ON1BES Labo 2021           Basic HF Mini Whip Antenne (10kHz - 30 MHz)

home
Back to Index-page

Click here for the EN version

De eerste Mini Whip antenne in UBA-SNW ?

Test van de (Basic) PA0RDT Mini Whip antenne voor HF Frequenties 10kHz tot 30MHz

Na een intense zoektocht op Internet naar een eenvoudige antenne voor HF-SDR ontvangst(10kHz-30MHz) kwam ik deze Mini-Whip tegen van maker PA0RDT, welke is te vinden in vele variaties. Ook de jongens van de Nederlandse Unief Twente, maken gebruik van deze antenne voor hun Web-SDR. Omdat het een aktieve antenne is, was ik vrij sceptisch, omdat mijn eerdere ervaringen in deze soort antennes eerder ontgoochelend waren. Een 20 tal jaren geleden, was er eens een gratis printje van Elektuur, waarmee je een aktieve (binnenhuis) antennetje kon maken, met een schuif-sprietje. Dat was niet echt een success, en het geheel belande in de rommelbak. Ik wist toen niet echt hoe het werkte, en had toen nog niet gehoord over storingen in huis. Nadat het exact volgens Elektuur nagebouwd was, werkte het ook niet heel goed.
Conclusie: je moet wel wat van de theorie van de Mini-Whip gezien hebben om het te doorgronden.
Laat het me zo zeggen: deze spriet-antenne werkt tegenwoordig NIET meer binnenhuis. 20 à 30 jaar geleden nog wel. De stoorstraling binnenhuis is tegenwoordig gewoonweg veel te sterk. Later meer hierover.
Maar ja, ik was nu wel begonnen met de bouw van een eigen antenne, een Mini-Whip. Ik dacht, laten we het meteen goed doen. Dus ik maakte een PCB ontwerp met een PCB ontwerp programma, en tekende daar ook een schema in, en daarna werden de resultaten uitgeprint, en werd een PCB gemaakt.

Het schema:

Schema
Klik op de tekening voor een grotere versie
Het schema is zoals je er vele op internet kan vinden. Er is bijna geen variatie. De eigenlijke antenne is een koperen plaatje van ongeveer 3x4 cm. Dit plaatje vertegenwoordigd een capaciteit van ongeveer 10pF, en is enkelzijdig. Deze is gekoppeld aan een J-FET Type J310, die een vrij hoge ingangs-capaciteit heeft van ongeveer 3pF. Dit is ook een lage-ruis versterker, met daarachter een signaal ontkoppeling van de voeding. De 2de transistor, type TRW80181, is een oude VHF RF transistor, welke gebruikt werd in kabel-TV versterkers. Een andere, goede HF/VHF transistor is ook goed (bv 2N5109), als hij maar rond 120mA emitterstroom kan trekken.
Deze 2de transistor heeft als hoofdtaak, een impedantie omvormer te vormen op de kabel naar de ontvanger.
De voeding kan gebeuren over de coax-kabel aan de ontvangerskant, en wordt ontkoppeld van de signaallijn via een spoeltje.
Voor dit geheel maak je best ook een klein printje. Tussen het antenne-printje en het voedings-printje kan je zowel een 75 of 50 Ohm coax kabel gebruiken met BNC stekkers.
De coaxkabel (+/- 1m), komende van de ontvanger is direct gesoldeerd aan het voedings-printje (Pad3= signaal, Pad2 en 4= GND).
Voeding: Pad1= +9V, Pad2= GND.
De impedantie dat de ontvanger ziet, is geschat op ongeveer 100 Ohm.

De PCB's: HF print en voedingsprint

Layout

Klik op de foto voor een grotere versie

De totale afmeting van de PCB is slechts 3cm x 9cm !

Foto complete HF print :

Print_HF0

Merk op dat het spoeltje van 10µH, dat je niet kan zien, geplaatst is aan de koper-zijde.

Foto van afgewerkte voeding PCB :

