Antennenanpassung
Meine unter beengten Verhältnissen realisierte Antenne besteht aus
einem schräg nach unten in den Garten abgespannten Dipol mit zweimal
7,5 m. Die Antenne funktioniert relativ gut im 30m-Band. Zusätzlich
gibt es einen ca. 16 m langen Draht in die Baumkrone einer Platane. Er
wird nur bei Bedarf an das eine Ende des Dipols geklemmt. Die
Verbindungsstelle ist in nur 2 m Höhe über dem Boden gut erreichbar.
Wenn ein Gewitter im Anzug ist, klemme ich den hohen Draht ab und lasse
ihn locker herabhängen. Dann kann der Blitz von mir aus in das
Blumenbeet schlagen. Wenn das Gewitter noch näher kommt, trenne ich
zusätzlich auch den Dipol vom Kabel, und zwar innen am Fenster.
In CW-QSOs sagt man ja üblicherweise, welche Antenne man verwendet. Auf
40 m nenne ich das Gebilde dann einfach einen Dipol, auf 80 m nenne ich
es Vertical. Beides vermittelt allerdings kein ganz korrektes Bild.
Manche nennen so etwas Long Wire. Aber darunter stellt man sich eher
einen horizontal abgespannten Draht vor, der genaugenommen auch noch
länger als die halbe Wellenlänge sein sollte. Oder ist vielleicht der
Ausdruck Random Wire passender? Ein chaotisch aufgehängter Draht, wie
er zufällig gerade so passt. Immer noch besser als die Regenrinne oder
das zufällig noch vorhandene Antennenkabel außen am Haus. Jedenfalls
funktioniert der Draht vor allem auf 40 m sehr gut und ist vermutlich
das Beste, was unter den gegebenen Verhältnissen machbar ist.
Das Erdungs-Relais
Der verlängerte Strahler ist ungefähr ein Viertelwellenstrahler für
80 m und ein Halbwellenstrahler für 40 m, also ein endgespeister Dipol,
wobei die zweite Hälfte des 30m-Dipols als Gegengewicht reicht. Auf 80
m verwende ich eine Erdung über die Zentralheizung als Gegenpol. Das
ist zwar nicht ganz die feine Art, aber es führt anscheinend nicht zu
Störungen im Haus, jedenfalls nicht bei moderater Sendeleistung.
Nur
beim Senden wird die Erdung über ein Relais zugeschaltet. Auf die Weise
vermeide ich den größeren Störnebel aus der suboptimalen Erdung an der
Empfangsantenne.
Die
Steuerspannung von 12 V wird mit über das Antennenkabel übertragen und
am Antennen-Fußpunkt für das Relais wieder abgetrennt. Die HF läuft
über einen Koppelkondensator, der gebraucht wird, wenn zusätzlich ein
Balun oder ein Schwingkreis eingesetzt wird. Beim Sender gibt es
jeweils eine ähnliche Weiche, die beim Senden 12 V auf das Kabel legt.
Und an der Antenne habe ich eine gelbe LED mit eingebaut, die anzeigt,
wenn der Sender aktiv ist. Meine Frau hört auch oft das Klicken des
Antennenrelais und weiß dann, wann ich meinem Hobby fröne.
Resonanz-Übertrager
Als
universelles Anpassgerät verwende ich einen Schwingkreis mit
Anzapfungen. Die Spule hat einen Durchmesser von 30 mm und 11
Windungen aus dickem
Kupferdraht mit Anzapfungen an fast jeder Windung. Die passende
Anzapfung wird
mit einer Krokoklemme abgegriffen. Die unterste Anzapfung liegt bei 1,5
Windungen.
Daraus ergibt sich ein Windungsverhältnis bis zu 1 : 7 und ein
Impedanzverhältnis bis zu 1 : 49. Ich kann also von 50 Ohm auf bis auf
ca. 2500
Ohm hochtransformieren, was gut zum endgespeisten Dipol passt. Für
jedes Band findet sich die optimale Anpassung. Sogar 160 m konnte ich
damit testen, wenn ich zusätzliche Kondensatoren parallel legte.
