Fräsen - Sudelbuch

YooCNC Controller mit ESTLCAM

Seit etwa zehn Jahren betreibe ich eine kleine chinesische CNC-Fräse mit YooCNC Controller. Schrittverluste begleiten mich dabei von Anfang an. Ich konnte sie auf ein erträgliches Maß reduzieren, indem ich ein paar im CNC-Forum empfohlene Modifikationen durchgeführt habe. Inzwischen betreibe ich die Fräse nicht mehr mit Mach3, sondern bin auf den ESTLCAM CNC-Controller umgestiegen, die ESTLCAM CAM-Software benutze ich schon von Anfang an.

Zum Testen der Fräse habe ich ein kleines CAM-File geschrieben, das einfach nur fünfzigmal alle Achsen nacheinander von ihrer Minimalposition zur Maximalposition und zurück fährt. Das nutze ich übrigens auch nach dem gelegentlichen Ölen der Spindeln und Führungsschienen zum Verteilen und „Einmassieren“ des Öls. Vor und nach dem Testlauf führe ich eine Referenzfahrt aus und ESTLCAM zeigt nach der zweiten Referenzfahrt die Schrittverluste in Schritten und in Millimeter an. Schrittverluste im einstelligen Bereich sind dabei zu vernachlässigen, denn deren Ursache ist wohl die Ungenauigkeit der Endschalter. Verluste um Millimeterbruchteile oder gar um mehrere Millimeter sind nicht hinnehmbar.

Bei diesem Testlauf passiert es immer wieder, daß der Y‑Schrittmotor unter lautem Rattern nahezu stehen bleibt. Er dreht sich zwar noch sehr langsam, aber nicht mehr mit der angelegten Schrittfrequenz. Er hat offensichtlich aus irgendeinem Grunde abgebremst oder ganz gestoppt und kann nun nicht mehr ohne Beschleunigung mit der Taktfrequenz mithalten. Da ich den Schrittmotor im Leerlauf von Hand durchdrehen kann, ohne daß irgendwo ein erhöhter Widerstand zu bemerken wäre, habe ich die Steuerung in Verdacht. Dem widerspricht allerdings, daß der Fehler auf derselben Achse auftritt, wenn ich die Ausgänge wechsele. Wahrscheinlich hat das Problem mehrere Ursachen.

Beim Fräsen der Klammern für meinen neuen Antennenmast habe ich mich aber nun derart geärgert, daß ich mich entschlossen habe, einen neuen Controller mit professionellen Endstufen aufzubauen. Das soll dann auch der Einstieg für eine neue Fräse sein. Das werde ich demnächst in einem separaten Artikel beschreiben.

Der Ärger und die Planung für den neuen Controller hat dazu geführt, daß ich mir den alten YooCNC-NT65-3X-Controller nochmal genauer angeschaut habe. Mit Logikanalysator und Oszilloskop bewaffnet, habe ich mir die Signale direkt an den Steuerpins des TB6560AHQ angeschaut und auch den Fehlerfall beobachtet. Ergebnis: alle Schrittimpulse kommen korrekt auf den Signalpins an. Auch im Fehlerfall fehlt kein einziger Impuls und auch die Impulslänge ist immer korrekt. Die Schrittverluste passieren also am Ausgang der Treiber oder eben doch in der Mechanik des Steppers oder der Spindel.

Wie im oben verlinkten Forum empfohlen, habe ich die 24V Spannungsversorgung nochmal geglättet, indem ich in der Y‑Endstufe den 1000µF Elko ersetzt habe und zwei neue 1µF und 0,1µF Keramikkondensatoren parallel geschaltet habe. Außerdem habe ich die ESTLCAM Einstellungen angepasst. Der TB6560AHQ verlangt in der Standardkonfiguration eine minimale Impulsbreite von 30µs. Außerdem soll der CLK-Eingang für die Schrittimpulse im Ruhezustand auf high liegen, denn nach einer Millisekunde schaltet die YooCNC-Steuerung dann die Stromstärke auf 20% herunter, womit die Leistungsaufnahme auf 4% sinkt. Die Schrittmotoren erwärmen sich dadurch deutlich weniger.

