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Monopol und Dipol Aktiv-antennen

Grundlagen, Technik und Selbstbau von
E-Feld Aktivantennen für den Empfang.

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Die Lebensversicherung fürs Funkgerät - ein Antennen-Trennschalter zum Schutz vor atmos-phärischen Über-spannungen.
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Klein und Leistungsfähig: Impedanzwandler Aktivantenne mit FET-PNP Kombi.
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Whip Aktivantenne - warum eine UKW-Sperre Sinn macht

Das Empfangsspektrum einer Aktivantenne mit und ohne UKW-Tiefpass.
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Neu: Aktivantenne mit Gegentaktendstufe und passender Fernspeiseweiche. Platinen auf Anfrage.
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Whip und Loop Aktivantennen

Vortrag über Funktion, Aufstellung Betrieb elektrischer und magnetischer Aktivantennen
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Einblick in die Grundlagen der EMV beim Schaltnetzteil, sowie die Entstehung und Ermittlung von Störemissionen.
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Der Norton Verstärker
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Active Antenna

Aktiv-Antennen Projekte

Aktivantennen

Kann eine Aktivantenne mit einem kurzen Stab oder einem Stück kupferkaschierter Leiterplatte von wenigen Quadratzentimetern Größe als "Antenne" Signale von 10 kHz bis 30 MHz mit ausreichendem Signal/Rauschabstand empfangen?  Ja das geht! Die Thorie der elektrisch kurzen Anntennen (so nennt man Antennen deren Strahlerabmessungen kurz im Verhältnis zur empfangenen Wellenlänge sind), sagt: eine kurze Antenne kann das fast genau so gut wie ein resonanter Halbwellendipol. Dazu muss man allerdings die sehr kleinen Strahlungswiderstände und hohen Blindanteile der kurzen Antennenelementen aktiv mit einem geeigneten Verstärker auf 50 Ohm anpassen.

Bei einer Aktivantenne bilden Antennenelement und Verstärker eine aufeinander abgestimmte Einheit. Verstärker für aktive Antennen müssen breitbandig sein und dabei eine hohe Empfindlichkeit und geringes Eigenrauschen aufweisen. Das Eigenrauschen der Elektronik soll  über den Nutzfrequenzbereich unter dem externen Rauschpegel liegen. Der Verstärker einer Aktivantenne muss in der Lage sein, viele gleichzeitig anliegende Empfangssignale linear ohne Verzerrungen zu verstärken. Unlinearitäten im Verstärker führen zu unerwünschten Intermodulationsprodukten, die sich als Geistersignale, Zischen und Zirpen äußern.

Überblick Whip - Dipol - Loop



Monopol oder Whip Aktivantennen sind unsymmetrisch und arbeiten gegen Erdpotenzial als Referenz. Ihr Nahfeld Feldwellenwiderstand ist hochohmig und sie reagieren sensitiv auf elektrische Wechselfelder. Um die hochohmig antehende  Empfangsspannung an ein 50 Ohm Empfangssystem verlustarm anzupassen, benötigt man einen aktiven Impedanzwandler als Verstärker. Masthöhe, Erdung und Kabel interagieren mit der Aktivelektronik und müssen bei der Aufstellung als Gesamtsystem berücksichtigt werden. Bei allen Monopol/Whip Impedanzwandler-Aktivantennen sind Art und Ort der Aufstellung und der Einfluss des Koaxialkabelmantels und dessen Erdung ausschlaggebend für die Empfangsleistung und das S/N. Praktische Information hierzu in den  
"WhipTipps (pdf)"

  • Pro:    Klein und leistungsfähig
  • Con:   Empfindlich gegen unerwünschte Störeinkoppelung, interagiert mit Masthöhe, Erdverbindung und Außenschirm des Koaxialkabels.

