Relais­trei­ber, Ver­si­on 1.1

Das hier beschrie­be­ne Relais­trei­ber-Board wur­de im Anten­nen­tu­ner ein­ge­setzt und funk­tio­niert mit klei­nen Ein­schrän­kun­gen sehr gut. Die SMD-Mon­ta­ge der eigent­lich für Loch­mon­ta­ge vor­ge­se­he­nen 100-mil-Sockel ist aber feh­ler­an­fäl­lig. Beim Ein­satz hat sich her­aus­ge­stellt, daß das seit­li­che Abbie­gen der Pins des Sockels zu Kon­takt­feh­lern führt. Ein­rei­hi­ge Sockel für die SMD-Mon­ta­ge scheint es nicht zu geben, zumin­dest habe ich kei­ne gefun­den. Außer­dem wur­de durch einen Design­feh­ler das Sta­tus-Signal des BTS724G Bau­steins auf PB3 gelegt, der aber auf dem ATME­GA­644-Board fest mit dem Tem­pe­ra­tur­sen­sor ver­bun­den ist.

Das allei­ne sind eigent­lich kei­ne Grün­de für ein Rede­sign, aber ich woll­te schon seit län­ge­rem den in Chi­na ange­bo­te­nen Ser­vice einer Teil­be­stückung der Lei­ter­plat­te aus­pro­bie­ren. Man kann zwar SMD-Pla­ti­nen sel­ber bestücken und ich habe das auch oft gemacht, aber es gibt Gren­zen. Mein per­sön­li­ches Limit beim Hand-Bestücken sind 0805er Bau­grö­ßen, auch mal das ein oder ande­re 0603er Bau­teil, aber nicht in Men­gen. Außer­dem habe ich für die­se Bau­tei­le immer das Foot­print zum sel­ber Löten, also mit dem Suf­fix „Hand­sol­de­ring“ gewählt, weil es etwas grö­ßer ist, als das regu­lä­re Foot­print. Lässt man die Pla­ti­ne jedoch (Teil-) bestücken, dann kann man das klei­ne­re regu­lä­re Foot­print aus­wäh­len und außer­dem die klein­ste ver­füg­ba­re Bau­form, näm­lich 0402 aus­wäh­len. Das gibt einer­seits einen beacht­li­chen Platz­ge­winn, ande­rer­seits sind die klei­nen Bau­tei­le für Anwen­dun­gen im Hoch­fre­quenz­be­reich weit­aus bes­ser geeig­net, weil ihre Selbst­re­so­nanz­fre­quen­zen deut­lich höher lie­gen, als bei den grö­ße­ren Bau­tei­len. Zu beach­ten ist aber, daß Kon­den­sa­to­ren in die­ser Bau­grö­ße meist nur gerin­ge Betriebs­span­nun­gen ver­tra­gen, man­che nur 6 V oder 10 V und die SMD Dros­seln in der zuläs­si­gen Strom­stär­ke begrenzt sind, weil ihr ohm’scher Wider­stand höher ist, als bei grö­ße­ren Bauformen.

Als Her­stel­ler habe ich mir die Fir­ma JLCPCB aus­ge­sucht, ein­fach weil mehr­fach über deren Ser­vice berich­tet wur­de, zuletzt in einer der jüng­sten Aus­ga­ben des „Funk­ama­teur“. Es gibt ande­re Her­stel­ler, die sicher­lich genau­so­gut sind. JLCPCB hat einen gro­ßen Lager­be­stand an benutz­ba­ren Bau­tei­len, laut Web­site über 40.000 Stück. Vie­le davon kön­nen ohne Auf­preis benutzt wer­den, weil sie stän­dig auf dem Bestückungs­au­to­ma­ten ein­ge­legt sind. Wählt man ande­re Bau­tei­le aus, die soge­nann­ten „exten­ded parts“, dann zahlt man ein­ma­lig pro Auf­trag und pro exten­ded part $ 3,00 oder € 2,40 als Auf­wands­ent­schä­di­gung für den­je­ni­gen, der dann die neue Rol­le aus dem Lager holen und ein­le­gen muß. Dar­über­hin­aus zahlt man natür­lich die Fer­ti­gung der Lei­ter­plat­te, einen gerin­gen Grund­preis für die Bestückung und jedes Bau­teil. Bei den pas­si­ven Bau­tei­len, Wider­stän­den, Kon­den­sa­to­ren und Spu­len sind die Bau­teil­ko­sten ver­nach­läs­sig­bar. Sie wer­den im Bau­tei­le­ka­ta­log ange­zeigt und kosten meist weni­ger als 1 ct, mit­un­ter nur 0,1 ct. Dabei ist 0402 oft die preis­gün­stig­ste Variante.

Unter die­sen Rand­be­din­gun­gen habe ich dann ein Rede­sign des Relais­trei­bers gemacht und bei JLCPCB fer­ti­gen las­sen. Die gerin­ge Bau­teil­grö­ße gestat­te­te viel mehr Dros­seln und ein paar mehr Kon­den­sa­to­ren auf der Lei­ter­plat­te unter­zu­brin­gen, als auf der ersten Ver­si­on. Die Abmes­sun­gen der neu­en Lei­ter­plat­te sind gleich­ge­blie­ben: 30,5 mm x 43,0 mm (1,2″ x 1,7″). Lei­der ist sie den­noch nicht kom­pa­ti­bel, weil ich die Buch­sen­lei­ste nicht mehr als SMD bestücken woll­te, son­dern als durch­kon­tak­tier­tes Bau­teil. Damit muss­te der Abstand der Lei­sten lei­der um 100 mil grö­ßer wer­den. Weil es ohne Auf­preis mög­lich war, habe ich dies­mal blau­en Löt­stopp­lack gewählt. Hier die Kicad 3D-Vorschau:

Und hier der zuge­hö­ri­ge Schalt­plan als PDF.