Nach allen genannten Maßnahmen ist die Fehlerhäufigkeit nun erheblich gesunken, leider nicht ganz auf null. Da der Fehler nur auf der Y‑Achse auftritt, habe ich den maximalen Vorschub für diese Achse niedriger eingestellt. Die folgenden ESTLCAM Einstellungen funktionieren nun mit dem YooCNC Controller im wesentlichen fehlerfrei:

X-, Y- und Z-Achse:
Schritte je Umdrehung: 1600 Achtelschritte (1,8° pro Puls, 200 Vollschritte, je 8 Mikroschritte)
Weg je Umdrehung: 4 mm (die Spindeln haben 4 mm Steigung)
Maximalvorschub X: 2200mm/min
Maximalvorschub Y: 1500mm/min
Maximalvorschub Z: 2200mm/min
Trägheit: 85% (default, nicht geändert)

Richtung umkehren: X:nein, Y und Z: ja

Für alle Achsen:
Beschleunigungsweg: 4 mm
Startvorschub: 60 mm/min
Schrittimpulslänge: 32µs (min: 30µs)
Schrittpause: 1
Schrittsignal invertieren: nein (wird durch eingebauten 74HC14 invertiert)

Der Ausdruck „im wesentlichen“ soll andeuten, daß es alle Jubeljahre leider doch noch einen Fehler gibt, immer auf der Y‑Achse. Das ist aber so selten, daß ich damit arbeiten kann. Die höhere Vorschubgeschwindigkeit auf den X- und Z‑Achsen verursacht keine Probleme. Ob die Probleme auf der Y‑Achse tatsächlich von der Vorschubgeschwindigkeit abhängen, ist nicht gesichert.

Die hier eingestellte maximale Vorschubgeschwindigkeit wird von ESTLCAM beim Verfahren der Fräse im Leerlauf verwendet. Beim Fräsen gelten die beim Erstellen des CAM-Files angegebenen Werte, die natürlich die hier eingestellten Maximalwerte nicht überschreiten dürfen.

Drahtantenne für alle Kurzwellen-Amateurfunkbänder (Teil 1)

Bevor die Tage deutlich kürzer werden und das Wetter wieder unangenehm kühl wird, will ich meine provisorische endgespeiste Drahtantenne durch eine stabilere Konstruktion ersetzen. Wie hier schon angedeutet, soll der Strahler länger werden und ein definiertes Gegengewicht anstatt des jetzigen am Balkongeländer geerdeten Pigtails angeschlossen werden. Dieser erste Teil beschreibt die Planung und die Simulation der Antenne. Im zweiten Teil soll der tatsächliche Aufbau und die Messung mit einem VNWA beschrieben werden. Die dann tatsächlich implementierten Dimensionen werden in eine angepasste 4nec2-Simulation einfließen, aus der dann die elektrischen und magnetischen Felddaten für den Wattwächter (ein kostenfreies Programm der Bundesnetzagentur zur Bewertung von Amateurfunkstellen) extrahiert werden. Damit wird die Antenne dann bei der Bundesnetzagentur, dem dafür zuständigen Amt, angemeldet.

Vorüberlegungen

Eine einfache Drahtantenne, die auf allen gewünschten Bändern resonant ist, gibt es nicht. Daher soll auch bei der neuen Antenne wieder ein Tuner für die Abstimmung sorgen. Mein selbstgebauter Tuner funktioniert zwar hinreichend gut, aber ich wollte auch immer schon mal einen kommerziellen Tuner ausprobieren. Daher habe ich den zu meinem IC-7300 passenden AH-730 von ICOM besorgt. Er soll fast jeden Draht ab 7 m Länge auf allen Kurzwellenbändern inklusive 160 m und 6 m anpassen können. Vielfache von λ/2 sollen aber vermieden werden, denn dann geht der Strahlungswiderstand gegen unendlich, was von keinem Tuner mehr mit vernünftigem Aufwand angepaßt werden kann. Die Spannung müsste dann zu hoch werden. Die Dokumentation des AH-730 weist ausdrücklich darauf hin, solche Längen zu vermeiden.

