Mono­band-Dipol

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

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

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

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

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

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

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

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

Wiedereingelesen mit SimSmith
Touch­stone-Datei wie­der­ein­ge­le­sen mit SimSmith.

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

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

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

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

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

Balun nach Reisert

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Balun
Der­sel­be Balun mit UHF-Adap­tern zum Test am Funkgerät

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

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

Anten­nen­ro­tor

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

Antennenrotor RAK
Anten­nen­ro­tor RAK mit Steue­rung und Labor­netz­teil im Hintergrund

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

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

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

Steuerung des Antennenrotors
Steue­rung des Anten­nen­ro­tors mit auf­ge­kleb­ter Frontblende

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

Steuerung des Antennenrotors
Steue­rung des Anten­nen­ro­tors mit abge­nom­me­ner Frontblende

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

Anschluss zum Rotor
Der 4‑polige Anschluss zum Rotor

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

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

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

Fest­kon­den­sa­tor aus RO4350B

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

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

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

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

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

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

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

Fest­kon­den­sa­tor mit PTFE Dielektrikum

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

Die Alu­plat­ten und das Dielek­tri­kum waren schnell gefräst.

gefräste Einzelteile für den Festkondensator
Gefrä­ste Ein­zel­tei­le für den Festkondensator.

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

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

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

100 pF Plattenkondensator
100 pF Plat­ten­kon­den­sa­tor mit Tef­lon Dielektrikum.

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

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

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

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

Der Schieb­ko – ein elek­tro­me­cha­nisch ein­stell­ba­rer Schiebekondensator

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

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

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

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

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

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

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

Der Auf­bau

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

Kondensatorplatten aus FR4
Kon­den­sa­tor­plat­ten aus FR‑4

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

Schiebekondensator zusammengebaut
Der fer­tig­mon­tier­te Schiebekondensator.

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

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

Die Meß­er­geb­nis­se

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

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

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

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

Gute Güte…

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

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

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

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

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

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

Zukünf­ti­ge Versuche

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

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

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

Stay tun­ed!

Draht­an­ten­ne für Kurzwelle

Nach­dem ich nun seit ein paar Mona­ten über einen IC-7300 als Kurz­wel­len­trans­cei­ver ver­fü­ge, soll­te end­lich eine für meh­re­re Bän­der brauch­ba­re Kurz­wel­len­an­ten­ne her. Ein paar Mona­te konn­te ich mit auf dem obe­ren Bal­kon pro­vi­so­risch auf­ge­häng­ten Dräh­ten auf jeweils einem Band arbei­ten, die bei einem Band­wech­sel dann manu­ell gegen einen ande­ren Draht getauscht wer­den muss­ten. Das war unbe­quem und sub­op­ti­mal. Inzwi­schen habe ich auch auch ein Edel­stahl­ge­län­der auf dem Bal­kon mon­tiert, was die HF-Eigen­schaf­ten der Dräh­te deut­lich ver­schlech­tert hat. Das Gelän­der ist geer­det und schirmt HF ab.

Die bau­li­chen Gege­ben­hei­ten las­sen es pro­blem­los zu, einen 20 m lan­gen Anten­nen­draht zu span­nen. Dabei kann ein Ende gut an dem neu­en Edel­stahl­ge­län­der mon­tiert wer­den, wäh­rend das ande­re Ende auf einem Fiber­glas­mast befe­stigt wird. Aus mecha­ni­schen Grün­den soll­te die Anten­ne end­ge­speist sein, denn dann muß die Kon­struk­ti­on nicht auch noch den Anpaß­topf und das Koax­ka­bel tra­gen. Ein knapp 20 m lan­ger Draht soll­te dann auf dem 40 m Band (1 * λ/2), dem 20 m Band (2 * λ/2), dem 15 m Band (3 * λ/2) und dem 10 m Band (4 * λ/2) reso­nant sein.

