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Forum: HF, Funk und Felder unübliche(?) Antennenanpassung


Autor: Martin O. (ossi-2)
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Ich habe zwei Fragen zur Anpassung von Empfangsantennen

Fall 1: Ich habe eine "kurze" Wurfantenne, die Länge ist also
deutlich kleiner als die halbe Wellenlänge. Diese Antenne soll
an einen hochohmigen (1MegOhm parallel 20pF) Einhang angepasst
werden. (Das ist ein OP als Impedanzwandler vor dem ADC eines SDR)
Wie passe ich optimal an ?

Fall2: Das Signal kommt (z.b. nach Vorverstärkung) mit 50Ohm
Quellimpedanz an. Es soll auf den ADC eines SDR gelangen,
Vor dem ADC soll  ein OP als Impedanzwandler geschaltet sein.
Wie passe ich das 50 Ohm Signal optimal an den hochohmigen
Eingang (z.B. 1MegOhm parallel 20pF) an. Ein schnöder
50Ohm Widerstand ist meiner Meinung nach nicht optimal, da
ich vermutlich durch Hochtransformation mit einem Trafo
eine höhere Spannung am ADC erreiche.

Die Frequenz liegt bei beiden Fällen im Bereich von 3MHz bis 30MHz.
Die Anpassung darf schmalbandig sein.

Autor: DH1AKF W. (wolfgang_kiefer) Benutzerseite
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Hallo Martin,

Du hast wahrscheinlich ( wie ich) den Red Pitaya vor Dir.
Für den 1. Fall würde ich
- schmalbandig- einen Fuchskreis
oder
- breitbandig- ein Pi- Glied verwenden. Das kann gleichzeitig als 
Tiefpass dienen.

Rechne mal: 20 pF entsprechen ca. 4 kOhm bei 3 MHz , aber 40 kOhm bei 30 
MHz.
Die 1 MOhm parallel können vernachlässigt werden.

Ich habe folgende Lösung übernommen: einen 1:9 Trafo. Dann braucht man 
auch keinen OPV als Impedanzwandler.
http://forum.cq-nrw.de/viewtopic.php?f=18&t=5

Viel Erfolg!

Autor: MarcOni (Gast)
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Martin O. schrieb:
> Fall 1: Ich habe eine "kurze" Wurfantenne, die Länge ist also
> deutlich kleiner als die halbe Wellenlänge. Diese Antenne soll
> an einen hochohmigen (1MegOhm parallel 20pF) Einhang angepasst
> werden. (Das ist ein OP als Impedanzwandler vor dem ADC eines SDR)
> Wie passe ich optimal an ?
>

Erst einmal muss man klären, welcher von welcher Art Anpassung die Rede 
ist? Wenn es nur um den Empfang geht, ist keine Leistungsanpassung 
erforderlich.

So arbeitet jede E-Feld Aktivantenne mit einem elektrisch kurzen 
Antennenelement mit Spannungsanpassung. Bei einem hochohmigen Eingang 
wie einem Impedanzwandler ist also überhaupt keine Maßnahme 
erforderlich. Dessen Eingang nimmt die Quellenspannung der Antenne auf.

> Fall2: Das Signal kommt (z.b. nach Vorverstärkung) mit 50Ohm
> Quellimpedanz an. Es soll auf den ADC eines SDR gelangen,
> Vor dem ADC soll  ein OP als Impedanzwandler geschaltet sein.
> Wie passe ich das 50 Ohm Signal optimal an den hochohmigen
> Eingang (z.B. 1MegOhm parallel 20pF) an. Ein schnöder
> 50Ohm Widerstand ist meiner Meinung nach nicht optimal, da
> ich vermutlich durch Hochtransformation mit einem Trafo
> eine höhere Spannung am ADC erreiche.

Eine Transformation ist auch hier nicht erforderlich - es ist ja schon 
ein Impedanzwandler vorhanden. Warum soll ein niederohmiges 50 Ohm 
Signal vor einem AD Wandler nochmal angepasst werden? In dem Fall ist 
doch nur ein 50Ohm Abschluss vor dem hochhohmigen ADC erforderlich.