Die Planung

Die Antenne soll vom Balkon aus gespeist werden, weil dort das Antennenkabel vom Transceiver ankommt und dort auch der Antennenumschalter installiert ist. Die Ausdehnung des Grundstücks lässt vom Balkon aus in Südrichtung etwa 25 m Länge zu, in Nordrichtung etwa 8 m. Wegen der notwendigen Abspannung der Masten muß ich mindestens drei Meter Abstand zu der jeweiligen Grundstücksgrenze halten. Das ist nicht zuletzt auch für die Anmeldung bei der Bundesnetzagentur notwendig. Die Antenne soll mit moderaten 100 Watt betrieben werden. Keine sehr hohe Leistung, aber eben deutlich mehr als die nach BEMFV anmeldefreien 10 W EIRP. Da hilft es immer, wenn der Abstand zum unkontrollierten Bereich möglichst groß ist.

Im Moment habe ich als Provisorium einen 20 m langen Draht installiert, der für 160 m und 80 m eigentlich zu kurz ist. Um die Drahtlänge zu erhöhen, sollen beide Schenkel gefaltet werden, so wie es bei dem 17‑m und 15-m-Faltdipol erfolgreich ausprobiert wurde. Wegen der geometrischen Umstände werden die beiden Schenkel ungleich lang. Die Längen wurden so gewählt, daß sie auf keinem der Kurzwellenbänder ein Vielfaches von λ/2 lang sind. Hier ist ein einfaches LibreOffice Spreadsheet, mit dem die „guten“ und „schlechten“ Drahtlängen berechnet werden können:

Antennenlängen

Die folgende, nicht maßstabsgetreue Skizze zeigt die Dimensionierung der geplanten Antenne:

Dimensionierung der gefalteten Langdrahtantenne

Der südliche Draht ist nun insgesamt 32,20 m lang, der nördliche 10,60 m. Beide Längen liegen in einem „guten“ Bereich, sie sind kein Vielfaches von λ/2 auf einem der Amateurfunkbänder. Der tatsächliche Aufbau wird zeigen, ob alles paßt. Zunächst aber mal zur Simulation.

Simulation mit 4nec2

Hier ist die Eingabedatei für die 4nec2-Simulation:

2023_07_21 – Langdraht_1-fach_gefaltet.7z Herunterladen

Breitbandsimulation

Die Breitbandsimulation von 1 MHz bis 30 MHz zeigt ausgeprägte Resonanzen am unteren Ende des 80-m-Bandes und unterhalb des 40-m-Bandes. Weitere Resonanzen bei höheren Frequenzen sind weiter von 50 Ω entfernt und weisen daher ein schlechteres Stehwellenverhältnis auf.

Simulationsergebnis der Langdrahtantenne, SWR zwischen 1 und 30 MHz

Simulationsergebnis der Langdrahtantenne, Impedanz zwischen 1 und 30 MHz

Die Simulation von 3 MHz bis 8 MHz zeigt die Resonanzen etwas genauer.

Simulationsergebnis der Langdrahtantenne, SWR zwischen 3 und 8 MHz

Simulationsergebnis der Langdrahtantenne, Impedanz zwischen 3 und 8 MHz

Durch Kürzen des südlichen Antennendrahtes um etwa 2 m lassen sich diese Resonanzen leicht in das 80-m- und 40-m-Band schieben, so daß dort das Stehwellenverhältnis auf unter 2 sinkt. Auf diesen beiden Bändern wäre die Antenne dann ohne Tuner betreibbar. Das führt aber dazu, daß der Wirkwiderstand im 20-m‑, 10-m- und 6‑m-Band auf über 1 kΩ steigt. Auch das Spreadsheet zeigt bei dieser Drahtlänge genau für die genannten Bänder „rot“. Die Anpassung dürfte dann schwierig werden. In der jetzigen Konfiguration sind nun allerdings die 17-m- und 12-m-Bänder grenzwertig. Man kann wohl nicht alles haben, eventuell muß ich den Draht später doch noch kürzen.