Angeb­lich sol­len end­ge­spei­ste Anten­nen ohne elek­tri­sches Gegen­ge­wicht aus­kom­men, d.h. der Außen­lei­ter des Koax­ka­bels hängt sozu­sa­gen in der Luft. Das kann so nicht wirk­lich funk­tio­nie­ren, denn ein elek­tri­sches Poten­ti­al braucht immer etwas, woge­gen es gemes­sen wird. Das ist, wenn sonst nichts da ist, der Außen­lei­ter, also die Abschir­mung des Koax­ka­bels. Daß das gan­ze nicht so dra­ma­tisch ist, wie bei einem Vier­tel­wel­len­di­pol, liegt ein­fach dar­an, daß auf­grund der hohen Impe­danz eines end­ge­spei­sten Halb­wel­len­di­pols die Strom­stär­ke deut­lich gerin­ger ist. Ein Vier­tel­wel­len­di­pol hat eine Impe­danz von etwa 50 Ω, ein Halb­wel­len­di­pol aber zwi­schen 1 kΩ und 3 kΩ. Das bedeu­tet, daß bei glei­cher Lei­stung in einen end­ge­spei­sten Halb­wel­len­di­pol auch nur unge­fähr ein ach­tel bis ein vier­tel des Stro­mes fließt. Um sicher zu gehen, daß der Außen­lei­ter des Koax­ka­bels kein signi­fi­kan­tes Gegen­feld zum strah­len­den Draht auf­baut, schlie­ße ich ihn elek­trisch an das geer­de­te Bal­kon­ge­län­der an. Das soll­te gleich­zei­tig auch Man­tel­wel­len verhindern.

Aus­wahl des Antennendrahtes

Auf Emp­feh­lung von Mar­tin, DK7ZB, habe ich mich beim Wei­de­zaun-Lie­fe­ran­ten nach Anten­nen­draht umge­schaut. Mar­tin emp­fiehlt Stahl­draht-Lit­ze mit 1,6 mm Durch­mes­ser. Sie ist preis­gün­stig, reiß­fest und leicht. Ich habe mich aber dann für Alu­mi­ni­um­draht mit 2,0 mm Durch­mes­ser ent­schie­den. Der ist zwar etwas teu­rer und stör­ri­scher, aber sein elek­tri­scher Wider­stand bei 20 m beträgt nur 170 mΩ und sein Gewicht nur 170 g. Dage­gen hat die Stahl­lit­ze 1,5 Ω und sie wiegt knapp das dop­pel­te. In der Pra­xis mag bei­des aller­dings völ­lig irrele­vant sein. Alu­mi­ni­um­draht ist rela­tiv weich und läßt sich leicht bie­gen. Von der Rol­le abge­wickelt ist der Draht den­noch geneigt, sei­ne Bie­gung zu behal­ten. Er schnurrt also wie­der zusam­men. Dem kann man leicht ent­ge­gen­wir­ken, indem man ihn an einem Ende befe­stigt und dann mit einem Leder­hand­schuh oder einem Tuch an dem Draht ent­lang zieht, so daß er sich zwi­schen den Fin­gern leicht ver­biegt, aber von der Span­nung wie­der gera­de­ge­zo­gen wird. Wenn man das zwei- oder drei­mal gemacht hat, bleibt der Draht im wesent­li­chen gerade.

Abstim­mung des Drahtes

Nach dem pro­vi­so­ri­schen Auf­span­nen muß der Draht zunächst auf Reso­nanz gekürzt wer­den. Das geht heut­zu­ta­ge am prak­tisch­sten und zuver­läs­sig­sten mit einem vek­to­ri­el­len Netz­werk­ana­ly­sa­tor (VNA) und suk­zes­si­vem Kür­zen das Drah­tes mit einem Sei­ten­schnei­der. Das nach­fol­gen­de Bild zeigt das Smith Chart des mit dem DG8SAQ-VNWA gemes­se­nen und mit SimS­mith dar­ge­stell­ten Impe­danz­ver­lauf des letzt­lich 18,55 m lan­gen Aluminiumdrahtes:

Impedanz des nackten Antennendrahts (18,55 m lang)
Impe­danz des nack­ten Anten­nen­drahts (18,55 m lang)

Die Refle­xi­ons­mes­sung habe ich bei der Instal­la­ti­on nur auf dem 40m-Band bei 7.1 MHz durch­ge­führt. Wie man oben sieht, ist die Impe­danz schon leicht im induk­ti­ven Bereich. Ich habe ein paar Zen­ti­me­ter zuviel abge­schnit­ten. Für die höhe­ren Fre­quen­zen wäre es gün­sti­ger gewe­sen, noch ein paar wei­te­re Zen­ti­me­ter dazu­zu­ge­ben. Dann wäre die Impe­danz bei 40m und 20m zwar leicht in den kapa­zi­ti­ven Bereich ver­scho­ben, dafür wäre der Blind­an­teil bei 15m und 10m nicht ganz so hoch gewor­den. Viel­leicht span­ne ich gele­gent­lich einen neu­en Anten­nen­draht auf, der etwas län­ger ist.

