Phy­si­ka­li­sche Eigen­schaf­ten, überarbeitet

Die hier beschrie­be­ne Libre­Of­fice Tabel­le habe ich nun etwas über­ar­bei­tet. Ich habe die Struk­tur grund­le­gend geän­dert und die Berech­nung um den Skin-Effekt erwei­tert. Man kann also jetzt auch den Wider­stand eines Lei­ters bei Anle­gen einer Wech­sel­span­nung bestim­men. Das funk­tio­niert nur ange­nä­hert und auch nur bei den Mate­ria­li­en, für die die magne­ti­sche Per­mea­bi­li­tät ver­füg­bar war. Die neue Tabel­le kann hier her­un­ter­ge­la­den werden:

Ich den­ke daß die Tabel­le selbst­er­klä­rend ist. Nur die grün hin­ter­leg­ten Fel­der müs­sen aus­ge­füllt wer­den. Man wählt das Lei­ter­ma­te­ri­al in B3 und den Quer­schnitt in B4. Wie in der alten Ver­si­on kann man Draht (rund), Rohr (rund und hohl) oder Lei­ter­band (recht­eckig) aus­wäh­len. Dann gibt man die Fre­quenz, die Tem­pe­ra­tur, die Strom­stär­ke (optio­nal) und die Dimen­sio­nen an. Dar­un­ter wer­den eini­ge Zwi­schen­er­geb­nis­se ange­zeigt, die man nor­ma­ler­wei­se nicht braucht, die aber zu Kon­troll­zwecken nütz­lich sein kön­nen. Die Ergeb­nis­se ste­hen dann in den Zel­len E3 bis I3.

Alles wie immer ohne Gewähr. Wer Feh­ler fin­det, möge sie mir bit­te mit­tei­len und ich wer­de mich um Kor­rek­tur bemühen.

Vor­be­rei­tung zum Bau eines Monoband-Dipols

Wie schon vor ein paar Tagen beschrie­ben, will ich dem­nächst mal zu Test­zwecken einen Mono­band Dipol wie im Lehr­buch beschrie­ben auf­bau­en. Den Hal­ter für die Spei­sung in der Mit­te habe ich schon­mal gefräst.

Antennenhalter
Ein­zel­tei­le für den Anten­nen­hal­ter. PVC-Block zum Hal­ten der Last und Lei­ter­plat­te für die Ver­drah­tung. Schal­ter nur zu Meßzwecken.

Der PVC-Block wird unter die Lei­ter­plat­te mon­tiert und er soll die Haupt­last der Anten­nen­dräh­te aufnehmen.

Antennenhalter
Mon­ta­ge der Halteschrauben.

In die­sen PVC-Block wer­den die Schrau­ben mon­tiert und fest ange­zo­gen. Die bei­den Ver­län­ge­rungs­spu­len, jeweils etwa 500 nH (10 Win­dun­gen auf 10 mm Boh­rer), sind hier bereits auf­ge­lö­tet und der gan­ze Block ist in eine Auf­putz­do­se gelegt:

Antennenhalter
Anten­nen­hal­ter fer­tig ein­ge­baut in eine Aufputzdose.

Die bei­den Schal­ter über­brücken die Spu­len und sind nur zu Meß­zwecken vor­ge­se­hen. In der end­gül­ti­gen Ver­si­on wer­den sie entfernt.

An die bei­den etwas dicke­ren M4-er Schrau­ben in Dosen­mit­te sol­len dann die bei­den seit­lich abge­hen­den Anten­nen­dräh­te ange­schraubt wer­den. Unten wird eine SO239-Buch­se ein­ge­baut, die über die bereits beschrie­be­ne Man­tel­wel­len­sper­re an die obe­ren bei­den M3-er Schrau­ben ange­schlos­sen wer­den soll.

Soweit der aktu­el­le Stand. Das Pro­jekt wird fort­ge­führt, wenn es das Wet­ter zulässt.

ATMEGA644PA-AU Board

Nach­dem das vor einem hal­ben Jahr ent­wor­fe­ne I/O Board mit einem ATTINY1634 sehr gut funk­tio­niert, kam aber recht bald der Wunsch nach ein paar mehr I/O Ports auf. Das ATTI­NY-Board hat nur maxi­mal 15 ver­wend­ba­re Ports, die z.T. auch noch ander­wei­tig ver­wen­det wer­den. Wird die RS485 Schnitt­stel­le ver­wen­det, gehen dafür drei Ports ver­lo­ren, so daß dann nur noch 12 Ports ver­füg­bar sind. Für vie­le Anwen­dungs­fäl­le ist das mehr als genug, aber z.B. für den ange­dach­ten Bau eines fern­ge­steu­er­ten Anten­nen­tu­ners bräuch­te man schon an die 20 Ports, um je eine Kas­ka­de Kon­den­sa­to­ren und Spu­len umzuschalten.

Auf der Suche nach einem preis­wer­ten, gut ver­füg­ba­ren und nicht abge­kün­dig­ten Bau­stein fand ich den ATMEGA644PA-AU, der bei den bekann­ten chi­ne­si­schen Anbie­tern für etwa 1 € zu haben ist. Zudem hat­te ich frü­her schon­mal mit deren Vor­gän­gern etwas auf­ge­baut und Ein­zel­stücke des ATMEGA644V-10AU und des ATMEGA644-20AU lagen noch in der Kiste. Außer­dem hat der ATMEGA644 sehr viel mehr Spei­cher an Bord (64k Flash, 2k EEPROM und 4k RAM) und er kann bis 20 MHz getak­tet wer­den. Gleich­wohl sei gesagt, daß ich bis­her auch mit den hal­ben Res­sour­cen des ATTINY1634 aus­ge­kom­men bin. Aber scha­den kann’s nicht (nun­ja, etwas Strom kostet’s schon). Der 644-er hat ein 44-Pin QFP Gehäu­se und passt in den vom ATTI­NY-Board vor­ge­ge­be­nen Form­fak­tor. Damit kön­nen die Boards weit­ge­hend pin­kom­pa­ti­bel gestal­tet werden.

Also gleich mal ein neu­es Board ent­wor­fen und beim Lei­ter­plat­ten­her­stel­ler mei­nes Ver­trau­ens in Auf­trag gege­ben. So sieht es in der KiCad-Vor­schau aus:

ATMEGA644PA-Board
ATME­GA­644­PA-Board mit RS485 Schnitt­stel­le (Ansicht von oben)

ATMEGA644PA-Board
ATME­GA­644­PA-Board mit RS485 Schnitt­stel­le (Ansicht von unten)

Das Board ist nun etwas brei­ter gewor­den und hat zusätz­li­che Pins bekom­men. Es kann aber auf der vor­han­de­nen Test- und Pro­gram­mier­plat­form für den ATTINY1643 und auf den Anwen­dungs­boards ver­wen­det wer­den, sofern es wegen des Über­hangs mecha­nisch passt. Damit ich mir beim Rou­ten nicht die Fin­ger bre­che, habe ich die 4‑Lagen Mul­ti­lay­er Tech­nik gewählt. Beim ATTINY1634 kam ich mit zwei Lagen aus. Nach­fol­gend ein Foto meh­re­rer fer­tig bestück­ter ATTINY und ATMEGA Boards:

RS485 Boards
Meh­re­re bestück­te RS485 Boards, teils mit ATTINY1643 und teils mit ATMEGA644.