Das Vogel­fut­ter auf der Unter­sei­te habe ich bis auf die gro­ßen SMD-Bau­tei­le D1, F1 und L1 bestücken las­sen. Zum manu­el­len Bestücken blei­ben also die bei­den Trei­ber auf der Ober­sei­te und die Prüf­pins, die Pin- und Sockel­lei­sten oben und unten und die drei schon erwähn­ten SMD-Bau­tei­le auf der Unter­sei­te. An „guten Tagen“ ist sowas in 20 Minu­ten erledigt.

Was hat das gan­ze nun geko­stet? Genau €28.52 für zehn Lei­ter­plat­ten. Die Kosten beinhal­ten die Fer­ti­gung der dop­pel­sei­ti­gen Lei­ter­plat­ten, die Teil-Bestückung wie oben beschrie­ben, die Bau­tei­le­ko­sten und die Zusatz­ko­sten für ein „exten­ded Part“. Außer­dem beinhal­tet der Preis die Lie­fe­rung nach Deutsch­land in das Ver­teil­zen­trum von JLCPCB, die Ver­zol­lung und den Wei­ter­ver­sand vom Ver­teil­zen­trum zu mir nach Hau­se. Der Gesamt­preis teilt sich übri­gens fol­gen­der­ma­ßen auf: Mer­chan­di­se Total: €17.73, Ship­ping Char­ge: €10.78. Die Lie­fer­zeit war 12 Tage, Sonn­tag­abend bestellt und Frei­tags geliefert.

Auch der Ser­vice war her­vor­ra­gend. Ich hat­te am Sonn­tag­nach­mit­tag mehr­fach ver­sucht, die Bestel­lung online ein­zu­ge­ben und es kam immer wie­der eine unver­ständ­li­che Feh­ler­mel­dung beim Über­neh­men in den Waren­korb. Dar­auf konn­te ich mir kei­nen Reim machen, also mal im Online For­mu­lar um Hil­fe gebe­ten. Ich erhielt sofort eine auto­ma­ti­sche Email-Ant­wort, daß im Moment nie­mand ver­füg­bar sei und man sich sobald wie mög­lich mel­det. Ja klar, es muss­te in Chi­na auf Mit­ter­nacht zuge­hen, die Ant­wort wird dann wohl am Mon­tag­mor­gen kom­men. Zu mei­ner Ver­wun­de­rung dau­er­te es kei­ne Stun­de, bis mir jemand per Email freund­lich und in gutem Eng­lisch erklär­te, daß ich ver­mut­lich eine Kom­bi­na­ti­on gewählt hät­te, die sie nicht anbie­ten. Sie ken­nen das Pro­blem, der Dia­log auf der Web­site wür­de nicht alle Ein­ga­be­feh­ler abfan­gen. Ich hat­te 1,2 mm Lei­ter­plat­ten­stär­ke bei blau­em Löt­stopp­lack gewählt, blau geht aber nur bei 1,6 mm Stärke.

Unglaub­lich, da kann und will kein euro­päi­scher Her­stel­ler mit­hal­ten, ganz davon abge­se­hen, daß die hier noch nie an Bast­lern inter­es­siert waren. Die waren immer nur lästig. Wo führt das hin? Ganz klar zu immer wei­te­rer Abhän­gig­keit von Chi­na. Unse­re Fer­ti­gung macht dicht und irgend­wann wer­den wir jeden Preis zah­len müs­sen, weil wir es nicht mehr kön­nen. Viel­leicht wird ja Gen­der­ga­ga und Kli­ma­hy­ste­rie unser neu­er Exportschlager.

Anten­nen­tu­ner, Teil 2

Nach der Beschrei­bung im ersten Teil wur­de nun mit KiCad eine Lei­ter­plat­te für den Anten­nen­tu­ner ent­wor­fen. Das vor­ge­se­he­ne Gehäu­se, ein RND 455–00150, gibt den Form­fak­tor der Lei­ter­plat­te vor, sie ist 210 mm breit und 100 mm hoch. Hier ist der Schalt­plan (PDF) und hier die KiCad 3D-Vor­schau von oben und unten:

Spu­len und Con­trol­ler sind auf der Ober­sei­te mon­tiert, Relais und Kon­den­sa­to­ren auf der Unter­sei­te. Um die Schalt­ka­pa­zi­tä­ten nied­rig zu hal­ten, ist die Pla­ti­ne auf ein­sei­tig beschich­te­tem Lei­ter­plat­ten­ma­te­ri­al gefräst. Die oben gezeig­ten Lei­ter­bah­nen auf der Relais­sei­te, wer­den durch Dräh­te realisiert.

Der Con­trol­ler wird von einem WB 375530 Weiß­blech­ge­häu­se (37 mm x 55 mm x 30 mm) gegen Ein­strah­lun­gen durch benach­bar­te Spu­len abgeschirmt.

Da sie auf der Lei­ter­bahn­sei­te mon­tiert wer­den ist da Löten des Mit­tel­pins der SMA Buch­se und des GND-Test­pads etwas erklä­rungs­be­dürf­tig: hier wird vor dem Bestücken eine 0,5 mm² Ader­end­hül­se (1,4 mm Außen­durch­mes­ser) auf der Lei­ter­bahn­sei­te fest­ge­lö­tet und nach dem Bestücken des Bau­teils von unten verlötet.

