Magnetic Loop Koppelschleifen

Untersuchungen an Einkoppelschleifen ...

Loop Combi 01

 


 

Beim Bau einer Magnetic-Loop Antenne stößt man unweigerlich auf die Frage der Einkopplung.
Bewährt hat sich bei vielen die induktive Ankopplung per Koppelschleife. Wie genau
funktioniert diese allerdings und welche Vor/Nachteile haben die unterschiedlichen
Ausführungen ?

Nach Recherche in Literatur und Internet kann man die unterschiedlichen Lösungen
auf 3 Varianten eindampfen (Andere Lösungen unterscheiden sich nur noch in der Lage innerhalb
der Magnetic-Loop selber, der Geometrie oder in der Art der Erdung bei Aussenmontage) :

A) Prinzip Drahtschleife A) Foto Drahtschleife A) Aufbau
 KS A 02  KS A 01 Einfacher Kupfer-Draht wird vom Innenleiter ausgehend kreisförmig gebogen und am Ende am Aussenleiter angelötet.
B) Prinzip Koax-Schleife B) Foto Koaxschleife B) Aufbau
 KS B 02  KS B 01 Start der Loop : Innenleiter mit Innenleiter und Aussenleiter mit Aussenleiter verbinden. Am Ende der Loop wird die Schirmung unterbrochen / isoliert. Nur der Innenleiter wird an den Aussenleiter der Buchse gelötet.
C) Prinzip geteilte Koax-Schleife C) Foto geteilte Koaxschleife C) Aufbau
 KS C 02  KS C 01 Start der Loop : Innenleiter mit Innenleiter und Aussenleiter mit Aussenleiter verbinden. In der Mitte der Loop wird dann der Aussenleiter unterbrochen und isoliert. Nur der Innenleiter geht zum zweiten Teil der Loop weiter. Hier sind jeweils am Anfang und Ende Innen und Aussenleiter verbunden.

 

Alle folgenden Messungen sind nur mit der reinen Koppelschleife durchgeführt worden
(die Koppelschleife befindet sich nicht in einer Magnetic Loop) !

Messung Loop 1:


Aufnahme von S11 mit dem TAPR-VNA, Umrechnung und Anzeige mit Vorlage-Blatt von "www.rfcafe.com" incl.
einiger Anpassungen und Änderungen sowie Zusatzausgaben.

loop1 smith uncorr

Hier sieht man gut, das der Betrag sehr genau gemessen sein muss. In diesem Grenzbereich ist der VNA
schnell am Ende seiner Genauigkeit. Nach setzen des Betrages von S11 auf 0 ergibt sich folgendes Bild:

loop1 smith corr

Das ganze können wir uns nun als Betrag der Impedanz anschauen :
(Korrigiert und unkorrigiert ergeben hier das gleiche Bild da der reale Anteil gering ist).

loop1 imped uncorr

Zuletzt noch die Umrechnung der Impedanz in eine reine Induktivität :
(auch hier unterscheiden sich korrigiert und unkorrigiert kaum)
loop1 induc corr


Fazit : Bis 40 MHz erscheint die Loop wie eine Induktivität von 427nH, zu höheren Frequnzen
erkennt man den Verlauf eines Parallel-Schwingkreises mit einer Resonanzfrequenz >> 100 MHz.

Messung Loop 2:

Aufnahme von S11 mit dem TAPR-VNA, Umrechnung und Anzeige mit Vorlage-Blatt von "www.rfcafe.com" incl.
einiger Anpassungen und Änderungen sowie Zusatzausgaben.

