Anten­nen­um­schal­ter – Teil 4 Inbetriebnahme

Nach­dem der fer­tig auf­ge­bau­te Anten­nen­um­schal­ter seit eini­gen Wochen auf die Instal­la­ti­on war­te­te, war gestern end­lich mal ein hal­ber Tag trocke­nes und schnee­frei­es Wet­ter. Es muß­te ja nicht ein­fach nur die neue Box an die Wand geschraubt und ver­ka­belt wer­den, son­dern das alte RG-213 Kabel soll­te vom Trans­cei­ver zum Anten­nen­um­schal­ter durch ein neu­es ECOFLEX-10 Kabel ersetzt wer­den. Gleich­zei­tig soll­te ein neu­es ECOFLEX-10 Kabel für die 2m/70cm/23cm-Anten­ne (SD 2000) ver­legt wer­den, weil die dem­nächst auf einen dreh­ba­ren Mast mon­tiert wer­den soll. Die Erd­lei­tung für den Anten­nen­um­schal­ter und ein wei­te­res ECO­FLEX-10-Kabel für die 2m/70cm Yagi­an­ten­ne wur­de auf den Ter­min in der Zukunft ver­scho­ben, an dem end­lich der Rotor instal­liert wird.

Nach der pro­be­wei­sen Instal­la­ti­on konn­ten nun erste Ver­su­che mit der ech­ten Anten­ne durch­ge­führt wer­den. Im Grun­de hat alles auf Anhieb funk­tio­niert, aber im Sen­de­be­trieb mit über 50 Watt Aus­gangs­lei­stung kam es zu Kom­mu­ni­ka­ti­ons­feh­lern. Das Pro­zes­sor­board funk­tio­nier­te ohne Pro­ble­me, kein Auf­hän­gen der Soft­ware, kein Watch­dog-Reset und auch die Uhr lief pro­blem­los wei­ter. Der Betrieb mit einer künst­li­chen Anten­ne hat die Anzahl der Kom­mu­ni­ka­ti­ons­feh­ler übri­gens redu­ziert. Dar­aus schlie­ße ich auf Man­tel­wel­len bei der Lang­draht­an­ten­ne. Nach dem Abschal­ten des Sen­de­si­gnals war die Kom­mu­ni­ka­ti­on wie­der feh­ler­frei mög­lich. Die Ursa­che war schnell gefun­den: ich hat­te nicht abge­schirm­tes Flach­band­ka­bel für die Ver­drah­tung der Kom­mu­ni­ka­ti­ons­steck­do­sen zum Board ver­wen­det und außer­dem die RS-485 Lei­tun­gen nicht HF-mäßig ent­kop­pelt, son­dern direkt an die Trei­ber angeschlossen.

Das muss­te geän­dert wer­den. Nun ist auf jeder der bei­den RS-485-Lei­tun­gen ein Tief­paß aus einem BLM21PG331 und einem 1 nF Kon­den­sa­tor direkt an den Pins zum Pro­zes­sor­board ein­ge­baut. Das Flach­band­ka­bel wur­de durch das­sel­be abge­schirm­te Kabel ersetzt, das auch zur Steue­rung zum PC hin ver­legt ist. Hier ist der neue Schalt­plan mit den Ände­run­gen und nach­fol­gend ein Foto der Verkabelung:

Neue Verkabelung der RS-485-Schnittstelle.
Neue Ver­ka­be­lung der RS-485-Schnitt­stel­le. Übersichtsfoto.

Die Tief­päs­se beschrän­ken natür­lich die Baud­ra­te. Tests haben erge­ben, daß 56 kBd noch funk­tio­nie­ren, 115 kBd aber nicht mehr. Nor­ma­ler­wei­se ver­wen­de ich 9600 Bd, was also deut­lich im grü­nen Bereich liegt.

Bei der Ver­ka­be­lung von Kom­mu­ni­ka­ti­ons­schnitt­stel­len stellt sich die Fra­ge, wie man es mit der Abschir­mung hält. Es kom­men immer wie­der Poten­ti­al­un­ter­schie­de auf bei­den Sei­ten der Ver­ka­be­lung vor und ein Strom­fluß auf der Abschir­mung soll­te ver­mie­den wer­den. Wenn die Schnitt­stel­le aber nicht (z.B. durch Opto­kopp­ler) poten­ti­al­ge­trennt ist, dann muß man eben doch dafür sor­gen, daß bei­de Sei­ten zumin­dest auf einem ähn­li­chen Poten­ti­al lie­gen. Klei­ne Poten­ti­al­un­ter­schie­de kön­nen die RS-485-Trans­cei­ver vertragen.