Schmalbandsimulation

Nachfolgend zur Dokumentation die Schmalbandsimulationen für alle Amateurfunkbänder auf Kurzwelle:

Impedanz 160 m — Stehwellenverhältnis 160 m

Im 17-m-Band liegt der Wirkwiderstand zwischen 1 und 2 kΩ, im 12-m-Band bei etwa 1 kΩ. Die Drahtlänge von 32,20 m ist im 17-m-Band nahe bei 4×λ/2 und im 12-m-Band bei knapp 6×λ/2. Die Praxis muß zeigen, ob das funktioniert. Probleme wären nicht weiter verwunderlich. Man sollte immer im Kopf behalten, daß 100 Watt Sendeleistung an einem 2 kΩ Widerstand eine Spannung von 450 V am Speisepunkt bedeuten (√(P×R)).

Das andere Extrem bildet das 60-m-Band und das 160-m-Band ab. Auf diesen Bändern liegt der Wirkwiderstand bei 10 Ω bis 20 Ω. Beides sollte gut mit einem Antennentuner abstimmbar sein, daher erwarte ich dort keine Probleme.

Die Antennenmasten

Als Antennenmasten sollen zwei 12-m-Glasfasermasten zum Einsatz kommen. Einer davon steht bereits seit drei Jahren im Garten und soll nun etwas versetzt und besser abgespannt werden. Der zweite ist ein Neukauf und besteht nur aus sieben Elementen. Wegen der Hanglage wird der südliche Mast mit seinen zwölf Elementen auf etwa 10 m über dem Boden ausgezogen, der obere mit sieben Elementen auf 6 m. Ihre Spitzen werden dann etwa dieselbe Höhe haben und die Antennendrähte sollen horizontal verlaufen.

Der Hersteller der Masten empfiehlt und vertreibt selber gewöhnliche Schlauchschellen aus Edelstahl zum Fixieren der einzelnen Rohre. Sie werden mit Schrumpfschlauch ummantelt und klemmen so die Rohre gegen Verschieben fest. Das funktioniert soweit, aber ich finde es suboptimal und „gebastelt“. Außerdem brauche ich Elemente zum Abspannen des Mastes und zum Halten der Rollen, auf denen der Antennendraht aufgespannt wird. Das ist eine lohnende Aufgabe für eine CNC-Fräse.

Daher habe ich die nachfolgend beschriebenen Elemente aus einer 20 mm dicken Hart-PVC-Platte herausgefräst. Der Innendurchmesser ist für das jeweilige Segment angepasst und zwar derart, daß noch eine passend zurechtgeschnittene 2 mm dicke Gummiunterlage als Schutz dazwischen geklemmt werden kann. Die Klemmen werden mit einer 4‑mm-Schraube auf dem jeweiligen Segment festgeklemmt. Die Ausfräsungen sind notwendig, damit die Klemme hinreichend biegbar wird.

Eine Segmentklemme dient zum Festklemmen eines Segments des Antennenmasts. Sie ersetzt die Schlauchschelle.

Segmentklemme mit zwei Haltern für die Abspannung

Eine Segmentklemme mit Haltern klemmt einerseits das Segment fest und hat zusätzlich noch im 120°-Winkel zwei Halter für Abspannseile.

Eine Segmentklemme mit Rollenhalter hat zwei lange Ausleger, zwischen denen eine Rolle befestigt wird.

Die seitlichen Bohrungen für die Klemmschraube und die Halter werden in einem zweiten Arbeitsschritt manuell seitlich ausgeführt.

