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.