Der prak­ti­sche Aufbau

Die Lei­ter­plat­te ist schnell gefräst, mit Stahl­wol­le ent­gra­tet und poliert und vor dem Bestücken mit Löt­lack überzogen. 

Leiterplatte Antennentuner
Lei­ter­plat­te für den Anten­nen­tu­ner und die fer­tig gewickel­ten Spu­len, hier noch mit den SMA-Testbuchsen.

Zum Gewähr­lei­sten der Form­sta­bi­li­tät sind die grö­ße­ren Spu­len mit pas­send gefrä­sten und ange­kleb­ten Sprei­zern aus Hart-PVC fixiert. Jetzt kann die Lei­ter­plat­te bestückt, gete­stet und in das vor­ge­se­he­ne Gehäu­se ein­ge­baut wer­den. Nach­fol­gend ein paar Fotos kurz vor der Mon­ta­ge am Mast:

Auf den ersten bei­den Fotos ist das Weiß­blech­ge­häu­se zu sehen, das den Con­trol­ler abschirmt. Es ist mit einem Abstand von etwa 1 mm über der Lei­ter­plat­te mon­tiert. Die Lei­ter­plat­te ist an den Kan­ten der Abschir­mung mit hit­ze­be­stän­di­gem Kap­ton­band abge­klebt. Es ist nicht wirk­lich nötig, ich habe es vor der Inbe­trieb­nah­me wie­der abge­zo­gen. Der Deckel des Weiß­blech­ge­häu­ses ist nur lose aufgesteckt.

Wie beim Anten­nen­um­schal­ter ist auch hier beim Tuner der Kom­mu­ni­ka­ti­ons-Anschluß dop­pelt aus­ge­legt. Der RS-485 Stan­dard sieht vor, daß alle Bus­teil­neh­mer hin­ter­ein­an­der­ge­schal­tet wer­den und der Letz­te am Strang einen Abschluß­wi­der­stand bekommt. Bei­de Buch­sen sind gleich­be­rech­tigt. An einer der Buch­sen wird das Kabel zum vor­he­ri­gen Teil­neh­mer bzw. zum Host-PC ange­schlos­sen, die ande­re Buch­se erhält das Kabel zum näch­sten Teil­neh­mer oder einen Ter­mi­nie­rungs­stecker mit einem 120 Ω Abschlußwiderstand.

Die Lei­ter­plat­te des Tuners ist übri­gens auf einer 1 mm dicken Alu­plat­te mon­tiert, die im Gehäu­se fest­ge­schraubt ist. Sie ist auf die­sen Fotos nicht zu sehen, da sie vom Tuner ver­deckt wird. Das wet­ter­fe­ste Gehäu­se mit dem Tuner wird auf einer pas­send gefrä­sten PVC-Plat­te mon­tiert, die mit Klem­men an den Anten­nen­mast geschraubt wird.

Erste Ver­su­che auf dem Bastel­tisch ver­lie­fen erfolg­reich. Statt einer Anten­ne wur­de ein 2 kΩ Abschluß­wi­der­stand ein­ge­lö­tet und die Impe­danz mit einem vek­to­ri­el­len Netz­werk­ana­ly­sa­tor gemes­sen. Es gelang für alle Ama­teur­funk­bän­der eine Anpas­sung auf ein SWR bes­ser als 2 zu errei­chen. Das Ziel, ein SWR bes­ser als 3, wird damit über­trof­fen. Den Rest über­nimmt der Anten­nen­tu­ner im Transceiver.

Das PC-Kom­mu­ni­ka­ti­ons­pro­gramm wur­de so erwei­tert, daß der Tuner damit zunächst mal pro­vi­so­risch ein­stell­bar ist:

Man kann jeweils die Spu­len- und Kon­den­sa­tor­kas­ka­den in Stu­fen von 0 bis 63 ein­stel­len und die­se Paa­re dann auch als ben­am­te vor­de­fi­nier­te Wer­te abspei­chern, so daß sie schnell abruf­bar sind. Dabei hat sich gezeigt, daß es Dis­kon­ti­nui­tä­ten gibt, beson­ders bei den Spu­len, die Ein­stel­lun­gen ver­lau­fen nicht ganz mono­ton. Das scheint aber kein Pro­blem zu sein, es ließ sich immer eine pas­sen­de Ein­stel­lung finden.

Inzwi­schen ist der Tuner am Anten­nen­mast mon­tiert und speist einen 20m lan­gen Draht:

Auf dem lin­ken Foto sieht man, wie der Anten­nen­draht und die Erde des Anten­nen­masts ange­schlos­sen sind. Sie sind jeweils über was­ser­dich­te Kabel­ver­schrau­bun­gen nach außen geführt. Das rech­te Foto zeigt den Anschluß an den Anten­nen­draht mit Hil­fe einer Draht­seil­klem­me. Als Gegen­ge­wicht für die end­ge­spei­ste Anten­ne dient der geer­de­te Antennenmast.

Da die­se Kon­struk­ti­on ohne Balun nicht nach Lehr­buch aus­ge­führt ist, habe ich in der Anten­nen­lei­tung zunächst pro­vi­so­risch eine Man­tel­wel­len­sper­re aus RG58 Koax­ka­bel auf einem FT240-43 Ring­kern eingebaut.