Hier ist der zuge­hö­ri­ge Schalt­plan. Im wesent­li­chen ist er vom ATTI­NY-Board über­nom­men, aber weil noch Platz auf der Pla­ti­ne ver­füg­bar war, habe ich ihr einen TMP275 Tem­pe­ra­tur­sen­sor spen­diert, der eine Genau­ig­keit von 0,5 K haben soll. Das wird frei­lich durch die Eigen­er­wär­mung des Boards etwas kon­ter­ka­riert. Gege­be­nen­falls muß die­se Eigen­er­wär­mung per Soft­ware kom­pen­siert wer­den oder das Board soll­te in einem der vie­len Strom­spar­mo­di betrie­ben wer­den. Die Idee ist, beim Außen­ein­satz z.B. als Anten­nen­um­schal­ter, auch gleich die Außen­tem­pe­ra­tur zu mes­sen. Außer­dem ist eine REF5025-Span­nungs­re­fe­renz ein­bau­bar, falls mal halb­wegs prä­zi­se Ana­log­span­nun­gen gemes­sen wer­den sollen.

Ver­suchs­wei­se habe ich auch mal einen Trim­mer für den Quarz vor­ge­se­hen. Die hier und auch auf ande­ren Boards ver­wen­de­ten Quar­ze sind für eine nomi­na­le Last­ka­pa­zi­tät von 12 pF spe­zi­fi­ziert. Das ist die Kapa­zi­tät, die dem Quarz par­al­lel­ge­schal­tet wer­den muß, damit er auf der Nomi­nal­fre­quenz schwingt. Da die bei­den obli­ga­to­ri­schen Kon­den­sa­to­ren (hier C1 und C4) in Serie geschal­tet sind, müss­te jeder von ihnen also 24 pF haben. Da ja auch wei­te­re Schalt­ka­pa­zi­tä­ten hin­zu­kom­men, habe ich in der Ver­gan­gen­heit meist 2 x 18 pF vor­ge­se­hen, was also 9 pF Last plus geschätz­ten 3 pF Schalt­ka­pa­zi­tät in der Sum­me zu etwa 12 pF füh­ren sollte.

Im Rah­men der ver­füg­ba­ren Meß­mög­lich­kei­ten war das bis­her prä­zi­se genug. Jetzt habe ich aber auf dem ATTI­NY-Board auch eine Uhr imple­men­tiert, die mit 2 x 18 pF Last­ka­pa­zi­tät am Tag bis zu einer Sekun­de nach­ging. Bei einem 12 MHz Quarz ent­spricht das einer um etwa 150 Hz zu nied­ri­gen Fre­quenz. Durch Aus­pro­bie­ren ver­schie­de­ner Wer­te habe ich her­aus­ge­fun­den, daß bei Kon­den­sa­to­ren von der Stan­ge 2 x 15 pF die gering­sten Abwei­chun­gen ver­ur­sa­chen. Bei Ver­su­chen mit einem 8 MHz, einem 11,059 MHz und einem 12 MHz Quarz erga­ben sich Abwei­chun­gen von etwa 50 Hz nach unten. 2 x 13 pF war wie­der deut­lich schlech­ter in die ande­re Rich­tung. Die ver­blei­ben­de Abwei­chung wird per Soft­ware kom­pen­siert, indem alle sound­so­vie­le Takt­zy­klen ein 10 ms Inter­vall ein­ge­scho­ben oder weg­ge­las­sen wird. Auf dem ATMEGA Board habe ich nun 2 x 12 pF vor­ge­se­hen und mit dem zusätz­li­chen Trim­mer soll dann die nomi­na­le Fre­quenz ein­ge­stellt werden.

Hin­rei­chend genaue Fre­quenz­mes­sun­gen mache ich übri­gens inzwi­schen mit dem IC-7300 Trans­cei­ver und der WSJT‑X Soft­ware. Die Fre­quenz­ba­sis des IC-7300 ist mit unter 0,5 PPM spe­zi­fi­ziert und damit etwa 10-mal so genau, wie der Quarz. Im CW-Modus wird die nomi­na­le Fre­quenz des Quar­zes ein­ge­stellt und dann soll­te der Mit­tel­punkt der Fre­quenz bei der ein­ge­stell­ten CW-Audio­fre­quenz sein. Abwei­chun­gen von weni­gen Hz sind deut­lich erkenn­bar. Hier ein Screen­shot des IC-7300 und das zuge­hö­ri­ge Spek­trum von WSJT‑X.

Screenshot des IC-7300
Screen­shot des IC-7300 bei 11,0592 MHz.

Screenshot WSJT-X
Screen­shot WSJT‑X bei einem ein­ge­stell­ten CW-Pitch von 700 Hz.

Mit dem Trim­mer wur­de hier die Fre­quenz auf den nomi­na­len Wert von 11,0592 MHz gezo­gen. An der WSJT‑X Dar­stel­lung sieht man, daß die tat­säch­li­che Fre­quenz eini­ge weni­ge Hertz höher liegt.

Free Soft­ware Utilities

Here you can down­load some of my uti­li­ties. This site replaces the for­mer down­load page as of now. I will publish any new ver­si­on or new uti­li­ty here. It is just easier to maintain.

Par­Ser:

Par­Ser is a uti­li­ty to con­struct a non-stan­dard resi­stance or capa­ci­tance value from a set of stan­dard resi­stors or capa­ci­tors. Par­Ser sup­ports dif­fe­rent topo­lo­gies of up to three indi­vi­du­al com­pon­ents. Par­Ser can also cal­cu­la­te vol­ta­ge divi­ders and find a set of sui­ta­ble resi­stors. The mini­mum and maxi­mum shunt cur­rent can be spe­ci­fied as well as the nomi­nal load current.

Here is the Par­Ser Online Help.

ParSer_Executables (Ver. 1.03)

ParSer_Source (Ver. 1.03)

The name Par­Ser is mis­lea­ding. It stands for parallel/serial con­nec­tion of resi­stors or capa­ci­tors. I’m not very hap­py myself with this name, but now it’s out and I’m not going to chan­ge it.

Bin2C:

Bin2C is a uti­li­ty to con­vert bina­ry files to C source code. It pro­vi­des a simp­le way to inclu­de bina­ry files (e.g. images or audio files) in embed­ded pro­jects, which often do not sup­port any file system.

Here is the Bin2C Online Help.

