Symmetrischer (und unsymmetrischer)
ferngesteuerter und bezahlbarer
Kilowatt KW-Antennentuner

da ich sehr gerne mit diversen Antennen experimentiere sowie für Portabelbetrieb benötigt man einen guten Antennentuner. Da der Tuner auch die vollen 750 W Dauerleistung verkraften soll und sowohl unsymmetrische Antennen also auch symmetrische via Hühnerleiter anpassen soll musste ein Selbstbauprojekt gestartet werden. Kommerzielle Tuner dieser Leistungsklasse sind extrem teuer und erfüllen meine Anforderungen trotzdem nur teilweise.

Das schöne an Selbstbauprojekten ist: man muss (fast) nicht auf die Kosten schauen und kann daher aus dem vollen schöpfen, was bei kommerziellen Geräten nicht gehr. Trotzdem kostet dieses Gerät nur einen kleinen Bruchteil eines Fertiggerätes gleicher Klasse.

Hier die Leistungsdaten:

min. 1 kW Dauerleistung
160m bis 10m (bei meiner L/C Bestückung, jeder andere Bereich wie z.B. LW oder MW ist machbar)
echter symmetrischer Tuner, der induktive Zweig ist also doppelt ausgeführt (auch unsymmetrisch benutzbar)
Anpassglied in L-Schaltung als Tiefpass, Kondensatoren wahlweise an Eingang oder Ausgang
minimaler Stromverbrauch durch bistabile Relais
anpassbare Antennenimpedanzen ca. 2 Ohm bis 10 kOhm (je nach Frequenz)
Spannungsbelastbarkeit ca. 3 kV
Strombelastbarkeit ca. 16A
Fernbedienung via serieller Schnittstelle
die Relais können mit ganz einfachen Kommandos in einem seriellen Terminalprogramm geschaltet werden
kompatibel zum U02-Power/SWR Messgerät mit Display auf dessen Basis eine Auto-Tuner Funktion realisiert wird
L: 100nH bis 40 uH in Stufen zu 100nH
C: 50pF bis 4nF in Stufen zu 50pF

Vor allem die Fernbedienung ist sehr wichtig. Denn damit kann der Tuner dort montiert werden wo er hingehört: nahe der Antenne.

Grundlagen Antennentuner:

Es wird über Antennenanpassung immer wieder viel Voodoo verbreitet, obwohl die Dinge recht einfach sind, hier mal eine einfachste Erklärung ohne Formeln (eingefleischte Techniker mögen die starke Vereinfachung verzeihen):

Eine genau angepasste Antenne (R=50 ohm) braucht keinen Tuner, die Sendeleistung wird vollständig abgestrahlt.

Bei einer nicht angepassten Antenne wird ein Teil der Sendeleistung reflektiert. Wenn das SWR Beispielsweise 1:2 ist, dann werden 11% der Sendeleistung reflektiert. Bei 100W Sendeleistung sind das also 11 Watt. Diese 11 Watt gehen zurück zum Sender und werden dort zum Großteil in Wärme umgewandelt.

Schaltet man jetzt ein Anpassglied zwischen Sender und Antenne, so nimmt dieses die reflektierten 11 Watt auf (als Spannung im Kondensator, bzw. als Magnetfeld in der Spule) um sie dann sofort wieder zur Antenne zurückzuschicken. Im Tuner geht keine Leistung verloren (Verluste besprechen wir weiter unten), man kann sich ein Gummiband vorstellen, dass die reflektierten 11W sofort wieder zur Antenne zurückschickt. Natürlich wird an der Antenne wieder 11% dieser 11 Watt reflektiert, also ca. 1 Watt, beim nächsten Mal 100mW usw. Bis der Vorgang abgeklungen ist und sämtliche Leistung abgestrahlt wurde.

Da die reflektierte Leistung zwischen Antenne und Tuner pendelt merkt der Sender nichts davon und "sieht" eine optimale Anpassung.

Verluste:

Die Spulen und Kondensatoren im Tuner nehmen im Idealfall keine Energie auf. Etwas Energie geht aber an den unvermeidlichen Widerständen der Spule (Drahtwiderstand) verloren, daher führt man die Spulen so groß und dick wie möglich aus. Preiswerte kommerzielle Tuner benutzen Ringkerne (außer dem Drahtwiderstand gibt es hier auch die Eisenverluste im Kernmaterial), unser Eigenbautuner hat jedoch Luftspulen welche eine vielfach höhere Güte haben und bei großzügiger Ausführung praktisch kalt bleiben (kaum Verluste). Die Kondensatoren sind weniger Problem, da moderne Hochspannungs-Cs hohe Güten haben. Für KW eignen sich FKP1 Type sehr gut (natürlich auch Glimmerkondensatoren, die jedoch unbezahlbar sind).

Viel wichtiger für die Verluste ist jedoch die Kabelverbindung Antenne <> Tuner. Denn hier muss die ganze reflektierte Blindleistung pendeln. Hier ist die Strombelastung hoch und außerdem gibt es meist noch Mantelwellen an Koaxkabeln. Die Verbindung von Antenne und Tuner muss daher so kurz wie irgendwie möglich sein, daher die Fernsteuerbarkeit unseres Selbstbautuners. Als Kabel benutzt man möglichst symmetrische Hühnerleiter. Muss man Koaxkabel benutzen, so sollte dieses frei hängen und nirgends berühren, da sonst die Mantelwellen in die Umgebung abstrahlen und diese Energie verloren ist.

