Anten­nen­tu­ner, Teil 1

Da mei­ne end­ge­spei­ste Draht­an­ten­ne sowie­so nur als Pro­vi­so­ri­um gedacht war und eigent­lich nur auf dem 20- und 40-m-Band halb­wegs zufrie­den­stel­lend funk­tio­niert, muß eine dau­er­haf­te Lösung her. Ver­suchs­wei­se habe ich einen neu­en 20 m lan­gen Draht gespannt, für den nun ein neu­er Anten­nen­tu­ner gebaut wer­den soll. Wegen der beschrie­be­nen Pro­ble­me mit dem Ring­kern­tra­fo soll die neue Anten­nen­an­pas­sung kom­plett auf Fer­rite ver­zich­ten und der Tuner soll mit selbst­ge­wickel­ten Luft­kern­spu­len auf­ge­baut werden.

Design­zie­le

Der Ein­fach­heit hal­ber soll der Tuner nicht auto­ma­tisch funk­tio­nie­ren, damit ent­fällt also eine Steh­wel­len­meß­brücke. Es reicht, wenn der Tuner die Anten­nen­im­pe­danz auf ein Steh­wel­len­ver­hält­nis unter 3 trans­for­miert, den Rest über­nimmt der auto­ma­ti­sche Anten­nen­tu­ner im Trans­cei­ver. Der Tuner soll außen bei der Anten­ne mon­tiert und über die­sel­be RS-485-Schnitt­stel­le ein­ge­stellt wer­den, wie auch schon der Anten­nen­um­schal­ter. Damit wer­den bei­de Gerä­te vom Shack aus zen­tral bedien­bar und auch von dort mit Span­nung versorgt.

Ver­wen­de­te Bauteile

Der prin­zi­pi­el­le Auf­bau eines Anten­nen­tu­ners ist aus­ge­spro­chen sim­pel, näm­lich ein LC-Tief­paß. Ein Pro­to­typ wur­de hier schon gezeigt. Jetzt muß man „nur“ noch die Induk­ti­vi­tä­ten und Kapa­zi­tä­ten als hin­rei­chend strom- und span­nungs­fe­ste schalt­ba­re Kas­ka­den aus­füh­ren, das gan­ze steu­er­bar machen und in ein wet­ter­fe­stes Gehäu­se packen. Daher muß man sich zunächst mal Gedan­ken über die Aus­wahl der Bau­tei­le machen.

Hier noch­mal die Tabel­le der benö­tig­ten Kon­den­sa­to­ren und Spulen:

Dimen­sio­nie­rung des LC-Anpassnetzwerks
Bandmitt­le­re
Fre­quenz
Anpas­sung
C [pF]
Anpas­sung
L [nH]
160 m1,90512130.000
80 m3,6505352.900
60 m5,3591537.315
40 m7,100438.749
30 m10,125892.322
20 m14,175283.588
17 m18,11853640
15 m21,225232.020
12 m24,94046608
10 m28,850161.461
6 m50,51511720
4 m70,25014214

Die end­gül­ti­ge Auf­hän­gung der Anten­ne und die Aus­füh­rung des Gegen­ge­wichts wird den Impe­danz­ver­lauf ver­än­dern. Daher sind die­se Wer­te kei­nes­wegs end­gül­tig, aber sie sind zunächst plau­si­ble Ausgangspunkte.

Die Kon­den­sa­to­ren

Wegen der hohen Impe­dan­zen end­ge­spei­ster Anten­nen muß die Span­nung hoch­trans­for­miert wer­den. Bei 100 Watt Aus­gangs­lei­stung und 3 kΩ Impe­danz muß man mit etwa 550 Veff rech­nen. Um auf der siche­ren Sei­te zu sein, soll­ten die Kon­den­sa­to­ren min­de­stens 2 kV aus­hal­ten, was dann theo­re­tisch für über 1 kW Aus­gangs­lei­stung rei­chen wür­de, wenn da nicht die end­li­che Güte der Kon­den­sa­to­ren vor­her zu ihrem ther­mi­schen Able­ben füh­ren würde.