Bin2C Exe­cu­ta­bles (Ver. 2.10)

Bin2C Source Files (Ver. 2.10)

Gene­ral Comments:

All uti­li­ties are writ­ten for Win­dows and should run on all cur­rent ver­si­ons. Plea­se let me know if you encoun­ter any pro­blems or if you have any recom­men­da­ti­on for impro­ve­ments. None of the uti­li­ties needs to be instal­led. Just copy the .exe file to your pre­fer­red path and remo­ve the file for unin­stal­ling it.
The uti­li­ties store some para­me­ters in the regi­s­try or in an ini-file. See the respec­ti­ve help file for details.

All files are com­pres­sed with 7‑zip.

Mono­band-Dipol

Mei­ne end­ge­spei­ste Lang­draht­an­ten­ne funk­tio­niert auf dem 20-m-Band und dem 40-m-Band recht gut, mit den genann­ten Kom­pro­mis­sen auch auf 15 m und 10 m. Auf allen genann­ten Bän­dern habe ich etli­che FT‑8 QSOs durch­ge­führt. Bei ein­ge­hen­de­ren Tests habe ich aber jetzt fest­ge­stellt, daß auf dem 10-m-Band schon nach einer Minu­te Dau­er­test mit 50 Watt das Steh­wel­len­ver­hält­nis lang­sam weg­läuft. Nach zwei oder drei Minu­ten geht es dann schlag­ar­tig auf unend­lich. Das­sel­be pas­siert mit 100 Watt auf 15 m, aller­dings dau­ert es da etwa dop­pelt so lan­ge. Auf 40 und 20 m tritt die­ser Effekt zumin­dest nicht inner­halb der ersten zehn Minu­ten auf. Da ist etwas ober­faul. Ent­we­der wird der Über­tra­ger zu heiß oder der Kera­mik­kon­den­sa­tor am Ein­gang des Anpaß­glieds macht Zicken. Das wer­de ich wei­ter prü­fen, wenn das Wet­ter wie­der bes­ser wird. Bis dahin wer­de ich mich noch­mal, zunächst theo­re­tisch, mit dem Anten­nen­bau befassen.

Beim Bau der Lang­draht­an­ten­ne habe ich gelernt, daß es in der Pra­xis nicht tri­vi­al ist, eine Anten­ne für meh­re­re Bän­der zu bau­en, auch wenn sie har­mo­nisch zuein­an­der sind. Auch sind rea­le Über­tra­ger ziem­lich weit vom idea­len Über­tra­ger weg, viel­leicht auch wegen sub­op­ti­ma­ler Wickel­tech­nik. Da gibt es sicher­lich Ver­bes­se­rungs­po­ten­ti­al. Bei­spiels­wei­se habe ich jetzt in dem Balun-Work­shop gele­sen, daß man Ring­ker­ne zum Ver­mei­den von Span­nungs­über­schlä­gen bes­ser nicht mit Kup­fer-Lack-Draht bewickelt, son­dern Sili­kon-iso­lier­te Lit­ze neh­men soll. Das wer­de ich bei näch­ster Gele­gen­heit mal aus­pro­bie­ren. Die dürf­te wegen ihrer Bieg­sam­keit auch viel leich­ter zu ver­ar­bei­ten sein.

Jetzt wer­de ich aber erst mal einen Dipol nach Lehr­buch für ein ein­zi­ges Band bau­en und ihn nach allen Regeln der Kunst auf 50 Ohm Wel­len­wi­der­stand in Band­mit­te trim­men. Ich wer­de ihn auf dem obe­ren Bal­kon auf­hän­gen, der eine Spann­wei­te von gut 5,50 m zulässt. Der Dipol wäre damit etwa 8 m über dem Erd­bo­den, aber das Edel­stahl-Bal­kon­ge­län­der und die nicht weit ent­fern­te Dach­rin­ne wer­den sicher ihren Ein­fluß gel­tend machen. Schön wäre, wenn ich einen Dipol für das 15-m-Band bau­en könn­te. Wenn ich wie­der den star­ren Alu­mi­ni­um-Wei­de­zaundraht neh­me, könn­te die­ser auf bei­den Sei­ten eini­ge zehn Zen­ti­me­ter über­ste­hen ohne daß er wie bei einer Lit­ze wegen der Schwer­kraft durchhängt.

Begin­nen wir mal mit einer Simu­la­ti­on. Dafür emp­fiehlt sich das kosten­lo­se Pro­gramm 4nec2, das man z.B. hier her­un­ter­la­den kann. Bekannt­lich hat ein Dipol im Reso­nanz­fall eine reel­le Impe­danz von etwa 70 Ohm, also etwas abseits der gewünsch­ten 50 Ohm. Das ist nor­ma­ler­wei­se kein Pro­blem, weil es deut­lich inner­halb des Abstimm­be­reichs eines Anten­nen­tu­ners liegt. Hier die Simu­la­ti­on eines 6,85 m lan­gen Dipols (die Band­mit­te bei 21,225 MHz ent­spricht einer Wel­len­län­ge von 14,13 m).

Impedanz eines 685cm Dipols
Impe­danz eines ins­ge­samt 685 cm lan­gen Dipols mit 4nec2 simuliert.

Der Ver­kür­zungs­fak­tors liegt bei etwa 0,97 und die reel­le Impe­danz bei 66 Ohm. 4nec2 kann auch das zuge­hö­ri­ge Smith Dia­gramm darstellen:

Smith-Chart eines insgesamt 685 cm langen Dipols
Smith-Chart des oben gezeig­ten Dipols.

Die simu­lier­ten Wer­te kön­nen im Touch­stone-For­mat als s1p-Datei expor­tiert und mit SimS­mith wie­der ein­ge­le­sen werden:

Wiedereingelesen mit SimSmith
Touch­stone-Datei wie­der­ein­ge­le­sen mit SimSmith.

Der Kreis für ein Steh­wel­len­ver­hält­nis von 1,5 zeigt, daß der Dipol auf dem 15-m-Band bereits ohne wei­te­re Anpas­sungs­maß­nah­men zu benut­zen wäre. SimS­mith bie­tet aller­dings die Mög­lich­keit, eine Anpas­sung auf 50 Ohm mit einem LC-Glied zu erreichen:

Anpassung auf 50 Ohm
Anpas­sung mit einem LC-Glied auf 50 Ohm

Man sieht hier an der oran­gen Linie, daß der Kon­den­sa­tor die Impe­danz zunächst in den kapa­zi­ti­ven Bereich ver­schiebt und die Spu­le (grün) sie wie­der in Rich­tung zum induk­ti­ven Bereich ver­schiebt. Auf den Kon­den­sa­tor kann man kom­plett ver­zich­ten, wenn man nicht bei einer reel­len Impe­danz star­tet, son­dern im kapa­zi­ti­ven Bereich eines Dipols. Das ist dann der Fall eines ver­kürz­ten Dipols mit Ver­län­ge­rungs­spu­le. Bei einem Dipol mit 6,15 m Gesamt­län­ge sieht das dann fol­gen­der­ma­ßen aus:

Anpassung verkürzter Dipol auf 50 Ohm
Anpas­sung des ver­kürz­ten Dipols mit Ver­län­ge­rungs­spu­le auf 50 Ohm

Wel­che Art der Anpas­sung nun letzt­lich bes­ser ist, bleibt abzu­war­ten. Nor­ma­ler­wei­se wird man den Dipol in reso­nanter Län­ge ohne eige­ne Anpas­sung ver­wen­den und den Anten­nen­tu­ner an der ande­ren Sei­te des Koax­ka­bels sei­ne Arbeit machen las­sen. Wegen der begrenz­ten Ver­hält­nis­se auf unse­rem Bal­kon wer­de ich aber die ver­kürz­te Anten­ne mit Ver­län­ge­rungs­spu­le aus­te­sten, sobald das Wet­ter bes­ser wird und die Tage län­ger werden.