loop2 smith uncorr

Hier sieht man gut, das der Betrag sehr genau gemessen sein muss. In diesem Grenzbereich ist der VNA
schnell am Ende seiner Genauigkeit. Nach setzen des Betrages von S11 auf 0 ergibt sich folgendes Bild:

loop2 smith corr

Das ganze können wir uns nun als Betrag der Impedanz anschauen :
(Korrigiert und unkorrigiert ergeben hier das gleiche Bild da der reale Anteil gering ist).
Die Resonanz-Frequenz liegt bei 31,29 MHz (|Z|=6,423kOhm @ fres)

loop2 imped corr

Zuletzt noch die Umrechnung der Impedanz in rein Induktivität/Kapazität :
(auch hier unterscheiden sich korrigiert und unkorrigiert im Bereich der Resonanz etwas)

loop2 induc corr

Fazit : Bis zur Parallel-Resonanz ist die Loop induktiv, danach kapazitiv. Die Resonanzfrequenz liegt bei
31,29MHz, bei dieser ist die Impedanz |Z|=6,423kOhm

Messung Loop 3:

Aufnahme von S11 mit dem TAPR-VNA, Umrechnung und Anzeige mit Vorlage-Blatt von "www.rfcafe.com" incl.
einiger Anpassungen und Änderungen sowie Zusatzausgaben.

loop3 smith uncorr

Hier sieht man gut, das der Betrag sehr genau gemessen sein muss. In diesem Grenzbereich ist der VNA
schnell am Ende seiner Genauigkeit. Nach setzen des Betrages von S11 auf 0 ergibt sich folgendes Bild:

loop3 smith corr

Das ganze können wir uns nun als Betrag der Impedanz anschauen :
(Korrigiert und unkorrigiert ergeben hier das gleiche Bild da der reale Anteil gering ist).
Die Resonanz-Frequenz liegt bei 44,83 MHz (|Z|=10,689kOhm @ fres)

loop3 imped corr

Zuletzt noch die Umrechnung der Impedanz in rein Induktivität/Kapazität :
(auch hier unterscheiden sich korrigiert und unkorrigiert im Bereich der Resonanz etwas)

loop3 induc corr
 
Fazit : Bis zur Parallel-Resonanz ist die Loop induktiv, danach kapazitiv. Die Resonanzfrequenz liegt bei
44,83MHz, bei dieser ist die Impedanz |Z|=10,689kOhm
Anmerkung :

 

1. Koppelschleifen-Aufbau

Durchmesser 16,5cm (ausgehend von einer Loop mit 82,5cm Durchmesser und D/d=5/1)

A) Drahtschleife aus Vollkupfer 3,5mm Durchmesser.
B) Schleife aus RG58C/U, Innenleiter am Ende an Masse, Aussenleiter am Ende offen.
C) Schleife aus RG58C/U, In der Mitte wird der Aussenleiter unterbrochen.
   Im zweiten Teil der Schleife wird Innen und Aussenleiter an beiden Enden
   verbunden. An einer Seite mit den anderen Innenleiter und an der anderen
   Seite mit dem Aussenleiter verbunden.

RG58C/U Durchmesser des Schirm-Geflechts : ca. 3,2mm
RG58C/U Durchmesser des Innenleiters : ca. 0,9mm

 

2. Messung Induktivität

 

A) 430nH
B) 577nH
C) 501nH

 

3. Rechnung Induktivität


L = u * a * ( LN ((8*a)/b) - 2 )

a=Radius der Schleife
b=Radius des Leiters der Schleife
u= 4*PI*10^-7

A) 408nH
B) 548nH (Nur Innenleiter gerechnet)
C) Hälfte nur Innenleiter und Hälfte Aussenleiter ergibt 482nH


 

 

Nach Untersuchung der 3 Koppelschleifen-Arten stellte sich die Frage, wie die
Position innerhalb der Loop auf die Anpassung eingeht. Dazu wurde die
Koppelschleife mit Gummiband am Holzstab befestigt und der Abstand zwischen
Koppelschleife und Loop von der Mitte bis zum äusserst möglichen verändert.

Loop Abstand 01

 

Bei den hier verwendeten Abmessungen ergibt dies eine Distanz von 33...0cm.
(Loop-Durchmesser ... Koppelschleife ...)

