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 ?

Update 2021: Nieuwe technieken, nieuwe inzichten

Test van een basic Mini Whip antenne (PA0RDT) voor HF Frequenties van 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.
In dit artikel krijg je wat meer inzichten en technieken te lezen. In de "Slim Line" versie, elders op de site is dit minder het geval.
Een 30 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 van storingen in huis. Nadat het exact nagebouwd was volgens Elektuur, 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. 30 à 40 jaar geleden nog wel.
De elektrische 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 eens meteen goed doen. Dus ik maakte een print ontwerp met een PCB ontwerp programma, en tekende daar later ook een schema in, en daarna werd het PCB resultaat afgedrukt, en werd er een PCB van gemaakt.

Het basis 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 min. ongeveer 3x4 cm.
Dit plaatje vertegenwoordigd een capaciteit van ongeveer 3 à 5pF, en is enkelzijdig. Dit kopervlak is gekoppeld aan een J-FET Type nr. J310, die een zeer kleine ingangs-capaciteit heeft van ongeveer 2pF. Dit is ook een lage-ruis transistor versterker. De volgende trap met een 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 de rond 110mA emitterstroom kan trekken.
Deze 2de transistor heeft als hoofdtaak, een hoog/laag impedantie omvormer te vormen met de coax kabel naar de ontvanger.
De voeding gebeurt over de coax-kabel, vanaf de voeding naar de antenne-pcb, het signaal wordt ontkoppeld van de voedingslijn via een smoor-spoeltje.
Alhoewel het ook zonder kan (vliegende opstelling), maak je best een klein printje. Dat is wat stabieler en overzichtelijker.
Tussen het antenne-printje en het voedings-printje kan je zowel een 75 of 50 Ohm coax kabel gebruiken met BNC stekkers, maar voor buiten zijn deze af te raden wegens vocht-problemen, en een BNC is niet echt gemaakt om er veel stroom door te sturen.
Een print kroonsteentje verdient de voorkeur, en daar kan je direct de coax-kabel op aansluiten.
Aan de voedingszijde, tussen de voedings PCB en uw (SDR) ontvanger, gebruik je een stukje coaxkabel (+/- 1m), welke aan 1 kant direct gesoldeerd is aan het voedings-pcb. De andere kant kan een BNC zijn, of een andere connector die op uw ontvanger past.
Op het voedings-PCB'tje :
Voeding: Pad1= +9V, Pad2= GND.
(Pad3= signaal van coax midden-ader, Pad2 en 4= GND).
De impedantie dat de ontvanger ziet, is geschat op ongeveer 100 Ohm.

De PCB's: HF print en voedingsprint - Vervang de BNC door een kroonsteentje

Figure
HF PCB ontwerp - Vervang de BNC door een kroonsteentje
Foto2
Foto HF PCB van de gebouwde HF print
PCB
De voedings PCB ontwerp
PCB
Foto voedings PCB

Klik op de foto voor een grotere versie

Aansluiting van de voeding op een HF-Upconverter en SDR ontvanger:

Voeding

Wat moeten we weten over een MiniWhip ?
Er zijn 2 soorten anntenes voor 2 soorten radio-golven : magnetische en elektrische. Deze staan 90° gedraaid van elkaar.
De MiniWhip (elke whip, of staaf) is gevoelig voor elektrische golven in de lucht.
Een (Magnetic) Loop antenne of Ohm antenne is gevoelig voor magnetische golven in de lucht. We nemen aan dat beide antennes evengoed kunnen werken.
Waar werkt een Miniwip het best ?
Een MiniWhip werkt het best buiten, en weg van bebouwing. Om dit te begrijpen moeten we kijken naar enkele fysieke kenmerken.
Kenmerken van een MiniWhip
Het antenne oppervak van een MiniWhip is meestal een koperen plaatje, maar kan ook een spriet of telescopisch uitschuifbaar zijn, en vormt een heel kleine capaciteit met de lucht. Achter het antenne-oppervlak zit een versterker en een impedatie-aanpasser naar de voedingskabel.
De voeding aan een MiniWhip kan ter plaatse gebeuren met een batterij, of anders via de antennekabel.
Storing in huis en daarbuiten
We moeten ons realiseren dat in de stad, de laatste 30 à 40 jaar, wij in onze huizen, in een enorme electro-magnetische straling leven, komende van verschillende toestellen, zoals (dect) telefoon, computer(s), VGA, LCD en baby monitors, bijna alle lichtnet stekker-voedingen, TL-lampen, LED lampen, WiFi en nog tal van andere electrische stoorbronnen.
Buitenhuis zit je tegenwoordig ook nog met schakelende zonnepanelen en schrikdraad beveiligers.
Deze straling zit zelfs ook op ons hele licht-net, zowel in de stroomdraden, als in aardings-draden.
Denk er aan: ELKE draad, als hij maar lang genoeg is, vormt in huis een stoor-antenne voor een gevoelige ontvanger.
Zwakke signalen ontvangen
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' of 'goede' signalen: de zwakke signalen van buiten worden gemengd met de storing in huis, en vallen dan 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.
Test op stoorstraling
Een eenvoudige test: loop eens rond in huis met een werkend oud middengolf-radiootje, en hou het eens in de buurt van verdachte apparaten. Je zal versteld staan hoeveel herrie die aparaten kunnen maken.
Oplossingen tegen stoorstraling
De enige oplossing voor onze antenne is om een manier te vinden om deze stoor-straling (ruis/brom) te verminderen, zodat onze ontvanger in staat zal zijn om ook de zwakkere, verre signalen genoeg te kunnen ontvangen.
De elektrische veld-antenne
We weten reeds, dat de MiniWhip een elektrische veld-antennes is, en beter het elektrische veld in de lucht ontvangt.
Nu brengen bepaalde metingen wat verassingen aan het licht. B.V. 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 de storing zo grotendeels uitfilterd. Dat is dus niet echt handig voor HF breedband ontvangst.
Verassing
Maar nu komt het: bij verschillende metingen van magnetische en elektrische stralingvelden binnen en buiten, is gebleken dat het elektrische stoor-veld grotendeels BINNEN de muren blijft in ons huis.
Dit is in het voordeel van een electrische veld-antenne,en betekent dat we op enige afstand van ons huis al wat beter verre signalen kunnen ontvangen, en de elektrische stoorvelden uit ons huis al een stuk verzwakt zullen zijn.
Maar blijf evengoed maar ver weg van zonnepanelen of schrikdraad van een weide !
Dit maakt het toepassen van b.v. een kleine aktieve antenne, buiten in een open ruimte al een stuk beter.
Van draad naar spriet-antenne en MiniWhip
Een draad-antenne gedraagt zich primair als een capaciteit op de lagere frequenties.
Deze wetenschap kennende, 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, door de kleine oppervlakte.
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.
FET als signaalontvanger
We ontvangen zeer kleine signalen op de koperplaat, maar we gebruiken een FET die hier heel gevoelig voor is. Met een goede aanpassing werkt het, zolang de stoorvelden in de omgeving voldoende klein genoeg zijn, en binnen bebouwing 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.
Hoe verder de afstand van gebouwen, en hoe hoger, hoe beter de ontvangst zal zijn.
De masthoogte moet niet erg groot zijn, dat kan van 3m tot 12m zijn, als het maar in open ruimte is.
Opstelling van de MiniWhip
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.
Bij een metalen mast, gebruik je best een klein stukje PVC verleng-buis op de mast, waar de MiniWhip in gemonteerd is.
De MiniWhip kan dan ook via een apparte aard-draad verbonden worden met de geaarde metalen mast.