Ich habe das hier so gelöst, daß die Abschir­mung des Kabels zum PC auf der Sei­te des Anten­nen­schal­ters gegen Erde gelegt (grü­ne Lit­zen im Bild unten), auf der PC-Sei­te aber nicht ange­schlos­sen ist.

Neue Verkabelung der RS-485-Schnittstelle.
Neue Ver­ka­be­lung der RS-485-Schnitt­stel­le. Der Stecker zum Netzwerk.

Die Abschir­mung der Innen­ver­ka­be­lung liegt auf der digi­ta­len Mas­se des Antennenumschalters.

Neue Verkabelung der RS-485-Schnittstelle
Neue Ver­ka­be­lung der RS-485-Schnitt­stel­le. Der Stecker zum Antennenumschalter.

Damit ist also die Innen­ver­ka­be­lung auch nur auf einer Sei­te ange­schlos­sen. Bei­de Mas­se­lei­tun­gen sind über eine 15 µH Dros­sel HF-mäßig ent­kop­pelt, aber DC-mäßig ver­bun­den. Ob das der Weiß­heit letz­ter Schluß ist, bleibt abzu­war­ten. Bis­her funk­tio­niert es jeden­falls ohne Pro­ble­me und wei­te­re Kom­mu­ni­ka­ti­ons­feh­ler sind auch beim Sen­de­be­trieb mit 100 Watt nicht mehr auf­ge­tre­ten. Das vor­ge­se­he­ne Abschirm­blech wur­de nicht mon­tiert, es geht auch so.

Der Anten­nen­um­schal­ter ist nun an der Außen­wand neben der Kabel­box mon­tiert und läuft nun im Pro­be­be­trieb. Bis­her ist nur eine Anten­ne ange­schlos­sen und das Erd­ka­bel fehlt noch:

Antennenumschalter fertig installiert
Anten­nen­um­schal­ter fer­tig installiert

Ich habe nun übri­gens das weit­ge­hend pin­kom­pa­ti­ble RS-485-Board mit dem ATMEGA644PA ein­ge­setzt. Es hat einen Tem­pe­ra­tur­sen­sor und eine Span­nungs­re­fe­renz. Damit kann man dann recht prä­zi­se die Betriebs­pa­ra­me­ter des Anten­nen­um­schal­ters messen.

Nach­fol­gend Fotos der bei­den Boxen ohne und mit Deckel:

Antennenumschalter neben der Kabelbox
Anten­nen­um­schal­ter neben der geöff­ne­ten Kabelbox

Antennenumschalter neben der Kabelbox
Anten­nen­um­schal­ter und Kabelbox

Damit soll die Beschrei­bung des Anten­nen­um­schal­ters enden, es sei denn, daß gra­vie­ren­de Din­ge im Betrieb auf­tre­ten. Dem­nächst wer­de ich aber noch die Betriebs­soft­ware auf bei­den Sei­ten, also auf dem RS-485-Board sowie auf dem PC beschreiben.

Hier sind Links zu den vor­he­ri­gen Tei­len die­ser Beschreibung:

Teil 1, Teil 2 und Teil 3.

Anten­nen­um­schal­ter – Teil 3 Gehäu­see­in­bau und Abschlußmessungen

Der Anten­nen­um­schal­ter ist nun in ein wet­ter­fe­stes Gehäu­se ein­ge­baut, alle Anschlüs­se sind ver­ka­belt und so kön­nen nun die Abschluß­tests vor­be­rei­tet und durch­ge­führt werden.

Antennenumschalter im Gehäuse 3
Anten­nen­um­schal­ter im Gehäu­se – die Unterseite.

Links im Bild sind die sechs SO239 UHF Aus­gangs­buch­sen zu sehen, an die die Anten­nen ange­schlos­sen wer­den, rechts dane­ben die Buch­se, die zum Trans­cei­ver führt. Für die RS-485-Schnitt­stel­le sind zwei glei­che und par­al­lel­ge­schal­te­te Buch­sen vor­ge­se­hen. Eine davon dient als Ein­gangs­buch­se und ist mit dem PC ver­bun­den, die ande­re ist die Aus­gangs­buch­se, an die wei­te­re Steu­er­ge­rä­te ange­schlos­sen wer­den kön­nen. Ich habe mich für 6‑polige wet­ter­fe­ste (IP67) Quick­lock-Stecker und Kupp­lun­gen ent­schie­den, die einen sehr robu­sten Ein­druck machen. Nicht bil­lig, aber preiswert!