Spannungsbelastbarkeit:

Die Kondensatoren und auch die Layout (Leiterbahen) müssen hohe Spannungen aushalten. Als Beispiel: 750 Watt an einer 50 Ohm Antenne macht eine Spitze Spannung von 273 Volt, was noch relativ harmlos für die Kondensatoren ist. Wenn meine Antenne jedoch hochohmiger ist und deswegen angepasst wird sieht es anders aus. Hat die Antenne z.B. 2000 Ohm, so steigt die Spannung auf 1,7 kV an, und das ist nichts ungewöhnliches. Daher benutze ich FKP1 Kondensatoren mit 2kV und schalte davon immer 2 in Reihe, was eine Belastbarkeit von bis zu 4kV ergibt. Damit sollte man die meisten Anpassfälle sicher schaffen können.

Strombelastbarkeit:

Bei 750 Watt an einer 50 Ohm Antenne fließen 5,4 A (Spitze). Hat man aber eine niederohmige Antenne anzupassen (alle zu kurzen Antennen) so wäre bei z.B. 10 Ohm der Strom bereits 12 A. Daher habe ich als Relais 16A Typen ausgewählt, die sind noch bezahlbar und erlauben die Anpassung von Antennen bis hinunter zu ca. 6 Ohm.

 

Realisierung des Tuners:

das Projekt ist inzwischen fertig aufgebaut und im Einsatz, die folgenden Infos sind also in der Praxis getestet.

Der Tuner besteht aus 2 Platinen: die Relaisplatine mit den Spulen und Hochspannungskondensatoren, sowie die Steuerplatine:

Relaisplatine:

(zum Vergrößern anklicken)

                   

die Antennenanpassung erfolgt durch ein symmetrisches L-Glied als Tiefpass.

Die Kondensatoren sind FKP1 Folienkondensatoren mit 2kV. Außer bei extrem schlechten Antennen dürfte der Tuner damit auch 2kW noch gut aushalten.
Die Spulen sind für höchste Güte ausschließlich als Luftspulen ausgeführt. Diese hohe Güte ist für die Qualität eines Tuners sehr wichtig. Kommerzielle Tuner benutzen meist Ringkerne welche aber zusätzliche Eisenverluste mitbringen, was wir im Selbstbautuner nicht haben wollen. Ich habe alle Spulen mit CuL Draht 1,32 qmm ausgeführt. Die beiden größten Spulen wurden auf einen Wickelkörper aus dünnem Plastik gewickelt, die anderen Spulen sind auch ohne Körper stabil genug. Nach dem Abgleich mit einem LC Meter wurden die Spulen mit Silikonlack versiegelt.

Das Platinenlayout ist so ausgeführt, dass die Luftspulen immer im 90 Grad Winkel montiert werden damit sie sich nicht gegenseitig beeinflussen.

26 bistablie Relais schalten die Anpassglieder (8x Kondensatoren, 16x Spulen und 2 Relais um die Kondensatoren an Eingang oder Ausgang zu schalten).

Sobald die Relais geschaltet sind brauchen sie keinen Strom mehr. Daher ist die Stromaufnahme des Tuners aus der 12V Versorgung sehr gering.

Die Symmetrierung vom 50 Ohm Koaxkabel auf den symmetrischen Tunereingang ist nicht im Schaltbild eingezeichnet. Es ist einfach nur ein Ferritringkern (z.B. der beliebte FT240-43) welcher mit zwei gleichen Wicklungen (1:1) voll bewickelt ist. Dazu habe ich 2-pol Lautsprecherkabel (ca. 2,5qmm) aufgewickelt. Die eine Wicklung ist der Eingang, die andere der Ausgang. Das funktioniert hervorragend und hält 750 Watt locker aus.

 

Steuerplatine:

(zum Vergrößern anklicken)

                   

diese Platine enthält die Schalttransistoren für die bistabilen Relais. Alle Ausgängen haben Rückstromdioden sowie einen HF-Filterkondensator und einen 10 Ohm Widerstand zur Entlastung der Mosfets vor Stoßströmen.

Angesteuert werden die Mosfets von einem Atmel Microcontroller mit Porterweiterung mittels drei Schieberegistern.

Der Controller hat nur eine Aufgabe: Lesen eines Kommandos von der seriellen Schnittstelle und schalten des entsprechenden Relais.
Beispiel:

L11 ... schalte Spule 1 ein

L20 ... schalte Spule 2 aus

C51 ... schalte Kondensator 5 ein

C70 ... schalte Kondensator 7 aus

H1 ... schalte die Kondensatoren an den Ausgang (H=hinten)

V1 ... schalte die Kondensatoren an den Eingang (V=vorne)

diese Kommandos kann man mit einem beliebigen seriellen Terminalprogramm absenden, oder per Software, oder mit dem U02-Display passend zum U02-Pwr/Swr Messgerät

die serielle Schnittstelle ist PC kompatibel (+/-12V) und hat die Parameter: 9600Bd, 8 Datenbits, 1 Stopbit, no Parity

 

Praxiserfahrung:

es wurde eine horizontale Loop mit 90m Umfang als 5-eck aufgehängt und mittels 25m Hühnerleiter an diesen Tuner angeschlossen. Dazu waren ca. 250pF sowie je ca. 4uH geschaltet um das 40m Band anzupassen. Das Rest-SWR wurde mit 1 : 1,08 gemessen.

An diese Antenne wurde dann ein WSPR Sender/Empfänger mit 5W angeschlossen. Nach wenigen Tagen Betrieb war mit dieser Anordnung der weltweite Spitzenplatz für 2-way Spots auf 40m erreicht, mit gutem Abstand zum zweitplatzierten.

Natürlich ist diese Leistung hauptsächlich der Antenne zu verdanken, zeigt aber, dass der Tuner sehr verlustarm arbeitet und eine ordentliche Anpassung vornimmt.

 

Nachbau:

ich habe noch Platinen in Reserve, Wenn jemand an einem Aufbau des Tuners interessiert ist, kann er sich gerne an mich wenden.