Maakt een nieuwe versie nu echt verschil?
Maakt een nieuwe versie nu echt verschil?
Het begon met mijn kapotte Wellbrook. Daaruit groeiden de OctaLoop en jaren van bouwen, meten en vergelijken. Want hoe weet je of een aanpassing aan een ontvangstantenne ook in de praktijk iets oplevert?
RF.Guru-werkdefinitie: Common-modestroom is de niet-opgeheven fasorsom van de stromen in een gespecificeerde geleiderset, beoordeeld in een gedefinieerde doorsnede en met een verklaarde conventie voor de stroomrichting. In de bedoelde differentiële transmissielijnmodus zijn de heen- en retourstromen gelijk en tegengesteld, zodat hun fasorsom nul is. Wanneer ze elkaar niet opheffen, moet de resterende stroom zich sluiten via een ander referentie- of retourpad—zoals de buitenzijde van een coaxafscherming, een mast, een apparatuurchassis, stationsbekabeling, nabije structuren, aarde, de operator of gedistribueerde koppeling via de omgeving.
Deze bredere werkdefinitie is bijzonder bruikbaar in praktische antennesystemen. Bij zenden kan niet-opgeheven stroom op de buitenzijde van de coax de voedingslijn en verbonden structuren deel maken van het stralende antennesysteem, tenzij dat pad bewust is gekozen, duidelijk is gedefinieerd en correct wordt beheerst—bijvoorbeeld met het vereiste retourpad en een geschikte common-mode-choke op de juiste grens.
Read this article in English →
Mijn vertrouwde Wellbrook-loopantenne had het begeven. Over de elektronica en de ontwerpkeuzes was ik nog altijd te spreken, maar bij mijn exemplaar liep het mechanisch mis. En bij een antenne die dag en nacht buiten staat, telt dat evengoed mee. Ik vroeg me af: kunnen we zelf iets bouwen dat over de hele lijn beter werkt?
Zo begon de OctaLoop
Mijn zoon Jonas nam de mechanische kant voor zijn rekening. Ik begon aan de elektronica. We hadden een duidelijk doel: beter doen dan de Wellbrook. Alleen moesten we eerst uitmaken wat we onder ‘beter’ verstonden. Een S-meter wat verder laten uitslaan, is op zich geen grote kunst.
Ik wilde degelijke connectoren, stevige bevestigingen, een goede trekontlasting en een antenne die tegen het weer kon. Tegelijk moest de elektronica zwakke signalen kunnen verwerken, ook met lokale storing en sterke zenders in de buurt. De coax, de mast en de rest van de opstelling mochten daarbij geen ongecontroleerde ingang voor storing worden. Wat Jonas bouwde en wat ik ontwierp, moest als één geheel werken.
De eerste OctaLoop deed het en de reacties van de eerste gebruikers waren bemoedigend. Maar daarmee was het werk niet af. Zodra je twee behoorlijk goede ontvangstantennes vergelijkt, wordt het lastig: ontvang ik nu meer dankzij die aanpassing, of zijn de condities toevallig beter? Die vraag bleef terugkomen tijdens de eerste zes jaar dat we aan de antennes werkten.
Waar valt nog iets te verbeteren?
Bij elke nieuwe versie wil ik een concreet probleem aanpakken. Extra versterking hoor en zie je snel, maar daarmee ontvang je nog niet noodzakelijk beter. Vaak zit de winst in de manier waarop de antenne, de versterker, de coax en de mechanische constructie samenwerken.
Ook na een winter buiten moet de antenne goed werken
Een antenne die op de werkbank goed meet, moet dat buiten blijven doen. Daarvoor moeten de verbindingen betrouwbaar zijn, moet alles op zijn plaats blijven en mag er geen vocht binnendringen. Een verschoven steun, een aangetaste connector of vocht bij een gevoelige ingang kan de elektrische belasting veranderen of extra storing laten inkoppelen.