Print_HF3

Klik op de foto voor een grotere versie

Een beetje theorie
Waarom werkt deze antenne enkel buiten ?
Om dit te begrijpen moeten we kijken naar enkele fysieke kenmerken. Er zijn elektriche velden en magnetische velden in de lucht. Deze actieve antenne is enkel gevoelig aan het elektrisch veld in de lucht. Het antenne oppervak is een koperen plaatje, en dit vormt een zeer kleine capaciteit met de lucht. We moeten ons realiseren dat in de stad, en in onze huizen, de laatste 25 à 30 jaar, wij leven in een enorme electro-magnetiche straling, komende uit verschillende toestellen, zoals onze (dect) telefoon, computer, baby monitor, bijna alle stekker-voedingen, TL-lampen, LED lampen, WiFi en nog tal van andere zaken. Deze straling zit zelfs ook op, en in ons licht-net, in de stroomdraden, en in de aard-draden ervan. Dit hele netwerk van draden vormt een stoor-antenne, die in het hele huis aanwezig is. We leven dus in vrij sterke electro-magnetische straling, die belet om andere zwakkere signalen van buiten te onvangen, met een gevoelige ontvanger als b.v. een SDR ontvanger. Ze zijn er wel, maar ze worden volledig weggedrukt door de stoor-straling in huis, die sterker is.
Een ontvanger maakt geen onderscheid tussen slechte en goede signalen: de zwakke signalen worden gemengd met de storing in huis, en vallen praktisch volledig weg.
Met andere woorden: de sterke stoorstraling in een huis heeft een hoge ruis-waarde, en de zwakke RF signalen die we willen ontvangen, hebben een lage ruis-waarde. In deze lage-ruis versterker, komen de zwakke signalen niet boven de sterke storing uit, zodat we ze niet zullen horen in onze ontvanger.
De enige oplossing hiervoor is om een manier te vinden om deze stoor-straling (ruis) te verminderen, zodat onze ontvanger in staat zal zijn om ook de zwakkere, verre signalen genoeg te kunnen ontvangen. Met deze kennis, kunnen we een aantal fysieke metingen doen, met soms verassende resultaten.
Velen weten reeds, dat er algemeen gezien twee soorten veld-antennes zijn: het ene type (de meeste venster-antennes) ontvangen beter het elektrische veld in de lucht.
De andere type's (meestal Loop-antennes) ontvangen beter het magnetische veld in de lucht.
Nu brengen bepaalde metingen zo wat verassingen aan het licht. Magnetische (loop) antennes, geplaatst binnenhuis, ontvangen een massa storing in huis, maar kunnen nog enigzins werken, omdat deze loop-antenne, scherp, met een draai-condensator moet afgestemd worden op een zeer smal frequentie-bandje. En dat is dus niet echt bruikbaar voor HF breedband ontvangst. Venster antennes hebben deze afstem-condensator niet, en ontvangen binnenhuis de volle stoor-straling over de gehele HF band. Maar nu komt het: bij verschillende metingen van magnetische en elektrische straling binnen en buiten, is gebleken dat het magnetische stoor-veld grotendeels BINNEN blijft in ons huis, binnen de muren dus. De electrische velden hebben hebben hier minder last van. Dit betekent dat we op enige afstand van ons huis al betere verre signalen kunnen ontvangen, en de stoorvelden uit ons huis al een pak verzwakt zullen zijn. Dit maakt het toepassen van b.v. een raam-antenne, buiten al een stuk beter.
Een draad, van b.v. een raam-antenne, gedraagt zich primair als een capaciteit op de lagere frequenties.
Als je deze wetenschap kent, is dit ook toepasbaar op een 'spriet" antenne, aktief of niet. En hij zal dus gemakkelijk het electrische veld in de lucht ontvangen.
Als dit ook gekend is, kan men uitkijken naar andere, gelijkaardige type's van antennes. Het blijkt dat een kleine Whip antenne het meest capacitief werkt.
Dit geeft aanleiding om de spriet te vervangen door een "capaciteit", of simpelweg een koperen plaatje. En het werkt ! En zo was de MiniWhip geboren, alhoewel van de "Whip" niet veel overblijft, maar de naam is gebleven. Een nadeel zou kunnen zijn dat het ontvangende deel van de antenne, het koperen plaatje vrij klein is, en de ontvangen signalen ook heel klein zullen zijn. Eigenlijk is dat ook wel waar, maar we gebruiken een FET die heel gevoelig is voor voor kleine signalen. En het werkt, zolang de stoorvelden in de omgeving voldoende klein genoeg zijn, en binnen de huizen blijven. Metingen tonen aan dat de allerbeste RF ontvangst op ongeveer 100m van gebouwen zal zijn. Maar dat is absurd. De meesten onder ons halen die afstand niet. Alhoewel, het is gebleken dat het mogelijk is om al vanaf enkele meters van gebouwen, RF signalen te ontvangen zijn.
Hoe verder de afstand van gebouwen, natuurlijk, hoe beter de ontvangst zal zijn.
Een opmerking: een MiniWhip moet zich vrij in de lucht bevinden. Dit wil zeggen dat bij gebruik van een metalen mast, de MiniWhip BOVENOP de buis moet geplaatst worden, NIET neven, of langs de buis. Gebruik desnoods een klein stukje plastiek verleng-buis op de mast, om daar dan de MiniWhip op te monteren.
De MiniWhip moet dan ook via een apparte aard-draad verbonden worden met de metalen mast.
Constructie
Met het bouwen zijn er geen grote problemen te verwachten. Mijn eerste test-versie was gemaakt van onderdelen uit de junkbox.
De antenne coax kabel (RG-58) was ongeveer 10m lang, maar het mag ook gewone TV of SAT kabel van 75 Ohm zijn. Ik heb geen verschil in signaal-sterkte tussen de twee kunnen aantonen.
Testen
De eerste test is gebeurd met een 9V clip-batterij, direct op de HF PCB aangesloten. Later kan je het splitter/voedings PCB maken en op het einde van de coax in huis aansluiten, en daar de 9V batterij of een 9V voedingsadaptor op aansluiten. De antenne-kabel heeft aan beide kanten een BNC stekker, die past op zowel de antenne PCB als de voedings PCB. Aan de voedings PCB wordt rechtstreeks een stukje (1m) coax gesoldeerd, en de andere kant gaat naar je ontvanger, ook met een BNC of de juiste connector of verloopstuk dat op je ontvanger past.
Foto's in de praktijk :
Outsite_4m Detail_HFboard insite_house
Buiten op 4 meter van het huis in open lucht Detail van het HF PCB + de 9V batterij Geen ontvangst meer binnehuis !
Klik op de foto voor een grotere versie
De ontvanger