Breitband-Übertrager
Mit meinem abgestimmten Schwingkreis mit variablen Anzapfungen kann ich
jedes Band anpassen. Die Antenne ist dann sehr gut einsetzbar. Aber ich
muss bei jedem Bandwechsel erstmal zum Speisepunkt der Antenne pilgern
und alles umstellen. Aus lauter Faulheit kam daher die Idee auf, einmal
einen Übertrager mit dem Wicklungsverhältnis 1 : 3 zu testen. Solche
Teile werden oft als 1 : 9 Balun bezeichnet, weil die Impedanz im
Verhältnis 1 : 9 transformiert wird. Das liegt dann irgendwo in der
Mitte aller vorkommenden Impedanzen. Auf dem einen Band wäre eine
kleinere Übersetzung besser, auf dem anderen eine größere. Aber überall
stimmt es so ungefähr.
Der Ferritkern ist mit dreimal sechs Windungen bewickelt, die dann
in Reihe geschaltet wurden. Das Ergebnis ist nicht schlecht.
Empfangsmäßig ist die Antenne nun auf allen Bändern gefühlt gleich gut.
Auf 20 m habe ich den Unterschied mit WSPR genauer gemessen. Mit einer
perfekten Anpassung sind die Ergebnisse etwa 3 dB besser. Auf anderen
Bändern verliere ich teilweise mit der Kompromissanpassung geschätzt
bis zu 6 dB, also eine S-Stufe. Wenn gerade auf einem Band gute
Bedingungen herrschen, spielt das keine große Rolle. Auf 80 m, 40 m und
20 m habe ich es auch mit FT8 getestet. Es gab auf allen Bändern gute
Ergebnisse ohne Umschaltung der Antennenanpassung.
CW-gesteuerte Antennenanpassung
Bisher konnte ich mir aussuchen, ob ich die genaue Anpassung am
Ende des Speisekabels einstelle oder die ungenauere, aber bequemere
Kompromisslösung mit dem Breitbandübertrager verwende. Wäre das nicht
noch schöner, wenn ich zwar eine individuelle Anpassung für jedes Band
hätte, die aber ferngesteuert umschaltbar wäre? Für diesen Zweck habe
ich mir einige bistabile Relais mit jeweils zwei Spulen bestellt. Sie
bleiben stromlos jeweils im zuletzt gewählten Zustand stehen
(Labortagebuch). Damit möchte ich eine kleine kompakte Steuerung mit
einem Mikrocontroller bauen.
Die Fernsteuerung könnte über Funk oder über eine Steuerleitung
erfolgen. Noch eleganter wäre eine Steuerung über das Koaxkabel. Zuerst
habe ich an eine serielle Schnittstelle gedacht. Aber dazu wäre ein
besonderes Steuergerät nötig, das in das Antennenkabel eingeschleift
wird. Irgendwann kam mir dann die Idee, dass es doch einfach über die
Morsetaste gehen müsste. Dann muss ich an keinem meiner beiden
Transceiver etwas ändern. Der Mikrocontroller wird beim Anlegen der
Steuerspannung von 12 V gestartet, die ja schon für das Erdungsrelais
vorhanden ist. Dann braucht man nur noch einen HF-Gleichrichter, der
ein Morsesignal an einen Eingang des Controllers legt.
Für die Steuerung habe ich mir ein besonderes Muster überlegt. Es soll
möglichst nicht zu Missverständnisse führen, weil das Signal ja
gleichzeitig über die Antenne abgestrahlt wird. Auf den Bändern hört
man immer wieder Träger, die von Abstimmvorgängen kommen. Sowas ist
nicht mit einem Morsesignal zu verwechseln. Meine Steuerung verlangt
deshalb zuerst einen überlangen Strich mit mehr als 600 ms Dann folgen
einer oder mehrere Punkte als eigentliche Steuerinformation. Und danach
wird noch ein überlanger Strich benötigt. In dieser Zeit liegt die
Gleichspannung noch an, sodass die Relais geschaltet werden können.