Dat had mijn kapotte loop me wel geleerd: je bent er niet met een goede versterker alleen. Een betere afdichting of bevestiging levert op een droge werkbank misschien nauwelijks een meetbaar verschil op. Buiten kan ze er wel voor zorgen dat de antenne haar eigenschappen en balans behoudt, ook na regen, wind en temperatuurschommelingen.
Waarom een goede balans zoveel uitmaakt
Common-mode-onderdrukking werd een belangrijk uitgangspunt. Een gebalanceerde ingang kan storing onderdrukken die op beide aansluitingen vrijwel gelijk terechtkomt. Dat werkt alleen goed als beide kanten voldoende overeenkomen. Verschillen in impedantie, parasitaire capaciteit of signaalpad kunnen een deel van die storing omzetten in een verschilspanning. Die wordt vervolgens gewoon mee versterkt.
Daarom kijk ik verder dan de specificaties van de versterker. Ook het antenne-element, de beveiliging, de verbindingen, de constructie en geleiders in de buurt bepalen wat er aan de ingang gebeurt. Analog Devices legt dit uit aan de hand van verschilversterkers: als de twee paden niet goed overeenkomen, kan een common-mode-spanning een ongewenst signaal aan de uitgang veroorzaken.
De maat daarvoor heet CMRR: de verhouding tussen de differentiële versterking en de common-mode-versterking, gemeten aan een welbepaalde aansluiting en bij een welbepaalde frequentie. In decibel schrijf je dat als CMRR = 20 log10(|Ad/Ac|). Een hoge CMRR betekent dus niet dat alle lokale storing verdwijnt. Storing die al als verschilspanning aan de ingang staat, of op dezelfde manier als het gewenste signaal uit het veld wordt opgepikt, kan de versterker zo niet onderscheiden.
Sterke signalen aankunnen
Een sterke ongewenste zender kan de ingangstrap oversturen. Die gaat dan in compressie of maakt intermodulatieproducten aan die een zwak station kunnen overstemmen. Geschikte filters en een versterker die bij hogere ingangsniveaus nog lineair werkt, kunnen dat voorkomen. Is oversturing het probleem, dan heeft het weinig zin om de versterking verder op te drijven.
Ook een lager ruisgetal helpt niet in elke situatie evenveel. Als de eigen ruis van de ontvanger al ruim onder de ruis uit de antenne ligt, verandert een kleine verbetering aan het ruisgetal van de versterker mogelijk nauwelijks iets aan de signaal-ruisverhouding, of SNR. Op een stillere locatie, op een andere band of met een antenne-element dat minder signaal afgeeft, kan dat anders uitvallen. ITU-R P.372 behandelt atmosferische, galactische en door mensen veroorzaakte radioruis afzonderlijk. Hoe hoog de ruisvloer is, hangt nu eenmaal van de omstandigheden af.
Soms verbeteren we de printlayout, de elektrische aanpassing of de constructie. Soms kiezen we voor een andere schakeling, zoals bij de ontwikkeling van TerraBooster. Dan veranderen ook de mogelijkheden voor de signaaloverdracht en voor de sterke signalen die de versterker aankan. Zo’n ontwerpwijziging gaat verder dan een andere componentwaarde kiezen. Of ze in een bepaalde opstelling ook een veel betere SNR oplevert, moet uit de praktijk blijken.
Wat een meting in het verre veld wel en niet vertelt
We hebben de antennes ook in het verre veld getest. Met een testsignaal waarvan de eigenschappen bekend zijn, kun je onder meer de respons, het stralingsdiagram, de nulrichtingen en de gevoeligheid onderzoeken. Dat blijven waardevolle metingen, ook wanneer je veel aandacht aan common-mode-onderdrukking besteedt.
Een werkende ontvangstinstallatie krijgt alleen méér te verwerken dan dat ene testsignaal. Storing kan via de coax, de mast of de voedingskabel binnenkomen. Voorwerpen in de omgeving kunnen ongelijk op de antenne inkoppelen. Ik wilde weten wat die hele opstelling met de ontvangst deed.