Erste Ver­su­che sind sehr ermu­ti­gend. Auch hier mit der rea­len Anten­ne lässt sich für jedes Kurz­wel­len­band, inklu­si­ve der WARC-Bän­der (außer 160m), eine Ein­stel­lung fin­den, mit der das SWR unter 3 liegt, meist sogar unter 2. Der im Trans­cei­ver ein­ge­bau­te Anten­nen­tu­ner bringt dann das SWR auf idea­le Wer­te um 1.

Eini­ge erfolg­rei­che FT8 QSOs auf unter­schied­li­chen Bän­dern zei­gen, daß auch ein hin­rei­chen­der Anteil der ein­ge­spei­sten HF-Ener­gie in Rich­tung Iono­sphä­re abge­strahlt wird und nicht (nur) die benach­bar­ten Kirsch­lor­beer­sträu­cher erwärmt. Ech­te Dau­er­tests ste­hen noch aus, aber bis­her haben sich auf ver­schie­de­nen Bän­dern auch bei 100 Watt Aus­gangs­lei­stung nach einer Minu­te kei­ne Auf­fäl­lig­kei­ten gezeigt. Auch der Con­trol­ler und die Kom­mu­ni­ka­ti­on zum Host-PC blie­ben bis­her von die­ser Aus­gangs­lei­stung unbeeindruckt.

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.

End­ge­spei­ste Anten­ne, zwei­ter Versuch

Über kurz oder lang muß ich, wie schon beschrie­ben, mei­ne Kurz­wel­len­an­ten­ne ver­bes­sern. Aus bau­li­chen Grün­den scheint mir immer noch eine end­ge­spei­ste Anten­ne am besten geeig­net. Weil ich die exi­stie­ren­de Anten­ne für wei­te­re Ver­su­che nicht außer Betrieb neh­men will, habe ich einen zwei­ten 20 m lan­gen Anten­nen­draht gespannt. Er ist am sel­ben Anten­nen­mast befe­stigt, führt aber zum ande­ren Ende des Bal­kons, so daß bei­de Anten­nen­dräh­te einen Win­kel von gut 10° zuein­an­der bil­den. Eine gegen­sei­ti­ge Beein­flus­sung ist also anzunehmen.

Impe­danz­mes­sung

Das fol­gen­de Bild zeigt das Ergeb­nis der Impe­danz­mes­sung zwi­schen 1 MHz und 35 MHz.

Impedanzverlauf einer 20m langen Drahtantenne
Impe­danz­ver­lauf einer 20m lan­gen Draht­an­ten­ne mit 10,50 m lan­gem Gegen­ge­wicht („Pig­tail“)

Falls jemand selbst mit den Meß­wer­ten expe­ri­men­tie­ren möch­te: hier sind die zuge­hö­ri­gen s1p-Files (für 1–35 MHz und für Spaß auch noch die für 45–55 MHz und 65–75 MHz).

Man sieht deut­lich die Reso­nan­zen bei unge­rad­zah­li­gen Viel­fa­chen von λ/4, ins­be­son­de­re bei 3,5 MHz (1*λ/4) und 18,4 MHz (5*λ/4). 3*λ/4 bei 11,5 MHz und 7*λ/4 bei 25,3 MHz sind auch erkenn­bar. Die Viel­fa­chen von λ/2 lie­gen jeweils im hoch­oh­mi­gen Bereich und sie sind bei 6,6 MHz, 13,5 MHz, 20,8 MHz und 28,1 MHz zu erken­nen. Die Fre­quen­zen lie­gen jeweils noch etwas unter­halb der Ama­teur­bän­der, das las­se ich aber erst­mal so. Abge­schnit­ten ist schnell…

Als Gegen­ge­wicht wird im gezeig­ten Fall eine 10,50 m lan­ge iso­lier­te Kup­fer­lit­ze mit 2,5 mm² Quer­schnitt ver­wen­det, die vom 6 m hohen Bal­kon schräg nach unten führt. Ich habe ver­schie­den lan­ge Dräh­te aus­pro­biert, auch einen direk­ten Anschluß über weni­ge Zen­ti­me­ter an den geer­de­ten Anten­nen­mast. Wie erwar­tet ver­schiebt sich die Impe­danz bei jedem Ver­such etwas, aber es ändert sich nichts grund­le­gend. Wie ich letzt­lich das Gegen­ge­wicht ver­drah­te, ist im Moment noch nicht entschieden.

Als Crux hat sich bei der bis­he­ri­gen Anten­ne die Anten­nen­an­kopp­lung erwie­sen, die im Grun­de nur aus einem Ring­kern­tra­fo besteht, der die 50 Ω Sen­der­im­pe­danz an die Anten­nen­im­pe­danz von eini­gen kΩ anpasst. Es gelingt mir lei­der nicht, einen Über­tra­ger zu bau­en, der für meh­re­re har­mo­ni­sche Bän­der mit ver­tret­ba­rem Steh­wel­len­ver­hält­nis (SWR < 3) funk­tio­niert. Außer­dem wird bei den höher­fre­quen­ten 15- und 10-m-Bän­dern schon bei 100 Watt Aus­gangs­lei­stung der Ring­kern so heiß, daß das Steh­wel­len­ver­hält­nis nach kur­zer Zeit schlag­ar­tig aus dem Ruder läuft. Wer haupt­säch­lich SSB oder CW macht und viel­leicht noch grö­ße­re und teu­re­re Ring­ker­ne ein­setzt, mag ande­re Erfah­run­gen machen. Digi­ta­le Betriebs­ar­ten wie z.B. FT8, ins­be­son­de­re aber auch SSTV oder RTTY mit ihren län­ge­ren Durch­gän­gen, set­zen Dau­er­be­last­bar­keit vor­aus. Auf Fer­rite soll daher bei der neu­en Anten­nen­kopp­lung kom­plett ver­zich­tet und der zukünf­ti­ge Tuner soll statt­des­sen mit selbst­ge­wickel­ten Luft­kern­spu­len auf­ge­baut werden.