RS-485 (genau genom­men EIA-485) erlaubt den Anschluß von min­de­stens 32, mit spe­zi­el­len Trei­bern (die hier auch ein­ge­setzt sind) sogar bis zu 256 Bus­teil­neh­mern. Das letz­te Gerät in der Ket­te muß einen Abschluß­wi­der­stand bekom­men, damit Refle­xio­nen mini­miert wer­den. Dazu dient der oben nur schlecht zu sehen­de Abschluß­stecker mit ein­ge­bau­tem 120 Ω Wider­stand. Die Kabel­durch­füh­rung an der rech­ten Unter­sei­te ist für ein Erdungs­ka­bel vorgesehen.

Antennenumschalter im Gehäuse 1
Anten­nen­um­schal­ter im wet­ter­fe­sten Gehäuse

Die­ses Foto zeigt den Innen­auf­bau. Der Anten­nen­um­schal­ter ist auf ein 1 mm dickes geer­de­tes Alu­blech mon­tiert. Mit Hil­fe von Abstands­bol­zen kann ein zwei­tes Blech die­ser Art über dem Anten­nen­um­schal­ter auf­ge­schraubt wer­den. Das kann dann als Abschir­mung in der ande­ren Rich­tung und gleich­zei­tig als Trä­ger für wei­te­re Lei­ter­plat­ten die­nen, wie z.B. einen WSPR Sender.

Antennenumschalter im Gehäuse 2
Anten­nen­um­schal­ter im Gehäu­se – die Ver­ka­be­lung der UHF-Buchsen.

Hier ist die Ver­ka­be­lung der Buch­sen zu sehen. Die RG58-Kabel sind einer­seits an die SO239-Buch­sen gecrimpt, ande­rer­seits an die gewin­kel­ten SMA-Steck­ver­bin­der. Das gefrä­ste Alu­blech, das als Scha­blo­ne für das Boh­ren der Gehäu­se­durch­brü­che dien­te, ist auf der Innen­sei­te des Gehäu­ses mit den Buch­sen ver­schraubt. Das gibt noch etwas zusätz­li­che mecha­ni­sche Sta­bi­li­tät, wäre aber ver­mut­lich nicht unbe­dingt notwendig.

Die Abschluß­mes­sun­gen

Nach­dem der Anten­nen­um­schal­ter nun im Gehäu­se ein­ge­baut ist und die end­gül­ti­gen Buch­sen bekom­men hat, müs­sen die in Teil 2 duch­ge­führ­ten Mes­sun­gen noch­mal wie­der­holt wer­den. Das nach­fol­gen­de Foto zeigt den Meß­auf­bau mit dem ange­schlos­se­nen Netzwerk-Analysator.

Antennenumschalter im Gehäuse, Meßaufbau
Anten­nen­um­schal­ter im Gehäu­se. Auf­bau zum Mes­sen der Durch­gangs- und Reflexionsdämpfung.

Anders als bei den ersten Mes­sun­gen star­tet der Meß­be­reich nun bei 100 kHz und endet bei 200 MHz. Ich woll­te ein­fach mal sehen, mit wel­chen Ein­schrän­kun­gen man bei einem (nicht vor­ge­se­he­nen) Betrieb bei 145 MHz im 2‑m-Band rech­nen müss­te. Der Start bei 100 kHz ver­mei­det Arte­fak­te bei nied­ri­gen Fre­quen­zen. Nach­fol­gend die Meß­er­geb­nis­se der ein­zel­nen Kanäle.

Dis­kus­si­on der Meßergebnisse

In der nach­fol­gen­den Dis­kus­si­on wird immer wie­der von den gemes­se­nen Wer­ten in dB auf abso­lu­te Lei­stun­gen umge­rech­net. Der Grund ist, daß der Umschal­ter mit den 100 Watt eines IC-7300 Trans­cei­vers betrie­ben wer­den soll. Da die Ver­lust­lei­stun­gen zur Erwär­mung der Bau­tei­le füh­ren, soll damit abge­schätzt wer­den, ob die Lei­stung trag­bar ist. Ein Bast­ler weiß aus Erfah­rung, wie warm ein mit 250 mW oder 1 W bela­ste­ter Wider­stand wird und ob man die­se Lei­stung einem Kabel, einer Buch­se oder einem Relais zumu­ten kann. Alle abso­lu­ten Lei­stun­gen sind auf die genann­te Ein­gangs­lei­stung von 100 Watt bezogen.

