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.

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.