Jetzt braucht man natür­lich noch eine Anpas­sung, damit die Impe­danz zumin­dest in die Nähe von 50 Ω kommt. Da der IC-7300, so wie die mei­sten moder­nen Trans­cei­ver, einen ein­ge­bau­ten Anten­n­tu­ner hat, muß der Ziel­wert nicht son­der­lich genau getrof­fen wer­den. Der Tuner gleicht Steh­wel­len­ver­hält­nis­se bis 3,0 aus. Das bedeu­tet, daß die Impe­danz der Anten­ne inner­halb des gestri­chel­ten Krei­ses zu lie­gen kom­men muß. Zu beach­ten ist, daß es sich um die Impe­danz an der Anten­ne han­delt und daß das Anten­nen­ka­bel eine wei­te­re Trans­for­ma­ti­on bewirkt. Des­sen Trans­for­ma­ti­on ver­läuft aller­dings auch wie­der auf einem Kreis um den Mit­tel­punkt. Wenn man inner­halb des Krei­ses star­tet, endet man auch wie­der inner­halb des Krei­ses. Aller­dings muß man den Tuner neu abstim­men, wenn ein Kabel ande­rer Län­ge ange­schlos­sen wird.

Für eine breit­ban­di­ge Trans­for­ma­ti­on, hier also von 7 bis 30 MHz, kommt nur ein HF-Trans­for­ma­tor in Fra­ge. Alle ande­ren Trans­for­ma­tio­nen mit Spu­le, Kon­den­sa­tor oder Lei­tun­gen funk­tio­nie­ren nur auf einer ein­zi­gen Fre­quenz. Trans­for­ma­to­ren im Kurz­wel­len­be­reich kön­nen ver­lust­arm mit Ring­ker­nen auf­ge­baut wer­den. Das wur­de häu­fig beschrie­ben, auch im oben schon erwähn­ten Bei­trag von DK7ZB.

Da ich zunächst nur die Impe­danz bei 7,1 MHz gemes­sen hat­te, die im Reso­nanz­fall bei etwa 2,4 kΩ lag, war die nicht unlo­gi­sche Schluß­fol­ge­rung, daß der Tra­fo ein Wick­lungs­ver­hält­nis von 7:1 haben müs­se, um auf 50 Ohm zu trans­for­mie­ren. Der erste Ver­such mit einem selbst­ge­wickel­ten Über­tra­ger mit 21 Win­dun­gen und einer Anzap­fung bei drei Win­dun­gen (als Spar­t­ra­fo) schlug fehl. Meß­wer­te habe ich lei­der nicht archi­viert, aber offen­sicht­lich machen sich Kopp­lungs­ver­lu­ste und Win­dungs­ka­pa­zi­tä­ten so stark bemerk­bar, daß die Ergeb­nis­se weit weg vom erwar­te­ten Wert lie­gen. Außer­dem ist das Anlö­ten einer Anzap­fung eine Fummelei. 

Im zwei­ten Ver­such habe ich mich mit einem Wick­lungs­ver­hält­nis von 4:1 begnügt, drei Win­dun­gen pri­mär und zwölf Win­dun­gen sekun­där. Damit kön­nen die 2,4 kΩ immer­hin auf 150 Ω her­un­ter­trans­for­miert wer­den, was gera­de noch einem Steh­wel­len­ver­hält­nis von 3 ent­spricht und vom Trans­cei­ver auf die nöti­gen 50 Ω ange­paßt wer­den kann. Das hat funk­tio­niert und zwar auch hin­rei­chend gut auf den höher­fre­quen­ten Bän­dern. Hier die Meß­wer­te mit dem 4:1 Trafo:

Impedanz des Antennedrahts mit Trafo
Impe­danz des Anten­ne­drahts mit 4:1 Trafo

Hier die dazu­ge­hö­ri­ge S11 Datei:

Wie man sieht, ist die Impe­danz in wei­ten Tei­len noch in den induk­ti­ven Bereich ver­scho­ben und außer­dem in den höher­fre­quen­ten Bän­dern noch außer­halb des zuläs­si­gen Steh­wel­len­ver­hält­nis­ses. Das lässt sich mit einem pas­sen­den Kon­den­sa­tor kom­pen­sie­ren. Ein 68 pF Kon­den­sa­tor par­al­lel zum Ein­gang bewirkt die nach­fol­gend gezeig­te Verschiebung:

Impedanz des Antennedrahts mit Trafo und 68pF Anpassung
Impe­danz des Anten­ne­drahts mit 4:1 Tra­fo und 68pF Anpassung

Und wie­der die dazu­ge­hö­ri­ge S11 Datei:

Mit die­ser Kom­pen­sa­ti­on lie­gen nun die mei­sten KW-Ama­teur­funk­bän­der inner­halb des magi­schen SWR=3 Krei­ses und kön­nen so vom ein­ge­bau­ten Anten­nen­tu­ner auf die nöti­gen 50 Ω ange­passt wer­den. Das 17-m-Band liegt knapp außer­halb, aber der Tuner des IC-7300 schafft das gera­de noch im Nor­mal­be­trieb. Das 30-m-Band liegt deut­lich außer­halb, kann aber noch im Not­be­trieb (IC-7300 Emer­gen­cy Mode) mit maxi­mal 50W Aus­gangs­lei­stung ver­wen­det wer­den. In die­sem Not­be­trieb kann der Anten­nen­tu­ner sogar auf den 80- und 160-m-Bän­dern noch eine brauch­ba­re Anpas­sung finden.