Die Dämp­fung bis 30 MHz ist jetzt von 0.02 dB auf bis zu 0.1 dB ange­stie­gen. Das heißt, daß bei Betrieb im 10-m-Band mit 100 Watt etwas über 2 W im Umschal­ter ver­bra­ten wer­den. Nicht schön, aber trag­bar. Allein die unge­fähr 25 cm RG58-Kabel, die bei jedem Kanal zwi­schen den bei­den Buch­sen lie­gen, dürf­ten 0,02 dB (0,4 W) dazu bei­tra­gen (8 dB/100m @ 30 MHz). Wenn wir die feh­len­den 0.06 dB gleich­mä­ßig auf die vier Steck­ver­bin­der ver­tei­len (SO239-SMA-SMA-SO239), dann blei­ben an jedem die­ser Steck­ver­bin­der 0.015 dB hän­gen, was plau­si­bel klingt. Bei 100 Watt Ein­gangs­lei­stung sind das dann jeweils gut 300 mW. Das muß man wohl akzep­tie­ren. Auch mit der drei- oder vier­fa­chen Lei­stung soll­te das in Ord­nung sein, aber bei noch höhe­ren Lei­stun­gen wird man die Ver­lu­ste redu­zie­ren müs­sen, sonst läuft der Umschal­ter im Dau­er­be­trieb heiß.

Die oben doku­men­tier­ten Mes­sun­gen zei­gen auch jeweils die reflek­tier­te Lei­stung, also die Rück­lauf­dämp­fung, in dB an. Bis 30 MHz liegt sie auf jedem Kanal, außer dem drit­ten, unter 30 dB. Das bedeu­tet, daß weni­ger als ein Tau­send­stel der ein­ge­spei­sten Lei­stung reflek­tiert wird. Bei 100 Watt am Ein­gang sind das 100 mW und das ist guten Gewis­sens ver­nach­läs­sig­bar. Bei Kanal 3 zeigt sich eine Ano­ma­lie. Das Smith Dia­gramm ver­rät, daß die kapa­zi­ti­ve Bela­stung höher ist, als auf den ande­ren Kanä­len, denn die Kur­ve geht frü­her und deut­li­cher nach unten in den kapa­zi­ti­ven Bereich. Die Rück­lauf­dämp­fung beträgt bei 30 MHz nur noch 25 dB, was schon einer rück­lau­fen­den Lei­stung von 300 mW entspricht.

Bei höhe­ren Fre­quen­zen jen­seits von 30 MHz macht sich die Ano­ma­lie auf Kanal 3 immer stär­ker bemerk­bar. Bei 75 MHz beträgt dort die Durch­lauf­dämp­fung 0.21 dB, wäh­rend sie auf den ande­ren Kanä­len höch­stens 0.15 dB beträgt. Gleich­zei­tig sieht man aber auch, daß die Rück­fluß­dämp­fung auf gut ‑17 dB ansteigt, was natür­lich an dem schlech­ten Steh­wel­len­ver­hält­nis liegt. Anders aus­ge­drückt, von den 4,7 W die nicht am Aus­gang ankom­men (0.21 dB Dämp­fung), wer­den 2 W zum Ein­gang reflek­tiert (-17 dB). Letzt­lich gehen also auf dem Kanal 3 doch nur 2,7 W als Wär­me ver­lo­ren. Zum Ver­gleich hat Kanal 5 eine Durch­lauf­dämp­fung von 0,12 dB und eine Rück­lauf­dämp­fung von 30 dB. Hier wer­den also nur 100 mW reflek­tiert und genau wie auf dem drit­ten Kanal 2,7 W in Wär­me umge­wan­delt. Die Dämp­fung ist also auf allen Kanä­len im Rah­men der Meß­ge­nau­ig­keit gleich, aber das Steh­wel­len­ver­hält­nis und damit die reflek­tier­te Lei­stung ist unterschiedlich.

Was ist also die Quint­essenz die­ser Mes­sun­gen? Ich wer­de den Anten­nen­um­schal­ter im gesam­ten Kurz­wel­len­be­reich inklu­si­ve dem 6‑m-Band und dem 4‑m-Band ein­set­zen. Auch Kanal 3 wird ver­wen­det, mit der mar­gi­nal höhe­ren Rück­lauf­lei­stung muß der Trans­cei­ver zurechtkommen.

Was bedeu­ten die Mes­sun­gen bei 145 MHz für einen even­tu­el­len zukünf­ti­gen UKW Anten­nen­um­schal­ter? Der hier gebau­te Umschal­ter ist für das 2‑m-Band sicher nicht mehr geeig­net, das Steh­wel­len­ver­hält­nis liegt auf allen Kanä­len zwi­schen 1,25 und 2. Ein klei­nes Spreadsheet zeigt, daß die tat­säch­li­chen Ver­lu­ste bei 145 MHz auf allen Kanä­len zwi­schen 0,25 und 0,3 dB lie­gen, wenn man die reflek­tier­te Lei­stung zur durch­ge­las­se­nen Lei­stung addiert, wie es bei idea­lem Steh­wel­len­ver­hält­nis von 1 der Fall wäre. Da RG58 bei 145 MHz etwa 18 dB Ver­lust auf 100 m hat, kann man bei den hier ver­bau­ten 25 cm also schon knapp 0,05 dB dem Kabel zurech­nen. Dämp­fungs­wer­te für SMA und UHF Steck­ver­bin­der habe ich nicht gefun­den, daher ver­tei­le ich, wie oben, die ver­blei­ben­de Dämp­fung gleich­mä­ßig auf die ver­wen­de­ten Steck­ver­bin­der und das Relais. Wür­de man also die Kabel und zwei Steck­ver­bin­der weg­las­sen, soll­te mit den hier ver­wen­de­ten Relais auf 2 m eine Dämp­fung von 0,1 bis 0,15 dB erreich­bar sein. Mecha­nisch wird man die Relais dann aber im Kreis anord­nen und die Buch­sen direkt auf die Pla­ti­ne löten.