Autor: Martin O. (ossi-2)
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@ DH1AKF K.
Sehe ich das richtig, dass man den Fuchskreis als einen 
Parallelschwingkreis in Resonanz gefolgt von einem Trafo auffassen kann 
?

@ MarcOni
Ich stelle mir vor, dass ein Signal, das bei direkter Kopplung im 
Quantisierungsrauschen des ADC untergeht durch einen Trafo evtl
auf einen Spannungslevel gebracht werden kann, der über dem
Quantisierungsrauschen liegt. D.h. man hätte das SNR verbessert.
Frage dann: Was ist der optimale Trafo

Autor: DH1AKF W. (wolfgang_kiefer) Benutzerseite
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Fuchskreis = Parallelschwingkreis mit angezapfter Spule. (Trafo)
Die Antenne wird direkt mit dem "heißen " Ende verbunden. Ihr 
kapazitiver Blindwiderstand geht also direkt in die Resonanzfrequenz 
ein.
Ankopplung des Senders oder Empfängers erfolgt an der Anzapfung, 
üblicherweise für 50 Ohm.
Da Dein Empfänger einen "hochohmigen" Eingang hat, braucht man evtl. 
keine Anzapfung.

Vorteil ( = Nachteil) : sehr schmalbandig.

Autor: MarcOni (Gast)
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Martin O. schrieb:
> @ MarcOni
> Ich stelle mir vor, dass ein Signal, das bei direkter Kopplung im
> Quantisierungsrauschen des ADC untergeht durch einen Trafo evtl
> auf einen Spannungslevel gebracht werden kann, der über dem
> Quantisierungsrauschen liegt. D.h. man hätte das SNR verbessert.
> Frage dann: Was ist der optimale Trafo

Die Frage stellt sich erst in zweiter Linie.
Die erste Frage sollte sein: Wie groß ist die Dynamik meines Wandlers. 
Sprich: wie groß ist das kleinste und wie groß ist das größte Signal, 
das er gleichzeitig verarbeiten kann. Das Problem ist eher die 
Großsignalfestigkeit und weniger das Grundrauschen

Die untere Grenze des zu wandelnden Empfangssignals wird in der Regel 
durch das externes Rauschen bestimmt, das oft über dem 
Quantisierungsrauschen eines modernen Wandlers liegt. Selbst die guten 
SDR haben vor dem Wandler nur einen - zuschaltbaren - 10 bzw. 15dB 
Vorverstärker.

Ein Trafo würde zwar helfen, aber er schränkt die Frequenzgrenze 
maßgeblich ein und er wird, da er an einer Antenne nicht mit definierter 
Impedanz betrieben wird,  immer einen ausgeprägten Frequenzgang 
aufweisen. Damit geht einer der Hauptvorteile eines Direktwandelnden SDR 
flöten:, die genaue Empfangspegelmessung.

Schmalbandige Lösung wie Fuchs, Dachs oder Wildschweinkreise erfordern 
eine manuelle und kniffelige Abstimmung. Wo bleibt da der Vorteil eines 
SDR?

Die Kombination: elektrisch kurze Antenne - Impedanzwandler 
Vorverstärker - A/D Wandler ist tausendfach erprobt und funktioniert

Autor: DH1AKF W. (wolfgang_kiefer) Benutzerseite
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MarcOni schrieb:
> Schmalbandige Lösung wie Fuchs, ...kreise erfordern
> eine manuelle und kniffelige Abstimmung. Wo bleibt da der Vorteil eines
> SDR?

Da die Frequenz bekannt ist, könnte ich mir sehr wohl eine automatische 
Abstimmung vorstellen (bekannt als mitlaufende Vorselektion.) Mit 
Varicap's und einer Umrechnungstabelle (plus Interpolation)ist das 
realisierbar.
Das steht übrigens auch auf meinem Plan für weitere Experimente mit dem 
Red Pitaya.