Anten­nen­an­pas­sung

Da alle Impe­dan­zen über 50Ω lie­gen, kann die­sel­be LC-Topo­lo­gie für alle Bän­der benutzt wer­den. Uni­ver­sell ver­wend­ba­re Anten­nen­tu­ner müs­sen das LC-Glied in ein CL-Glied umschal­ten kön­nen, damit auch ande­re Auf­wärts­trans­for­ma­tio­nen mög­lich sind. Hier ein Bei­spiel für die Anpas­sung auf dem 15-m-Band:

Anpassung 15m
Anpas­sung. Bei­spiel für das 15-m-Band

Ein klei­nes Board mit Test­klem­men aus der Elek­tro­in­stal­la­ti­on dient zum Aus­pro­bie­ren ver­schie­de­ner Anpas­sun­gen. Das Foto zeigt eine Luft­kern­spu­le und einen Kera­mik­kon­den­sa­tor, die eine hin­rei­chen­de Anpas­sung (SWR < 3) auf 15‑m und 17‑m erreichen. 

LC-Antennenanpassung
LC-Anten­nen­an­pas­sung, Testversion

Die Spu­le ist aus blan­kem Kup­fer­draht (1,5 mm Quer­schnitt, abiso­lier­te Man­tel­lei­tung) gewickelt und zeigt nach eini­gen Regen­ta­gen erste Kor­ro­si­on. Gefrä­ste Sprei­zer aus PVC sor­gen für hin­rei­chen­de Form­sta­bi­li­tät und gut repro­du­zier­ba­re Induk­ti­vi­tät. Dau­er­be­trieb mit 100 Watt ist über­haupt kein Pro­blem, nichts wird auch nur hand­warm. Die­ses Test­board ist ein Pro­of-of-con­cept, es zeigt, daß ein Tuner die­ser Bau­art zumin­dest bis 100 Watt funk­tio­nie­ren wird.

Das Durch­spie­len der Anpas­sun­gen für ver­schie­de­ne Ama­teur­funk­bän­der ergibt fol­gen­de not­wen­di­gen Wer­te für die 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

Aus der Tabel­le sieht man, daß mit rea­li­sti­scher Dimen­sio­nie­rung alle Bän­der von 80 m bis 10 m ange­passt wer­den kön­nen. Beim 6- und 4‑m-Band wird es eng, weil die Min­dest­ka­pa­zi­tät der Kon­den­sa­to­ren 15 pF kaum unter­schrei­ten wird, beim 160-m-Band dürf­te die not­wen­di­ge Induk­ti­vi­tät zu hoch sein. Letzt­lich kann bei hohen Fre­quenz­bän­dern auch die Selbst­re­so­nanz­fre­quenz einer Spu­le oder des gesam­ten Auf­baus erreicht oder über­schrit­ten wer­den. Nun gut, man wird sehen. Es reicht ja, wenn die Anpas­sung in die Nähe von 50 Ω kommt, so daß der ein­ge­bau­te Anten­nen­tu­ner den Rest über­neh­men kann. Ob die Effi­zi­enz der Anten­ne ins­be­son­de­re auf den nicht-reso­nanten Bän­dern für einen pas­sa­blen Betrieb aus­reicht, steht auf einem ande­ren Blatt, hier geht es nur um die Anpassung.

Als näch­stes Pro­jekt steht nun der Bau eines schalt­ba­ren Anten­nen­tu­ners für die­se Anten­ne an. Die not­wen­di­gen Induk­ti­vi­tä­ten und Kapa­zi­tä­ten erge­ben sich aus der oben gezeig­ten Tabel­le. In Kür­ze geht’s hier weiter…

Relais­trei­ber für das ATMEGA644PA-AU Board

Das ATMEGA644PA-AU Board funk­tio­niert ja nun schon eine gan­ze Wei­le pro­blem­los in dem Anten­nen­um­schal­ter. Dort wird ein exter­nern Trei­ber für die Relais ver­wen­det und es wur­de ein wenig Auf­wand spen­diert, um die digi­ta­le Elek­tro­nik so stör­fest zu machen, daß zumin­dest die 100 Watt des IC-7300 ohne Scha­den durch­ge­lei­tet wer­den können.

Jetzt bin ich dabei, einen schalt­ba­ren Anten­nen­tu­ner zu bau­en, der mit dem­sel­ben Modul gesteu­ert wer­den soll. Die­ser Tuner soll 12 bista­bi­le Relais ver­wen­den, die jeweils zwei Elek­tro­ma­gne­te ein­ge­baut haben, eines zum Ein­schal­ten und das ande­re zum Aus­schal­ten. Es müs­sen also 24 Spu­len ange­steu­ert wer­den, wobei man durch geschick­tes Mul­ti­plex­ing mit vier high-side und sechs low-side Trei­bern hin­kommt. Anders als im Anten­nen­um­schal­ter muß man im Tuner wegen der ver­bau­ten Luft­spu­len mit nicht ver­nach­läs­sig­ba­ren Magnet­fel­dern rech­nen und bei hoch­oh­mi­gen end­ge­spei­sten Anten­nen kann auch die Span­nung schnell mal an 1 kV her­an­rei­chen. Daher kommt der HF-Fil­te­rung beson­de­re Bedeu­tung zu.