Hier geht’s zum ersten und zum zwei­ten Teil.

Anten­nen­um­schal­ter – Teil 2, Messungen

Der Anten­nen­um­schal­ter ist nun halb auf­ge­baut und kann durch­ge­mes­sen wer­den. Um bei einem völ­li­gen Ver­sa­gen nicht alles wie­der aus­lö­ten oder gar ver­schrot­ten zu müs­sen, sind die im Moment nicht benö­tig­ten Tei­le noch unbe­stückt. Die Relais wer­den noch nicht vom Con­trol­ler son­dern über eine Steck­brücke geschal­tet. Hier ein Foto des Testaufbaus:

Testaufbau mit Dummyload.
Test­auf­bau des halb bestück­ten Anten­nen­um­schal­ters mit Dummyload.

Zum Test­be­trieb am Aus­gang des Trans­cei­vers mit 100 Watt Sen­de­lei­stung ist hier eine Dum­my­load ange­schlos­sen. Fotos mit einer Wär­me­bild­ka­me­ra sind wei­ter unten gezeigt.

Durch­gangs- und Reflexionsmessungen

Hier die aus­führ­li­chen Test­ergeb­nis­se mit einem vek­to­ri­el­len Netzwerkanalysator.

s11 und s21 Messung
s11 und s21 Mes­sung: Ein­gang auf Aus­gang 1

s11 und s21 Messung
s11 und s21 Mes­sung: Ein­gang auf Aus­gang 2

s11 und s21 Messung
s11 und s21 Mes­sung: Ein­gang auf Aus­gang 3

s11 und s21 Messung
s11 und s21 Mes­sung: Ein­gang auf Aus­gang 4

s11 und s21 Messung
s11 und s21 Mes­sung: Ein­gang auf Aus­gang 5

s11 und s21 Messung
s11 und s21 Mes­sung: Ein­gang auf Aus­gang 6

Die Meß­er­geb­nis­se zei­gen jeweils die Durch­gangs­dämp­fung s21 zu jedem der sechs Aus­gän­ge und das Refle­xi­ons­ver­hal­ten s11 am Ein­gang, jeweils von 0 bis 100 MHz. Die blau­en Krei­se zei­gen die Steh­wel­len­ver­hält­nis­se 1,25, 2 und 3.

Als Ein­satz­be­reich sind 0 bis 30 MHz ange­strebt, höhe­re Fre­quen­zen wer­den aber ger­ne mit­ge­nom­men. Die Durch­gangs­dämp­fung bis 30 MHz ist in jedem Fall unter 0,02 dB. Dabei dürf­te der Meß­feh­ler recht hoch sein, denn trotz Kali­brie­rung wird auch hier und da mal eine Ver­stär­kung von 0.01 dB ange­zeigt. Bei 100 Watt Ein­gangs­lei­stung bedeu­tet eine Dämp­fung um 0.02 dB einen Ver­lust von knapp 500 mW, also durch­aus trag­bar. Bis 75 MHz wächst die­ser Ver­lust auf 0.07 dB an, was immer­hin schon 1,5 Watt ent­spricht, aber auch noch nicht besorg­nis­er­re­gend ist. Einen Aus­rei­ßer gibt es sowohl bei der Dämp­fung wie beim Steh­wel­len­ver­hält­nis auf Kanal 3. Die Ursa­chen sind noch nicht bekannt. Den­noch ist auch Kanal 3 bis 30 MHz ohne Ein­schrän­kun­gen verwendbar.

