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.

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.

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.

Layouts:

alle hier verfügbaren Layout- und Schaltungsdaten dürfen von Funkamateuren zu rein privaten Zwecken benutzt werden, es gilt sinngemäß die GNU-Public License V3. Vor allem: wer diese Daten für eigene Projekte benutzt, muss die resultierenden Dokumente seinerseits wieder kostenlos der Öffentlichkeit zur Verfügung stellen !

Es gibt keinerlei Gewähr für die Korrektheit der Daten. Jeder muss selbst wissen was er tut und die Dateien ggfs. an eigene Anforderungen anpassen.

Auch ist damit zu rechnen, dass ich im Laufe der Zeit immer wieder Änderungen und Verbesserungen an den Platinen vornehmen werde.

Eagle-Schaltbild

Eagle-Layout

Gerberdaten zur Platinenfertigung (Dateinamen entsprechen den Anforderungen des Platinenherstellers JLPCB)