Symmetrischer (und unsymmetrischer)
ferngesteuerter und bezahlbarer
Kilowatt KW AUTOMATIK Antennentuner
Z und PHI Messplatine
das wichtigste Teil eines automatischen Antennentuners sind die Sensoren
für die Antennenanpassung, welche die Grundlage für die korrekte Schaltung der
Induktivitäten und Kapazitäten sind.
Leistungs- und SWR Messung:
Selbstverständlich muss in einem Antennentuner eine präzise SWR Messung
möglich sein. Dazu wird die vorlaufende sowie rücklaufende Leistung gemessen
und per Software und den bekannten Formeln das SWR berechnet. Eine solche gut
funktionierende Platine habe ich bereits vor einiger Zeit gebaut, diese wird
auch im Auto-Tuner benutzt, die Dokumentation findet ihr im Menü
"Leistungs und SWR Messung".
Eine automatische Abstimmung des Tuner über das SWR funktioniert, ist
jedoch ziemlich zeitaufwändig, denn man muss (per Software) alle L und C
Kombinationen durchprobieren bis man mehr oder weniger zufällig die korrekte
Einstellung trifft. Erste Versuche haben gezeigt, dass pro Abstimmvorgang
mehrere Minuten (!) vergehen bis der Tuner abgestimmt ist. Das ist ziemlich
unbefriedigend und man braucht eine Methode um das zufällige Suchen der
Abstimmung durch ein gezieltes, sinnvolles Suchen zu ersetzen.
Z und Phi Messung:
Um die richtigen L und C Einstellungen im Tuner schnell zu finden benötigt
man zwei Informationen:
1. ist die aktuelle Einstellung größer oder kleiner als 50 Ohm (Messung
der Impedanz Z)
2. ist die aktuelle Einstellung kapazitiv oder induktiv (Messung des
Phasenwinkels Phi)
Hat man diese beiden Informationen, so weiß man in welche Richtung man das
L und das C des Tuners verändern muss. Die Dauer eines Abstimmvorgangs kann
damit auf wenige Sekunden reduziert werden.
Phi-Messung ... oder ... aller Anfang ist schwer:
Nach anfänglicher Euphorie mussten wir feststellen, dass die Messung von Z
und Phi alles andere als einfach ist. Die Messung muss genau und
nachvollziehbar sein.
Bei Recherchen im Internet stößt man auf verschiedenste Lösungen:
AD8302 von Analog Devices ... dieser Chip kann die Phase zwischen
zwei HF Signalen messen. Leider hat er ein großes Problem, er kann zwar die
Phase, nicht jedoch das Vorzeichen messen. Und gerade das Vorzeichen ist das
wichtigste für einen Tuner. Es gibt verschiedene Tricks wie man das umgehen
kann. Man verschiebt die Phase mit einem Kondensator vor dem AD8302, oder man
nimmt zwei Stück AD8302. Alle diese Lösungen sind wilde Tricksereien, wir
haben sie ausprobiert und wieder verworfen.
Mischer z.B.: IE500 ... auch mit einem Mischer kann man die Phase
messen. Der Mischer erzeugt dann eine Ausgangsspannung, die (von HF gefiltert)
proportional zur Phase ist. Der bekannte kommerzielle Antennentuner SG-230
arbeitet nach diesem Prinzip. Leider hat man hier das selbe Problem wie beim
AD8302, das Vorzeichen ist unbekannt. Im SG-230 wird daher wieder obiger Trick
mit dem zusätzlichen Phasenschieber durch einen Kondensator verwendet. Auch
das hat uns nicht überzeugt, da es frequenzabhängig und damit unpräzise
ist.
digitale Auswertung ... moderne Funkgeräte arbeiten meist mit einer
digitalen Phasenmessung. Dabei geht zwar die Information über den genauen
Phasenwinkel verloren, jedoch das Vorzeichen wird gemessen und das auch noch
überaus präzise, das ist genau das was wir benötigen. Nach diesem Prinzip
arbeitet auch die im folgenden vorgestellte Schaltung.
Z-Messung:
auch hier kommt es nicht auf den genauen Widerstand an, sondern wir wollen
nur wissen ob der Widerstand größer oder kleiner als 50 Ohm ist.
Die Messung ist relativ einfach. Man muss zunächst zwei Gleichspannungen
erzeugen welche dem HF-Strom und der HF-Spannung am Eingang des Tuners
entsprechen. Durch Abgleich kann man erreichen, dass diese Gleichspannungen
genau gleich groß sind wenn die Last 50 Ohm beträgt. Dann braucht man nur
mehr einen simplen Komparator um die + oder - Information zu erhalten.