 

Beim kleinsten Abstand befand sich nur noch ein Streifen Isolierband zwischen
 Loop und Koppelschleife :

 

Loop Abstand 02

 

Mit dem TAPR VNA wurde nun jeweils ein Smith-Diagramm aufgenommen und die
max. Rückflussdämpfung sowie das beste SWR bei der Resonanzfrequenz gemessen.

 

Zuerst ein Animiertes GIF-Bild, in dem die Anpassung bei unterschiedlichen
Abständen dargestellt ist :

Loop Distanz Smith

 

Nun kann man sich die maximale Rückflussdämpfung anschauen:

Loop Distanz S11

 

Sowie das SWR bei Resonanz:

Loop Distanz SWR

 

Und die Veränderung der Resonanzfrequenz selber aufgrund des Abstands:

Loop Distanz fres


FAZIT :

 

Je kleiner der Abstand desto fester ist die Kopplung und besser die Anpassung.
Bedingt durch die feste Kopplung nimmt man unweigerlich auch Einfluss auf die
Resonanzfrequenz der Loop.

 

Da das magnetische Feld um die Koppelschleife stark mit dem Abstand abnimmt,
findet der Großteil der Koppelwirkung nur statt, wenn Koppelschleife und äußere
Loop im minimal möglichen Abstand zueinander stehen.

 

Die Koppelschleife kann sich damit also auch ausserhalb der Loop befinden !

Loop Kopplung

 


Nun kombinieren wir die bisherigen Messungen. An 4 unterschiedlichen Positionen
werden die 3 Koppelschleifen-Arten in der Loop angebracht und jeweils mit dem
VNA die S11 Werte aufgenommen:

Loop Combi 01

Als Abstand wähle ich 0//2//5//10cm.

Legt man alle Messungen übereinander so ergibt sich folgendes Bild :

Loopvergleich Smith

Zusätzlich tägt man die Messung noch als S11 und SWR auf :

Loopvergleich SWR

Loopvergleich S11

Man erkennt, das die Kopplung bei Loop 2 und 3 beim kleinsten Abstand besser als bei Loop
1 zu sein scheint. Zusätzlich fällt noch eine Drehung im Smith-Diagramm auf.

Betrachten wir uns die Loops nochmal genau. Der VNA wurde auf den unteren Anschlusspunkt
kalibriert. Dieser stimmt mit dem Startpunkt der Loop 1 überein. Bei Loop zwei haben wir
aber erst einmal eine Koax-Leitung die den vollen Umfang umfasst, bevor unser
Messobjekt startet. Bis hier hin fließt die HF im Feld zwischen Innen und Aussenleiter.

Loop Combi 02

Und genau die ganze (Loop2) und halbe (Loop3) Leitung sehen wir im Smith-Diagramm als Drehung wieder !

Loop Combi 03

Das ganze läßt natürlich auch überschlägig wie folgt errechnen :

Bei der Mittenfrequenz von 14,2 MHz ergibt sich ein Lambda von 21,1267m.

Im RG58 Koax mit einem vk von 0,66 ergibt sich damit eine mechanische
Länge von 0,66*21,1267 = 13,9436m

Im Smith-Diagramm ist eine Drehung (360 Grad) genau Lamda halbe.

Macht also 13,9436m/2 = 6,9718m entspricht 360 Grad

Die Koppelschleifen haben jeweils 16,5cm Durchmesser und damit
16,5cm * PI = 51,836cm Umfang.

Damit liegt der Messpunkt elektr. gesehen bei Loop 3 ein halbe
Umdrehung (25,918cm) und bei Loop 2 ein ganze Drehung (51,836cm) weiter
weg als bei Loop 1.

Das entspricht dann im Smith-Diagramm einer Drehung von Loop 3 = 13,4 Grad
und  Loop 2 = 27 Grad. 

(Dazu kommen natürlich noch die eigentlichen Komponenten im Smith durch L und C
der Koppelschleifen an sich).