Mes­sung der Kopp­lung auf Nachbarkanäle

Die nach­fol­gen­den Mes­sun­gen zei­gen die Kopp­lung auf Nach­bar­ka­nä­le für aus­ge­wähl­te Einstellungen:

s11 und s21 Messung
s11 und s21 Mes­sung: Ein­gang auf Aus­gang 1 geschal­tet, Mes­sung der Kopp­lung auf Aus­gang 2

s11 und s21 Messung
s11 und s21 Mes­sung: Ein­gang auf Aus­gang 6 geschal­tet, Mes­sung der Kopp­lung auf Aus­gang 1

s11 und s21 Messung
s11 und s21 Mes­sung: Ein­gang auf Aus­gang 6 geschal­tet, Mes­sung der Kopp­lung auf Aus­gang 5

Die Nach­bar­ka­nal­dämp­fung liegt in allen gemes­se­nen Fäl­len bis 30 MHz bei knapp 46 dB. Das bedeu­tet, daß bei 100 Watt über­tra­ge­ner Lei­stung etwa 2,5 mW auf den Nach­bar­ka­nal gekop­pelt wer­den. Auch das ist ein völ­lig akzep­ta­bler Wert. Bei 75 MHz ist die Kopp­lung erwar­tungs­ge­mäß grö­ßer, aber mit 37 dB (20 mW bei 100 Watt am Ein­gang) immer noch unkritisch.

Betrieb mit hoher Leistung

Die Meß­er­geb­nis­se stim­men zuver­sicht­lich und so kann ein Dau­er­test mit einer Dum­my­load bei 100 W Lei­stung durch­ge­führt wer­den. Die selbst­ge­bau­te Dum­my­load ist für 100 Watt kon­stru­iert, wird aber nach eini­gen Minu­ten so heiß, daß man sie nicht mehr anfas­sen kann. Daher sind die Dau­er­tests auf 5 Minu­ten begrenzt, gefolgt von einer min­de­stens halb­stün­di­gen Abkühl­pha­se. Ein Foto des Test­auf­baus im opti­schen Bereich mit die­ser Dum­my­load ist oben gezeigt. Hier fol­gen Fotos mit der Wärmebildkamera:

Die Wär­me­bil­der zei­gen kei­ne signi­fi­kan­te Erwär­mung des Anten­nen­um­schal­ters. Schon ohne HF sieht man, wie sich das Relais durch den Spu­len­strom von knapp 20 mA (220 mW) erwärmt. Nach etwa fünf Minu­ten Betrieb mit 100 Watt kommt kei­ne signi­fi­kan­te Erwär­mung hin­zu. Zu beach­ten ist, daß die Farb­ge­bung dem jewei­li­gen Tem­pe­ra­tur­ver­lauf ange­passt wird. Damit haben Far­ben in jedem Bild eine unter­schied­li­che Bedeu­tung. Der Bereich wird jeweils auf der ver­ti­ka­len Ska­la am rech­ten Bild­rand gezeigt. Links oben wird die Tem­pe­ra­tur im Faden­kreuz der Bild­mit­te angezeigt.

Die Wär­me­bild­ka­me­ra zeigt übri­gens das Wär­me­bild über­la­gert mit einem nied­rig auf­ge­lö­sten Foto im opti­schen Bereich. Bei­de Fotos sind je nach Abstand zum Motiv nicht immer deckungsgleich.

Inzwi­schen ist der Anten­nen­um­schal­ter fer­tig bestückt und war­tet auf sei­nen Ein­bau in ein wet­ter­fe­stes Gehäuse:

Der fertig bestückte Antennenumschalter.
Der fer­tig bestück­te Antennenumschalter.

Das Abschirm­blech soll nur bei Bedarf ein­ge­baut werden.

Der Ein­bau in ein Gehäu­se wird im näch­sten und vor­aus­sicht­lich letz­ten Teil dokumentiert.

Hier ist Teil 1 und hier Teil 3 die­ser Beschreibung.

Anten­nen­um­schal­ter – Teil 1

Der Weg vom Shack nach drau­ßen auf den Bal­kon, wo die Anten­nen z.T. schon auf­ge­stellt sind und noch wer­den sol­len, ist begrenzt. Ich habe eine Kern­boh­rung von immer­hin 40 mm durch die Außen­mau­er des Hau­ses getrie­ben, aber da sol­len immer­hin min­de­stens drei Eco­flex-10 Koax­ka­bel durch, ein vier­ad­ri­ges Kabel für die Rotor­steue­rung und ein etwas dün­ne­res mehr­ad­ri­ges Kabel für die RS-485-Mod­Bus-Schnitt­stel­le, über die ich ver­schie­de­ne Außen­ge­rä­te ansteu­ern will, inklu­si­ve der für die Gerä­te not­wen­di­gen Span­nungs­ver­sor­gung. Etwas Reser­ve für ein vier­tes oder fünf­tes Koax­ka­bel wäre auch anzu­ra­ten. Außer­dem hat mein IC-7300, so wie wohl die mei­sten Kurz­wel­len-Trans­cei­ver, nur einen ein­zi­gen Anten­nen­aus­gang. Wie ich es auch dre­he und wen­de, es muß ein fern­ge­steu­er­ter Anten­nen­um­schal­ter für Kurz­wel­le her. Sowas kann man natür­lich kau­fen, aber unser­eins bastelt ja ger­ne und für Kurz­wel­le soll­te der Selbst­bau kei­ne all­zu­gro­ße Her­aus­for­de­rung sein.