Erste Ver­su­che mit einem mecha­nisch ein­stell­ba­ren Kon­den­sa­tor waren viel­ver­spre­chend. Aller­dings gibt es min­de­stens zwei Pro­ble­me zu lösen, die siche­re Funk­ti­on der Mecha­nik im Außen­ein­satz (wenn auch im Gehäu­se, aber zwi­schen ‑20°C und +80°C) und die man­gel­haf­te Güte des Kon­den­sa­tors. Zudem gibt es kei­nen über­zeu­gen­den Grund, die Impe­danz auf genau 50 Ω anzu­pas­sen, wenn man wenig­stens in die Anpas­sungs­gren­zen des ein­ge­bau­ten Tuners kommt. Nach wei­te­ren Ver­su­chen mit selbst­ge­bau­ten Fest­kon­den­sa­to­ren (hier und hier) bin ich nun doch wie­der zurück bei käuf­lich erwerb­ba­ren ein­fa­chen span­nungs­fe­sten (3 kV) Kera­mik­kon­den­sa­to­ren. Deren Güte kommt auch auf eini­ge Hun­dert oder sogar an die Tau­send, womit sich deren Ver­lust­lei­stung bei 100 Watt am Sen­der­aus­gang auf hun­dert oder höch­stens zwei­hun­dert Mil­li­watt begren­zen soll­te. Die Nach­tei­le von Kera­mik­kon­den­sa­to­ren soll­te man frei­lich nicht ver­ges­sen, ins­be­son­de­re die mit­tel­mä­ßi­ge Güte, aber auch die Span­nungs- und Tem­pe­ra­tur­ab­hän­gig­keit ihrer Kapa­zi­tät. Soll­ten sich im Betrieb des Tuners Pro­ble­me erge­ben, die auf die­se Män­gel zurück­zu­füh­ren sind, kön­nen die Kera­mik­kon­den­sa­to­ren immer noch durch bes­se­re (ggf. selbst­ge­bau­te) Vari­an­ten ersetzt werden.

Die benö­tig­ten Kapa­zi­tä­ten erge­ben sich aus der oben gezeig­ten Tabel­le. So fiel die Wahl auf eine Kon­den­sa­tor­kas­ka­de aus sechs ver­schie­de­nen Wer­ten, die per Relais jeweils par­al­lel­ge­schal­tet wer­den. Wenn wir davon aus­ge­hen, daß die Schalt­ka­pa­zi­tä­ten ins­ge­samt etwa 10 pF betra­gen (eine opti­mi­sti­sche Annah­me, es wird eher mehr sein), dann soll­te eine Kon­den­sa­tor­kas­ka­de mit den fol­gen­den Kapa­zi­tä­ten die oben gezeig­ten Fäl­le annä­hernd abdecken: 5 pF, 10 pF, 20 pF, 40 pF, 80 pF und 470 pF. Damit soll­te die Kapa­zi­tät dann in 5 pF-Schrit­ten bis 155 pF ein­stell­bar sein, wobei aber immer die geschätz­te Schalt­ka­pa­zi­tät von 10 pF hin­zu­kommt. Außer­dem bringt jedes geöff­ne­te Relais noch­mal 1 pF Kapa­zi­tät dazu (sie­he unten). Der sech­ste Kon­den­sa­tor deckt dann den Bereich ab 470 pF ab.

Spu­len

Aus der Tabel­le ist ersicht­lich, daß Induk­ti­vi­tä­ten bis zu etwa 10 µH not­wen­dig sind. Wenn wir auch hier mit sechs Relais und sechs Spu­len aus­kom­men wol­len, dann ergibt sich als klein­ste Induk­ti­vi­tät und damit Schritt­wei­te ein Wert von 10 µH / 64 = 156 nH. Um mit halb­wegs gera­den Wer­ten zu arbei­ten, ent­schei­de ich mich für 160 nH, 320 nH, 640 nH, 1280 nH, 2560 nH und 5120 nH. Die Spu­len sol­len aus den oben genann­ten Grün­den als Luft­kern­spu­len gewickelt wer­den. Alle ande­ren Kern­ma­te­ria­li­en haben schon im Nor­mal­be­trieb Umma­gne­ti­sie­rungs­ver­lu­ste, die zudem über­pro­por­tio­nal anwach­sen, wenn der Kern in die Sät­ti­gung gerät. Dar­über­hin­aus sind Luft­ker­ne preis­wert und erlau­ben hohe Güten, die pro­blem­los 300 über­stei­gen und auch 500 errei­chen kön­nen. Es gibt aber auch min­de­stens zwei Nach­tei­le gegen­über Ring­kern­spu­len, ihr rela­tiv gro­ßes Volu­men und der not­wen­di­ge grö­ße­re Abstand zu Nach­bar­spu­len, um Kopp­lun­gen gering zu halten.