Die beiden Rollen an jedem Mast bestehen aus einer inneren 3 mm dicken PVC-Scheibe mit 50 mm Durchmesser und zwei äußeren Scheiben mit 70 mm Durchmesser. Sie sind verklebt und zusätzlich verschraubt. Sie werden mit einem durchgesteckten 6‑mm-Messingrohr an dem oben gezeigten Rollenhalter befestigt. Dieses Messingrohr hat einen Innendurchmesser von 4 mm und wird mit einer durchgehenden 4‑mm-Schraube mit Stoppmutter gehalten. Das Messingrohr bildet so ein Gleitlager, auf dem sich die Rolle frei drehen kann.

Die Rollen sind im Abstand von 195 cm am Mast befestigt, so daß die Antennendrähte den geplanten Abstand von 2 m voneinander haben.

Damit dürfte die Planung und die Vorbereitung hinreichend beschrieben sein. In den nächsten Tagen geht’s an den Aufbau. Die Erfahrungen werde ich im zweiten Teil beschreiben.

Faltdipol für das 17-m-Band

Sommerzeit ist Antennenbauzeit. Jetzt müssen die Außenarbeiten stattfinden, damit man im Winter möglichst nicht aus dem Haus muß. Programmierarbeiten und der warme Lötkolben müssen warten, bis die Tage wieder kürzer werden und die Temperaturen fallen.

Meine endgespeiste Drahtantenne war von Anfang an ein Provisorium, das eigentlich nur als Proof-of-Concept gedacht war. Solche Provisorien halten bekanntlich lange, aber wenn der Mast dann durch Witterungseinflüsse irgendwann windschief wird, ist es Zeit für Verbesserungen. Von einem 20 m langen Draht kann mancher Stadtbewohner im Mietshaus nur träumen, dennoch ist er für die unteren Kurzwellenbänder zu kurz. 40 m Gesamtlänge, wie sie für das 80-m-Band benötigt werden, wären bei mir gerade so machbar, würden allerdings den Zorn der Ehefrau wecken, denn der freie Blick auf den Donnersberg würde doch arg verschandelt.

Es muß daher im Prinzip bei den 20 m bleiben, ein paar Meter mehr wären wohl ein möglicher Kompromiß. Daher plane ich, einen Faltdipol zu bauen, also einen Draht vom Balkon zum Mast, dann eine gewisse Strecke am Mast abwärts und wieder zurück zum Balkon. Damit die bisherige endgespeiste Antenne einem mittig gespeisten Dipol mit niedrigerem Strahlungswiderstand etwas näher kommt, soll auf der entgegengesetzten Seite ein ähnlich gestalteter Strahler aufgebaut werden, allerdings reicht es dort mal gerade für fünf bis acht Meter. Das ist aber immer noch besser, als der jetzige Pigtail von etwa 2m Länge.

Ein kleiner Anfang

Um zu sehen, ob das Projekt überhaupt prinzipiell funktionieren kann, soll ein ähnlicher Faltdipol mit kleineren Abmessungen gebaut werden. Die folgende Zeichnung zeigt den prinzipiellen Aufbau.

Der Dipol soll also symmetrisch sein und mittig gespeist werden. Die Gesamtlänge jedes Arms teilt sich in die Strecken Lu/2, Lv und Lo auf. Bei der Aufteilung der Strecken gibt es in meinem Fall einige Randbedingungen einzuhalten:

Die Längen Lu/2 + Lv + Lo definieren, wie zu erwarten, die Resonanzfrequenz.
Da der Dipol komplett auf den Balkon passen soll, darf die Länge Lu nicht größer als etwa 4,60 m sein.
Damit die ganze Konstruktion handlich und stabil bleibt, soll Lv etwa 25 cm lang sein.
Durch Simulationen mit 4nec2 findet man empirisch, daß das Verhältnis Lo/Lu den Realteil des Fußpunktwiderstandes definiert. Qualitativ: je kleiner Lo/Lu wird, desto größer wird der reelle Fußpunktwiderstand. Bei praktikablen Längen variiert er zwischen etwa 35 und 60 Ω.