Hier ein paar Fotos des fer­ti­gen Aufbaus:

Der Antennenhalter
Der Anten­nen­hal­ter mit mon­tier­ter AP-Dose und Anpasstrafo

Der Anpas­stra­fo ist in eine Elek­tro­in­stal­la­ti­ons-Auf­putz­do­se mon­tiert. Nach unten ist eine SO239-Buch­se zum Anschluß des Anten­nen­ka­bels was­ser­dicht ein­ge­schraubt. Außer­dem ist nach rechts die Mas­se abge­führt und nach links die hoch­trans­for­mier­te HF.

Befestigung der Antenne am Balkongeländer
Befe­sti­gung der Anten­ne am Balkongeländer

Der Anpass­ein­heit ist über eine kur­ze Stahl­draht­lit­ze an einem Pfo­sten des Bal­kon­ge­län­ders auf­ge­hängt. Eine pas­sen­de Gelenk­bol­zen­schel­le wur­de mit einer län­ge­ren Schrau­be ver­se­hen, auf die eine Ring­schrau­be auf­ge­schraubt ist. Die Stahl­draht­lit­ze ist mit Draht­seil­klem­men ver­schraubt und soweit mög­lich wur­den auch pas­sen­de Kau­schen ein­ge­setzt. Alle Stahl­tei­le sind aus V2A oder V4A Edel­stahl. Das Bal­kon­ge­län­der ist geer­det und dient als Gegen­ge­wicht für die Antenne.

Die Unterseite der Antennenhalters
Die Unter­sei­te der Anten­nen­hal­ters ist aus PVC gefräst

Der Hal­ter für die Anten­ne und die Anpas­sung ist aus 8 mm Hart-PVC gefräst, auf des­sen Ober­sei­te eine kup­fer­ka­schier­te Epo­xy-Pla­ti­ne ver­schraubt ist.

Der 4:1 Übertrager
Der 4:1 Über­tra­ger in einer hof­fent­lich was­ser­dich­ten Aufputzdose

Die Epo­xy-Pla­ti­ne ist 2,4 mm dick und beid­sei­tig mit 175µ Kup­fer beschich­tet. Nicht benö­tig­tes Kup­fer wur­de weggefräst.

In die­sem Foto sieht man auch den bewickel­ten Ring­kern vom Typ Ami­don FT140-77. Da Ring­ker­ne ja nach ver­wen­de­tem Mate­ri­al einen nied­ri­gen ohm­schen Wider­stand haben, wur­de er hier mit Tef­lon­band umwickelt. Das gibt es für wenig Geld in der Was­ser­in­stal­la­ti­ons­ab­tei­lung im Bau­markt. Es sind pri­mär drei und sekun­där zwölf Win­dun­gen auf­ge­bracht. Unter­halb des Ring­kerns, hier nicht zu sehen, ist der 68-pF-Kon­den­sa­tor angelötet.

Obwohl die Anten­ne nun fest mon­tiert und seit eini­gen Mona­ten im Ein­satz ist, sehe ich sie nicht als Dau­er­lö­sung an. Das blan­ke Kup­fer wird schon in Kür­ze kor­ro­die­ren und die Draht­auf­hän­gung wird trotz der Kau­schen irgend­wann das PVC ver­schlei­ßen. Dann baue ich halt was neues…

Phy­si­ka­li­sche Eigen­schaf­ten (Mas­se, Wider­stand, Aus­deh­nung) ver­schie­de­ner Werkstoffe