Im Beispiel wird eine Drei übertragen. Mit diesem System könnte man
viele unterschiedliche Konfigurationen umschalten Das Programm
habe ich mit einem Tiny85 entwickelt und zunächst ohne die Relais
getestet. Die Testversion unterscheidet sich etwas von der Endversion,
weil im Test laufend Betriebsspannung anliegt. Außerdem wird eine
serielle Schnittstelle zum Debuggen eingesetzt.
'Tuner.bas Test1
$regfile = "attiny85.dat"
$crystal = 8000000
$hwstack = 8
$swstack = 4
$framesize = 4
Dim d As Word
Dim n As Word
Dim t As Word
const u = 50
Open "comb.1:9600,8,n,1" For Output As #1
Config Adc = Single , Prescaler = Auto
Do
waitms 100
t=0
d = Getadc(2)
while d < u 'Pausenlänge
waitms 10
t=t+1
d = Getadc(2)
wend
waitms 100
t=0
d = Getadc(2)
while d > u '1. langer Impulse > 0,6 s bis max 3 s
t=t+1
waitms 10
d = Getadc(2)
wend
if t > 60 and t < 300 then
Print #1 , T
n = 0
t = 0
while t < 60 'Solange Strich < 600 ms
d = Getadc(2)
while d < u
waitms 10
D = Getadc(2)
wend
n = n + 1 'Zählimpuls
d = Getadc(2)
t=0
while d > u 'Pulslänge
waitms 10
t=t+1
d = Getadc(2)
if t > 59 then exit while
wend
wend
n=n-1
Print #1 , n
d = Getadc(2)
while d > u 'Impulsende abwarten
waitms 10
D = Getadc(2)
wend
end if
Loop
End
Der kleine Controller gefällt mir gut für die Aufgabe. Allerdings
hat er nur fünf Ports. Einer wird zum Lesen des CW-Signals gebraucht,
vier sind als Ausgänge einsetzbar. Damit können nur zwei Relais mit
jeweils zwei Spulen gesteuert werden. Reicht das für die
Umschaltung auf die wichtigsten Bänder aus? Das habe ich zuerst
mit meinem vorhandenen Schwingkreis überprüft. Es zeigten sich folgende
wichtigste Einstellungen:
80 m: Anzapfung 100%, Drehko 0 pF
40 m: Anzapfung 1/7, Drehko bei ca. 30% scharf abgestimmt
30 m und 20 m: Anzapfung 50%, Drehko 0 pF
Reichen vielleicht auch eine kleinere Spule auf einem
Eisenpulver-Ringkern und ein Foliendrehko? Der kritischste Fall ist die
hohe Übersetzung für 40 m. Für einen Test habe ich meinen WSPR-Sender
verwendet. An 50 Ohm wurde mit dem Oszi eine Spannung von 20Vs
gemessen. Die Leistung war also 4 W. Auf der Antennenseite habe ich
zwei Widerstände mit je 1 k in Reihe angeschlossen. Bei genauer
Abstimmung konnte ich an einem der Widerstände 60 Vs messen, also lagen
120 Vs an 2 k. Daraus errechnet sich eine Leistung von 3,6 W. Das
Anpassgerät hätte also einen Wirkungsgrad von 90%. Und genau das
gleiche Ergebnis wurde auf für die große Spule und den Luftdrehko
gemessen. Das heißt also, dass die kleineren Bauteile zumindest
für QRP ebenso gut sind wie die großen.
Daraus ergibt sich die folgende Anpassschaltung mit zwei Relais.
