Sunday, September 1, 2013

The RF surpression ground system myth

Reading around several articles I came across this article at the flexradios systems knowledge center originally written by DU1ANV. Very clear pictures and descriptions on what happens with (un)grounded systems in the shack. He gives 2 main solutions for HAMs that operate from a second floor and cannot make a short lead to a groundrod. The first solution is the well known counterpoise, 1/4 wave radials for everyband connected to the antennatuner. The second is the RF surpression groundsystem. This is how they want it to work:

The grounding device utilizes a coaxial line where the ground wire is enclosed by a shield, such as RG-8 transmission line, to prevent the buildup of high voltage standing wave near the station equipment. The ground wire is enclosed effectively by the coax shield so no high voltage standing wave can buildup in this wire. However, since the shield is exposed and floating, a high voltage standing wave will appear at the outer surface of the coax shield. This voltage is Zero at the shorted end (ground rod terminal) and high at the open end. When you connect a capacitor between the high voltage end of the coax shield and the center conductor, the impedance of this capacitor is very low at the operating frequency, thus acting as a low impedance load (By virtue of its lowreactance = Z, in Ohms) between the shield and center conductor. The RF current will flow easily through this capacitor and is diverted to the center conductor enclosed by the shield and finally to earth ground. The buildup of high voltage standing waves between the inside surface of external shield and the center conductor is suppressed because the characteristic impedance of the RG-8 is only 50-52Ω. And, the voltage drop across the external capacitor (C1) between the open end of the shield and center conductor is;

The combined parallel reactance of this capacitor and the total cable capacitance of the RG-8 transmission line will even decrease further the voltage drop. Also, as the operating frequency goes higher, the reactance of C1 will decrease. Hence, the voltage drop will be even lower. That is, as if the long physical length of coax ground wire is just about less than 1 meter long, electrically (See Table 1). 

The voltage attenuation curve at higher RF operating frequencies above 7.035 MHz will in fact proceed at the rate of minus 6 dB per octave. This means, when the operating frequency is doubled (14.07 MHz); the voltage that exist across C1 will decrease to ½ the original amplitude. Further, because the center conductor of the coax line is connected directly to earth ground, it becomes automatically your electrical safety ground. How do you like that?

Looks and sounds nice....however.....
Never believe everything you read on the internet. Always try to find multiple sources and verification. Well, not much can be found about users of this system. After searching again I read W8JI's article about this system and found that it is electrically impossible to shield a RF earth connection.

VK1OD has reviewed the system as well and has placed his questionmarks.

Conclusion: a RF earth and safety earth are a difficult combination. This leaves us with only one possebility. The counterpoise system and a separate (AC) safety earth. Now back to my new radioshack.

Een beetje rond lezen op internet bracht mij op dit artikel op het flexradio kennis centrum origineel geschreven door DU1ANV. Mooie duidelijke plaatjes en uitleg over wat er gebeurd met "aarde" in de radio shack. Eigenlijk geeft hij 2 oplossingen aan die je zou kunnen gebruiken als je op een 2e verdieping of hoger je shack hebt en een zeer korte verbinding met een "aarde" niet mogelijk is. De eerste oplossing is de bekende 1/4 golf radiaal voor elke band 1 als tegencapaciteit direct achter de antennetuner aangesloten. De tweede oplossing is zoals hij dat noemt de het RF onderdrukkings aardsysteem. Een soort van afgeschermde aarde, het zou ongeveer zo moeten werken:

Het aardsysteem gebruikt een coaxkabel zodat de aarddraad is omgeven door een scherm bijvoorbeeld RG-8, om te voorkomen dat er hoog voltage staandegolven op komen te staan in de buurt van de apparatuur. Maar omdat het scherm ook blootgesteld word aan RF kan er ook een hoog voltage staandegolf op komen te staan. Aan de kant waar het scherm word verbonden met de kern en aan de aardpen vast zit is het voltage nul en aan de andere kant waar het scherm niet verbonden is juist hoog. Door nu een condensator tussen scherm en kern te monteren zou de impedantie van de condensator erg laag moeten zijn als men gaat zenden. Dit zou dan als een laag ohmige impedantie (Z) belasting tussen scherm en kern moeten werken zodat de RF makkelijk van het scherm weer naar de kern kan vloeien en zo weer naar de "aarde". Het opbouwen van hoog voltage staandegolven tussen het scherm en de kern worden onderdrukt vanwege de karakteristieke impedantie van RG-8 (50-52Ohm). Het spanningsverlies over de condensator is:

De gecombineerde parallelle reactantie van de condensator plus de capaciteit van de coaxkabel zal het spanningsverlies zelfs nog groter maken. Als de RF frequentie hoger word zal de reactantie van de condensator afnemen en zal het spanningsverlies alleen nog maar groter worden. Tenminste als de coaxkabel niet langer is dan een meter. De spanningsonderdrukking zal boven bijvoorbeeld 7.035 MHz met 6dB per oktaaf toenemen. Dat wil zeggen dat als men op 14.070 MHz zit de spanning met de helft zal afnemen. Daarbij is dit aardsysteem, omdat het direct aan de aardpen zit, ook een veiligheidsaarde.

Klinkt geweldig hé! Wow, wat een formule's en moeilijke woorden....maar werkt het ook echt?
Geloof nooit alles wat je op internet leest en verifieer dit soort dingen eerst met meerder bronnen en ervaringen. Over dit systeem is niet echt veel te lezen maar W8JI schreef een mooi artikel waarin hij uitlegt dat het elektrisch niet mogelijk is om een "aarde" af te schermen voor RF. 

Ook VK1OD zet zijn vraagtekens in dit artikel.

Conclusie: Een RF aarde en veiligheidsaarde zijn een moeilijke combinatie. Dus voor een shack aarde te ver van een aardpunt is er maar 1 oplossing: de counterpoise (tegencapaciteit) en een aparte veiligheidsaarde. Nu terug naar mijn nieuwe radioshack.


Unknown said...

Hello Bas

Nice idea rather a shame it does not actually work unlike counterpoises which do. Rather than using one per band running around the house though I used to use one of the MFJ-931 units, which meant I only had to use one wire which made the rest of the family happy.

However I did put a ferrite ring choke on the mains feed to the shack as shown on GM3SEK,s web site

and it did seem to make a difference so might be worth trying in your instalation.

Kevin G6UCY

PE4BAS, Bas said...

Hello Kevin, thanks for the comment. I have had the MFJ931 myself but didn't have any advantage with it. In my previous shack I had some RFI on 10m when the 6 elem. beam was pointing over the shack. The MFJ931 didn't help at all. I always used mains net filters on computers and my radio equipment. This time however I use a 1:1 (230V:230V) safety transformer. That way I'm completely galvanic isolated from mains power. The disadvantage is that I can't use the mains safety earth that way. See one of my previous posts. I also tried a 1:1 balun directly after the antennatuner, som say it helps, but I couldn't hear or see any difference and removed it. 73, Bas

Unknown said...

Hello Bas

Units like the MFJ only really work well with antennas that need a earth return like long wires and I imagine your beam probably had a balanced feed. Myself I decided to change to magnetic loop antennas as they fitted well in the loft and were so invisible to the neighbours with the added advantages of acting as an additional tuned circuit and not being affected that much by all RFI from the neighbours or the house wiring.

Regarding the wiring issue I suppose one way out would be to use gas discharge lightning arresters or similar on the antenna feeds and earth them outside the house separate from the house wiring with a bonding earth wire from this point to the shack with chokes on to stop any RF but I am not sure how this would comply to your electrical regulations where you live.

Best of luck though

Kevin G6UCY

PE4BAS, Bas said...

Hello Kevin, for what about the MFJ that is absolutely true. But you have to try something sometimes. It was indeed a balanced system with a balun.

Lightning protection is best made at the tower base. And yes I did have that and will do that. But have to do with a temporary mast at the moment. Till then I want to keep as much static discharges and lightning out of the shack. It can only be done with a groundrod at the antenna cable entry at the house I think.

73, Bas