Dimen­sio­nie­rung der Spulen

Die Induk­ti­vi­tät einer Spu­le errech­net sich nähe­rungs­wei­se nach fol­gen­der For­mel (Wiki­pe­dia):

Damit ist die Induk­ti­vi­tät also pro­por­tio­nal zum Qua­drat der Win­dungs­zahl (N) und dem Quer­schnitt der Spu­le (A) und umge­kehrt pro­por­tio­nal zur Län­ge der Spu­le (l). Damit erge­ben sich prak­tisch belie­bi­ge Dimen­sio­nie­run­gen um eine bestimm­te Induk­ti­vi­tät zu erhal­ten. Aber nicht alle davon sind gleich gut.

Paul Zwicky, HB9DFZ, beschreibt in dem sehr inter­es­san­ten Arti­kel „Opti­mie­rung der Güte ein­la­gi­ger Zylin­der­spu­len“ (Funk­ama­teur 10/2013, Sei­te 1080ff) wie Spu­len dimen­sio­niert sein soll­ten, damit ihre Güte opti­mal ist. Der Arti­kel ist sehr lesens­wert und hier sol­len nur zwei Erkennt­nis­se dar­aus als Faust­re­gel zitiert wer­den: für opti­ma­le Güte sol­len Luft­kern­spu­len etwa halb so lang wie dick sein und der Win­dungs­ab­stand soll etwa dem Draht­durch­mes­ser ent­spre­chen. Dan­kens­wer­ter­wei­se kön­nen auch nicht-Abon­nen­ten des Funk­ama­teur das Spreadsheet von HB9DFZ her­un­ter­la­den, mit dem man Spu­len mög­lichst hoher Güte ent­wer­fen kann. Mit Hil­fe die­ses Spreadshe­ets habe ich die Spu­len für die­se Induk­ti­vi­täts­kas­ka­de dimen­sio­niert. Hier und da waren klei­ne Abwei­chun­gen not­wen­dig, weil nicht jede Draht­stär­ke und nicht jeder Wickel­durch­mes­ser rea­li­sier­bar war. Auch das zu ver­wen­den­de Gehäu­se setzt Gren­zen beim Durch­mes­ser der Spulen.

In sei­nem Arti­kel „Spu­len­ent­wurf und ‑opti­mie­rung – kom­for­ta­bel gelöst mit Opti­coil V2.2“ (Funk­ama­teur 03/2021, Sei­te 199ff) stellt Ed van Rooij, PA2EVR, sein Pro­gramm Opti­coil vor. Es basiert auf dem zuvor zitier­ten Arti­kel von HB9DFZ sowie wei­te­ren Quel­len. Auch die­ses Pro­gramm ist freund­li­cher­wei­se für Jeder­mann von der Funk­ama­teur Web­site her­un­ter­zu­la­den. Es erleich­tert den Spu­len­ent­wurf gegen­über dem oben genann­ten Spreadsheet erheb­lich, da ver­schie­de­ne Vari­an­ten ein­fach durch­ge­spielt wer­den kön­nen. Ich habe die mit dem Spreadsheet ent­wor­fe­nen Spu­len noch­mal mit Opti­coil veri­fi­ziert und zum Teil leicht ange­passt. Ins­be­son­de­re habe ich die Stei­gung der Win­dun­gen bei 1,5 mm Draht­durch­mes­ser auf 3 mm / Win­dung fest­ge­legt. Damit ergibt sich wegen ganz­zah­li­ger Win­dungs­zah­len für jede Spu­le ein ein­heit­li­ches Raster im Mil­li­me­ter­ab­stand. Zuge­ge­ben, das sind rein opti­sche Grün­de, jedes ande­re Raster ist auch machbar.