Vor­über­le­gun­gen

Ich hat­te mir das immer recht kom­pli­ziert vor­ge­stellt, spe­zi­el­le Koax­re­lais, impe­danz­kon­trol­lier­te Strei­fen­lei­tun­gen, hoch­span­nungs­fe­ste Bau­tei­le und nicht zuletzt alles in einen abge­schirm­ten Metall­kä­fig ein­ge­baut. Rea­li­stisch betrach­tet reden wir aber von einer Wel­len­län­ge von min­de­stens 10 m und einer Lei­stung von 100 Watt. Mit der Aus­sa­ge, daß Lei­tungs­län­gen von weni­ger als einem zwan­zig­stel der Wel­len­län­ge zwar meß­bar, aber noch nicht son­der­lich rele­vant sind, bin ich ganz gut durch mein Berufs­le­ben gekom­men. Selbst wenn ich noch das 4‑m-Band bei 70 MHz mit gewis­sen Abstri­chen dazu­neh­me, dann kann ich also recht guten Gewis­sens 20 cm lan­ge Lei­tun­gen ver­le­gen, ohne mir um die Impe­danz und Signal­lauf­zei­ten gro­ße Sor­gen zu machen.

100 Watt in einem 50 Ohm-System bedeu­ten gut 70 Veff bei einer Strom­stär­ke von nicht ein­mal 1,5 A. Das lässt sich gut mit preis­wer­ten und klei­nen Bau­ele­men­ten beherr­schen. Man braucht für die Ver­drah­tung kein 10 mm dickes Koax­ka­bel und auch kei­ne N‑Steckverbinder. SMA-Steck­ver­bin­der sol­len im Kurz­wel­len­be­reich für mehr als 1 kW Lei­stung gut sein und selbst RG174U-Kabel soll bis zu 1,1 kV aus­hal­ten, RG58U sogar bis zu 1,4 kV. Die­se Gren­zen muß man frei­lich nicht aus­te­sten, aber es zeigt, daß die Bau­tei­le für die im Ama­teur­funk zuge­las­se­nen Lei­stungs­gren­ze von 750 Watt zu gebrau­chen sind, erst recht für nur 100 Watt. Aller­dings soll­te man im Hin­ter­kopf behal­ten, daß die heut­zu­ta­ge popu­lä­ren digi­ta­len Betriebs­ar­ten im Gegen­satz zu CW oder SSB die­se Lei­stung über eine län­ge­re Zeit­span­ne von min­de­stens 15 Sekun­den bei FT‑8, 2 Minu­ten bei WSPR oder gar vie­le Minu­ten bei RTTY ver­tra­gen müssen.

Die Rea­li­sie­rung

Da auf dem Bal­kon bereits ein was­ser­dich­tes IP65 Kunst­stoff­ge­häu­se vom Typ RND 455–00166 für die diver­sen Kabel­durch­füh­run­gen an der Wand hängt, soll auch der Anten­nen­um­schal­ter in ein sol­ches bau­glei­ches Gehäu­se ein­ge­baut wer­den. Wenn man an den Rän­dern etwas Platz lässt, kann man bequem 230 mm x 150 mm ver­bau­en und hat dafür eine Höhe von min­de­stens 70 mm zur Ver­fü­gung. Die unte­re Flä­che reicht links oder rechts für den Ein­bau von sechs N- oder SO239-Buch­sen aus. Auf die ande­re Sei­te kom­men dann die Steck­ver­bin­der für die Span­nungs­ver­sor­gung und die RS485 Lei­tung. Letzt­lich hat die­ses Gehäu­se dann die Anzahl der anschließ­ba­ren Anten­nen bestimmt, vier Aus­gän­ge waren Pflicht, da sechs Aus­gän­ge pas­sen, ist es nun ein 6‑fach Umschal­ter gewor­den. Hier der Schalt­plan und die KiCad-3D-Ansicht:

Schaltplan des Antennenumschalters
Schalt­plan des Anten­nen­um­schal­ters (Link auf PDF).

Antennenumschalter von oben
KiCad 3D-Vor­schau des Anten­nen­um­schal­ters von oben

Antennenumschalter von unten
Anten­nen­um­schal­ter von unten

Die Lei­ter­plat­te ist 100 mm hoch und 200 mm breit und auf dop­pel­sei­ti­gem FR‑4 Mate­ri­al gefräst.