Autor: MarcOni (Gast)
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DH1AKF K. schrieb:
> MarcOni schrieb:
>> Schmalbandige Lösung wie Fuchs, ...kreise erfordern
>> eine manuelle und kniffelige Abstimmung. Wo bleibt da der Vorteil eines
>> SDR?
>
> Da die Frequenz bekannt ist, könnte ich mir sehr wohl eine automatische
> Abstimmung vorstellen (bekannt als mitlaufende Vorselektion.) Mit
> Varicap's und einer Umrechnungstabelle (plus Interpolation)ist das
> realisierbar.
> Das steht übrigens auch auf meinem Plan für weitere Experimente mit dem
> Red Pitaya.

Mal ehrlich:
Die Stärke eines SDR liegt gerade darin, dass er einen großen 
Bandbereich gleichzeitig und pegelgenau darstellt, messbar und 
demodulierbar macht.

Da müsste man doch mit dem Klammerbeutel gepudert sein, wenn
man einen sehr schmalbandigen analogen Schwingkreis mit irgendwelchen 
Kunsgriffen und beträchtlicher zusätzlicher Elektronik versucht, als 
Mitlauffilter zu programmieren? Und sich damit neben dem Total-Verlust 
der Breitbandigkeit auch noch einen Riesen-Amplitudengang einhandelt. 
Und das ohne Not. Weil mit einem simplen Impedanzwandler vom Typ 
Miniwhip das Gleiche breitbandig und mit glattem Frequenzgang erreicht 
werden kann.

Sorry, solche "Lösungen" möchte ich mir nicht vorstellen.

Autor: DH1AKF W. (wolfgang_kiefer) Benutzerseite
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MarcOni schrieb:
> Weil mit einem simplen Impedanzwandler vom Typ
> Miniwhip das Gleiche breitbandig und mit glattem Frequenzgang erreicht
> werden kann.

Nichts gegen Miniwhip , sie hat sich z.B. bei WebSDR längst bewährt.
Aber der Red Pitaya, um den es Martin offenbar geht, besitzt zwei 
unabhängige Empfangskanäle. Nun überlasse ich es Deiner 
Vorstellungskraft, was man damit alles machen kann...

These + Antithese = Synthese

: Bearbeitet durch User
Autor: Martin O. (ossi-2)
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@ MarcOni
Ich meine die Fragen übrigens genau so, wie ich sie formuliert habe!

Mich interessieren dabei Antworten, nicht Die Mitteilung, dass jemanden 
anderen diese Fragen nicht interessieren.

Die Fragen mögen vielleicht eher von akademischem Interesse sein, es
kann aber durchaus vorkommen, dass man manchmal eine Art SDR für
den Empfang eines einzelnen Signals auf einer einzelnen Frequenz baut,
oder etwas anderes was zu der beschriebenen Problematik passt.

Autor: MarcOni (Gast)
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Martin O. schrieb:
> Mich interessieren dabei Antworten, nicht Die Mitteilung, dass jemanden
> anderen diese Fragen nicht interessieren.

Wer hat das geschrieben?

Autor: asdf (Gast)
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MarcOni schrieb:
> Martin O. schrieb:
...
> Wer hat das geschrieben?

;-)

Autor: Günter Lenz (Gast)
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Martin O. schrieb:
>Wie passe ich das 50 Ohm Signal optimal an den hochohmigen
>Eingang (z.B. 1MegOhm parallel 20pF) an.

Ich würde ein Parallelschwingkreis nehmen,
und an der Schwingkreisspule ein Anzapfung mit
50 Ohm suchen.

Autor: Hp M. (nachtmix)
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Martin O. schrieb:
> Diese Antenne soll
> an einen hochohmigen (1MegOhm parallel 20pF) Einhang angepasst
> werden. (Das ist ein OP als Impedanzwandler vor dem ADC eines SDR)
> Wie passe ich optimal an ?