Effektiv wird die Spulenanzapfung in den drei Stufen 1/1, 1/6 und 1/2
gewählt in der Stellung 1/6 wird zusätzlich der Drehko an die Spule
gelegt. In Stellung 1/2 kann ein weiterer Kondensator x oder
ein zweiter Drehko verwendet werden, der allerdings hier nicht
verwendet werden muss.
Für zwei Relais ergeben sich insgesamt vier Schaltmuster. Wenn das
linke Relais durch das höherwertige Bit gesteuert wird ergeben sich die
folgenden vier Einstellungen:
1: Anzapfung 100%, Drehko parallel (60m?)
2: Anzapfung 100%, Kapazität 0 pF oder x pF (80m)
3: Anzapfung 16%, Drehko parallel (40m)
4: Anzapfung 50%, Kapazität 0 pF oder x pF (30m-10m)
Die ganze Schaltung hat jetzt noch ein normales Relais mehr bekommen,
damit auch die Zuschaltung der Erdung auf der Platine integriert ist.
Die als Luftspule ausgeführte Trenndrossel zur Abtrennung des
Gleichstroms hat eine Anzapfung. Hier wird ein kleiner Teil der
HF-Spannung ausgekoppelt, mit zwei Dioden gleichgerichtet und an den
AD-Eingang des Controllers gelegt.
Die ersten Tests mit FT8 und maximal 10 W waren erfolgreich. Ich
musste erst etwas üben, die langen Striche wirklich lang genug zu
senden. Dann hat im Prinzip alles funktioniert. Aber es hat sich
gezeigt, dass man in eine Falle laufen kann. Wenn die Position 3 für
das 40m-Band eingeschaltet ist, liegt der Eingang an einer tiefen
Anpassung des auf 7 MHz abgestimmten Kreises. Wenn man dann ein Signal
auf 3,5 MHz gibt, um die Stellung 2 für 80 m einzuschalten, schließt
der aktuelle Eingang das Signal praktisch kurz. Damit kommt auch nicht
genügend Signalspannung zusammen, um den Controller zu steuern. So
bleibt man in der Stellung 3 gefangen. Es hat einige Zeit gedauert, bis
mir die Lösung klar wurde: Umschaltsignale am besten immer mit 7 MHz
senden.
Zuerst habe ich noch das alte Erdungsrelais mit verwendet. Der
Trennkondensator wurde mit einem Krokokabel überbrückt, damit die
Gleichspannung weitergereicht wurde. Bei einem Fehlversuch mit 3,5 MHz
zeigte der Transceiver ein merkwürdiges Verhalten: Bei der Abstimmung
änderte sich nach wenigen Sekunden die Zeigerposition der Ausgangsspannung
sehr deutlich. Es sah so aus, als würde ein Bauteil im Betrieb erwärmt.
Ich hatte schon Angst um mein schönes Anpassgerät. Dann bin
ich hingespurtet, um zu sehen, welches Teil heiß war. Seltsamerweise war es
das kurze Krokokabel, mit dem ich den Trennkondensator aus zweimal 4,7
nF am ersten Schaltrelais überbrückt hatte. Damit war klar: Die kurze
Schliefe bildete zusammen mit der großen Kapazität einen Schwingkreis
mit einer Resonanz nahe 3,5 MHz. Trotz der geringen Sendeleistung
von ca. 10 W gab es im Kreis einen so großen Strom, dass sogar das
Kabel warm wurde. Und die Kondensatoren waren offensichtlich so heiß,
dass sogar ihr Lötzinn geschmolzen ist. Jedenfalls war eines der
Drähtchen in einem anderen Winkel erstarrt, was ich mit einem älteren
Vergleichsfoto erkennen konnte. Es geschehen immer wieder
unerwartete Dinge mit zufälligen Resonanzen. Aber das Anpassgerät hat
es überlebt, und ich weiß jetzt, dass ich möglichst mit 7 MHz schalten
sollte.
