje piepschuim tussen folie en spoel voorkomt dat er te veel parallelkapaciteit ontstaat. Figuur 5d en 5e illustreren hoe een afgeschermde "loop"-antenne kan worden gefabriceerd.
Een vlakspoel (voor de konstruktie: zie ook "nostalgische kristalontvanger", Elex februari '91) kan elektrisch worden afgeschermd door deze tussen twee tralies te zetten (figuur 5b) waarvan de spijlen maar op een plaats onderling doorverbonden zijn, zodat er geen kortgesloten windingen gevormd worden. De beide tralies worden uiteraard met "massa" verbonden.
Een "gewone" spoel (dus een met de windingen naast elkaar) die op een kruis met dwarslatten gewikkeld is, kan makkelijk elektrisch worden afgeschermd. Zoals figuur 5c laat zien, kan men namelijk heel eenvoudig wat aluminiumfolie om de platte bundel windingen heen vouwen en dit met massa verbinden. De beide uiteinden van de folie mogen uiteraard niet tegen elkaar komen. Zorg wel voor voldoende afstand tussen het folie en de windingen; dit kan met een laagje piepschuim.
Als men een "loop"-antenne wil maken en daarvoor de binnenader van een stuk coaxkabel gebruikt, dan kan afscherming daarvan als elektrische afscherming gebruikt worden. Figuur 5d illustreert dat. De afscherming mag dan wel maar aan een kant met massa worden verbonden, zodat wederom geen kortgesloten winding ontstaat. Er moet hierbij op gelet worden dat de goede kant van de afscherming met massa wordt verbonden, dus die bij de "hete" kant van de binnenader (de niet-massa-kant). Nog beter is het om de coax-afscherming om de paar decimeter te onderbreken en de "hete" kanten van de stukken afscherming via afzonderlijke draden met een gemeenschappelijk massapunt te verbinden (zie figuur 5e).
Nog een laatste opmerking over het puntje "storingsonderdrukking": "Magnetische" antennes moeten bij voorkeur niet binnen het bereik van magneetvelden van TV's en computers opgesteld worden, in verband met de harmonischen die de horizontale afbuiging produceert (n x 15625 Hz).
Ook mogen ze niet dicht bij netleidingen, verwarmingsbuizen of centrale antenne-leidingen worden opgesteld; deze induceren weliswaar meer signaal in de spoel, maar ook een aanzienlijke hoeveelheid in magneetvelden omgezette elektrische storingen.
Acht-vormige karakteristiek
Alle hierboven genoemde antenne-spoelen hebben een achtvormige karakteristiek. Er zijn dus twee ontvangstmaxima en twee minima. Probeer dit maar eens uit met een draagbare radio met ingebouwde ferriet-antenne. Stem hierbij de ontvanger op een niet te sterke zender af, zodat u de minima goed kunt horen (toenemende ruis). Deze minima zijn vrij scherp, terwijl de maxima dat niet zijn. Het is dus uiterst eenvoudig om met een ferriet-antenne een zender uit te peilen: men draait de ferriet-antenne zodanig dat er een minimum te horen is en kijkt dan in welke richting het verlengde van de ferriet-staaf wijst. De richting tekent men als een lijn op een landkaart. Omdat er hierbij twee tegenovergestelde richtingen mogelijk zijn, wordt bij een echte radiopeiling vanuit twee of meer verschillende posities gemeten. Het punt waar de twee (of meer) lijnen op de kaart elkaar kruisen, is de lokatie van de zender.
De reden dat we dit allemaal vertellen, is de volgende: om optimaal van de richtingsgevoelige eigenschappen van de antenne gebruik te kunnen maken, moet men natuurlijk wat over zijn ontvangstkarakteristiek weten. Is deze bekend, dan kan men de minima handig gebruiken om een storende zender die op hetzelfde kanaal uitzendt, weg te draaien.
Men kan zelfs nog iets verder gaan en de antenne-spoel uit maar een richting gevoelig maken. Daartoe moet het signaal van deze schakeling samen met dat van een vertikaal opgestelde "elektrische" antenne (teleskoop-antenne) met de ontvanger-ingang gekoppeld worden. Beide signalen moeten dezelfde sterkte hebben (lengte van de teles-koop aanpassen of aan Pl draaien). In de achtvormige karakteristiek ontstaat dan aan een zijde een vrij scherpe deuk. In de richting van deze deuk kan men, door aan de spoel te draaien, een ongewenste zender zetten, die dan helemaal verdwijnt. Voorwaarde bij dit experiment is wel, dat het signaal dat op de "elektrische" antenne binnenkomt, storingsvrij is en dat is helaas vaak niet het geval (daarom hebben we immers deze "raamantenne" beschreven).