Zur Steue­rung ist das ATTi­ny1634-Modul mit RS485-Schnitt­stel­le ein­ge­setzt. Es ist in der 3D-Vor­schau oben hin­ter dem Abschirm­blech zu sehen. Über einen ULN2803A treibt die­ses Modul die Relais auf dem unte­ren Teil der Pla­ti­ne an. Zwi­schen Steu­er­mo­dul und HF-Umschal­ter ist auf bei­den Sei­ten der Lei­ter­plat­te ein etwa 2,5 mm brei­ter Iso­la­ti­ons­ka­nal gezo­gen. Die Flä­chen sind jeweils aus­ge­füllt und mit Mas­se ver­bun­den, die Sei­te des Steu­er­mo­duls mit der „digi­ta­len“ Mas­se des Pro­zes­sors, die des Umschal­ters mit der geer­de­ten Abschir­mung der Koax­ka­bel. Zur Ver­bin­dung mit den jewei­li­gen N- oder SO239-Anten­nen­buch­sen am Gehäu­se wer­den SMA-Buch­sen eingesetzt.

Als Relais sind Schrack PE014012 ein­ge­setzt, die für 250 VAC und 5 A spe­zi­fi­ziert sind. Auch das soll­te nomi­nal für mehr als 1 kW Lei­stung rei­chen. Schal­ten soll­te man natür­lich mög­lichst ohne Last.

Jede ein­zel­ne Anten­ne ist über Gas­ent­la­dungs­röh­ren gegen sta­ti­sche Über­span­nun­gen geschützt. Sie zün­den bei 600 V. Außer­dem ist jeweils ein hoch­oh­mi­ger Wider­stand par­al­lel geschal­tet, der nied­ri­ge­re sta­ti­sche Auf­la­dun­gen ablei­ten soll. Die SMA-Buch­sen der obe­re Rei­he sind jeweils im Ruhe­zu­stand mit der zuge­hö­ri­gen Anten­ne ver­bun­den. Die Idee ist hier, daß viel­leicht mal ein klei­ner WSPR-Sen­der in das Gehäu­se ein­ge­baut wer­den kann, der dann die Anten­ne benutzt, wenn sie nicht von der Sta­ti­on im Shack benö­tigt wird. Die Bestückung die­se Buch­sen ist natür­lich optional.

Die SMA-Buch­sen auf der Lei­ter­plat­te haben nur drei Mas­s­e­pins, damit das Signal des Cen­ter­pins bequem und mit gro­ßem Abstand nach außen geführt wer­den kann. Das soll die Iso­la­ti­ons­strecke auf min­de­stens 1 mm ver­grö­ßern und so höhe­re Span­nun­gen zulas­sen. Einer der vier Pins der SMA Buch­sen muß daher vor dem Ein­lö­ten abge­bro­chen werden.

Nicht alle not­wen­di­gen Lei­tun­gen sind auf der Lei­ter­plat­te unter­ge­kom­men. Die Ver­tei­lung der HF auf die Relais soll über einen dicken Draht auf der Unter­sei­te der Pla­ti­ne im Abstand von einem oder zwei Mil­li­me­tern erfol­gen. Auch die Schalt­ein­gän­ge der Relais müs­sen über Draht­stücke mit den Trei­ber­aus­gän­gen des ULN2803A ver­bun­den werden.

Die Lei­ter­plat­te ist dop­pel­sei­tig gefräst, aber ohne Durch­kon­tak­tie­run­gen. Auf der Ober­sei­te sind aller­dings kei­ne Lei­ter­bah­nen ver­legt, son­dern nur die Mas­se­flä­chen, wie auch auf der Unter­sei­te. Daher muß nicht jeder Pin auch oben ange­lö­tet wer­den. Den einen oder ande­ren Mas­s­e­pin soll­te man aber schon beid­sei­tig kon­tak­tie­ren, damit die Mas­se­flä­che über­haupt eine Wir­kung haben kann.

Oberseite Antennenumschalter
Ober­sei­te des noch unbe­stück­ten, gefrä­sten und mit Löt­lack beschich­te­ten Antennenumschalters.

Unterseite des Antennenumschalters
Unter­sei­te des Antennenumschalters.

So, jetzt wer­de ich erst­mal die Pla­ti­ne zusam­men­lö­ten und zumin­dest die Dämp­fung der ein­zel­nen Kanä­le im Kurz­wel­len­be­reich mes­sen. Danach geht’s mit dem zwei­ten Teil die­ses Bei­trags weiter.

Hier ist der zwei­te und hier der drit­te Teil.