Der bei der bisherigen Drahtantenne verwendete Stahldraht (eigentlich ein Weidezaundraht) ist zwar preisgünstig, aber für Antennen natürlich suboptimal. Er ist relativ dünn und sein ohmscher Widerstand ist zu hoch, um eine effiziente Antenne zu bauen. Daher habe ich nun ein paar Euro mehr investiert und insgesamt 100 m hochwertige Antennenlitze besorgt. Sie besteht aus verzinnten Kupferadern und hat zur besseren Längenstabilität einen Kevlar Kern. Hier die technischen Daten:

1 x 0,4 mm Kevlar Kern
24 x 0,25 mm verzinntes Kupfer
Kupferabschnitt: 1,2 mm2
Gewicht: 14 Gramm pro Meter
UV-beständige schwarze PE-Isolierung
Gesamtdurchmesser +/-2,5 mm
Zugkraft ca. 50kg

Experimentell wurde ein Verkürzungsfaktor von 0,89 bestimmt. Der ist leider nicht in der Spezifikation zu finden. Mit diesen Daten kann man nun vernünftige 4nec2-Simulationen durchführen.

Wegen der oben genannten Randbedingungen bietet sich eine Konstruktion für das 17-m-Band oder das 15-m-Band an. Zunächst war der tatsächliche Verkürzungsfaktor unbekannt und so wurde der Dipol mit der baulich maximal möglichen Dimensionierung aufgebaut: Lu=4,60 m, Lv=0,25 m und Lo=2 m. Das sollte bei einem maximal möglichen Verkürzungsfaktor von 1,0 für das 15-m-Band reichen. Tatsächlich war der Dipol auf etwa 16,4 MHz resonant, woraus sich dann der genannte Verkürzungsfaktor von etwa 0,89 errechnete. Durch Kürzen der Lo-Schenkel auf 1,59 m wurde dann eine Resonanz knapp unterhalb des 17-m-Bandes bei etwa 17,9 MHz erreicht. Das wäre durch weiteres Kürzen leicht zu verbessern, aber letztlich ist das Ziel doch das 15-m-Band. Abgezwackt ist schnell, daher hier zunächst mal die Gegenüberstellung der Simulation mit der tatsächlichen Messung:

17-m-Faltdipol, SWR (simuliert mit 4nec2)

Der Dipol ist bei knapp 18 MHz resonant und das Stehwellenverhältnis liegt bei etwa 1,3.

17-m-Faltdipol, Smithdiagramm (simuliert mit 4nec2)

Das Smith-Diagramm zeigt bei Resonanz eine reelle Impedanz von etwa 38 Ω. Der schwarze Kreis zeigt die Punkte mit einem Stehwellenverhältnis von 3. Alle Impedanzen innerhalb dieses Kreises können vom eingebauten Antennentuner des IC7300 angepasst werden.

17-m-Faltdipol, Fernfeld (simuliert mit 4nec2)

Das Richtdiagramm zeigt die zu erwartende Charakteristik. Bei der Aufhängung im konkreten Fall in Richtung Südost-Nordwest dürfte also eine bevorzugte Strahlungsrichtung nach Südamerika und Russland/Japan zu erwarten sein. Australien und Nordamerika dürften eher schwierig werden.

17-m-Faltdipol, gemessen mit DG8SAQ VNWA

Die tatsächliche Messung mit dem DG8SAQ Netzwerkanalysator liegt erstaunlich nahe an der Simulation. Das liegt einerseits natürlich an dem Verkürzungsfaktor, der aus der Messung im Vergleich zur Simulation so errechnet wurde, daß die simulierte Resonanzfrequenz mit der tatsächlichen übereinstimmt. Darüberhinaus liegt aber auch der gemessene reelle Fußpunktwiderstand bei genau den simulierten 38 Ω. Die blauen Kreise sind die SWR=2 und SWR=3 Grenzen. Zwischen 17,22 MHz und 18,35 MHz liegt das SWR also unter 3.