Bei so unter­schied­li­chen Din­gen wie dem Bau einer Kurz­wel­len­an­ten­ne und beim Auf­bau eines Trep­pen- bzw. Ter­ras­sen­ge­län­ders kam bei mir immer wie­der die Fra­ge auf, was denn nun ein 1,10 m lan­ger Edel­stahl­pfo­sten oder ein 18,55 m lan­ger Anten­nen­draht aus 2 mm dickem Alu­mi­ni­um­draht wiegt und auch wel­chen ohm­schen Wider­stand das Teil hat. Auch die Fra­ge, ob man ein 5 m lan­ges Edel­stahl­rohr mit 42,2 mm Außen­durch­mes­ser und 2 mm dicker Wand eher tra­gen kann, als ein gleich­lan­ges Alu­mi­ni­um­rohr mit 5 mm dicker Wand, ist für die Instal­la­ti­on als Anten­nen­mast nicht ganz uner­heb­lich. Wenn man an die Erdung des Roh­res denkt, ist auch sein elek­tri­scher Wider­stand nicht ver­nach­läs­sig­bar, denn gera­de Edel­stahl ist ja als rela­tiv schlech­ter Lei­ter bekannt. Auch die Fra­ge, ob ein im Som­mer bei 38°C abge­stimm­ter Anten­nen­draht auch bei ‑10°C im Win­ter noch hin­rei­chend reso­nant ist, soll­te zumin­dest mal unter­sucht werden.

Nach­dem ich dann mehr­fach die jewei­li­gen Mate­ri­al­pa­ra­me­ter (spe­zi­fi­sche Mas­se, spe­zi­fi­scher Wider­stand, Tem­pe­ra­tur­ko­ef­fi­zi­ent des­sel­ben, Aus­deh­nungs­ko­ef­fi­zi­ent) im Inter­net zusam­men­ge­sucht und die Wer­te mit dem Taschen­rech­ner aus­ge­rech­net habe, war es an der Zeit, ein pas­sen­des Libre­Of­fice Spreadsheet dafür zu erstel­len. Hier ist es:

Die Tabel­le „Eigen­schaf­ten“ ent­hält die aus dem Inter­net gesam­mel­ten Mate­ri­al­pa­ra­me­ter. Bei den jewei­li­gen Wer­ten ist eine gewis­se Vor­sicht von­nö­ten. Die Wer­te für che­misch rei­ne Mate­ria­li­en dürf­ten ziem­lich gut bekannt sein und nur gering­fü­gig vom tat­säch­li­chen Wert abwei­chen. Legie­run­gen wie z.B. Edel­stahl oder Kon­stantan, aber auch Kup­fer­ka­bel oder Alu­mi­ni­um kön­nen grö­ße­re Abwei­chun­gen haben, weil ihre genaue Zusam­men­set­zung schwankt. Die Ergeb­nis­se soll­ten für Aller­welts­an­wen­dun­gen hin­rei­chend genau sein, wer es genau­er haben muß, soll­te sich jedoch das Daten­blatt des jewei­li­gen Her­stel­lers besorgen.

Das Spreadsheet ent­hält auch noch eini­ge Nicht­lei­ter wie Kunst­stof­fe und Glas. Dabei ging es natür­lich nicht um deren elek­tri­schen Wider­stand, son­dern um die Mas­se und ggf. den Aus­deh­nungs­ko­ef­fi­zi­en­ten. Wegen der unter­schied­li­chen Zusam­men­set­zung schwan­ken auch hier die Anga­ben ziem­lich stark. Oft sind Mini­mum- und Maxi­mum­wer­te ange­ge­ben. Auch die elek­tri­schen Wider­stän­de habe ich (spa­ßes­hal­ber) erfasst, wenn Wer­te dafür zu fin­den waren. Sie schwan­ken oft um meh­re­re Zeh­ner­po­ten­zen und haben daher kei­ne prak­ti­sche Rele­vanz. Dafür habe ich „min“ und „max“ Spal­ten ein­ge­führt und dar­aus den Mit­tel­wert errech­net, der dann für die Berech­nun­gen benutzt wird.

Die eigent­li­chen Berech­nun­gen fin­den in der gleich­na­mi­gen Tabel­le statt. Dort wählt man zunächst in Zel­le A2 das Mate­ri­al aus, in Spal­te C soll­ten dann die dazu­ge­hö­ri­gen phy­si­ka­li­schen Para­me­ter erschei­nen. Abhän­gig von der Kon­tur des Quer­schnitts wird dann in Zei­le 2, 5 oder 8 wei­ter­ge­ar­bei­tet und in der dazu­ge­hö­ri­gen Spal­te E wird jeweils die Län­ge des Werk­stücks in Mil­li­me­ter ange­ge­ben. Zei­le 2 gilt für recht­ecki­ge Quer­schnitt und die Brei­te und Dicke wird in Spal­ten F und G ange­ge­ben. Für run­des Voll­ma­te­ri­al (Draht, Kabel oder Stab) wird Zei­le 5 benutzt. Die Quer­schnitts­flä­che (nicht der Durch­mes­ser!) wird in die­sem Fall direkt in Spal­te H ange­ge­ben. Für Roh­re wird Zei­le 8 benutzt, wobei der Außen­durch­mes­ser und die Wand­stär­ke in den Spal­ten F und G ange­ge­ben wer­den. Falls nicht in Zei­le 5 direkt ange­ge­ben, wird in Spal­te H der jewei­li­ge Quer­schnitt errech­net. Spal­te J zeigt nun den elek­tri­schen Wider­stand in mΩ an, ggf. abhän­gig von der in Spal­te I gewähl­ten Tem­pe­ra­tur. Wählt man in Spal­te K eine Strom­stär­ke, so wird in Spal­te L der Span­nungs­ab­fall und in Spal­te M die dabei ver­heiz­te Lei­stung angezeigt.