Balun nach Reisert

Über Balu­ne ist ver­mut­lich so ziem­lich alles gesagt wor­den. Eine sehr schö­ne Abhand­lung gibt es von DL4ZAO im Netz, den Balun-Work­shop. Nach mei­nen Erfah­run­gen mit schon bei 100 Watt Bela­stung heiß­lau­fen­den Ring­ker­nen stell­te sich mir nun die Fra­ge, wie muß ich denn den Balun in der Pra­xis dimen­sio­nie­ren, damit er funk­tio­niert und nicht zu warm wird. Muß ich einen dicken Ring­kern mit Eco­flex-10 Kabel bewickeln oder darf es auch etwas klei­ne­res sein? Muß ich ihn mit hoch­wer­ti­gem Kabel bewickeln oder tut es (für die 100 Watt mei­nes IC-7300) auch preis­wer­tes RG174-Kabel?

Im oben genann­ten Work­shop wird der Strom-Balun als Man­tel­wel­len­sper­re emp­foh­len. Er hat den rie­sen­gro­ßen Vor­teil, daß die Ener­gie durch die Wick­lung fließt, also nicht durch den Kern. Dadurch ent­fal­len die Magne­ti­sie­rungs­ver­lu­ste und der Kern kann nicht in die Sät­ti­gung gera­ten. Der Nach­teil ist, daß er nicht trans­for­miert, die Ein­gangs­im­pe­danz ist also gleich der Aus­gangs­im­pe­danz. Wird eine Impe­danz­trans­for­ma­ti­on benö­tigt, kann man einen „Tra­fo“ dahin­ter­schal­ten und erhält einen Hybrid­ba­lun. Da die Ener­gie über die Wick­lung über­tra­gen wird, muß die­se Wick­lung den­sel­ben Wel­len­wi­der­stand auf­wei­sen, wie Ein- und Aus­gang, damit Refle­xio­nen ver­mie­den werden.

Eine ele­gan­te Art, den Ring­kern zu bewickeln, ist die Metho­de nach Rei­sert. Man bewickelt den Kern der­art mit einem Koax­ka­bel, daß man nach der hal­ben Win­dungs­zahl einen Sprung zur ande­ren Sei­te macht, ohne den Wickel­sinn zu ändern. Damit kom­men Ein- und Aus­gang auf gegen­über­lie­gen­de Sei­ten des Kerns zu lie­gen, was mecha­nisch meist von Vor­teil ist.

Wie schlägt sich nun ein sol­cher Balun, der mit RG174-Koax­ka­bel auf einem rela­tiv klei­nen FT140-77 Ring­kern auf­ge­wickelt ist. Das kann man rela­tiv schnell aus­pro­bie­ren. Hier ein Foto des Prototypen:

Balun
Balun aus 2 x 7 Win­dun­gen RG174 auf einem FT140-77 Ring­kern. Zu Test­zwecken sind SMA-Buch­sen angelötet.

Nach­fol­gend nun die Durch­gangs­dämp­fung die­ses Baluns, gemes­sen mit dem DG8SAQ-Netzwerkanalysator:

S21-Meßwerte
Die S21-Mes­sung. Ver­ti­ka­le Ska­lie­rung: 0.2 dB/Linie.

Das sieht nun gar­nicht so schlecht aus, wie befürch­tet. Die Dämp­fung bei 30 MHz ist 0.13 dB, wobei der Meß­feh­ler ver­mut­lich nicht ganz gering ist. Bei 100 Watt über­tra­ge­ner Lei­stung wür­den so etwa 3 W in dem Balun ver­bra­ten, bei nied­ri­ge­ren Fre­quen­zen weniger.

Mit SMA-UHF Adap­tern kann man die­sen Pro­to­ty­pen auch mal in die Anten­nen­lei­tung einschleifen.

Balun
Der­sel­be Balun mit UHF-Adap­tern zum Test am Funkgerät

Bei 100 Watt Sen­de­lei­stung wird der Balun auch nach eini­gen Minu­ten kaum fühl­bar wärmer.

Auch wenn die Wir­kung als Man­tel­wel­len­sper­re nun nicht gete­stet wur­de, ist das Ergeb­nis die­ses kur­zen Tests, daß das dün­ne RG174 auf dem klei­nen FT140-77 pro­blem­los mit 100 Watt betrie­ben wer­den kann.

Anten­nen­ro­tor

Es geht auf Weih­nach­ten zu und außer­dem wird näch­stes Jahr die Mehr­wert­steu­er wie­der auf 19% erhöht. Das ist für mich Grund genug, noch in die­sem Jahr ein paar Euro für Din­ge aus­zu­ge­ben, die ich eigent­lich erst im näch­sten Früh­jahr ange­hen woll­te. Dazu gehört die Erwei­te­rung der Anten­nen­an­la­ge. Ein 3m lan­ges Alu­mi­ni­um­rohr, das den jet­zi­gen 2m lan­gen Mast erset­zen soll, ist bestellt. An die­sen 3m-Mast kommt dann ein Anten­nen­ro­tor und dar­auf der jet­zi­ge 2m-Mast mit den Anten­nen. So kom­me ich im End­ef­fekt auf etwa 4m Höhe über dem obe­ren Bal­kon, was zum Erd­bo­den etwa 10m sind. Ohne eine ewig lan­ge Markt­for­schung zu betrei­ben, habe ich mich für den SPID RAK Rotor ent­schie­den. Weni­ge Tage nach der Bestel­lung lag er auf dem Tisch.

Antennenrotor RAK
Anten­nen­ro­tor RAK mit Steue­rung und Labor­netz­teil im Hintergrund

Der Rotor macht einen robu­sten Ein­druck, aber über die Zuver­läs­sig­keit kann ich im Moment noch nichts sagen. Er wird von einem 12-V-Motor über ein Schnecken­ge­trie­be gedreht. Das geht rela­tiv ruhig von­stat­ten. Ande­re berich­ten von Roto­ren mit Backen­brem­sen, die man im gan­zen Haus klacken hört. Das ist hier nicht der Fall.