Toch nog storing op de MiniWhip
Indien we buitenhuis de MiniWhip zouden aansluiten op b.v. een SDR ontvanger met een Laptop, zullen er weinig problemen zijn.
Anders is het als we binnenhuis gaan luisteren op een vaste ontvanger of SDR + Laptop, en de antenne-kabel binnen brengen. We krijgen te maken met storing in huis die op de mantel van de antenne-kabel zal instralen. De meeste storing van binnenhuis zal zich verplaatsen over de buitenrand van de antenne-kabel en naar de (buiten) antenne toe kruipen, en zo terug de ontvanger binnenkomen.
Dit ongewenst effect noemt men mantelstromen of common-mode (choke) stromen. Lastig te ontstoren
Een MiniWhip is lastig te ontstoren, mede doordat de voeding ook over de coax-kabel gaat, en het moeilijk maakt om een ontstoor-spoel te plaatsen.
Indien er een voeding van een USB-bus gebruikt wordt, zal er zo goed als zeker storing op de antenne-kabel optreden.
Dit komt doordat de USB-bus NIET gescheiden is van de lichtnet-aarde, en de aarde van onze PC, en zo alle storing in huis doorlaat.
Dat kan je gemakkelijk doormeten met een universeel meter, of je massa van je USB-bus aan de aarde van je computer hangt,
of aan je ontvanger, en zelfs aan de rand-aarde van het lichtnet. Dit is vragen om moeilijkheden: een PC of Laptop (voeding) mag NIET geaard zijn aan het lichtnet, of moet op zijn minst voor de veiligheid een scheidingstransfo hebben.
Sommige Laptops hebben echter een NIET geaarde voeding,waardoor er minder stoorproblemen kunnen zijn in de ontvanger. Kijk of je Laptop een geaarde stekker heeft of niet. Technieken om te onstoren
Er zijn wel een paar technieken om de storing te verminderen, maar ze zijn eerder beperkt.
- Werk bij een laptop bij voorkeur op zijn batterijvoeding
- Je kan een 240V/230V scheidings tranfo gebruiken om de net-aarde af te koppelen.
- Soms is het mogelijk om een niet-geaarde laptop voeding te gebruiken (aarding afkoppelen)
- Alle USB (SDR) dongles liggen met hun aarding aan de vervuilde voedings-aarde, en dat is geen goede zaak.
- Een USB aarde-isolator kan dan helpen om storing te vermijden op je antenne.
- Sluit NOOIT de lichtnet aarde aan op je ontvanger chassis, maar een apparte propere grond-aarde aan het chassis.
- Plaats 2 ontstoorspoelen (chokes) in de antennekabel, één aan de kant van het huis, waar de kabel het huis verlaat, en één in de kabel, tegen de onderkant aan de mast
- Een metalen mast aard je ook terplaatse, onderaan de mast.
- In mijn geval hielp een RF-signaal isolatie-trafootje, net na de antenne-voeding, om binnenhuis de ruis drastisch te verminderen.
- De meeste goede kabels van USB, LCD, VGA monitor, Netvoedingen, hebben al een 'verdikking' met een ontstoorspoeltje, maar het effect is meestal niet genoeg zichtbaar of merkbaar.

Construktie
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