Strom- und Spannungssensoren:
Strommessung:
Die Messung des HF-Stroms ist einfach. Man nimmt einen kleinen Ringkern
(Amidon Ferrit Material 43) und führt das Kabel zwischen Transceiver und
Tuner hindurch (natürlich nur den Innenleiter, der Schirm wird über die
Massefläche der Platine verbunden. Diese Durchführung entspricht einer
Windung. Ausgekoppelt wird mit 20 Windungen, die Auskoppelseite des Ringkerns
wird mit ca. 270 Ohm abgeschlossen. So belastet man den HF-Stromkreis durch
die Messung praktisch überhaupt nicht.
Die ausgekoppelte HF-Spanung wird mit einer HF-Schottkydiode
gleichgerichtet und dann zur Messung benutzt.
Spannungsmessung:
zur Messung der HF-Spannung am Tunereingang wird ein Ringkern parallel zum
Eingang gegen Masse geschaltet. Hier braucht man einen größeren Kern als bei
der Strommessung. Wenn die Schaltung 1kW aushalten soll, so muss man zwei
FT82-43 stapeln und mit Teflondraht bewickeln, denn der Kern kann sich bei
größeren Leistungen gut erhitzen. Man könnte natürlich die Induktivität
erhöhen indem man mehr Windungen aufwickelt, dadurch sinkt die Belastung des
Kerns. Allerdings sinkt dadurch auch die obere nutzbare Frequenz dieses
Übertrager deutlich ab, sodass die hier vorgeschlagenen Werte einen guten
Kompromiss darstellen und für Leistungen von 100mW bis 1,5kW funktionieren.
Die ausgekoppelte HF-Spanung wird mit einer HF-Schottkydiode
gleichgerichtet und dann zur Messung benutzt.
Phasenwinkel und frequenzunabhängigkeit:
Strom- und Spannungsmessung müssen zwischen 1,8 und 30 MHz
frequenzunabhängig sein, es dürfen keine Induktivitäten oder Kapazitäten
beteiligt sein welche die Phase zwischen Strom und Spannung in irgendeiner
Weise beeinflussen.
Daher wurden zunächst umfangreiche Versuche mit verschiedenen Kernen und
Windungszahlen durchgeführt. Hier ist das Ergebnis, eine Schaltung die im
gesamten Kurzwellenbereich einen fast perfekt neutralen Frequenzgang hat:
Material: Amidon 43. Für den Stromsensor kommt der kleinere FT50-43 zum
Einsatz, für den Spannungssensor zwei gestapelte FT82-43.
Die FT82-43 bekommen 20 Eingangswindungen wo die zu messende HF-Spannung
anliegt. Ausgekoppelt wird mit 4 Windungen, von dort geht es direkt zu den
Schaltungsteilen für die Messfunktionen.
Vom Kern des Stromsensors wird mit 20 Windungen ausgekoppelt. Die
ausgekoppelte Spannung wird mit 270 Ohm abgeschlossen. Diesen Widerstand muss
man später noch kalibrieren. Wenn man am Ausgang mit genau 50 Ohm
abschließt, so muss die HF-Spannung an "Isensor" und
"Usensor" genau gleich groß sein. Damit das auch stimmt, verändert
man R8 (270 Ohm) durch z.B. Parallelschalten eines zusätzlichen Widerstands.
Man kann während des Abgleichs (bei kleiner Leistung !) auf ein 1k Poti
anschließen, abgleichen, und dann einen entsprechenden Festwiderstand
einbauen.
Diese Messung führt man am besten mit einem 2-kanal Oszilloskop durch.
Hinweis: obige Werte haben wir für kleine Leistungen benutzt damit
während der Entwicklungsphase des Autotuners anstelle eines Transceivers auch
ein Generator mit 100mW benutzt werden kann.. Damit die Widerstände bei 1kW
nicht abfackeln, muss man sie evt noch ändern, darüber später mehr.
Z-Messung (50 Ohm):
dank der guten Vorbereitung bei den Ferritkernen haben wir es jetzt
einfach. Die ausgekoppelte Spannung des Strom- und Spannungssensors muss
gleichgerichtet werden. Es entstehen zwei Gleichspannungen, welche bei einem
50 Ohm Abschluss genau gleich groß sind. Wir benötigen also nur mehr einen
Vergleich um festzustellen ob die Tunereinstellung ein Z von größer oder
kleiner 50 Ohm ergibt:
am Ausgang der Trafos folgt zunächt ein Vorwiderstand, gefolgt von je zwei
antiparallelen Überspannungsdioden. Ab ca. 18 Volt begrenzen diese und
schützen den Eingang des folgenden OPs.
Als HF-Gleichrichterdioden hat man früher Germaniumdioden benutzt.