Daarom horen de metingen op de werkbank en de proeven buiten bij elkaar. Met balanstests onderzoek je hoeveel common-mode-storing wordt omgezet in een verschilspanning. Met sterke testsignalen zoek je uit wanneer oversturing optreedt. Gekalibreerde metingen over het frequentiebereik brengen de respons in kaart. Buiten volg je op of de constructie stabiel blijft. En door lange tijd te ontvangen en te vergelijken, zie je of een verbetering ook aan de ontvanger bruikbaar voordeel oplevert.
Blijven meten in Lombardsijde
De vraag hoe ik kleine verschillen betrouwbaar kon aantonen, heb ik een tijd laten rusten. Toch bleef ze knagen. Uiteindelijk bouwde ik de databank achter spots.rf.guru. Ik wilde kunnen terugkijken over dagen en weken, bij goede en slechte condities, met veel en weinig storing. Eén mooie schermafbeelding vertelt maar een klein deel van het verhaal.
Onze ontvangstlocatie in Lombardsijde ligt in bebouwd gebied. We hebben er onder meer last van LED-schijnwerpers en we kunnen de masten niet zomaar zo hoog zetten als we willen. Het is dus een plek waar de hele installatie op de proef wordt gesteld. Ook met een degelijk gebouwde loop en een ruisarme versterker moet je daar rekening houden met de omgeving en de kabels.
Ik krijg mails met de vraag hoe Nieuw-Zeeland, Australië en Japan in de logs terechtkomen. Dat begint bij de propagatie: de condities moeten het toelaten. Wij proberen ervoor te zorgen dat plaatselijke storing zo weinig mogelijk van de beschikbare signaal-ruisverhouding afsnoept. Common-mode-storing onder controle houden, goed filteren en oversturing vermijden helpen daarbij. Een bandopening kun je er niet mee maken.
Verwissel de antennes eens van plaats
Voor onze langdurige vergelijkingen laten we twee antennes een maand tegelijk werken op dezelfde locatie, op ongeveer zes meter van elkaar. Daarna verwisselen we ze van plaats en meten we verder. Zo krijgen beide dezelfde algemene propagatiecondities en zendactiviteit mee. Door ze te verplaatsen, kunnen we nagaan of het verschil aan de antenne ligt of aan de plek waar ze stond.
Die zes meter is een praktische keuze. Het garandeert niet dat de antennes elkaar niet beïnvloeden of evenveel storing oppikken. Een hek, het verloop van een kabel of een storingsbron in de buurt kan de ene plek gunstiger maken dan de andere. Blijft de beste ontvangst na het verwisselen op dezelfde plek, dan kun je dat voordeel nog niet aan de antenne toeschrijven. Ook een verschil tussen de ontvangerkanalen moet je uitsluiten.
| Wat doen we? | Wat willen we daarmee uitzoeken? |
|---|---|
| Beide antennes tegelijk laten ontvangen | Vergelijken we dezelfde uitzending onder dezelfde algemene propagatiecondities? |
| De antennes van plaats verwisselen | Gaat de betere ontvangst mee met de antenne, of blijft ze op dezelfde plek? |
| Los daarvan ook kabels en ontvangerkanalen wisselen | Komt het verschil misschien door de ontvanger, de coax of het voedingspad van de actieve antenne? |
| De vergelijking in afzonderlijke meetperiodes herhalen | Zien we het verschil terug op de banden en bij de storingsniveaus waarvoor we de antenne willen gebruiken? |
Je kunt ook snel tussen twee antennes schakelen en één ontvanger gebruiken. Het schakelen moet dan snel genoeg gaan ten opzichte van de fading. Houd rekening met het verlies en de isolatie van de schakelaar, de tijd die de opstelling nodig heeft om na het schakelen tot rust te komen en de afsluiting van de ongebruikte poort. Met twee ontvangers die tegelijk werken, moet je onder meer de kalibratie, filters, kloksynchronisatie en eventuele oversturing van beide kanalen controleren. Voor een eerlijke A/B-test moeten ook die zaken kloppen.
