Da meine endgespeiste Drahtantenne sowieso nur als Provisorium gedacht war und eigentlich nur auf dem 20- und 40-m-Band halbwegs zufriedenstellend funktioniert, muß eine dauerhafte Lösung her. Versuchsweise habe ich einen neuen 20 m langen Draht gespannt, für den nun ein neuer Antennentuner gebaut werden soll. Wegen der beschriebenen Probleme mit dem Ringkerntrafo soll die neue Antennenanpassung komplett auf Ferrite verzichten und der Tuner soll mit selbstgewickelten Luftkernspulen aufgebaut werden.
Designziele
Der Einfachheit halber soll der Tuner nicht automatisch funktionieren, damit entfällt also eine Stehwellenmeßbrücke. Es reicht, wenn der Tuner die Antennenimpedanz auf ein Stehwellenverhältnis unter 3 transformiert, den Rest übernimmt der automatische Antennentuner im Transceiver. Der Tuner soll außen bei der Antenne montiert und über dieselbe RS-485-Schnittstelle eingestellt werden, wie auch schon der Antennenumschalter. Damit werden beide Geräte vom Shack aus zentral bedienbar und auch von dort mit Spannung versorgt.
Verwendete Bauteile
Der prinzipielle Aufbau eines Antennentuners ist ausgesprochen simpel, nämlich ein LC-Tiefpaß. Ein Prototyp wurde hier schon gezeigt. Jetzt muß man „nur“ noch die Induktivitäten und Kapazitäten als hinreichend strom- und spannungsfeste schaltbare Kaskaden ausführen, das ganze steuerbar machen und in ein wetterfestes Gehäuse packen. Daher muß man sich zunächst mal Gedanken über die Auswahl der Bauteile machen.
Hier nochmal die Tabelle der benötigten Kondensatoren und Spulen:
Dimensionierung des LC-Anpassnetzwerks| Band | mittlere Frequenz | Anpassung C [pF] | Anpassung L [nH] |
|---|---|---|---|
| 160 m | 1,905 | 121 | 30.000 |
| 80 m | 3,650 | 535 | 2.900 |
| 60 m | 5,359 | 153 | 7.315 |
| 40 m | 7,100 | 43 | 8.749 |
| 30 m | 10,125 | 89 | 2.322 |
| 20 m | 14,175 | 28 | 3.588 |
| 17 m | 18,118 | 53 | 640 |
| 15 m | 21,225 | 23 | 2.020 |
| 12 m | 24,940 | 46 | 608 |
| 10 m | 28,850 | 16 | 1.461 |
| 6 m | 50,515 | 11 | 720 |
| 4 m | 70,250 | 14 | 214 |
Die endgültige Aufhängung der Antenne und die Ausführung des Gegengewichts wird den Impedanzverlauf verändern. Daher sind diese Werte keineswegs endgültig, aber sie sind zunächst plausible Ausgangspunkte.
Die Kondensatoren
Wegen der hohen Impedanzen endgespeister Antennen muß die Spannung hochtransformiert werden. Bei 100 Watt Ausgangsleistung und 3 kΩ Impedanz muß man mit etwa 550 Veff rechnen. Um auf der sicheren Seite zu sein, sollten die Kondensatoren mindestens 2 kV aushalten, was dann theoretisch für über 1 kW Ausgangsleistung reichen würde, wenn da nicht die endliche Güte der Kondensatoren vorher zu ihrem thermischen Ableben führen würde.