Der Rotor selbst hat kei­nen mecha­ni­schen Anschlag, er kann belie­big oft im oder gegen den Uhr­zei­ger­sinn dre­hen. Pro Win­kel­grad wird ein Puls erzeugt, der dem Steu­er­ge­rät als Infor­ma­ti­on über den gedreh­ten Win­kel dient. Damit ist die Regel­schlei­fe geschlos­sen und man soll­te bes­ser von einem Regel­ge­rät als von einem Steu­er­ge­rät spre­chen, aber blei­ben wir bei Steue­rung. Nun­ja, per­fekt ist es nicht. Ich habe auf dem Spei­cher­os­zil­lo­skop auch mal einen Puls mehr gese­hen, als das Gerät. Es wird in der Pra­xis also hin und wie­der eine neue Kali­brie­rung nötig sein. Das ist aber kein Hexen­werk: Aus­rich­ten der Anten­ne nach Nor­den, bei gedrück­ter F‑Taste ein­schal­ten, fer­tig. Das Aus­rich­ten erfolgt elek­trisch per Steu­er­ge­rät, man muß also kei­nes­wegs mit dem Schrau­ben­schlüs­sel auf dem Mast klet­tern. Der Dreh­be­reich der Anten­ne ist in der Steue­rung auf 360° +/- 180° begrenzt. Man kann also in bei­den Rich­tun­gen um 180° über­dre­hen und soll­te die Län­ge der Anten­nen­ka­bel ent­spre­chend auslegen.

Die Steue­rung fin­de ich per­sön­lich sub­op­ti­mal. Die grü­nen 7‑Segment Anzei­gen bräuch­ten m.E. eine grü­ne Blen­de, damit die Anzei­ge bes­ser abzu­le­sen ist. Die Front­plat­te besteht aus einer ein­fa­chen auf­ge­kleb­ten Folie, die die Bedie­nung der dahin­ter­lie­gen­den Tasten erschwert.

Steuerung des Antennenrotors
Steue­rung des Anten­nen­ro­tors mit auf­ge­kleb­ter Frontblende

Die Folie lässt sich leicht zer­stö­rungs­frei abzie­hen, wodurch die Les­bar­keit der LED-Anzei­ge wei­ter abnimmt, aber die Bedie­nung der Tasten wesent­lich ver­ein­facht wird. Da wer­de ich gele­gent­lich eine eige­ne Front­plat­te frä­sen und ein grü­nes Fil­ter einbauen.

Steuerung des Antennenrotors
Steue­rung des Anten­nen­ro­tors mit abge­nom­me­ner Frontblende

Die Steue­rung hat lei­der kein ein­ge­bau­tes Netz­teil. Sie muß mit 12 V bis 18 V DC oder AC betrie­ben wer­den. Hier ist ein Labor­netz­teil ange­schlos­sen. Wenn der Motor dreht, flie­ßen etwa 300 mA, aber der Anlauf­strom liegt bei eini­gen Ampere. Ein test­wei­se ein­ge­setz­tes 19V/3A Netz­teil von einem Note­book war nicht aus­rei­chend. Beim Anlau­fen des Motors ist die Span­nung zusam­men­ge­bro­chen. Das führt zu der Fra­ge, wel­ches Kabel man zwi­schen Steue­rung und Rotor ver­wen­den soll­te. Das Hand­buch emp­fiehlt bei mehr als 10 m Kabel­län­ge einen Quer­schnitt von 1,42 mm² (#16 nach ame­ri­ka­ni­scher Norm) für den Motor, die Impuls­sen­sor­lei­tun­gen dür­fen dün­ner sein.

Anschluss zum Rotor
Der 4‑polige Anschluss zum Rotor

In der Pra­xis wird man vier­ad­ri­ge Schlauch­lei­tung mit vier gleich­dicken Adern ver­wen­den. Es bie­tet sich die rela­tiv preis­gün­sti­ge vier­ad­ri­ge H05VV‑F 4G1,5 PVC Schlauch­lei­tung an, die aller­dings für 300 V spe­zi­fi­ziert und daher mit über 9 mm Außen­durch­mes­ser zu dick für den oben gezeig­ten Stecker ist. Daher habe ich mich für FLRYY Fahr­zeuglei­tung („KFZ-Anhän­ger­ka­bel“) ent­schie­den, die nur für 50 V spe­zi­fi­ziert ist, dafür aber nur 7 mm Außen­durch­mes­ser hat. Die­ses Kabel ist lei­der etwas teu­rer als das dickere.

Zum Betrieb wer­de ich zunächst das oben gezeig­te bil­li­ge Labor­netz­teil ver­wen­den. Das bie­tet außer­dem die Chan­ce, mir ein neu­es Netz­teil zu besor­gen. Im Moment läuft es auf die­ses Netz­teil hin­aus. Auch das ist eine Ent­schei­dung, die wegen der Mehr­wert­steu­er noch die­ses Jahr fal­len könnte.

Jetzt muß ich nur noch auf schö­nes Wet­ter war­ten und dann wird der Rotor montiert.

Fest­kon­den­sa­tor aus RO4350B

Zum Ver­glei­chen habe ich nun ein mit der Sche­re abge­schnit­te­nes Stück von einer RO4350B Lei­ter­plat­te nach­ge­mes­sen. Die Plat­te ist 0,168 mm dick und 27,2 mm x 32 mm groß. Das Daten­blatt des Her­stel­lers (Rogers) gibt eine Dielek­tri­zi­täts­kon­stan­te von 3,66 an. Damit soll­te das abge­schnit­te­ne Stück etwa 170 pF haben. Hier nun die Meß­wer­te zwi­schen 0 und 100 MHz:

Kondensator aus RO4350B
Kon­den­sa­tor aus RO4350B Basis­ma­te­ri­al. 27,2 mm x 32 mm x 0,168 mm.

Zum Ver­gleich noch­mal die frü­her schon doku­men­tier­ten Meß­wer­te des 10 pF Glim­mer­kon­den­sa­tors und des 100 pF Hoch­volt-Kera­mik­kon­den­sa­tors. Die­se Mes­sun­gen wur­den zur bes­se­ren Ver­gleich­bar­keit auch zwi­schen 0 und 100 MHz durch­ge­führt und die Dar­stel­lung der Güte wur­de geglät­tet, auch wenn es gera­de bei dem Glim­mer­kon­den­sa­tor nicht danach aussieht.

10pF/100V Glimmerkondensator.
10pF/100V Glim­mer­kon­den­sa­tor.

100pF/3kV Keramikkondensator
100pF/3kV Kera­mik­kon­den­sa­tor

Es ist zu ver­mu­ten, daß die Güte­mes­sun­gen gera­de bei hohen Güten ziem­lich unge­nau wer­den. Letzt­lich beru­hen sie auf der Mes­sung des ziem­lich gerin­gen reel­len Wider­stands des Bau­ele­ments. Wenn der sehr viel klei­ner als der Blind­wi­der­stand ist, geht’s schief.