Eerlijk vergelijken vraagt wat voorbereiding
Spreek vooraf af wat je wilt verbeteren. Gaat het om meer gewenst signaal aan de ontvanger, een betere SNR in de echte opstelling, betrouwbaarder decoderen of een antenne die buiten stabiel blijft? Noteer de hoogte, de richting, het kabelverloop en waar common-mode-stromen kunnen lopen of worden onderbroken. Houd de versterking, filters, bandbreedte, decodersoftware en regels voor het doorsturen van meldingen gelijk. Alleen al een andere versterkingsinstelling kan de indruk geven dat de antenne beter is geworden.
Vergelijk dezelfde uitzendingen binnen dezelfde tijdvensters. Leg waar mogelijk het gewenste signaal en de ruis apart vast. Zo kun je zien of de SNR verbetert doordat er meer signaal binnenkomt, minder storing, of allebei. Bewaar ook de ontvangstmeldingen van uitzendingen die alleen via antenne A of alleen via antenne B worden gedecodeerd. Juist daar kan het verschil zitten. Kijk je uitsluitend naar wat beide ontvangen hebben, dan vallen die belangrijke grensgevallen uit je vergelijking.
Je moet bovendien kunnen zien wanneer beide opstellingen een uitzending gemist hebben. Daarvoor heb je gesynchroniseerde opnames of een onafhankelijke registratie van de uitzendingen nodig.
Duizenden ontvangstmeldingen, of spots, uit één bandopening zijn nog geen duizenden onafhankelijke proeven. Ik wil weten of een verschil terugkomt in afzonderlijke sessies, op andere banden en bij andere storingsniveaus. Vermeld bij het geschatte verschil ook de grenzen van de kalibratie en de spreiding tussen de meetperiodes. NIST legt uit hoe je meetonzekerheid beschrijft. Daarmee geef je aan hoe nauwkeurig je een resultaat kent.
Dit ontvangt ons station
De kaarten hieronder komen uit de opgeslagen decoderingen van onze ontvangstsystemen in Lombardsijde. Je ziet de stations die werkelijk ontvangen en gemeld zijn. Voor een vergelijking tussen twee antenneversies heb je meer gegevens nodig; deze kaarten zijn ook geen stralingsdiagrammen. Ze worden regelmatig vernieuwd. De periode en totalen die erop staan, horen bij de kaart die je op dat moment bekijkt.
Wat betekenen de drempels van −18 dB en 0 dB?
De gegevens hangen af van de software die ze doorstuurt. De technische documentatie van PSKReporter beschrijft onder meer velden voor de SNR, de gebruikte modus en de decodersoftware. Volgens de handleiding van WSJT-X gelden de signaalrapporten van dat programma voor een referentieruisbandbreedte van 2500 Hz. Je mag niet aannemen dat elk ander programma dezelfde afspraak gebruikt.
Voor de twee volgende kaarten filteren we op de doorgestuurde SNR: minstens −18 dB op de ene kaart, minstens 0 dB op de andere. In de bestandsnamen staan nog de oude afkortingen ‘cw’ en ‘ssb’. Daaruit kun je niet afleiden of je die stations ook in CW had kunnen nemen of in SSB had kunnen verstaan. Dat hangt onder meer af van de bandbreedte, de storing, de fading, de gebruikte modus en de ervaring van de operator. Als alle opgeslagen rapporten al boven de gekozen drempel liggen, ziet een gefilterde kaart er gewoon hetzelfde uit als de volledige kaart.
Op spots.rf.guru kun je zelf door het archief bladeren. Via sdr.rf.guru kun je meeluisteren. Zo krijg je een beeld van wat het station ontvangt. Wil je uitrekenen hoeveel verschil een antenneversie maakt, dan heb je de bij elkaar horende metingen van beide opstellingen nodig, samen met de ontvangerinstellingen en de kalibratiegegevens.
Dus: maakt zo’n nieuwe versie verschil?