Ein klei­ner Wickeltipp

Ein klei­nes prak­ti­sches Pro­blem ergibt sich bei der Suche nach pas­sen­den Wickel­kör­pern zwi­schen etwa 15 mm und 50 mm Durch­mes­ser. Beim Wickeln stellt sich außer­dem her­aus, daß es hilf­reich ist, die Spu­le zunächst auf einem zwei oder drei Mil­li­me­ter dün­ne­ren Kör­per zu wickeln, denn auch das wei­che Kup­fer wickelt sich wie­der ein Stück weit auf. Dann wird die gewickel­te Spu­le auf den vor­ge­se­he­nen dicke­ren Wickel­kör­per auf­ge­bracht, auf dem sie dann stramm, aber auch nicht zu stramm sit­zen soll­te. Auf die­sem Wickel­kör­per kann man dann pas­send gefrä­ste Sprei­zer mit Sekun­den­kle­ber anbrin­gen. Damit nicht der Wickel­kör­per ver­klebt, habe ich vor­her dün­nes Tef­lon­band aus der Sani­tär­ab­tei­lung aufgewickelt.

Die nach­fol­gen­de Tabel­le soll ein­fach nur Ideen lie­fern, wo man nach geeig­ne­ten Wickel­kör­pern suchen kann. Jeder Haus­halt wird sei­ne eige­nen Quel­len haben.

Spu­len und Wickelkörper
vor­han­de­ne Wickel­kör­perDurch­mes­ser [mm]Spu­len­durch­mes­ser [mm]
Kup­fer­rohr15,0016,50
Zelt­stan­ge16,5018,00
Kup­fer­rohr18,0019,50
Pla­stik­ro­hr20,0021,50
Brau­se­ta­blet­ten Röhrchen29,0030,50
HT-Rohr32,0033,50
Staub­sauger­rohr37,0038,50
HTB DN 4040,0041,50
Abfluß­rohr45,5047,00
HTB DN 5050,0051,50

Der genann­te Spu­len­durch­mes­ser ist um die Draht­dicke (hier 1,5 mm) grö­ßer, als der Wickel­kör­per. Es ist der Durch­mes­ser von Draht­mit­te zu Draht­mit­te und er gilt für die Dimen­sio­nie­rung mit den oben genann­ten Werkzeugen.

Meß­er­geb­nis­se der rea­len Spulen

Die nach­fol­gen­de Tabel­le zeigt die gewähl­te Dimen­sio­nie­rung der Spu­len unter den gege­be­nen Aus­gangs­be­din­gun­gen (Wickel­kör­per, Draht­durch­mes­ser, gewähl­te Stei­gung, maxi­ma­le Abmes­sun­gen) sowie die Meß­er­geb­nis­se der fer­ti­gen Spu­len. Teil­wei­se wur­de von den Vor­schlä­gen der oben gezeig­ten Pro­gram­me abgewichen.

ABCDEFGH
160316,518,0160175224>250,0
320420,021,5318318370207,5
640432,033,5635653212130,9
1.280540,041,51.225130637786,0
2.560937,038,52.544267454960,7
5.1201440,041,55.232648224438,3
Bedeu­tung der Spalten:
A: Soll­in­duk­ti­vi­tät [nH]
B: Windungsanzahl
C: Durch­mes­ser des Wickel­kerns [mm]
D: Durch­mes­ser der fer­ti­gen Spu­le [mm]
E: errech­ne­te Induk­ti­vi­tät [nH]
F: gemes­se­ne Induk­ti­vi­tät bei 15 MHz [nH]
G: gemes­se­ne Güte
H: Selbst­re­so­nanz­fre­quenz [MHz]

Alle Spu­len außer der letz­ten tref­fen hin­rei­chend genau die vor­her errech­ne­te Induk­ti­vi­tät. Die Abwei­chun­gen lie­gen unter 10% und kön­nen gege­be­nen­falls nach dem Ein­bau durch Ver­bie­gen der äuße­ren Win­dun­gen noch etwas getrimmt werden.