Erste Versuche mit einem mechanisch einstellbaren Kondensator waren vielversprechend. Allerdings gibt es mindestens zwei Probleme zu lösen, die sichere Funktion der Mechanik im Außeneinsatz (wenn auch im Gehäuse, aber zwischen ‑20°C und +80°C) und die mangelhafte Güte des Kondensators. Zudem gibt es keinen überzeugenden Grund, die Impedanz auf genau 50 Ω anzupassen, wenn man wenigstens in die Anpassungsgrenzen des eingebauten Tuners kommt. Nach weiteren Versuchen mit selbstgebauten Festkondensatoren (hier und hier) bin ich nun doch wieder zurück bei käuflich erwerbbaren einfachen spannungsfesten (3 kV) Keramikkondensatoren. Deren Güte kommt auch auf einige Hundert oder sogar an die Tausend, womit sich deren Verlustleistung bei 100 Watt am Senderausgang auf hundert oder höchstens zweihundert Milliwatt begrenzen sollte. Die Nachteile von Keramikkondensatoren sollte man freilich nicht vergessen, insbesondere die mittelmäßige Güte, aber auch die Spannungs- und Temperaturabhängigkeit ihrer Kapazität. Sollten sich im Betrieb des Tuners Probleme ergeben, die auf diese Mängel zurückzuführen sind, können die Keramikkondensatoren immer noch durch bessere (ggf. selbstgebaute) Varianten ersetzt werden.
Die benötigten Kapazitäten ergeben sich aus der oben gezeigten Tabelle. So fiel die Wahl auf eine Kondensatorkaskade aus sechs verschiedenen Werten, die per Relais jeweils parallelgeschaltet werden. Wenn wir davon ausgehen, daß die Schaltkapazitäten insgesamt etwa 10 pF betragen (eine optimistische Annahme, es wird eher mehr sein), dann sollte eine Kondensatorkaskade mit den folgenden Kapazitäten die oben gezeigten Fälle annähernd abdecken: 5 pF, 10 pF, 20 pF, 40 pF, 80 pF und 470 pF. Damit sollte die Kapazität dann in 5 pF-Schritten bis 155 pF einstellbar sein, wobei aber immer die geschätzte Schaltkapazität von 10 pF hinzukommt. Außerdem bringt jedes geöffnete Relais nochmal 1 pF Kapazität dazu (siehe unten). Der sechste Kondensator deckt dann den Bereich ab 470 pF ab.
Spulen
Aus der Tabelle ist ersichtlich, daß Induktivitäten bis zu etwa 10 µH notwendig sind. Wenn wir auch hier mit sechs Relais und sechs Spulen auskommen wollen, dann ergibt sich als kleinste Induktivität und damit Schrittweite ein Wert von 10 µH / 64 = 156 nH. Um mit halbwegs geraden Werten zu arbeiten, entscheide ich mich für 160 nH, 320 nH, 640 nH, 1280 nH, 2560 nH und 5120 nH. Die Spulen sollen aus den oben genannten Gründen als Luftkernspulen gewickelt werden. Alle anderen Kernmaterialien haben schon im Normalbetrieb Ummagnetisierungsverluste, die zudem überproportional anwachsen, wenn der Kern in die Sättigung gerät. Darüberhinaus sind Luftkerne preiswert und erlauben hohe Güten, die problemlos 300 übersteigen und auch 500 erreichen können. Es gibt aber auch mindestens zwei Nachteile gegenüber Ringkernspulen, ihr relativ großes Volumen und der notwendige größere Abstand zu Nachbarspulen, um Kopplungen gering zu halten.
Dimensionierung der Spulen
Die Induktivität einer Spule errechnet sich näherungsweise nach folgender Formel (Wikipedia):
Damit ist die Induktivität also proportional zum Quadrat der Windungszahl (N) und dem Querschnitt der Spule (A) und umgekehrt proportional zur Länge der Spule (l). Damit ergeben sich praktisch beliebige Dimensionierungen um eine bestimmte Induktivität zu erhalten. Aber nicht alle davon sind gleich gut.