Die endgültige Firmware unterscheidet sich etwas von der Testversion,
weil das Programm im realen Einsatz nur einmal durchläuft und dann mit
einem Powerdown endet. Der Controller legt sich also schlafen und kann
nicht versehentlich auf irgendwelche CW-Signale reagieren oder den
Empfänger stören.
Download der Bascom-Quelltexte und de Hex-Files: Tuner85.zip
'Tuner.bas CW an B4 = ADC2
$regfile = "attiny85.dat"
$crystal = 8000000
$hwstack = 8
$swstack = 4
$framesize = 4
Dim d As Word
Dim n As Word
Dim t As Word
const u = 50
Config Adc = Single , Prescaler = Auto
portb=0
ddrb= 15
waitms 100
t=0
d = Getadc(2)
while d < u 'Pausenlänge
waitms 10
t=t+1
d = Getadc(2)
wend
if t>30 then Powerdown
waitms 100
t=0
d = Getadc(2)
while d > u '1. langer Impulse > 0,6 s bis max 3 s
t=t+1
waitms 10
d = Getadc(2)
wend
if t > 60 and t < 300 then
n = 0
t = 0
while t < 60 'Solange kurze Pulse < 600 ms
d = Getadc(2)
while d < u 'Pause abwarten
waitms 10
D = Getadc(2)
wend
n = n + 1
d = Getadc(2)
t=0
while d > u 'Pulslänge > 600 ms: Schalten
waitms 10
t=t+1
d = Getadc(2)
if t > 59 then exit while
wend
wend
n=n-1 ' nur kurze Pulse zählen
if n= 1 then ' 80m
portb.1 = 1 'Eingang direkt an Antenne
waitms 10
portb.1 = 0
waitms 10
portb.3 = 1 'Drehko aus
waitms 10
portb.3 = 0
end if
if n= 2 then ' 60m?
portb.1 = 1 'Eingang direkt an Antenne
waitms 10
portb.1 = 0
waitms 10
portb.0 = 1 'Drehko parallel
waitms 10
portb.0 = 0
end if
if n= 3 then ' 40 m
portb.2 = 1 'Eingang an Spulenzapfung
waitms 10
portb.2 = 0
waitms 10
portb.0 = 1 'Drehko parallel, Spule 1 : 6
waitms 10
portb.0 = 0
end if
if n= 4 then ' 30 m, 20 m ...
portb.2 = 1 'Eingang an Spulenzapfung
waitms 10
portb.2 = 0
waitms 10
portb.3 = 1 'Drehko aus, Spule 1 : 2
waitms 10
portb.3 = 0
end if
end if
Powerdown
End
Das Programm entscheidet, wie die Relais den einzelnen Kommandos
zugeordnet werden. Die Bänder sind nun in die richtige Reihenfolge
gebracht: 1: 80 m, 2: 60 m, 3: 40 m, 4: 30 m und höher. In einem
ausführlichen Test habe ich nun die Bänder 80 m, 60 m, 40 m und 30 m
einen halben Tag lang mit WSPR verwendet und dabei die Anpassung nur
aus der Entfernung mit der Morsetaste umgeschaltet. Das Ergebnis kann
sich sehen lassen, fast alle Kontinente an einem Tag.
Optimierungen des Anpassgeräts
Inzwischen habe ich mehrere CW-QSOs und viele
WSPR-Versuche auf mehreren Bändern gefahren. Die Anpassung und die
Umschaltung mit der Morsetaste funktionieren wunderbar. Um die Sache
noch fehlersicherer zu machen, habe ich die Anzapfung der HF-Drossel
etwas höher gelegt, indem an der Masseseite noch einige Windungen
hinzukamen, sodass auch bei einer ungünstigen Frequenz noch ein
genügend großes Schaltsignal entsteht. Dazu musste allerdings einer
möglichen Überlastung vorgebeucht werden, weil es in besonderen Fällen
vorkommen kann, dass die gleichgerichtete Spannung mehr als 5 V
erreicht. Zum Schutz wurde ein zusätzlicher Widerstand mit 27 k in
Reihe gelegt.