Spal­te M zeigt die gesam­te Mas­se des Werk­stücks an und Spal­te N die Län­gen­än­de­rung bei der gewähl­ten Tem­pe­ra­tur gegen­über 20°C.

Bei­spiel­an­wen­dun­gen:

1.) ein 18,55 m lan­ger Alu­mi­ni­um­draht mit 2 mm Durch­mes­ser wiegt 158 g und hat einen Wider­stand von 156 mΩ. Ein alter­na­ti­ver Draht aus Stahl­lit­ze von 1,6 mm Durch­mes­ser wiegt 354 g und hat einen ohm­schen Wider­stand von 1,384 Ω. Ein sol­cher Draht wur­de zum Bau einer Kurz­wel­len­an­ten­ne ver­wen­det. Ich habe mich für den Aludraht ent­schie­den, weil er leich­ter ist und nur ein zehn­tel des elek­tri­schen Wider­stan­des der Lit­ze hat.

2.) ein 1 m lan­ges Edel­stahl­rohr mit 42,4 mm Durch­mes­ser und einer Wand­stär­ke von 2 mm wiegt ziem­lich genau 2 kg. Sol­che Roh­re wer­den zuhauf für den Bau von Edel­stahl­ge­län­dern verwendet.

Noch ein Hin­weis: die Tabel­le ist geschützt (ohne Pass­wort), so daß man nicht ver­se­hent­lich die Fel­der ändert, die nor­ma­ler­wei­se nicht geän­dert wer­den sol­len. Die unge­schütz­ten Ein­ga­be­fel­der sind gelb hin­ter­legt. Sol­len ande­re Fel­der geän­dert wer­den, muß die Tabel­le zunächst frei­ge­ge­ben wer­den (bei Libre­Of­fice: Extras, Tabel­le schützen).

2020_12_30: Hier gibt es eine neue Ver­si­on.

UKW Rund­funk­emp­fang mit dem IC-7300

Vor ein paar Mona­ten habe ich mir, wie hier schon beschrie­ben, einen IC-7300 gegönnt. Beim Dre­hen über die Bän­der sind mir zwi­schen 30 MHz und etwa 36 MHz schon ganz zu Anfang star­ke Breit­band-FM Sta­tio­nen auf­ge­fal­len, die mit dem Schmal­band FM-Demo­du­la­tor des IC-7300 kaum zu demo­du­lie­ren waren. Auf­fäl­lig waren dabei die aus­ge­präg­ten Sei­ten­bän­der in knapp 20 kHz Abstand vom Träger.

FM-Rundfunksignal
Pilot­ton eines FM-Rundfunksignals

Klar, das waren FM-Ste­reo Rund­funk­sta­tio­nen und die Sei­ten­bän­der kamen vom Pilot­ton. Es gab soviel an dem neu­en Gerät zu erfor­schen, daß ich mich erst mal nicht wei­ter dar­um geküm­mert habe.

Jetzt habe ich mir die Sache aber mal genau­er ange­schaut. Es war klar, eine ande­re Mög­lich­keit gab es ja gar­nicht, daß es sich dabei um UKW-Rund­funk­sta­tio­nen han­deln muß, die in die­sen Fre­quenz­be­reich hin­ein­ge­mischt wer­den. Der IC-7300 hat nach der Beschrei­bung einen Direkt­ab­tast-Super­het-Emp­fän­ger imple­men­tiert. Das bedeu­tet, daß das HF-Signal nach dem Ein­gangs­fil­ter und einem Ein­gangs­ver­stär­ker direkt digi­ta­li­siert wird. Genaue­re Anga­ben fin­den sich zumin­dest nicht an pro­mi­nen­ter Stel­le im Hand­buch. Einer Beschrei­bung von AB4OJ ist zu ent­neh­men, daß die ADC Abtast­fre­quenz bei 124.033 MHz liegt. Das hat mich etwas erstaunt, denn der Emp­fangs­be­reich geht ja bis 74,8 MHz und daher soll­te die Abtast­fre­quenz bei deut­lich über 150 MHz lie­gen, sofern man kei­ne Unter­ab­ta­stung benutzt. Genau das ist aber offen­sicht­lich der Fall. Wenn die Band­päs­se zuver­läs­sig funk­tio­nie­ren, ist das auch gar kein Problem.