Paul Zwicky, HB9DFZ, beschreibt in dem sehr interessanten Artikel „Optimierung der Güte einlagiger Zylinderspulen“ (Funkamateur 10/2013, Seite 1080ff) wie Spulen dimensioniert sein sollten, damit ihre Güte optimal ist. Der Artikel ist sehr lesenswert und hier sollen nur zwei Erkenntnisse daraus als Faustregel zitiert werden: für optimale Güte sollen Luftkernspulen etwa halb so lang wie dick sein und der Windungsabstand soll etwa dem Drahtdurchmesser entsprechen. Dankenswerterweise können auch nicht-Abonnenten des Funkamateur das Spreadsheet von HB9DFZ herunterladen, mit dem man Spulen möglichst hoher Güte entwerfen kann. Mit Hilfe dieses Spreadsheets habe ich die Spulen für diese Induktivitätskaskade dimensioniert. Hier und da waren kleine Abweichungen notwendig, weil nicht jede Drahtstärke und nicht jeder Wickeldurchmesser realisierbar war. Auch das zu verwendende Gehäuse setzt Grenzen beim Durchmesser der Spulen.
In seinem Artikel „Spulenentwurf und ‑optimierung – komfortabel gelöst mit Opticoil V2.2“ (Funkamateur 03/2021, Seite 199ff) stellt Ed van Rooij, PA2EVR, sein Programm Opticoil vor. Es basiert auf dem zuvor zitierten Artikel von HB9DFZ sowie weiteren Quellen. Auch dieses Programm ist freundlicherweise für Jedermann von der Funkamateur Website herunterzuladen. Es erleichtert den Spulenentwurf gegenüber dem oben genannten Spreadsheet erheblich, da verschiedene Varianten einfach durchgespielt werden können. Ich habe die mit dem Spreadsheet entworfenen Spulen nochmal mit Opticoil verifiziert und zum Teil leicht angepasst. Insbesondere habe ich die Steigung der Windungen bei 1,5 mm Drahtdurchmesser auf 3 mm / Windung festgelegt. Damit ergibt sich wegen ganzzahliger Windungszahlen für jede Spule ein einheitliches Raster im Millimeterabstand. Zugegeben, das sind rein optische Gründe, jedes andere Raster ist auch machbar.
Ein kleiner Wickeltipp
Ein kleines praktisches Problem ergibt sich bei der Suche nach passenden Wickelkörpern zwischen etwa 15 mm und 50 mm Durchmesser. Beim Wickeln stellt sich außerdem heraus, daß es hilfreich ist, die Spule zunächst auf einem zwei oder drei Millimeter dünneren Körper zu wickeln, denn auch das weiche Kupfer wickelt sich wieder ein Stück weit auf. Dann wird die gewickelte Spule auf den vorgesehenen dickeren Wickelkörper aufgebracht, auf dem sie dann stramm, aber auch nicht zu stramm sitzen sollte. Auf diesem Wickelkörper kann man dann passend gefräste Spreizer mit Sekundenkleber anbringen. Damit nicht der Wickelkörper verklebt, habe ich vorher dünnes Teflonband aus der Sanitärabteilung aufgewickelt.
Die nachfolgende Tabelle soll einfach nur Ideen liefern, wo man nach geeigneten Wickelkörpern suchen kann. Jeder Haushalt wird seine eigenen Quellen haben.
Spulen und Wickelkörper| vorhandene Wickelkörper | Durchmesser [mm] | Spulendurchmesser [mm] |
|---|---|---|
| Kupferrohr | 15,00 | 16,50 |
| Zeltstange | 16,50 | 18,00 |
| Kupferrohr | 18,00 | 19,50 |
| Plastikrohr | 20,00 | 21,50 |
| Brausetabletten Röhrchen | 29,00 | 30,50 |
| HT-Rohr | 32,00 | 33,50 |
| Staubsaugerrohr | 37,00 | 38,50 |
| HTB DN 40 | 40,00 | 41,50 |
| Abflußrohr | 45,50 | 47,00 |
| HTB DN 50 | 50,00 | 51,50 |
Der genannte Spulendurchmesser ist um die Drahtdicke (hier 1,5 mm) größer, als der Wickelkörper. Es ist der Durchmesser von Drahtmitte zu Drahtmitte und er gilt für die Dimensionierung mit den oben genannten Werkzeugen.