Erste Ver­su­che beim Lay­out des Tuners führ­ten zu einer zu kom­ple­xen Pla­ti­ne, die wegen der vie­len SMD Bau­tei­le auch nicht mehr ohne wei­te­res im Eigen­bau zu frä­sen wäre. Als ein­fach­ste Lösung erwies sich eine sepa­ra­te Trei­ber­pla­ti­ne, die auf der Ziel­hard­ware, also z.B. dem Tun­er­board, auf­ge­steckt wird und auf die wie­der­um das ATME­GA-Board gesteckt wird. Das ist also ein klas­si­sches Pig­gy-Board. Hier das Ergeb­nis mit KiCad:

Hier ist der zuge­hö­ri­ge Schalt­plan.

Als high-side Trei­ber wird ein BTS724G ver­wen­det, als low-side Trei­ber der Klas­si­ker, ein ULN2803A, bei­de als SMD-Vari­an­ten. Damit kön­nen bis zu vier (induk­ti­ve) Lasten auf die Ver­sor­gungs­span­nung geschal­tet wer­den und bis zu acht (induk­ti­ve) Lasten gegen Ground. Die high-side Trei­ber schaf­fen pro Kanal bis zu 3.3A, die low-side Trei­ber bis zu 500 mA. Alle Lei­stungs-Ports, ein­schließ­lich der Ver­sor­gungs­span­nung und der RS-485-Lei­tun­gen sind über LC-Glie­der gegen HF-Ein­strah­lun­gen gefil­tert. Mit ein paar Kom­pro­mis­sen hier und da konn­te die Pla­ti­ne als zwei­sei­ti­ge Lei­ter­plat­te rea­li­siert wer­den. Sie ist inzwi­schen in Chi­na in der Fer­ti­gung.

QRV auf dem 12-m-Band

Wie hier und hier schon ange­kün­digt, habe ich nun eine Dipol­an­ten­ne nach dem Lehr­buch auf­ge­baut. Die Abmes­sun­gen des Bal­kons erlaub­ten lei­der nur eine Spann­wei­te von zwei mal 2,67 m, also ins­ge­samt 5,34 m, zuzüg­lich der Ein­kopp­lung zwi­schen den bei­den Dipolhälften.

Wie die Simu­la­ti­ons­er­geb­nis­se zei­gen, ist 4nec2 der Mei­nung, daß der Dipol bei 27,1 MHz reso­nant sei. Nach­fol­gend das zuge­hö­ri­ge Smith-Chart:

Simu­lier­tes Smith-Dia­gramm des Dipols

Von die­ser Aus­gangs­la­ge woll­te ich eigent­lich durch suk­zes­si­ves Kür­zen das 10-m-Band errei­chen. 4nec2 geht von idea­len Bedin­gun­gen und einer frei auf­ge­häng­ten Anten­ne in 8 m Höhe aus. Tat­säch­lich hängt der Dipol aber 3 m über dem Bal­kon und ist auf der einen Sei­te sehr nah an der Dach­rin­ne, auf der ande­ren Sei­te sehr nah am geer­de­ten Anten­nen­mast, also weit weg von den Emp­feh­lun­gen aus dem Lehr­buch. Daher ver­wun­dert es nicht, daß die gemes­se­ne Impe­danz ganz anders aussieht:

Gemes­se­ne Impe­danz des rea­len 5,34 m lan­gen Dipols

Daß der Impe­danz­ver­lauf gegen­über der Simu­la­ti­on um den Mit­tel­punkt des Smith-Charts nach unten gedreht ist, soll­te hier nicht irri­tie­ren: zwi­schen der Ein­spei­sung und dem Dipol hängt die­ser Balun. Er trans­for­miert die Impe­danz bereits signi­fi­kant. Inter­es­san­ter ist die Reso­nanz­fre­quenz, die zufäl­li­ger­wei­se um die 25 MHz liegt, also im 12-m-Band. Das liegt etwa 2 MHz unter der simu­lier­ten Reso­nanz­fre­quenz und kommt uner­war­tet. Ursa­che ist sicher­lich die nicht idea­le Umge­bung, in der der Dipol auf­ge­hängt ist. Damit kann man doch mal ver­su­chen, auf 12 m QRV zu werden.

Aber zunächst will ich mal den Effekt der bei­den Ver­län­ge­rungs­spu­len aus­te­sten. Sie waren ja dazu gedacht, die etwas zu kur­ze Anten­ne elek­trisch zu ver­län­gern und gleich­zei­tig die Impe­danz von unge­fähr 70 Ω auf unge­fähr 50 Ω zu trans­for­mie­ren. Die­se Ver­län­ge­rungs­spu­len kön­nen mit zwei Schie­be­schal­tern zu Meß­zwecken kurz­ge­schlos­sen bzw. geöff­net und somit in Serie zu den bei­den Dipol­hälf­ten geschal­tet wer­den. Da die Reso­nanz mit ein­ge­schal­te­ten Ver­län­ge­rungs­spu­len die oben benutz­ten unte­re Fre­quenz von 22 MHz unter­schrei­tet, ver­wen­det die nach­fol­gen­de Mes­sung den wei­ten Fre­quenz­be­reich von 0 MHz bis 100 MHz.

Gemes­se­ne Impe­danz des Dipols mit Verlängerungsspulen

Die Ver­län­ge­rungs­spu­len zie­hen die Reso­nanz des Dipols also auf etwa 22 MHz her­un­ter, wobei das 15-m-Band auch gera­de noch inner­halb des SWR=3 Krei­ses liegt und damit vom ein­ge­bau­ten Anten­nen­tu­ner noch erfasst wird. Mit ein­ge­schal­te­ten Spu­len kann der Dipol also auch auf 15 m ver­wen­det werden.