Das oben bei 32,032 MHz gezeig­te Signal gehört also damit zu einem UKW Rund­funk­sen­der bei 124,033 – 32,032 = 92,0 MHz (das 1 kHz Dif­fe­renz igno­rie­ren wir). Die Prü­fung mit einem UKW-Radio bestä­tigt das. Anders aus­ge­drückt, 92 MHz ist bei einer Abtast­ra­te von 124,033 MHz eine Alias­fre­quenz zu 32,033 MHz. Ein erneu­tes Stu­di­um des Daten­blatts ergibt, daß der IC-7300 zwar einen durch­ge­hen­den Emp­fangs­be­reich von 30 kHz bis 74,8 MHz hat, daß die tech­ni­schen Daten aber nur für 500 kHz bis 30 MHz, 50 MHz bis 52 MHz und 70 bis 70,5 MHz garan­tiert sind. Damit sind also die Daten von 30 MHz bis 50 MHz nicht spe­zi­fi­ziert. Ab 30 MHz hört man ein oder meh­re­re Relais klacken, die das „Scheu­nen­tor“ auf­ma­chen. Im Spek­trum ist das gut zu sehen:

Unter 30 MHz
Unter 30 MHz ist alles im grü­nen Bereich
Ab 30 MHz
Ab 30 MHz wird auf sub-opti­ma­le Ein­gangs­fil­ter umgeschaltet

Es soll hier aus­drück­lich betont wer­den, daß das Ver­hal­ten kein Man­gel ist. Die Spe­zi­fi­ka­ti­on gibt nicht mehr her. Ein Blick in den Schalt­plan offen­bart, daß ein und das­sel­be Fil­ter von 30 MHz bis 75 MHz benutzt wird:

Bandfilter
Band­fil­ter für 30~50 und 54~70 MHz

Zwi­schen 50 MHz und 54 MHz wird auf ein schmal­ban­di­ge­res Fil­ter umgeschaltet.

Daß ein solch brei­tes 6‑poliges Band­fil­ter, des­sen Durch­lass­be­reich bis 70 MHz geht, im Rund­funk­be­reich bei unge­fähr 90 MHz noch kei­ne sehr gro­ße Dämp­fung hat, ist völ­lig nor­mal. Wer also mit dem IC-7300 den Fre­quenz­be­reich von 30 bis etwa 36 MHz erfor­schen möch­te, wird nicht um einen exter­nen Tief­paß herumkommen.

Nach­trag (12.12.2020): Wie ich gera­de durch Zufall sehe, gibt es ein sol­ches Tief­paß­fil­ter für genau die­sen Anwen­dungs­zweck fer­tig zu kau­fen: JG-LPF74 TRX Tief­pass­fil­ter 100Watt. Dies nur als Hin­weis, ich habe es selbst nicht ausprobiert.

I/O Board mit RS485 Schnittstelle

Es hat mich mal wie­der in den Fin­gern gekrib­belt. Nach­dem wir die ver­gan­ge­nen zwei Jah­re nur mit unse­rem neu­en Haus beschäf­tigt waren, muss­te ich mal wie­der ein klei­nes Board entwickeln.

Ich habe ja wie­der mit dem Ama­teur­funk ange­fan­gen und zwei Trans­cei­ver von Icom gekauft. Die Anten­nen­an­la­ge lässt aller­dings sehr zu wün­schen übrig. Ich will ver­schie­de­ne Anten­nen auf­bau­en, für Kurz­wel­le vor­läu­fig nur Mono- und Dipo­le. Da nicht jede Anten­ne ein eige­nes Kabel bekom­men kann, wer­de ich also einen Anten­nen­um­schal­ter instal­lie­ren müs­sen, der von der Sta­ti­on aus elek­trisch schalt­bar sein soll. Sowas kann man fer­tig kau­fen oder auch sel­ber­bau­en, aber auch die gekauf­ten brau­chen eine Steuerung.