Meßergebnisse der realen Spulen
Die nachfolgende Tabelle zeigt die gewählte Dimensionierung der Spulen unter den gegebenen Ausgangsbedingungen (Wickelkörper, Drahtdurchmesser, gewählte Steigung, maximale Abmessungen) sowie die Meßergebnisse der fertigen Spulen. Teilweise wurde von den Vorschlägen der oben gezeigten Programme abgewichen.
| A | B | C | D | E | F | G | H |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 160 | 3 | 16,5 | 18,0 | 160 | 175 | 224 | >250,0 |
| 320 | 4 | 20,0 | 21,5 | 318 | 318 | 370 | 207,5 |
| 640 | 4 | 32,0 | 33,5 | 635 | 653 | 212 | 130,9 |
| 1.280 | 5 | 40,0 | 41,5 | 1.225 | 1306 | 377 | 86,0 |
| 2.560 | 9 | 37,0 | 38,5 | 2.544 | 2674 | 549 | 60,7 |
| 5.120 | 14 | 40,0 | 41,5 | 5.232 | 6482 | 244 | 38,3 |
A: Sollinduktivität [nH]
B: Windungsanzahl
C: Durchmesser des Wickelkerns [mm]
D: Durchmesser der fertigen Spule [mm]
E: errechnete Induktivität [nH]
F: gemessene Induktivität bei 15 MHz [nH]
G: gemessene Güte
H: Selbstresonanzfrequenz [MHz]
Alle Spulen außer der letzten treffen hinreichend genau die vorher errechnete Induktivität. Die Abweichungen liegen unter 10% und können gegebenenfalls nach dem Einbau durch Verbiegen der äußeren Windungen noch etwas getrimmt werden.
Hier ein Foto der fertig gewickelten Spulen, jeweils mit angelöteter SMA-Buchse für die Messungen.
Die kleineren Spulen sind eigenstabil und brauchen keine Spreizer.
Notwendige Spulenabstände
Um ein Gefühl dafür zu bekommen, welchen Abstand Spulen voneinander haben müssen, damit ihre Kopplung vernachlässigbar bleibt, habe ich zwei möglichst identische Spulen mit jeweils drei Windungen aus 1,5 mm dickem CuL-Draht gewickelt. Der Durchmesser ist etwa 28 mm und die Länge etwa 10 mm und sie sind jeweils direkt an eine SMA-Buchse angelötet. Mit dem VNWA können damit sehr leicht s21 Messungen durchgeführt werden. Gleichzeitig wird aus der s11 Messung die Güte der Spule auf der Eingangsseite bestimmt.
Die Messungen würden einen eigenen Blog-Artikel rechtfertigen (und vielleicht mache ich das mal), aber hier sollen nur qualitativ die Ergebnisse aufgelistet werden. Als Kriterium soll eine Koppeldämpfung um mindestens 30 dB angenommen werden. Ergebnis:
Um 90° gegeneinander gedrehte Spulen können dicht aneinander platziert werden, gleich ausgerichtete Spulen sollten etwa 30 mm Abstand haben.
Es gibt hier einen großen Ermessensspielraum, was man bereit ist zu akzeptieren und bei welcher Dämpfung man die Grenze setzt. Generell ist ein größerer Abstand natürlich immer besser. Da beim Antennenkoppler aber alle Spulen dasselbe Signal verarbeiten, machen sich Verkopplungen lediglich in einer etwas geänderten Induktivität und Güte bemerkbar, aber nicht durch Einkopplung von Störsignalen. Daher ist der Abstand in diesem Fall nicht wirklich kritisch.