Wenn es breitbandig bleiben soll: Gar nicht.
Aber auch, wenn du schmalbandige Eingangsschaltungen verwendest, und 
wenn du nur eine sehr kurze Antenne (= wenig Kapazität) hast, dann sieh 
auf jeden Fall zu, dass du mit der Eingangskapazität möglichst weit 
runter kommst, denn sie bildet mit der Antennenkapazität einen 
kapazitiven Spannungsteiler und ist auch sonst schädlich.
Beim  Empfang von sehr niederfrequenten Signalen solltest du auch den 
ohmschen Teil des Eingangswiderstandes im Auge behalten. 20pF und 1M 
bilden einen Hochpass mit einer Eckfrequenz von immerhin 8kHz.

Du wirst aber tatsächlich Hochpässe brauchen, um den ADC nicht zu 
übersteuern, denn die Feldstärke unter einer (Gewitter-)Wolke ist doch 
etwas höher, als die vom SAQ.

Wenn du schmalbandig empfangen kannst, dann kannst du versuchen die 
Antenne über einen Trimmkondensator an einen Eingangsschwinkreis 
anzupassen, aber die korrekte Dimensionierung hängt sehr von der 
Qualität der dort verwendeten Bauteile ab.
Der Strahlungswiderstand einer sehr kurzen Antenne ist jedenfalls sehr 
gering und beeinflusst die Güte der Eingangschaltung nur wenig.
Es wird dir auch nicht gelingen eine schmalbandige Eingangsschaltung zu 
bauen, die ohne Umschaltungen von Bauteilen  einen Frequenzbereich von 
1:10 überstreicht.

Allerdings erschliesst es sich auch mir nicht, weshalb du ein SDR mit 
konventionell schmalbandiger Eingangsstufe bauen willst und dir dabei 
alle die hinreichend bekannten Probleme wie Toleranzen, Drift, schlecht 
konztrolliertes Impulsverhalten ins Boot holst.

Martin O. schrieb:
> Wie passe ich das 50 Ohm Signal optimal an den hochohmigen
> Eingang (z.B. 1MegOhm parallel 20pF) an.
So hochohmig sind die ADC-Eingänge gar nicht und es können spürbare 
Rückwirkungen in den Pufferverstärker auftreten, wenn die S&H Stufe des 
ADC den Speicherkondensator in wenigen ns nachlädt.
Schau dir am besten die Empfehlungen des ADC-Herstellers an, und wundere 
dich nicht, wenn du zwischen Pufferverstärker und ADC nur ein paar 
Dutzend Ohm findest.

Autor: MarcOni (Gast)
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Hp M. schrieb:
> Allerdings erschliesst es sich auch mir nicht, weshalb du ein SDR mit
> konventionell schmalbandiger Eingangsstufe bauen willst und dir dabei
> alle die hinreichend bekannten Probleme wie Toleranzen, Drift, schlecht
> konztrolliertes Impulsverhalten ins Boot holst.

Diese Art Antwort will er offenbar nicht lesen, das interressiert ihn 
nach eigenem Bekunden nicht.

Autor: Martin O. (ossi-2)
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Wie würdet Ihr in einer (LT-) Spice Simluation besagte kurze Wurfantenne
simulieren. Das empfangene Signal soll durch eine entsprechende Quelle
simuliert werden.

Meine Idee: Spannungsquelle in Serie mit kleiner Kapazität
und in Serie mit (hochohmigem) Widerstand zur Verlustsimulation.

Autor: MarcOni (Gast)
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Martin O. schrieb:
> Wie würdet Ihr in einer (LT-) Spice Simluation besagte kurze
> Wurfantenne
> simulieren. Das empfangene Signal soll durch eine entsprechende Quelle
> simuliert werden.
>
> Meine Idee: Spannungsquelle in Serie mit kleiner Kapazität
> und in Serie mit (hochohmigem) Widerstand zur Verlustsimulation.

ja: Spannungsquelle mit kleiner Kapazität in Serie.

Woher soll bei einer kurzen Antenne ein hochohmiger Verlustwiderstand 
stammen? Der Strahlungswiderstand einer elektrisch kurzen Antenne ist 
sehr klein. Der Verlustwiderstand genauso.

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