Eine weitere Änderung
betrifft das Erdungs-Relais. Mit zusätzlichen 220 R und einem Elko
konnte ich etwas Strom sparen, wobei beim Einschalten ein Stromstoß
entsteht und der Haltestrom dann geringer wird.
An Anfang bestand manchmal noch die Unsicherheit, ob
wirklich umgeschaltet wurde. Ich bin dann oft mit dem Ohmmeter angerückt, um
die aktuelle Relaisstellung zu überprüfen.
Dann ist mir aufgefallen, dass ein Umschaltkontakt am ersten Relais noch
frei ist. Da habe ich dann eine gelbe und eine grüne LED angeschlossen. Gelb
(längere Wellenlänge) leuchtet für 80 m und 60 m, Grün (kürzere Wellenlänge,
leicht zu merken) für 30 m und 20 m.
Meinem
SDR-Transceiver verwende ich meist zusammen mit einem externen Pi-Filter. Als
Abstimmhilfe dient dann mein analoges Oszilloskop. Dabei wird auch ein
Umschalten der Relais sichtbar. Ich stimme also das Pi-Filter auf maximale
Ausgangsspannung ab und schalte dann eventuell mit der Morsetaste die Anpassung
um. Genau im Umschaltmoment, also 600 ms nach Beginn des zweiten langen
Strichs, ist ein Amplitudensprung am Oszilloskop sichtbar, weil am anderen Ende
der Leitung die Impedanz umgeschaltet wurde. Danach muss das Pi-Filter meist
noch mal etwas nachgestimmt werden.
Nach wie vor unverzichtbar ist die
Mantelwellensperre aus einem großen Ferritkern. Damit das Kabelgewirr
außerhalb meines Elektronik-Labors (gleichzeitig der Funkbude) nicht so
unordentlich aussieht, habe ich schließlich die Drossel zusammen mit
dem ferngesteuerten Anpassgerät in ein gemeinsames Kästchen gebaut.
Alles liegt ganz unscheinbar auf dem Heizkörper unter dem Fensterbrett.
Nur die Verbindungsklemme ist immer zugänglich. Wenn dann ein Gewitter
naht, können die Drähte schnell abgetrennt werden. Zusätzlich gibt es
noch eine Kordel als Zugentlastung. Falls einmal das Fenster weit
geöffnet werden muss, verschwindet die Antennenlitze nicht gleich nach
draußen.
Drehko durchgebrannt
Ich hatte mich schon gewundert, dass der kleine Foliendrehko die
endgespeiste Antenne auf 40 m auch bei höherer Leistung anpassen kann.
Bis 10 Watt gibt es offensichtlich keine Probleme. Aber jetzt habe ich
im Eifer des Funkbetriebs doch einmal ca. 100 W darauf losgelassen.
Nach der Umschaltung auf Empfang war es seltsam still. Zuerst
dachte ich, das Antennenrelais im Transceiver hat ein Problem. Aber
dann war klar, der Drehko hatte einen Kurzschluss. Man kann auch eine
deutliche Verformung der Folien sehen. Siehe auch im Labortagebuch: Spannungsfestigkeit von Foliendrehkos
Nach einem kurzzeitigen Ersatz durch einen externen Luftdrehko habe ich
mal nachgemessen, welche Kapazität gebraucht wird. Sie lag bei rund 90
pF. In der Bastelkiste lag noch ein ganz alter Drehko mit 50 pF, wie
ich ihn vor vielen Jahrzehnten bei meinen allerersten Versuchen beim
Kurzwellenempfang eingesetzt hatte. Zusammen mit einem Festkondensator
ersetzt er nun den Foliendrehko. So funktioniert es auch bei größerer
Leistung.