Inzwischen gibt es aber moderne Schottkydioden welche noch bessere Daten
haben. Wir haben uns für die HSMS-2050 entschieden. Die gleichgerichtete
Spannung wird an einen OP angelegt, dessen Ausgang zwischen zwei Zuständen
wechselt: Z ist >50 Ohm oder Z ist < 50 Ohm. Diese Information liegt an
JP13 an und kann von einem uC weiterverarbeitet werden.
Nachtrag: die HSMS-2850 wird inzwischen nicht mehr hergestellt. Ersatztyp:
HSMS-286B-G. Diese Diode hat ein kleineres Gehäuse, läßt sich aber trotzdem
montieren, da nur 2 Pins angeschlossen werden müssen.
Phasenwinkelmessung:
Bei einer optimalen Abstimmung sind Antennenstrom und -spannung genau in
Phase. In diesem Fall ist der Phasenwinkel (phi) = 0, der Tuner hat die
Antenne richtig abgestimmt.
Ansonsten eilt entweder der Strom voraus (die Antenne hat einen kapazitiven
Anteil) oder es eilt die Spannung voraus (die Antenne hat einen induktiven
Anteil). Damit der Autotuner schnellstmöglich die ideale Einstellung finden
kann braucht man eine Information ob der Phasenwinkel positiv oder negativ
ist. Der genau Wert ist egal, aber + und - muss man so präzise wie möglich
messen können.
Hinweis: man schließt ein 2-kanal Oszilloskop an JP7 (Strom)
und JP11 (Spannung) an und beobachtet sowohl Pegel als auch Phase zwischen
Strom und Spannung. Das ist ein hochinteressantes Experiment und vertieft das
Verständnis für die Vorgänge eines Tuners ungemein.
Bei der Bestimmung des Phasenwinkels ist es entscheidend, dass die
Messschaltung einen völlig ebenen Frequenzgang hat und kein Eigenleben in das
Messergebnis einbringt.
Wieder folgten unzählige Versuche mit verschiedenen Schaltungen. Das
optimale Ergebnis erreichten wir mit einem Chip der normalerweise zum Empfang
von Daten an sehr langen Kabeln benutzt wird. Dieser Chip, der FIN 1018, hat
nicht nur einen idealen Frequenzgang sondern auch einen riesigen
Dynamikbereich. Er erzeugt aus unserem sinusförmigen Messsignal ein
Rechtecksignal, die 30 MHz sind für den FIN 1018 kein Problem.
Nachtrag: der FIN1018 wird nicht mehr
hergestellt. Der Ersatztyp ist der FIN1028MX, dieser passt auf die Platine und
kann ohne weitere Änderung eingesetzt werden.
Schließlich haben wir zwei Rechtecksignale, deren Phasenlage genau der
Phasenlagen zwischen Strom und Spannung entspricht. Die Auswertung ob diese
positiv oder negativ ist kann ganz einfach mit einem Flip-Flop Baustein
erledigt werden, dem 74AC74.
Am Ausgang dieses 74AC74 steht ein Signal an, welches den positiven oder
negativen Phasenwinkel anzeigt und von einem uC weiterverarbeitet werden kann.
Das ganze klappt so gut, dass wir selbst überrascht waren wie präzise
diese Auswertung ist.
Im folgenden kompletten Schaltbild links unten ist Kondensator C2. Hier
könnte man die Phasenwinkelmessung noch kalibrieren. Wir haben ihn aber nicht
bestückt.
in dieser Schaltung ist noch IC5B und IC4A vorgesehen. Diese geben die
gemessenen Spannungs- und Stromwerte aus. Wenn man will kann man mit einem uC
dann noch Antennenstrom und -spannung auswerten, es ist aber nicht unbedingt
erforderlich und kann auch weggelassen werden.
Die OPs werden mit 12V versorgt. Das ist notwendig, damit sie auch die
etwas höheren Eingangssignale unbeschadet verarbeiten können. An den
Ausgängen befindet sich noch ein Spannungsteiler, damit kann man den Ausgang
an der Eingang eines uCs anpassen.
Nachtrag:
die Schutzdioden SMBJ15A haben eine zu hohe Eigenkapazität und
beeinflussen die Messung deutlich. Ich habe diese Dioden daher wieder
entfernt. Für hohe Leistungen (> 100W) braucht man aber einen Schutz, ich
suche noch etwas geeignetes.
Der FIN1018 wird nicht mehr hergestellt. Der Ersatztyp ist der FIN1028MX,
dieser passt auf die Platine und kann ohne weitere Änderung eingesetzt
werden.
Unterlagen:
Link zu den EAGLE Dateien
Bild: Schaltplan hohe Auflösung
Bild: Bestückungsplan hohe Auflösung
Bild: Bestückungsplan mit Leiterbahnen
hohe Auflösung