Hier ein Foto der fer­tig gewickel­ten Spu­len, jeweils mit ange­lö­te­ter SMA-Buch­se für die Messungen.

Fer­tig gewickel­te Spulen

Die klei­ne­ren Spu­len sind eigen­sta­bil und brau­chen kei­ne Spreizer.

Not­wen­di­ge Spulenabstände

Um ein Gefühl dafür zu bekom­men, wel­chen Abstand Spu­len von­ein­an­der haben müs­sen, damit ihre Kopp­lung ver­nach­läs­sig­bar bleibt, habe ich zwei mög­lichst iden­ti­sche Spu­len mit jeweils drei Win­dun­gen aus 1,5 mm dickem CuL-Draht gewickelt. Der Durch­mes­ser ist etwa 28 mm und die Län­ge etwa 10 mm und sie sind jeweils direkt an eine SMA-Buch­se ange­lö­tet. Mit dem VNWA kön­nen damit sehr leicht s21 Mes­sun­gen durch­ge­führt wer­den. Gleich­zei­tig wird aus der s11 Mes­sung die Güte der Spu­le auf der Ein­gangs­sei­te bestimmt.

Die Mes­sun­gen wür­den einen eige­nen Blog-Arti­kel recht­fer­ti­gen (und viel­leicht mache ich das mal), aber hier sol­len nur qua­li­ta­tiv die Ergeb­nis­se auf­ge­li­stet wer­den. Als Kri­te­ri­um soll eine Kop­pel­dämp­fung um min­de­stens 30 dB ange­nom­men wer­den. Ergebnis:

Um 90° gegeneinander gedrehte Spulen können dicht aneinander platziert werden, gleich ausgerichtete Spulen sollten etwa 30 mm Abstand haben.

Es gibt hier einen gro­ßen Ermes­sens­spiel­raum, was man bereit ist zu akzep­tie­ren und bei wel­cher Dämp­fung man die Gren­ze setzt. Gene­rell ist ein grö­ße­rer Abstand natür­lich immer bes­ser. Da beim Anten­nen­kopp­ler aber alle Spu­len das­sel­be Signal ver­ar­bei­ten, machen sich Ver­kopp­lun­gen ledig­lich in einer etwas geän­der­ten Induk­ti­vi­tät und Güte bemerk­bar, aber nicht durch Ein­kopp­lung von Stör­si­gna­len. Daher ist der Abstand in die­sem Fall nicht wirk­lich kritisch.

Ein Augen­merk soll­te man aber auf Ver­lu­ste durch Kopp­lun­gen wer­fen, die die Güte der Spu­le völ­lig zunich­te machen kön­nen, weil sie Ener­gie ent­zie­hen. Auch hier wie­der nur qua­li­ta­tiv: eine kurz­ge­schlos­se­ne gekop­pel­te Spu­le senkt die Güte der Erre­ger­spu­le deut­lich, aber selbst bei enger Kopp­lung kaum unter 50% der Leer­lauf­gü­te. Weit­aus schlim­mer ist eine mit einem ohm’schen Wider­stand, z.B. 50 Ω, ter­mi­nier­te Spu­le. Da ist die Güte schnell im zwei- oder ein­stel­li­gen Bereich. Das ist inso­fern logisch, da ein idea­ler Kurz­schluß genau­so­we­nig Ener­gie ver­braucht, wie eine offe­ne Lei­tung: P = U * I und wenn ent­we­der U oder I null ist, ent­steht kei­ne Lei­stung. Einen wei­te­ren Ver­such habe ich mit einem Weiß­blech­ge­häu­se im Ein­fluß­be­reich der Spu­le gemacht. Es ver­hält sich ganz grob wie die kurz­ge­schlos­se­ne Spu­le, der Effekt ist deut­lich meß­bar, aber nicht kata­stro­phal, wenn man etwas Abstand hält (~20 mm). 