Das nach­fol­gen­de Foto zeigt den Anten­nen­kopp­ler in einer klei­nen Auf­putz­do­se mit den nach bei­den Sei­ten abge­hen­den Antennendrähten.

Antennenkoppler
Anten­nen­kopp­ler für den Dipol

Die SO239-Buch­se hat auf der Innen­sei­te eine schraub­ba­re SMA Buch­se, so daß der Balun löt­frei zu lösen ist. Auf der Lei­ter­plat­te sieht man die bei­den Ver­län­ge­rungs­spu­len und die Schie­be­schal­ter. Sie haben eini­ge Ver­su­che mit 100 Watt Aus­gangs­lei­stung sowohl im geöff­ne­ten wie auch im geschlos­se­nen Zustand aus­ge­hal­ten. Jetzt blei­ben sie erst­mal drin, bis ich ent­schie­den habe, ob es ein 12‑m oder ein 15-m-Dipol wer­den soll. Im Moment arbei­tet er auf 12‑m, weil ich für 15‑m eine Alter­na­ti­ve habe.

RS-485 Kom­mu­ni­ka­ti­ons­soft­ware

Hier soll nun kurz die Soft­ware beschrie­ben wer­den, über die ein Win­dows PC mit den Bus­teil­neh­mern über RS-485 kom­mu­ni­ziert. Es wur­de das freie und weit ver­brei­te­te Mod­bus-RTU-Pro­to­koll ver­wen­det. Es ist gut doku­men­tiert, wegen Pari­ty und 16-bit CRC hin­rei­chend feh­ler­re­si­stent und es gibt mit QMod­Ma­ster ein frei­es Win­dows-Pro­gramm, das bei der Imple­men­tie­rung und Feh­ler­su­che sehr hilf­reich ist. Sowohl für den Win­dows-PC wie auch für das Ardui­no Bio­top gibt es fer­ti­ge Software.

Vor­be­mer­kun­gen

Mit Ardui­no habe ich selbst nichts zu tun, ein­fach weil es das noch nicht gab, als ich zum ersten­mal mit Atmel Bau­stei­nen gear­bei­tet habe. Gele­gent­lich wer­de ich mir das mal anschau­en. Die Mod­bus-Biblio­thek für Win­dows habe ich mir einen hal­ben Tag lang ange­schaut und sie nicht zum Lau­fen bekom­men. Sie ist sicher gut und kann alles, aber die paar Funk­tio­nen die ich brau­che, habe ich dann doch sel­ber geschrie­ben. Das schien mir schnel­ler zu gehen, zumal die Funk­tio­nen auf der Gegen­sei­te, dem Atmel Bau­stein, schon fer­tig war und sich nicht grund­sätz­lich unter­schei­det. Damit ist nun die kom­plet­te Soft­ware sowohl auf der Host- wie auf der Device-Sei­te selbst­ge­schrie­ben und kann hier ohne Ein­schrän­kun­gen im Quell­text ver­öf­fent­licht werden:

Quell­text der Host-Software

Quell­text der Device-Soft­ware für den ATMEGA644PU

Wer will, kann bei­des ger­ne unein­ge­schränkt wei­ter­be­nut­zen, eine Garan­tie für die feh­ler­freie Funk­ti­on gibt’s natür­lich nicht. Es sind sicher­lich hier und da noch Feh­ler ein­ge­baut. Außer­dem ist nur ein Sub­set des Mod­bus-Pro­to­kolls imple­men­tiert, auch die eine oder ande­re Funk­ti­on, die in der Spec als „man­da­to­ry“ bezeich­net wird, ist nicht vor­han­den (z.T. imple­men­tiert, aber aus­kom­men­tiert da ungetestet).

Als Ent­wick­lungs­um­ge­bung für Atmel ver­wen­de ich „Atmel Stu­dio 7.0“, für Win­dows „VS Express 2013“. Bei­de Ver­sio­nen sind etwas älter, Atmel gehört inzwi­schen zu Micro­chip, und von VS Express gibt es neue­re Ver­sio­nen, die aber nicht mehr mit Win­dows 7 lau­fen, son­dern Win­dows 10 benö­ti­gen. Soll­te ich jemals auf Win 10 umstei­gen, wer­de ich mir eine neue­re Ver­si­on besor­gen. Es gibt im Moment für mich kei­nen Grund zum Umsteigen.

Bei­de Pro­gram­me sind sehr spe­zi­fisch für mei­nen Anwen­dungs­fall geschrie­ben, daher habe ich auch kei­ne aus­führ­ba­re Datei bei­gefügt. Die Quell­tex­te sol­len als Muster die­nen, wie man es machen kann, aber nicht muß. Das Win­dows Pro­gramm mag gleich­zei­tig als Bei­spiel die­nen, wie man die seri­el­le Schnitt­stel­le mit Win­dows-Funk­tio­nen bedient.

Alle Pro­gram­me sind in ANSI‑C geschrie­ben, der ATMEGA nutzt ein paar win­zi­ge Assem­bler-Funk­tio­nen. Für Win­dows wird ledig­lich das Win32-API ver­wen­det und ResE­dit als Res­sour­cen Edi­tor, weil die kosten­lo­se Ver­si­on von VS Express zumin­dest bis 2013 kei­nen Res­sour­cen Edi­tor dabei hatte.