Dipol Aktivantennen sind breitbandige, symmetrische Antennen. Sie  nutzen die Gegentaktspannungen zwischen den Dipolästen und sind dadurch unabhängig vom Erdpotenzial als Bezug. Der Nahfeld Feldwellenwiderstand elektrisch kurzer Impedanzwandler-Dipole ist hochohmig und sie reagieren sensitiv auf elektrische Wechselfelder. Um die hochohmig anstehende  Empfangsspannung an ein 50 Ohm Empfangssystem verlustarm anzupassen, benötigt man einen symmetrischen Impedanzwandler als Verstärker.  Im Gegensatz zu Monopol- bzw. Whips sind sie besser entkoppelt vom Einfluss von Mast und Erdung und bieten oft einen besseren Signal-Rauschabstand. Horizontal montiert hat eine Dipol ein Richtdiagramm in Form einer liegenden 8 mit Vorzugsrichtungen im rechten Winkel zur Strahlerachse.

  • Pro:     Symmetrische Auslegung weniger störempfindlich als Monopol Aktivantennen, gutes S/N
  • Con:    Geringere Signalpegel als Monopole, erfordern eine gute Symmetrierung (Balun) vom Kabel um eine Einkopplung von Gleichtaktstörungen zu minimieren.

Loop Aktivantennen sind symmetrische Antennen, sie arbeiten unabhängig von Erde als Bezugspotenzial. Elektrisch kurze Schleifen (= Umfang weniger als ein Zehntel der Empfangsfrequenz)  wirken als induktive Antenne, ihr Nahfeld Feldwellenwiderstand ist niederohmig, sie sind sensitiv auf magnetische Wechselfelder. Man nennt sie in der Literatur daher oft "magnetischer Dipol" oder Small-Magnetic-Loop. Für den aperiodischen Betrieb einer Loop als Breitbandantenne  benötigt man einen symmetrischen Strom-Spannungswandler mit niederohmiger Eingangsimpedanz als Verstärker. Vertikal aufgestellt hat eine Loop ein Richtdiagramm in Form einer liegenden 8 mit Vorzugsrichtungen im rechten Winkel zur Schleifenfläche. Loops haben - bei guter Symmetrie der Verstärkerelektronik - ausgeprägte Empfangsminima in Richtung der Ebene der Schleifenfläche. Man kann sie daher gut zur Minimumpeilung verwenden oder störende Sender aus einer anderen Richtung ausblenden.

  • Pro:    Symmetrisch und niederohmig, dadurch weniger störempfindlich als hochohmige Aktivantennen. Gutes S/N und - mit Einschränkungen - auch indoor oft noch brauchbarer Empfang.
  • Con:   Mehr Platzbedarf als eine Whip. Für den Empfang langer Wellen (VLF/LH) ist für ein hohes S/N eine Loop mit größerer umschlossener Fläche notwendig.

Selektive Loop
Antennen sind schmalbandig abgestimmte Schleifenantennen, bei denen die durch die Schleife gebildete Induktivität mit einem variablen Kondensator zu einem abstimmbaren Parallelschwingkreis ergänzt wird. Eine selektive Loop kann auch aus mehreren Windungen bestehen. Der Loop-Schwingkreis muss bei der Empfangsfrequenz auf Resonanz abgestimmt werden. Breitbandempfang ist nicht möglich. Um die Empfangsspannung am Resonanzkreis hochohmig zu entnehmen und an ein 50 Ohm Empfangssystem anzupassen, benötigt man, ähnlich wie beim Aktivdipol, einen symmetrischen Impedanzwandler als Verstärker.

  • Pro:    Hohe Ausgangsspannung, wirkt gleichzeitig als schmalband Preselektor, gutes S/N
  • Con:   Eingegrenzter Frequenzbereich. Erfordert manuelles Nachstimmen mit dem Empfänger. Schmalbandig, zum Überstreichen der Bänder oder für SDRs und Bandmonitoring schlecht geeignet. Vom Empfänger abgesetzter Betrieb erfordert eine aufwändige ferngesteuerte Abstimmung.