De bedoeling was om deze antenne te gebruiken voor SDR ontvangst, dus dat werd ook getest.
We gebruiken daarvoor een PC of een Laptop, met het HAM programma HDSDR (of een ander), waarmee we een aantal observaties en pseudo metingen kunnen doen.
Om te kunnen vergelijken, doen we de omgekeerde weg: we trachten te beginnen met het vinden van de beste signaal ontvangst met een buiten-opstelling, waarna we stelselmatig dichter tegen het huis komen, en kijken wat er met het signaal gebeurd.

Ontvangst-scherm, buiten op 4 meter van huis in open lucht :

4m_outsite

Klik op de foto voor een grotere versie

Een goede test is om enkele NL middengolf stations te zoeken, die soms overdag wat moeilijk te ontvangen zijn. Op het scherm zien we de ontvangst van NL Radio5 op 1.800kHz, die redelijk goed is.

Ontvangst-scherm, op 2 meter van huis, onder een plastiek afdak :

2m_outsite

Klik op de foto voor een grotere versie
Hier zien we dat de ontvangst op 1.800kHz reeds sterk verzwakt is. Franse stations, die zeer sterk zijn, blijven goed te ontvangen.

Ontvangst-scherm, op 1 meter van huis, onder een plastiek afdak :

1m_outsite

Klik op de foto voor een grotere versie

Op 1m van de buiten-muur zien we dat het NL station al bijna geheel verdwenen is. Je ziet hier al dat de storing sterker wordt, aan de vorm van meer, en sterkere "ruis" gordijnen.

Ontvangst-scherm binnenhuis op 2 meter van het raam :

insite

Klik op de foto voor een grotere versie

Binnen in huis is de ontvangst zeer slecht. Er is nog meer stoor-straling te zien, en er zijn geen duidelijk signalen meer. Franse stations zijn ook praktisch niet meer te ontvangen.

Enkele frequentie-banden:
183kc 7mc
Begin van het HF spectrum met enkele sterke Franse stations Spectrum van de 40m Amateur-band (is beter 's avonds)
 Tijd-zenders zoals DCF77 (77.5kHz) en ook 60kHz moeten overdag goed te ontvangen zijn.
De 40m band kan beter, als er condities zijn, maar hier zijn al een paar CW en Phone signalen te zien.
10mc 21mc
De 10MHz www tijd-zender, en een paar CW en Voice signalen. De 10m Amateur-band band, met veel CW signalen en Voice stations

Klik op de foto voor een grotere versie

De 10MHz www tijd-zender komt zwak door (is beter 's avonds), en er zijn ook een paar CW en Voice staions te horen.
Op 21MHz, de 10m band, met vele mooie CW signalen en Voice stations.
Dit laat zien dat de antenne nog steeds werkt tot boven de 21MHz.

Hier is de the MiniWhip voeding UIT : kijk wat een verschil ! Er is niets meer dan valse stoor-signalen en stoor-pulsen te zien.

MW out

Referenties (Sommige werken mogelijks niet meer):
Kijk ook uit naar de Slim-line versies: ON1BES mini_whip_slim_line_nl
PA0RDT-Mini-Whip.pdf
PA4NIC MiniWhip-pagina
Technical pages :
PA4RDT Mini-Whip_English.pdf
PA3FWM projects miniwhip
PA3FWM technotes Grounding
Deze antenne is heel geschikt voor mijn SDR HF UP-converter :
SDR HF-Upcovertor v3.0

mail on1bes at Scarlet.be