Host-Soft­ware

Ganz phan­ta­sie­los habe ich die Host-Soft­ware Ser­Com genannt. Da zur Zeit nur der Anten­nen­um­schal­ter ange­schlos­sen ist, ist dies der erste Tab, der nach dem Start ange­zeigt wird:

Tab Antennenumschalter
Die Bedie­nung des Antennenumschalters

Hier wird ledig­lich eine der bis zu sechs Anten­nen aus­ge­wählt. Die Namen sind in der Regi­s­try kon­fi­gu­rier­bar und oben nur Bei­spiel ohne rea­le Bedeu­tung. Die momen­tan akti­ve Anten­ne wird mit dem Icon ange­zeigt, nur eine kann zu einem Zeit­punkt aktiv sein. Port Sta­tus ist eigent­lich eine ver­zicht­ba­re Dia­gno­se­mel­dung. Hier wird der phy­si­ka­li­sche Sta­tus des Ports A ange­zeigt, der die Relais ansteu­ert. Die bei­den Tabs „Rotor“ und „Anten­nen­tu­ner“ sind leer und hier nur Platz­hal­ter für zukünf­ti­ge Steue­run­gen, die am sel­ben Bus hän­gen sollen.

Mit dem Con­fig-Tab wird einer der Bus­teil­neh­mer konfiguriert:

SerCom Config
Ser­Com Config

Beim Start ohne Para­me­ter wer­den hier die Kon­fi­gu­ra­ti­ons­da­ten des PCs und des aus­ge­wähl­ten Devices ange­zeigt, also Baud­ra­te, Device ID und ver­wen­de­ter COM-Port. Wird Ser­Comm mit dem Par­am­ter „-c“ gestar­tet, läuft es im Kon­fi­gu­ra­ti­ons­mo­dus und die hier dun­kel geschal­te­ten Fel­der wer­den weiß und kön­nen geän­dert wer­den. In die­sem Tab wird ein Zäh­ler gezeigt, der angibt, wie oft das EEPROM pro­gram­miert wur­de, denn die Anzahl der Pro­gram­mier­zy­klen ist end­lich (aller­dings wer­den min­de­stens 100k-Zyklen garantiert).

Auch eine Uhr ist imple­men­tiert, deren Datum und Uhr­zeit hier gesetzt und aus­ge­le­sen wer­den kön­nen. Mit dem Wert bei „RTC cor­rec­tion“ kann im Con­fig-Modus ein Kor­rek­tur­wert ein­ge­ge­ben wer­den, mit dem eine Fre­quenz­ab­wei­chung des Quar­zes für die Uhr­zeit kom­pen­siert wird. Mit „Restart Device“ wird auf dem Device ein Watch­dog Reset pro­vo­ziert, also ein ech­ter Hard­ware-Reset. „Refresh“ liest die ange­zeig­ten Daten erneut aus dem Device aus.

Der Dia­gno­se-Tab zeigt eini­ge Daten an, die etwas über den Gesund­heits­zu­stand des Devices aussagen:

SerCom Diagnose
Ser­Com Diagnose

Zunächst wird der Typ des Moduls, sei­ne Takt­fre­quenz und die Ver­si­on der imple­men­tier­ten Soft­ware ange­zeigt. Ver­schie­de­ne Zäh­ler zei­gen dann die Anzahl der unter­schied­li­chen Resets, die Anzahl feh­ler­frei emp­fan­ge­ner eige­ner und frem­der Nach­rich­ten und die Anzahl von Kom­mu­ni­ka­ti­ons­feh­lern an. Auch die Ver­sor­gungs­span­nung und die Tem­pe­ra­tur auf der Device-Sei­te wer­den ange­zeigt. Trotz des nur etwa 30mA gro­ßen Ver­sor­gungs­stroms erwärmt sich das Board merk­lich. Nun­ja, bei 12V sind es ja auch immer­hin 360 mW. Der Tem­pe­ra­tur­sen­sor (TMP275) hat übri­gens eine Genau­ig­keit von 0.5 K und 116 K Auf­lö­sung. Daß drei Stel­len hin­ter dem Kom­ma ange­zeigt wer­den, deu­tet eine höhe­re Genau­ig­keit an.

Außer­dem wer­den die Namen und Zeits­tem­pel der Quell­da­tei­en und der Zeit­punkt des Com­pi­ler­laufs ange­zeigt. Auch hier lässt sich mit der Refresh-Taste der ange­zeig­te Inhalt erneu­ern. Durch Anklicken der „Con­ti­nuous“ Check­box wird der Refresh dau­er­haft aus­ge­führt. Das ist für Dau­er­tests hilf­reich. Ein über Nacht aus­ge­führ­ter Dau­er­test brach­te kei­nen ein­zi­gen Feh­ler her­vor. Daß die Feh­lerzäh­ler funk­tio­nie­ren, zeig­te aller­dings ein erster Test mit 100 W HF auf dem Antennenumschalter.

Seit eini­gen Tagen und Näch­ten ist die Soft­ware im Ein­satz und hat sich bewährt. Für das Inter­face zwi­schen dem USB-RS485-Wand­ler und dem Bus habe ich auch zum Ein­kop­peln der 12V Ver­sor­gungs­span­nung eine klei­ne Box gebaut:

RS485-PC-Box
RS485 PC-Inter­face Box.

Sie fügt noch­mal klei­ne Tief­päs­se in die Kom­mu­ni­ka­ti­ons­lei­tung ein und ent­stört die Ver­sor­gungs­span­nung eines exter­nen Stecker­netz­teils. Das Gehäu­se ist übri­gens ein sehr preis­wer­tes Euro­box-Gehäu­se, das ich auch für ande­re Din­ge ger­ne verwende.

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.