UniWhip

FET-PNP.jpg
Die etwas bessere MiniWhip
Die UniWhip Aktivantenne ist eine rauscharme und leistungsfähige Variante einer einfachen Impedanzwandler-Aktivantenne.  Der „High Impedance Low Capacity Wideband Buffer Amp“, eine Kombination von JFET und PNP Transistor, findet sich in einer frühen App-Note von National. Messungen von PA3FWM, der dieses Schaltungsprinzip für die Verwendung als Aktivantenne wiederentdeckt hat, zeigen beeindruckende Werte für die Empfindlichkeit und die Großsignalfestigkeit (IP3). Eine der UniWhip weitgehend ähnliche Aktivantenne ist seit 2018 an dem bekannten Web-SDR in Twente im Einsatz. Bei der UniWhip werden überwiegend SMD Bauteile verwendet. Wegen der geringen Anzahl an Bauteilen und ausreichenden Abständen dazwischen, eignet sich die UniWhip als Einsteiger-Projekt für den Selbstbau mit SMD-Bauteilen.

  • Aktive Empfangs-Antenne für Amateurfunk und Broadcast DX und Bandmonitoring
  • breitbandig - empfängt von VLF bis 150MHz und höher
  • rauscharm und empfindlich
  • sehr linear, hoher IP3
  • zuschaltbare UKW-Absenkung
  • Fernspeisung über das Koaxialkabel  mit optionaler Fernspeiseweiche Bias-T Basic


Uniwhip top2


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Manual und  Baumappe (pdf)

pcb2 
Doppelseitig durchkontaktierte Leiterplatten für
MegaWhip und Bias-T Basic Fernspeiseweiche 
auf Anfrage   >> Leiterplatten-Anfrage.

>> Link zum Web-SDR der Uni-Twente. Dort kann man sich einen Eindruck von der Leistungsfähigkeit dieses Schaltungsprinzips verschaffen.



"BlueWhip" Megawhip

Bluewhip.png
Aktivantenne mit komplementär-Gegentaktendstufe für gehobene Anforderungen
Bei den beträchtlichen Summensignalen, die der Verstärker einer Aktivantenne verarbeiten können muss, ohne unerwünschte Intermodulationsprodukte zu erzeugen, kommt der Linearität der Aktivelektronik eine maßgebliche Bedeutung zu. Insbesondere, wenn die Feldsondenfläche mit einem Stab oder einer Zusatzfläche verlängert wird, ist eine großsignalfeste Ausgangsstufe erforderlich. Die BlueWhip ist speziell für anspruchsvolleren Empfangsaufgaben ausgelegt: eine leistungsfähige Aktivantenne mit rauscharmer linearisierter Dual-FET Eingangsstufe und einer entkoppelten Komplementär-Push-Pull Ausgangsstufe. Eine bewährte und nachbausichere Breitband E-Feld Aktivantenne für gehobene Ansprüche. Optimal für den Bereich 10 kHz bis 50 MHz und darüber hinaus.

BlueWhip Megawhip
  • Aktive Empfangs-Antenne für Amateurfunk und Broadcast DX und Bandmonitoring
  • breitbandig - empfängt von VLF bis 150MHz und höher
  • Komplementär-Gegentakt Ausgangsstufe - linear und intermodulationsarm
  • verarbeitet auch höhere Empfangspegel verzerrungsfrei
  • zuschaltbare UKW-Absenkung
  • Betriebsspannungsversorgung lokal oder  Fernspeisung über das Anschlusskabel (mit opt. Bias-T)


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Manual und  Baumappe (pdf)

pcb2 
Doppelseitig durchkontaktierte Leiterplatten für
MegaWhip und Bias-T Basic Fernspeiseweiche 
sind verfügbar:   >> Leiterplatten-Anfrage.

miniWhip PRO

MiniWhip_Pro.jpg
Klein aber fein - aktive Whip 

Die miniWhip-PRO+ Aktivantenne ist eine leistungsfähigen Aktivantenne nach Art einer Mini-Whip.  Sie wurde in wesentlichen Punkten verbessert. Mit einer neuartigen linearen Eingangsstufe  und DC-gekoppelter Ausgangsstufe wird die Entstehung unerwünschter Mischprodukte (Intermodulation) minimiert. Am Eingang schützen ESD-Schutzdioden vor atmosphärischen Überspannungen. Die kleine Platine mit einer überschaubaren Anzahl von Bauelementen eignet sich gut als Selbstbauprojekt für Einsteiger. Bis auf den Ausangstransistor werden nur konventionelle bedrahtete Bauelemente verwendet. Mit überschaubarem Aufwand erhält man mit der miniWhip PRO+ eine leistungsfähige Aktivantenne mit erstaunlichen Eigenschaften. 