Ein Augenmerk sollte man aber auf Verluste durch Kopplungen werfen, die die Güte der Spule völlig zunichte machen können, weil sie Energie entziehen. Auch hier wieder nur qualitativ: eine kurzgeschlossene gekoppelte Spule senkt die Güte der Erregerspule deutlich, aber selbst bei enger Kopplung kaum unter 50% der Leerlaufgüte. Weitaus schlimmer ist eine mit einem ohm’schen Widerstand, z.B. 50 Ω, terminierte Spule. Da ist die Güte schnell im zwei- oder einstelligen Bereich. Das ist insofern logisch, da ein idealer Kurzschluß genausowenig Energie verbraucht, wie eine offene Leitung: P = U * I und wenn entweder U oder I null ist, entsteht keine Leistung. Einen weiteren Versuch habe ich mit einem Weißblechgehäuse im Einflußbereich der Spule gemacht. Es verhält sich ganz grob wie die kurzgeschlossene Spule, der Effekt ist deutlich meßbar, aber nicht katastrophal, wenn man etwas Abstand hält (~20 mm).
Relais
Anders als beim Antennenumschalter können beim Tuner alle Relais gleichzeitig durchgeschaltet sein, was einen hohen Ruhestrom verursacht. Daher habe ich bistabile 12V-Relais vom Typ HFE60-12–1HST-L2 des chinesischen Herstellers Hongfa ausgewählt, die preiswert bei den bekannten chinesischen Anbietern zu beziehen sind. Bistabile Relais werden durch einen kurzen Impuls eingeschaltet und durch einen weiteren Impuls wieder ausgeschaltet. Nur während dieses Impulses von einigen zehn Millisekunden fließt ein Strom. Bistabile Relais gibt es in verschiedenen Ausführungen. Bei einigen muß die Erregerspannung umgepolt werden, was elektrisch etwas aufwendiger ist. Die hier verwendeten Relais haben zwei Spulen, eine zum Einschalten und die andere zum Ausschalten. Daher brauchen sie zwei Pins mehr, sind aber einfacher zu Verdrahten.
Das Relais hat im geöffneten Zustand eine Restkapazität und im geschlossenen Zustand eine Induktivität, die ich mit dem VNWA gemessen habe:
Die Kapazität liegt also bei geöffneten Kontakten bei gut 1 pF, die Induktivität bei geschlossenen Kontakten bei gut 13 nH. Daher ist zu berücksichtigen, daß zu dem oder den durchgeschalteten Relais immer die anderen geöffneten Relais mit jeweils 1 pF parallel liegen und natürlich die schon erwähnte restliche Verdrahtungskapazität von kaum unter 10 pF. Damit addieren sich also zu jeder ausgewählten Kondensatorkombination mindestens etwa 10 pF, so daß die minimale Kapazität 15 pF kaum unterschreiten dürfte. Genaueres werden die Messungen am fertigen Prototypen zeigen.
Auch über die Serienresonanzen muß man sich ein paar Gedanken machen. Zu jedem Kondensator liegen mindestens die 13 nH des Relais in Serie und weitere unvermeidbare Schaltinduktivitäten. Nehmen wir mal in Summe 40 nH an, dann ergibt sich daraus mit dem 80-pF-Kondensator aus der Thomsonschen Schwingungsgleichung schon eine Serienresonanz bei knapp 90 MHz. Das liegt noch gut über dem 10-m-Band, wird aber bei 6 und 4‑m schon knapp. Also aufpassen und die Induktivität klein halten!
Ansteuerung
Zur Ansteuerung soll wieder das ATMEGA644PA-AU Board verwendet werden, das schon im Antennenumschalter prima funktioniert. Wegen der großen Spulen und der hohen Ausgangsspannung muß beim Antennentuner allerdings mit deutlich stärkerer Störeinstrahlung gerechnet werden. Daher habe ich ein Relaistreiberboard gebaut, das außer den notwendigen Leistungstreibern auch noch Dämpfungsglieder für jedes einzelne Signal bereitstellt, das herein oder herausgeht. Beide Boards werden aufeinandergesteckt und in ein Weißblechgehäuse auf dem Tunerboard aufgesteckt.
Weitere Details dazu folgen im zweiten Beitrag zum Antennentuner.