Der RO4350B-Kon­den­sa­tor ist mit­tel­präch­tig. Die Güte liegt bei eini­gen Hun­dert, aber deut­lich unter Tau­send. Bis 30 MHz ist der PTFE-Kon­den­sa­tor also bes­ser. Dafür ist der RO4350B-Kon­den­sa­tor deut­lich klei­ner. Laut Daten­blatt soll er über 30 kV/mm ver­tra­gen, bei den hier ver­wen­de­ten 0,168 mm wären das also 5 kV. Der Ver­lust­fak­tor wird im Daten­blatt übri­gens mit 0,0031 (@ 2.5 GHz) ange­ge­ben. Das wäre eine Güte von 10,0031 ≈ 300. Die hier gemes­se­nen Güten im Kurz­wel­len­be­reich lie­gen in die­ser Grö­ßen­ord­nung, sind also plausibel.

Fest­kon­den­sa­tor mit PTFE Dielektrikum

Nach den eher gemisch­ten Erfah­run­gen mit dem Bau eines Schie­be­kon­den­sa­tors aus FR‑4 Lei­ter­plat­ten­ma­te­ri­al, soll­te ein Ver­such zei­gen, ob PTFE („Tef­lon“ ™) als Dielek­tri­kum einen Vor­teil bringt. Also habe ich mir zunächst ein paar 0,5 mm dün­ne Tef­lon-Plat­ten (man könn­te auch sagen 0,5 mm dicke Tef­lon-Folie) besorgt. Außer­dem war dün­nes Alu­blech alle, also habe ich auch gleich ein paar 0,5 mm dicke Alu­ble­che bestellt. Bei­des ist nun da und um den Auf­wand in Gren­zen zu hal­ten, habe ich zunächst mal einen Fest­kon­den­sa­tor zum Testen gebaut. Ein klei­nes Libre­Of­fice Spreadsheet zeigt, daß zwei 30 mm x 30 mm gro­ße Plat­ten zwi­schen drei ande­ren Plat­ten mit einem PTFE Dielek­tri­kum gut 100 pF erge­ben sollte.

Die Alu­plat­ten und das Dielek­tri­kum waren schnell gefräst.

gefräste Einzelteile für den Festkondensator
Gefrä­ste Ein­zel­tei­le für den Festkondensator.

Die Alu­plat­ten sind etwas ver­bo­gen, weil mei­ne bevor­zug­te Fixier­me­tho­de mit dop­pel­sei­ti­gem Kle­be­band bei 0,5 mm Blech an ihre Gren­zen kommt. Man bekommt die fer­tig gefrä­sten Tei­le kaum ab, ohne sie zu ver­bie­gen. Auch die PTFE-Schei­ben sind gefräst und hin­ter­her mit der Sche­re glatt­ge­schnit­ten. Regu­lä­re Tei­le wie die­se Qua­dra­te soll­te man gleich mit der Sche­re zuschnei­den, die Frä­se bringt hier kei­nen Vor­teil. Das näch­ste Foto zeigt den fer­tig mon­tier­ten Kon­den­sa­tor mit SMA-Buch­se für die Messung.

fertig aufgebauter Festkondensator
Fer­tig auf­ge­bau­ter Fest­kon­den­sa­tor mit gut 100 pF Kapazität. 

Nun die span­nen­de Fra­ge, wie isser denn nun, der selbst­ge­bau­te Kon­den­sa­tor? Hier ist das Meßergebnis:

100 pF Plattenkondensator
100 pF Plat­ten­kon­den­sa­tor mit Tef­lon Dielektrikum.

Nun, das ist doch um Län­gen bes­ser, als der FR‑4 Kon­den­sa­tor. Wie errech­net liegt die Kapa­zi­tät bei gut 100 pF und die Güte liegt im gesam­ten Kurz­wel­len­be­reich bei min­de­stens 1000, z.T. weit über 10000. Man kann nun lan­ge über die Meß­ge­nau­ig­keit phi­lo­so­phie­ren, aber daß die Güte min­de­stens 20-mal so gut ist, wie die des FR‑4 Kon­den­sa­tors, scheint offen­sicht­lich. Bei die­ser Mes­sung wur­de übri­gens anders als bei den FR-4-Mes­sun­gen die Kur­ve der Güte rech­ne­risch geglät­tet. Das ändert aber nichts an den Ergebnissen.

Auch die­ser Kon­den­sa­tor hat eine ein­ge­bau­te Induk­ti­vi­tät. Auf dem Foto oben des fer­tig auf­ge­bau­ten Kon­den­sa­tors springt sie einem förm­lich ins Auge: sie wird gebil­det von der SMA-Buch­se, den Löt­fah­nen und den Plat­ten­an­schlüs­sen. Die Spu­le hat eine Win­dung und einen Durch­mes­ser von etwa 10 mm. Das ergibt etwa 20 nH Induk­ti­vi­tät, die mit der Kapa­zi­tät des Kon­den­sa­tors einen Seri­en­schwing­kreis bil­det, der bei etwa 110 MHz reso­nant ist, also knapp ober­halb der oben gezeig­ten Messung.

Die­ser Kon­den­sa­tor soll­te mit eini­gen kV betrie­ben wer­den kön­nen, denn Tef­lon soll 18 kV/mm aus­hal­ten. Damit soll­te es mög­lich sein, ihn pro­blem­los in einer 1 kW End­stu­fe oder einem Anten­nen­tu­ner ein­zu­set­zen. Bei einer Güte von 1000 wird dann höch­stens 1 W im Kon­den­sa­tor verbraten.

Für höhe­re Kapa­zi­tä­ten kann man die Plat­ten ver­grö­ßern, mehr Plat­ten sta­peln oder ein dün­ne­res Dielek­tri­kum wäh­len. 0,25 mm Tef­lon-Folie ist auch erhält­lich und reicht auch für eini­ge kV Betriebs­span­nung. Ver­dop­pelt man die Flä­che der Plat­ten und ihre Anzahl und hal­biert die Dicke des Dielek­tri­kums, soll­te man pro­blem­los auf einen 1 nF Kon­den­sa­tor kom­men, der meh­re­re kV aus­hält und im gesam­ten Kurz­wel­len­be­reich ver­wend­bar ist. Mehr braucht man sel­ten. War­um also nicht sol­che Hoch­span­nungs­kon­den­sa­to­ren sel­ber bauen?

Der Schieb­ko – ein elek­tro­me­cha­nisch ein­stell­ba­rer Schiebekondensator

Für einen Anten­nen­tu­ner der meh­re­re Fre­quenz­bän­der abdecken soll, benö­tigt man ein­stell­ba­re Induk­ti­vi­tä­ten und Kapa­zi­tä­ten. Manu­ell ein­stell­ba­re Tuner ver­wen­den dafür Dreh­kon­den­sa­to­ren und Roll­spu­len. Die­se Tuner sind nor­ma­ler­wei­se nur im Haus an der Funk­sta­ti­on zu ver­wen­den, denn selbst wenn sie wet­ter­fest sind, wird man nicht nach drau­ßen gehen wol­len, um sie neu abzustimmen.