mini-Whip PRO
  • Aktive Empfangs-Antenne für SWL, Amateurfunk und Broadcast DX
  • Bedeutend kleiner als vergleichbare passive Antennen
  • breitbandig - empfängt von VLF bis VHF und weiter
  • Steht in der Empfangsleistung großen Antennen nicht nach
  • Ideal für Bandbeobachtung, Radiomonitoring und für SDR

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Manual und  Baumappe (pdf)

pcb2 
Doppelseitig durchkontaktierte Leiterplatten für
mini-Whip PRO und die Bias-T Basic Fernspeiseweiche 
sind verfügbar:   >> Leiterplatten-Anfrage.



SIMWA Aktiv-Dipol und selektive Loop Antenne - (Symmetrischer-Impedanz-Wandler)

Symloop.png
Eine Monopol-Aktivantenne wertet den durch das elektrische Feld einer Funkwelle erzeugten Potentialunterschied zum Montagemast bzw. zum Kabelschirm als Bezugspotential aus. Je nach Länge des Mastes oder des Koaxialkabels ergibt sich zu kürzeren Wellenlängen hin eine zunehmend ungleichmäßige Spannungsverteilung und damit zu einem frequenzabhängigen Potentialunterschied. Der Mast bzw. das Koaxialkabel wird unbeabsichtigt zum Teil der Antenne. Die Aktivantenne zeigt aus diesem Grund einen mehr oder weniger ausgeprägten Frequenzgang. Ein vom Mast entkoppelter symmetrischer aktiver Dipol umgeht diesen nachteiligen Effekt. Der Symmetrische Impedanzwandler SIMWA ist eine Aktivelektronik für einen elektrisch kurzen Dipol. Durch seine hochohmige Eingangsimpedanz und seinen symmetrischen Aufbau eignet sich der SIMWA insbesondere auch als Aktivelektronik für eine resonant abgestimmte Loop-Antenne.

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Manual und Baumappe


pcb2 
Doppelseitig durchkontaktierte Leiterplatten für
SIMWA und Bias-T Basic Fernspeiseweiche 
sind verfügbar:   >> Leiterplatten-Anfrage.

Fernspeiseweiche (Bias-Tee)

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Eine Fernspeiseweiche - im englischen auch  in Anlehnung an die innere Schaltung als Bias-Tee bezeichnet - benutzt man zur Spannungsversorgung von Mast-Vorverstärkern oder von Aktivantennen  über das vorhandene Koaxkabel. Es ist eine T-förmige Frequenzweiche, über die eine DC-Versorgungsspannung rückwirkungsfrei auf eine Hochfrequenzleitung gekoppelt werden kann.
Nachfolgend werden zwei Varianten vorgestellt, eine einfache passive Fernspeiseweiche und eine universelle Fenspeiseweiche mit Gleichrichtung und Spannungsstabilieriung.

Bias-Tee Basic

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Einfache passive Fernspeiseweiche 15kHz - 200MHz.
Eine Fernspeiseweiche - im englischen in Anlehnung an die innere Schaltung als Bias-T bezeichnet - benutzt man zur Spannungsversorgung von Mast-Vorverstärkern oder von Aktivantennen über das vorhandene Koaxkabel. Es ist eine T-förmige Frequenzweiche, über die eine DC-Versorgungsspannung rückwirkungsfrei auf eine Hochfrequenzleitung gekoppelt werden kann.








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Bias-Tee Basic Manual und  Baumappe (pdf)


pcb2 
Doppelseitig durchkontaktierte Leiterplatten für
die Bias-T Basic Fernspeiseweiche 
sind verfügbar:   >> Leiterplatten-Anfrage.