Dat kan zeker, ook als je het niet meteen hoort zodra je omschakelt. Bij een signaal dat je nog net wel of net niet kunt nemen, kan een kleine, herhaalbare verbetering van de SNR de doorslag geven. Bij een signaal dat al duidelijk boven de ruis uitkomt merk je van dezelfde verbetering misschien weinig. En een betere afdichting of stevigere constructie bewijst haar nut vaak pas na een paar seizoenen buiten.
Daarom blijf ik aan de ontwerpen werken. De antenne moet haar eigenschappen behouden, de ingang moet zo weinig mogelijk lokale storing laten meekomen en de versterker moet sterke signalen aankunnen. Door lang genoeg en zorgvuldig te vergelijken, kan ik nagaan of een aanpassing werkelijk helpt. Anders schrijf je al snel betere ontvangst toe aan het nieuwe ontwerp, terwijl de antenne toevallig gunstiger stond of de condities beter waren.
Je hoeft dus ook niet elke nieuwe versie te kopen als je huidige antenne goed werkt. Kijk eerst waar je nu tegenaan loopt. Een versterker die meer aankan, helpt wanneer oversturing je ontvangst beperkt. Betere common-mode-onderdrukking heeft vooral nut als er langs die weg veel storing binnenkomt.
Van die kapotte Wellbrook tot de huidige ontwerpen wil ik nog altijd hetzelfde: een ontvangstantenne die buiten betrouwbaar blijft werken en zo veel mogelijk haalt uit de signalen die er op dat moment te ontvangen zijn. Of we daarin slagen, moet blijken uit wat je kunt ontvangen en uit hoe de antenne zich op lange termijn houdt.
Veelgestelde vragen
- Hoe is de OctaLoop ontstaan? Mijn eigen Wellbrook-loopantenne had een mechanisch defect. Mijn zoon Jonas begon een betere constructie uit te werken en ik nam de elektronica voor mijn rekening. We wilden een complete ontvangstantenne die ook buiten betrouwbaar bleef werken.
- Wat kan er beter worden als de S-meter niet hoger uitslaat? Minder ingekoppelde storing kan de ontvangst verbeteren zonder een sterker signaal op de meter. Een versterker die meer aankan, kan vervorming door sterke signalen voorkomen. Een goede afdichting en stevige constructie helpen de antenne haar eigenschappen te behouden. Welk voordeel je merkt, hangt af van je opstelling.
- Ben je met een hoge CMRR van alle lokale storing verlost? Nee. CMRR beschrijft de onderdrukking van common-mode-signalen aan een bepaalde aansluiting en bij een bepaalde frequentie. Storing die daar al als verschilspanning aankomt of op dezelfde manier als het gewenste signaal wordt opgepikt, verdwijnt daardoor niet.
- Waarom wisselen jullie de antennes, kabels en ontvangerkanalen? Door de antennes van plaats te verwisselen, zien we of de betere ontvangst met de antenne meegaat. Door daarnaast de kabels en ontvangerkanalen afzonderlijk te wisselen, kunnen we nagaan of het verschil uit de rest van de opstelling komt.
- Tonen de gefilterde kaarten wat je in CW of SSB kunt ontvangen? Nee. Ze selecteren digitale rapporten met een gemelde SNR van minstens −18 dB of 0 dB. Daaruit kun je niet afleiden wat een operator in CW kan nemen of in SSB kan verstaan. Het zijn ook geen overzichten van CW- of SSB-verbindingen.
- Heeft een kleine verbetering wel zin? Ja. Als een signaal net op de grens zit van wat je kunt detecteren of nemen, kan een kleine, herhaalbare SNR-verbetering het verschil maken. Dat zie je niet noodzakelijk duidelijk op de S-meter en het levert ook niet bij elke uitzending een extra decodering op.
- Moet ik mijn huidige antenne vervangen? Als ze goed werkt, is een nieuwe versie op zich geen reden om ze te vervangen. Bekijk eerst wat je wilt verbeteren: minder storing, minder oversturing, een betere respons op een bepaalde band of meer betrouwbaarheid buiten. Een nieuwe versie heeft nut als ze juist dat probleem aanpakt.