Hier ist die 4nec2-Datei, falls jemand selbst die Simulationen nachvollziehen will.

Der mechanische Aufbau

Damit die Konstruktion stabil, zuverlässig und wetterfest wird, habe ich zwei Doppelrollen aus Hart-PVC gefräst, die den Antennendraht halten und führen.

Die Rollen bestehen aus drei verklebten und verschraubten Teilen. Der innere Teil wurde aus 3 mm dicken PVC Platten gefräst, die beiden äußeren weißen Scheiben sind 2 mm dick. Der Radius der inneren Scheibe bestimmt den Biegeradius der Antennenlitze. Dafür ist zwar kein Minimum spezifiziert, aber die gewählten 50 mm (also 100 mm Durchmesser) scheinen hinreichend groß zu sein. Die äußeren Scheiben haben einen Durchmesser von 120 mm, so daß rundum 10 mm Platz sind, um den Antennendraht auf der Rolle zu halten. Wenn man, wie in diesem Fall auf dem Balkon, an alle Rollen gut herankommt, um einen Draht wieder einzufädeln, ist das völlig ausreichend. Wenn der Draht erst einmal gespannt ist, bleibt er auch auf der Rolle. Für die geplante Konstruktion der längeren Antenne muß eine Lasche von oben das Herausfallen des Antennendrahtes verhindern.

Die Deichsel ist aus zwei 3 mm dicken PVC-Platten gefräst, die oben an der Öse und zwischen den beiden Rollen durch eingeklebte 12 mm dicke Abstandshalter auf das benötigte Maß gebracht werden. Im Foto nicht zu sehen sind die beiden Unterlegscheiben aus 2 mm PVC auf beiden Seiten jeder Rolle. Rollen und Unterlegscheiben sind damit 11 mm dick (2x2mm Unterlegscheiben + 2x2mm Rolle außen + 1x3mm Rolle innen) und passen gut zwischen die 12-mm-Deichsel. Als Nabe dient eine 18 mm lange Hülse, die aus einem 6 mm dicken Messingrohr abgeschnitten wurde. Jeweils eine 22 mm lange M4-Schraube mit Stoppmutter fixiert die Rollen an der Deichsel. Die Naben haben einen Abstand von 150 mm, so daß die Drähte letztlich 250 mm Abstand voneinander haben.

Abschließend noch ein paar Fotos der fertig installierten Antenne:

Aufhängung des Faltdipols am Dach in südöstlicher Richtung

Aufhängung des Faltdipols an der nordwestlichen Seite

Mittige Einspeisung über eine Mantelwellensperre. Oben der Spanner für Zäune.

Die Doppelrollen machen einen hinreichend stabilen Eindruck, um mehrere Jahre im Außenbereich dem Wetter und der UV-Strahlung zu trotzen. Der Spanner wurde soweit angezogen, daß die bisherige Abspannung des Antennenmastes abgebaut werden konnte und damit durch diesen Faltdipol ersetzt wird. Mal schauen, wie sich das beim nächsten Sturm entwickelt. Damit bei ruckartiger Belastung nichts reißt, werde ich noch eine Spannfeder neben den Seilspanner einbauen.

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)

Hier die dazugehörige S11 Datei:
Impedanz-des-nackten-Antennedrahts-1855-m-lang Herunterladen

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:

2020_09_17-Drahtantenne-20m-Trafo-FT140-77–3‑12Wdg Herunterladen

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:

2020_09_17-Drahtantenne-20m-Trafo-FT140-77–3‑12Wdg-mit-68pF-Kondensator Herunterladen

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 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

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 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 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…

Vor­über­le­gun­gen

Die Pla­nung

Simu­la­ti­on mit 4nec2

Breit­band­si­mu­la­ti­on

Schmal­band­si­mu­la­ti­on

Die Anten­nen­ma­sten

Ein klei­ner Anfang

Der mecha­ni­sche Aufbau

Aus­wahl des Antennendrahtes

Abstim­mung des Drahtes