Whip-Tipps

Praktische Informationen zu E-Feld Aktivantennen:
  • Stromversorgung
  • Montage
  • störarme Aufstellung
  • Verkabelung
  • Erdung

mehr lesen
Download Whip-Tipps (pdf)



Aktivantenne - Warum eine UKW-Sperre Sinn macht


Insbesondere E-Feld Aktivantennen vom Typ einer MiniWhip oder ähnlich zeichnen sich oft durch eine (zu?) hohe Empfangsbandbreite aus. Einige Anbieter derartiger Antennen werben sogar vollmundig mit der großen Bandbreite ihres Produktes.

Was dem unbedarften Kunden als vermeintlich erstrebenswertes Leistungsmerkmal vermittelt wird, entpuppt sich in manchen Fällen bei näherem Hinsehen als Nachteil. Denn je höher die Bandbreite der Aktivantenne ist, desto mehr starke Empfangssignale muss der Verstärkerteil der Aktivelektronik gleichzeitig verarbeiten. Durch ein Scheunentor gehen nun mal mehr gleichzeitig durch als durch eine schmale Pforte.

Die Fähigkeit eines Verstärkers, viele starke Signale gleichzeitig zu verarbeiten, ohne dass dabei unerwünschte Verzerrungen (Intermodulation) entstehen, nennt man Großsignalfestigkeit. Intermodulation zeigt sich in Form von breitbandigem Rauschen und Zischen und es treten unerwünschte Mischprodukte - Geistersignale auf. Die Großsignalfestigkeit einer Aktivelektronik hängt vom Schaltungsdesign ab und ist begrenzt. Großsignalfestere Verstärker sind aufwändiger aufgebaut und brauchen brauchen meist mehr Strom als einfache, weniger großsignalfeste Verstärker. Ein Vergleichsmaß für die Großsignalfestigkeit ist der IP3, auf den an dieser Stelle nicht näher eingegangen werden soll.

Ein altes Sprichwort sagt „viele Hunde sind des Hasen Tod“. Auf Aktivantennen übertragen heißt das: zu viele gleichzeitig anstehende starke Empfangssignale übersteuern irgendwann auch eine gute Aktivelektronik. Abhilfe schafft eine sinnvolle Bandbegrenzung vor dem Verstärkereingang, die nur den gewünschten Frequenzbereich durchlässt und Außerbandsignale abschwächt. Für den Empfang von Langwelle bis Kurzwelle ist es daher sinnvoll, Signale über dem Kurzwellenbereich abzuschwächen. Das erreicht man z. B. mit einem Tiefpassfilter.

In Ballungsgebieten mit einer hohen Dichte von UKW-Sendern sind oft sehr viele FM Träger mit hohen Feldstärken in der Luft und machen einer Aktivantenne das Leben unnötig schwer. Wer wie ich in einer derartig exponierten Empfangssituation wohnt, dem hilft ein Tiefpassfilter, das die Aktivelektronik von den starken UKW- und Mobilfunksignalen entlastet.


Um das zu verdeutlichen habe ich hier im Rhein-Neckar Raum einmal das Empfangsspektrum meiner miniWhip Pro von 10kHz bis 150Mhz mit einem Spektrumanalyzer dargestellt. Die miniWhip Pro und auch die BlueWhip MegaWhip haben eine UKW-Abschwächung, die per Steckbrücke zugeschaltet werden kann. Die beiden Spektren zeigen einmal das empfangen Spektrum „Flat“ – ohne UKW-Abschwächung und einmal mit dem UKW-Filter aktiv.

Man erkennt deutlich ab 88MHz das UKW-Band mit seinen starken Sendern, die Feldstärke vieler UKW-Sender ist höher als die stärksten Mittel- und Kurzwellensignale.  Die vertikale Skala in den Messplots zeigt die Antennenspannung am Empfänger in dBµV. Der Referenzpegel oben beträgt 80dB mV, die vertikale Skalenteilung 5dB/Teilstrich. Zur Verdeutlichung: die stärksten UKW-Signale kommen mit 72dBµV an. Das entspricht nach landläufiger Festlegung einem S-Meter Ausschlag  von S9+60dB!!

MegaWhip Flat Empfangsspektrum 150MHz txt


MegaWhip LPF Empfangsspektrum 150MHz txt