Für den Außen­ein­satz gibt es daher elek­trisch ein­stell­ba­re Anten­nen­tu­ner, die aber meist nur per Relais eini­ge Fest­kon­den­sa­to­ren und Spu­len umschal­ten. Dadurch wird der Abstimm­be­reich ein­ge­schränkt und jedes Relais bedeu­tet zusätz­li­che Ver­lu­ste und induk­ti­ve und kapa­zi­ti­ve Stö­run­gen. Daher wären stu­fen­los elek­tro­me­cha­nisch ein­stell­ba­re Bau­tei­le von Vorteil.

Zum Ein­stel­len der Kapa­zi­tät bie­ten sich Schritt­mo­to­ren an. Sie sind sehr preis­gün­stig in vie­len Vari­an­ten erhält­lich. Damit kann man zum Bei­spiel einen Dreh­kon­den­sa­tor ein­stel­len, aller­dings benö­tigt man ein pas­sen­des Unter­set­zungs­ge­trie­be mög­lichst ohne Spiel. Es gibt auch Schritt­mo­to­ren, die schon eine Spin­del ein­ge­baut haben und damit die Dreh­be­we­gung auf eine Trans­la­ti­ons­be­we­gung umset­zen, wie z.B. der hier abgebildete:

Schrittmotor mit Spindel
Schritt­mo­tor mit Spin­del zum Erzeu­gen einer linea­ren Bewegung.

Die­ser Schritt­mo­tor ist bei den bekann­ten Ver­kaufs­stel­len in Chi­na im Zeh­ner­pack für weni­ger als 2 Euro pro Stück zu bezie­hen. Mit einem sol­chen Motor kann man recht ein­fach einen Plat­ten­kon­den­sa­tor aus einer oder meh­re­ren Plat­ten ver­stel­len, der als Schie­be­kon­den­sa­tor („Schieb­ko“) aus­ge­führt ist. Gesagt getan!

Die wesent­li­chen Rand­be­din­gun­gen für den Kon­den­sa­tor sind sein Ein­stell­be­reich und die Span­nungs­fe­stig­keit. Die Anwen­dung in einem Anten­nen­tu­ner bei einer mode­ra­ten Aus­gangs­lei­stung von 100 Watt erfor­dert weni­ger als 1 kV Span­nungs­fe­stig­keit. Bei 50 Ω hat man zwar nur unter 100 V anlie­gen, aber da auch hoch­oh­mi­ge end­ge­spei­ste Anten­nen mit eini­gen weni­gen kΩ ange­passt wer­den sol­len, ist man erst mit 1 kV auf der siche­ren Sei­te. Bei der Wahl des Ein­stell­be­reichs fällt die Fest­le­gung etwas schwe­rer. Einer­seits kann man nach oben nie genug haben, beson­ders für die lang­wel­li­gen Bän­der, ande­rer­seits steigt aber fast unver­meid­lich auch die mini­ma­le Kapa­zi­tät mit der maxi­ma­len. Nun gut, für den Pro­to­ty­pen habe ich ein­fach einen Bereich von 20 pF bis 100 pF ange­strebt. Durch Hin­zu­fü­gen wei­te­rer Plat­ten lässt sich die­ser Bereich anpassen.

Bleibt die Fra­ge des ver­wen­de­ten Mate­ri­als und sei­ne Dimen­sio­nen. Der Hub des oben gezeig­ten Schritt­mo­tors beträgt gut 35 mm. Auf eine Füh­rung für den Plat­ten­sta­pel soll mög­lichst ver­zich­tet wer­den, d.h. der Schie­ber soll ein­fach in den Sta­tor glei­ten und dabei der Plat­ten­ab­stand gewahrt blei­ben. Um die lei­ten­de Kon­den­sa­tor­plat­te muß also ein Iso­la­tor ange­bracht sein, der einen Kurz­schluß ver­hin­dert. Ein Luft-Dreh­ko bzw. ‑Schieb­ko wäre wegen der not­wen­di­gen Füh­rung mecha­nisch aufwendiger.

Der Auf­bau

Als ein­fach­ste und bil­lig­ste Lösung bie­ten sich auf Maß gefrä­ste FR-4-Lei­ter­plat­ten an.

Kondensatorplatten aus FR4
Kon­den­sa­tor­plat­ten aus FR‑4

Links sind die drei Plat­ten des Sta­tors zu sehen und rechts die bei­den Plat­ten des Schie­bers. Außer­dem gibt es Abstands­hal­ter und eini­ge M2er Schrau­ben. Die Sta­tor­plat­ten sind 40 mm x 50 mm groß und auf der Unter­sei­te etwa 0,25 mm ein­ge­fräst, so daß die Schie­ber leicht hin- und her­glei­ten kön­nen. Zusam­men­ge­baut sieht das gan­ze dann so aus:

Schiebekondensator zusammengebaut
Der fer­tig­mon­tier­te Schiebekondensator.

Hier ist der Schie­be­kon­den­sa­tor auf einem betriebs­be­rei­ten Pro­to­ty­pen mit dem Schritt­mo­tor verbunden.

Die Ansteue­rung erfolgt hier mit einem I/O Board mit RS485 Schnitt­stel­le, das an ande­rer Stel­le schon­mal beschrie­ben wur­de. Es ist über eine Mod­Bus-Schnitt­stel­le mit dem PC ver­bun­den. Als Trei­ber dient ein klei­nes Board mit „A4988 step­per motor dri­ver“, die es auch als Schütt­gut bei chi­ne­si­schen Händ­lern zu kau­fen gibt. Es ist zwei­fel­los über­di­men­sio­niert, aber hier die ein­fach­ste, bil­lig­ste und schnell­ste Lösung. Die jewei­li­ge Ziel­po­si­ti­on wird hier am PC mit dem Mod­Bus-Uti­li­ty QMod­Ma­ster ein­ge­ge­ben. Das Video oben zeigt die Ori­gi­nal­ge­schwin­dig­keit, also weder Zeit­raf­fer noch Zeit­lu­pe. Zwi­schen den End­po­si­tio­nen lie­gen hier etwa 250 Schrit­te. Der Ein­fach­heit hal­ber wer­den die Schritt­im­pul­se in einem 10 ms-Inter­rupt-Hand­ler erzeugt. Microstepping ist mög­lich, aber hier wird für jeden Schritt­im­puls ein vol­ler Schritt aus­ge­führt. Mit Microstepping fährt der Motor wesent­lich sanf­ter und geräusch­lo­ser, braucht aber dop­pelt oder vier­mal so lan­ge. Für eine „Release-Ver­si­on“ wäre die Soft­ware noch etwas zu über­ar­bei­ten, aber hier soll es ja nur um ein „pro­of-of-con­cept“ gehen.

