Antennenanpassung

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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.





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