Zur Kom­mu­ni­ka­ti­on zwi­schen Anten­nen­um­schal­ter und Shack bie­tet sich die RS485 Schnitt­stel­le an. Sie setzt auf einer asyn­chro­nen seri­el­len Schnitt­stel­le auf und unter­stützt Lei­tungs­län­gen von vie­len hun­dert Metern (bis 1,2 km nach der Norm) bei Baud­ra­ten bis 12 MBd. Durch die Ver­wen­dung eines Lei­tungs­paars im Gegen­takt wird eine hohe Stör­si­cher­heit erreicht. Ein Lei­tungs­paar gestat­tet die Kom­mu­ni­ka­ti­on im Halb­du­plex-Mode, für Voll­du­plex sind zwei Lei­tungs­paa­re nötig. RS485 ermög­licht auch den Auf­bau eines Bus­systems, bei dem bis zu 32 Teil­neh­mer ange­schlos­sen wer­den kön­nen. Bei der hier geplan­ten Anten­nen­um­schal­tung könn­ten also meh­re­re Anten­nen­um­schal­ter über ein ein­zi­ges Lei­tungs­paar ange­schlos­sen werden.

Weil ich gera­de noch eini­ge Exem­pla­re des Mikro­con­trol­lers in der Kiste lie­gen hat­te, habe ich ein klei­nes Board mit dem ATtiny1634 und einem RS485-Trans­cei­ver gebaut. Hier die KiCad 3D-Vorschau:

ATTINY1634
Unter­sei­te des RS485 Moduls mit einem ATtiny1634.
Oberseite
Ober­sei­te des RS485 Moduls.

Da die Umschalt­re­lais des Anten­nen­schal­ters typi­scher­wei­se mit 12V arbei­ten, ist auf der Ober­sei­te ein ein­fa­cher Line­ar­reg­ler imple­men­tiert. Es pas­sen 3V- und 5V-Typen. Da der 1634 bei 3V nur bis 8 MHz getak­tet wer­den kann, habe ich auf dem Pro­to­ty­pen 5V-Reg­ler ein­ge­lö­tet. Damit läuft der Con­trol­ler mit bis zu 12 MHz. Hier ist der Schalt­plan, es gibt kei­ner­lei erwäh­nens­wer­te Besonderheiten.

In der Wahl des Kom­mu­ni­ka­ti­ons­pro­to­kolls ist man ziem­lich frei, aber war­um etwas eige­nes erfin­den, wenn es schon weit­ver­brei­te­te Stan­dards gibt. Ich habe mich für den Mod­bus ent­schie­den, der auch bei­spiels­wei­se bei der Kom­mu­ni­ka­ti­on mit PV-Wech­sel­rich­tern ver­wen­det wird. Es gibt ein schö­nes Uti­li­ty für Win­dows, QMod­Ma­ster, das Mod­bus-Nach­rich­ten sen­den und emp­fan­gen kann. Das war sehr hilf­reich bei der Imple­men­tie­rung des Mod­bus Pro­to­kolls in den ATtiny1634. Ich bin noch nicht kom­plett mit der Imple­men­tie­rung fer­tig, daher will ich die Soft­ware im Moment noch nicht hier ver­öf­fent­li­chen. Das hole ich nach, wenn’s fer­tig ist. Da die wesent­li­chen Din­ge aber bereits funk­tio­nie­ren, hier mal nur kurz der Ressourcenverbrauch: 

Pro­gram Memo­ry Usa­ge : 2892 bytes 17,7 % Full
Data Memo­ry Usa­ge : 85 bytes 8,3 % Full
EEPROM Memo­ry Usa­ge : 2 bytes 0,8 % Full

Dar­an wird sich im End­aus­bau nicht mehr viel ändern. Viel­leicht braucht er mit wei­te­ren Funk­tio­nen 25 – 30% Flash Spei­cher, aber die vor­han­de­nen 16 kB wer­den auf jeden Fall aus­rei­chen. Wenn genü­gend Platz bleibt, wer­de ich die Sen­de- und Emp­fangs­puf­fer etwas ver­grö­ßern, was dann den Daten­spei­cher Ver­brauch um ein paar Pro­zent anstei­gen las­sen wird. Auch hier wird das 1 kB SRAM alle­mal ausreichen.

Über ein 25m Kabel lief die Kom­mu­ni­ka­ti­on bei 38 kBd wie erwar­tet meh­re­re Stun­den feh­ler­frei, aller­dings kann QMod­Ma­ster auch lei­der nur eine Nach­richt pro Sekun­de abset­zen. Das ist also nicht wirk­lich ein hoher Durch­satz. Auf der PC-Sei­te ver­wen­de ich übri­gens einen „WaveSha­re USB TO RS232 RS485 TTL Indu­stri­al Iso­la­ted Con­ver­ter“, der bis­her zuver­läs­sig funktioniert.