Relais

Anders als beim Anten­nen­um­schal­ter kön­nen beim Tuner alle Relais gleich­zei­tig durch­ge­schal­tet sein, was einen hohen Ruhe­strom ver­ur­sacht. Daher habe ich bista­bi­le 12V-Relais vom Typ HFE60-12–1HST-L2 des chi­ne­si­schen Her­stel­lers Hong­fa aus­ge­wählt, die preis­wert bei den bekann­ten chi­ne­si­schen Anbie­tern zu bezie­hen sind. Bista­bi­le Relais wer­den durch einen kur­zen Impuls ein­ge­schal­tet und durch einen wei­te­ren Impuls wie­der aus­ge­schal­tet. Nur wäh­rend die­ses Impul­ses von eini­gen zehn Mil­li­se­kun­den fließt ein Strom. Bista­bi­le Relais gibt es in ver­schie­de­nen Aus­füh­run­gen. Bei eini­gen muß die Erre­ger­span­nung umge­polt wer­den, was elek­trisch etwas auf­wen­di­ger ist. Die hier ver­wen­de­ten Relais haben zwei Spu­len, eine zum Ein­schal­ten und die ande­re zum Aus­schal­ten. Daher brau­chen sie zwei Pins mehr, sind aber ein­fa­cher zu Verdrahten.

Das Relais hat im geöff­ne­ten Zustand eine Rest­ka­pa­zi­tät und im geschlos­se­nen Zustand eine Induk­ti­vi­tät, die ich mit dem VNWA gemes­sen habe:

Kapazität
Kapa­zi­tät eines Hong­fa HFE60 Relais bei geöff­ne­ten Kontakten

Induktivität
Induk­ti­vi­tät eines Hong­fa HFE60 Relais bei geschlos­se­nen Kontakten

Die Kapa­zi­tät liegt also bei geöff­ne­ten Kon­tak­ten bei gut 1 pF, die Induk­ti­vi­tät bei geschlos­se­nen Kon­tak­ten bei gut 13 nH. Daher ist zu berück­sich­ti­gen, daß zu dem oder den durch­ge­schal­te­ten Relais immer die ande­ren geöff­ne­ten Relais mit jeweils 1 pF par­al­lel lie­gen und natür­lich die schon erwähn­te rest­li­che Ver­drah­tungs­ka­pa­zi­tät von kaum unter 10 pF. Damit addie­ren sich also zu jeder aus­ge­wähl­ten Kon­den­sa­tor­kom­bi­na­ti­on min­de­stens etwa 10 pF, so daß die mini­ma­le Kapa­zi­tät 15 pF kaum unter­schrei­ten dürf­te. Genaue­res wer­den die Mes­sun­gen am fer­ti­gen Pro­to­ty­pen zeigen.

Auch über die Seri­en­re­so­nan­zen muß man sich ein paar Gedan­ken machen. Zu jedem Kon­den­sa­tor lie­gen min­de­stens die 13 nH des Relais in Serie und wei­te­re unver­meid­ba­re Schalt­in­duk­ti­vi­tä­ten. Neh­men wir mal in Sum­me 40 nH an, dann ergibt sich dar­aus mit dem 80-pF-Kon­den­sa­tor aus der Thom­son­schen Schwin­gungs­glei­chung schon eine Seri­en­re­so­nanz bei knapp 90 MHz. Das liegt noch gut über dem 10-m-Band, wird aber bei 6 und 4‑m schon knapp. Also auf­pas­sen und die Induk­ti­vi­tät klein halten!

Ansteue­rung

Zur Ansteue­rung soll wie­der das ATMEGA644PA-AU Board ver­wen­det wer­den, das schon im Anten­nen­um­schal­ter pri­ma funk­tio­niert. Wegen der gro­ßen Spu­len und der hohen Aus­gangs­span­nung muß beim Anten­nen­tu­ner aller­dings mit deut­lich stär­ke­rer Stör­ein­strah­lung gerech­net wer­den. Daher habe ich ein Relais­trei­ber­board gebaut, das außer den not­wen­di­gen Lei­stungs­trei­bern auch noch Dämp­fungs­glie­der für jedes ein­zel­ne Signal bereit­stellt, das her­ein oder her­aus­geht. Bei­de Boards wer­den auf­ein­an­der­ge­steckt und in ein Weiß­blech­ge­häu­se auf dem Tun­er­board aufgesteckt.

Wei­te­re Details dazu fol­gen im zwei­ten Bei­trag zum Antennentuner.

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