Die Meß­er­geb­nis­se

Die Para­me­ter des Kon­den­sa­tors kön­nen mit einem Netz­werk­ana­ly­sa­tor an der SMA-Buch­se gemes­sen wer­den. Hier zunächst mal die Meß­er­geb­nis­se zwi­schen 0 und 100 MHz für ver­schie­de­ne Ein­stel­lun­gen des Kondensators:

Schiebekondensator, voll ausgefahren
Schie­be­kon­den­sa­tor voll ausgefahren.
Schiebekondensator, 50% eingefahren
Schie­be­kon­den­sa­tor 50% eingefahren.
Schiebekondensator, 75% eingefahren
Schie­be­kon­den­sa­tor 75% eingefahren
Schiebekondensator, voll eingefahren
Schie­be­kon­den­sa­tor voll eingefahren

Im voll aus­ge­fah­re­nen Zustand hat der Kon­den­sa­tor also unge­fähr 20 pF, im voll ein­ge­fah­re­nen Zustand gut 100 pF. Das sind unge­fähr die Ziel­wer­te für die Ent­wick­lung des Pro­to­ty­pen. Dem­entspre­chend wur­de die Grö­ße des Schie­bers und die Anzahl der Plat­ten gewählt. In einer über­ar­bei­te­ten Ver­si­on wür­de ich ver­su­chen, die unte­re Kapa­zi­tät auf 10 pF bis 15 pF her­un­ter­zu­be­kom­men. Das soll­te durch Umdi­men­sio­nie­ren des Schie­bers mög­lich sein. Die Kapa­zi­tät ist line­ar ein­stell­bar und jeder Schritt ändert sie um etwa 0,3 pF ((100pF-20pF)/250 Schrit­te). Die Wie­der­hol­ge­nau­ig­keit liegt etwas höher, weil der Schie­ber lose ein­ge­hängt ist und etwas wackelt, aber den­noch bei unter 1 pF.

Die Mes­sun­gen bei 75% und 100% zei­gen Seri­en­re­so­nan­zen bei 89,8 MHz und 82,2 MHz. Das ist nicht wei­ter ver­wun­der­lich und war zu erwar­ten. Die Zulei­tun­gen zum Sta­tor und zum Schie­ber bil­den eine Induk­ti­vi­tät in der Grö­ßen­ord­nung von 40 nH. Sie ändert sich auch etwas mit der Stel­lung des Schie­bers. Da der Ein­satz­be­reich des Kon­den­sa­tors bis zum 10 m Band geplant ist, stört die­se Induk­ti­vi­tät hier nicht. Auch das 6 m Band und das 4 m Band wären noch abzudecken.

Gute Güte…

Ist also alles gut? Nein, die Crux ist die Güte des Kon­den­sa­tors. Sie ist in rot dar­ge­stellt und liegt je nach Fre­quenz und Kapa­zi­tät zwi­schen 50 und 100. Das ist nicht gut, Kon­den­sa­to­ren haben nor­ma­ler­wei­se Güten über 1000, aber viel­leicht kann man das hier tole­rie­ren oder verbessern.

Der Kehr­wert der Güte ist der Ver­lust­fak­tor, hier also 0,01 bis 0,02. Das bedeu­tet, wenn der Kon­den­sa­tor mit 100 Watt beauf­schlagt wird, erzeugt er eine Ver­lust­lei­stung von 1 bis 2 Watt. Die feh­len dann bei der abge­strahl­ten Lei­stung, aber bekannt­lich gilt „ein biss­chen Schwund ist immer“. Da Ener­gie aber zum Glück nicht ver­lo­ren geht, wird sie in Wär­me umge­wan­delt. Nun hat der Kon­den­sa­tor eine recht gro­ße Ober­flä­che und wird 2 Watt auf Dau­er ablei­ten kön­nen. Außer­dem ist FR‑4 ja recht hit­ze­be­stän­dig, aber über das Pro­blem soll­te man sich im Kla­ren sein, zumal wei­te­re Kom­po­nen­ten auch erheb­li­che Ver­lu­ste haben. Eine End­stu­fe mit 1 oder 2 kW wür­de sicher­lich die Bela­stungs­gren­ze die­ses Schie­be­kon­den­sa­tors überschreiten.

Zum Ver­gleich habe ich einen 10 pF Glim­mer-Kon­den­sa­tor und einen 100 pF Kera­mik-Hoch­volt-Kon­den­sa­tor (3 kV) mit dem­sel­ben Test­auf­bau ausgemessen:

10pF Mica
10pF/100V Glim­mer­kon­den­sa­tor.
100pF KerKo, 3kV
100pF/3kV Kera­mik­kon­den­sa­tor

Bei­de Kon­den­sa­to­ren haben deut­lich höhe­re Güten zwi­schen eini­gen 100 und eini­gen 1000. Das zeigt, daß der Meß­auf­bau im wesent­li­chen kor­rekt ist.

Was ist denn nun die Ursa­che für die gerin­ge Güte des Eigen­bau-Kon­den­sa­tors und wie kann man sie ver­bes­sern? Nun, die Ursa­che sind die dielek­tri­schen Ver­lu­ste von FR‑4. Wiki­pe­dia doku­men­tiert einen Dielek­tri­scher Ver­lust­fak­tor von 0,012 bis 0,035 für FR‑4 Stan­dard­ma­te­ri­al. Das deckt sich gut mit den oben gezeig­ten eige­nen Mes­sun­gen, die zwi­schen 0,01 und 0,02 erga­ben. Da muß man nicht wei­ter­grü­beln, mit FR‑4 wird das nicht besser.

Zukünf­ti­ge Versuche

Die Ergeb­nis­se die­ses ersten Ver­suchs sind viel­ver­spre­chend. Im Prin­zip hat es funk­tio­niert. Wie geht es nun weiter?

Soll das Kon­zept bei­be­hal­ten wer­den, dann muß man nach bes­se­rem Lei­ter­plat­ten­ma­te­ri­al suchen und even­tu­ell doch auf Luft als Dielek­tri­kum umstei­gen. Eine schö­ne und nütz­li­che Tabel­le mit den Ver­lust­fak­to­ren ver­schie­de­ner Mate­ria­li­en gibt es bei Microwaves101. Außer den für Bast­ler schwer erhält­li­chen Mate­ria­li­en von Rogers (hin und wie­der bie­tet die jemand auf der Ham-Radio an) bie­ten sich Eigen­bau­lö­sun­gen auf PTFE-Basis („Tef­lon“) an. Des­sen Dielek­tri­zi­täts­kon­stan­te ist nur halb so groß, wie die von FR‑4 und damit wird für die­sel­be Kapa­zi­tät die dop­pel­te Flä­che benö­tigt. Dafür liegt der Ver­lust­fak­tor in der Grö­ßen­ord­nung von 0,0002 und ist damit hun­dert­mal bes­ser als FR‑4. Die Durch­schlags­fe­stig­keit von PTFE ist etwas höher als FR‑4, 18kV/mm gegen­über 14 kV/mm. Damit kön­nen die Plat­ten etwas dich­ter anein­an­der posi­tio­niert werden.

Ein Schie­be­kon­den­sa­tor nach dem hier beschrie­be­nen Muster mit PTFE Dielek­tri­kum ist ein hei­ßer Kan­di­dat für wei­te­re Versuche.

Stay tun­ed!