Automatischer symmetrischer Antennentuner-ATU 2017

Der im Jahr 2009 entstandene symmetrische Antennentuner (ATU) hat in der vierten Version 2017 wieder einmal Erweiterungen erfahren. Nun habe ich mir auch einen beherzten Ruck gegeben, mich an einer automatischen Abstimmung zu versuchen, was sich dann doch als ziemlich bockiges Unterfangen erwies.

Das ist dabei herausgekommen:

  • neuer Tandem match-Koppler mit logarithmischen Verstärkern AD8307 statt Dioden,
  • Anzeige der TX-Leistung wahlweise als PEP (Peak envelope power) oder gemittelte Leistung (average power) in Watt,
  • automatische Abstimmung, Abstimmzeit etwa 2 bis 3 Sekunden bei entsprechenden Setup-Vorbesetzungen,
  • erweitertes Setup.

Die Hardware ist weitgehend erhalten geblieben. Die Änderungen betreffen nur das Steuergerät. Sie könnten auch an vorhandenen Controllerplatinen vorgenommen werden. Der verwendete Controller ATmega1284p, damals mit Angstzuschlag überdimensioniert im Hinblick auf ein späteres Upgrade auf Automatikbetrieb ausgelegt, hat sich als tatsächlich überdimensioniert erwiesen. Er wurde aber statt eines ausreichenden ATmega644 aus Kompatibilitätsgründen beibehalten.

Der ATU ermöglicht für die Bänder 160 bis 6m wahlweise eine automatische oder manuelle Abstimmung. Hiermit gefundene optimale Einstellungen lassen sich in zur TRX-Frequenz passenden Bandsegmenten im EEPROM abspeichern. Danach macht sich die Abstimmautomatik fast wieder entbehrlich, da sich der Tuner von alleine einstellt und ggf. nur noch geringe Korrekturen erforderlich sind.

Der ATU besteht aus zwei Einheiten, dem Steuergerät im Shack und dem eigentlichen Tuner am Ende einer Hühnerleiter. Verbunden sind beide Einheiten über ein Kabel, das über zumindest vier Adern die Stromversorgung und die Kommunikation ermöglicht. Handelsübliche preiswerte CAT-Kabel oder auch Telefonkabel sind hierfür geeignet. Die Kommunikationsleitungen sollten auf alle Fälle verdrillt sein.

Um auch größere Entfernungen zwischen Shack und Antenne überbrücken zu können, ist die Kommunikation mit RS485 realisiert. Die Steuerungsfunktionen übernehmen jeweils ein ATMEL AVR, im Steuergerät ein ATmega1284P und im Tuner ein ATmega16.

Auf eine unbedingt lesenswerte zehnteilige Website [11] bin ich erst in 2016 gestoßen: geballtes Know-how zu einem automatischen ATU in Theorie und Praxis.

Referenzen

[1]   www.reichelt.de
[2]   www.pollin.de
[3]   www.funkamateur.de
[4]   www.dg4has.de
        www.dj4uf.de/projekt/DK3HA/DK3HA.htm
        www.mydarc.de/do6zb/
[5]   www.amateurfunkbasteln.de/blackforestcounter/counter.html
[6]   www.wolfgang-wippermann.de/
[7]   DK4KS, CQ DL 10-2008, CQ-DL 2-2009 und 3-2009
[8]   www.lancos.com/prog.html
[9]   DL1SNG, Selbstbau eines symmetrischen Antennenkopplers, Funkamateur 1-4/2011
[10] http://www.dxuniversity.com/presentations/W1JR%20-%20Station%20And%20Ant...
[11]  http://k6jca.blogspot.de/2015/06/antenna-auto-tuner-design-part-1.html

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1 Steuergerät

Das Steuergerät enthält den Antennenkoppler, den Controller und ein Netzteil, das auch die 24V-Spannung zur Schaltung der Relais im Tuner bereitstellt.

ATU Steuergerät Frontansicht

Abb. 1.1: Frontplatte des Steuergerätes.

1.1   Netzteil (unverändert, Rev. 2, Aug. 2013)

Im Netzteil (Versorgung des Controllers und der Remote Unit) wird ein 78S15 (2A) verwendet. Mit der Zener-Diode, hier 7,5 V, kann die Spannung für die 24V-Relais in der Remote Unit etwas verkleinert werden, um den Stromverbrauch zu reduzieren. Die verwendeten 24V-FINDER-Relais sprechen schon bei ca. 20 V an. Spannungsabfall auf der Steuerleitung bei Ansteuerung aller Relais beachten! Auf der Platine sind für die Zenerdiode D1 Lötpads für zwei Dioden vorgesehen. 24V-Relais wurden gewählt, um den Spannungsabfall auf der Steuerleitung zwischen Controller (im Shack, vielleicht im Keller) und der Remote Unit (am Ende der Hühnerleiter, vielleicht auf dem Dach) in Grenzen zu halten. Idee war, die Remote Unit an ihrem jeweiligen Standort netzunabhängig zu machen, also die Versorgungs-spannung über die Steuerleitung mitzuliefern. Wenn keine größeren Entfernungen zu überbrücken sind oder der Remote Unit ein eigenes Netzteil spendiert wird, können im Rahmen der Belastbarkeit der die Relais schaltenden ULN2803 (max. 50V/500mA) beliebige Relais in der Remote Unit eingesetzt werden, z.B. 12V-Typen.

Netzteil

Abb. 1.2: Schaltbild des Steuergeräte-Netzteils.

1.2   Controller

Controller Schaltung

Abb. 1.3: Schaltbild des Controllers Rev. 3.

Am AVR-Pin PB1 (T1) ist der Frequenzzähler angeschlossen. Er besteht aus einem Vorverstärker (T1), einem Schmitt-Trigger (IC3) und einem 1/8-Teiler (IC2). Bei 18.432 MHz Taktfrequenz ist damit im 6m-Band noch sicher zu zählen. Die Eingangsempfindlichkeit beträgt etwa 40 mVss. Falls die HF-Spannung nicht reichen sollte, können C16 und R27 im SWR-Koppler (Abb. 1.7) erhöht werden. Die Frequenzkalibrierung wird mit C10 vorgenommen.

Zur RS485-Kommunikation mit IC5 sind hier und hier auf dieser Website ausführliche Beschreibungen zu finden. Im Mustergerät wurden R18 und R20 an den Signalleitungen A und B mit jeweils 750R dimensioniert (Fail safe). Bei sehr langem Bus können ggf. etwas geringere Werte vorteilhaft sein, bei sehr kurzem Bus könnten sie auch entfallen - ausprobieren.

Etwas mäkelig verhalten sich einige MAX485SCA (SO8). Bisweilen ist hier der optionale C11 (1nF) erforderlich, um die Kommunikation überhaupt möglich zu machen, manchmal geht es auch ohne. Testschaltungen, die ohne C11 auskamen, funktionierten auch mit, also vielleicht gleich bestücken. Der MAX485CPA (DIP8) in der Remote Unit verhält sich dagegen ohne dieses ominöse C handzahm.

Derzeit sind nur die beiden ADC-Eingänge ADC0 und ADC1 aktiviert. Hier werden die Kopplersignale FWD (Vorwärtsleistung) und REV (reflektierte Leistung) ausgewertet.

Die Beschaltung VCC an den Pins 5, 17 und 38 ist vielleicht noch erklärungsbedürftig. Der ATmega wird an Pin 5 mit +5V (VCC) versorgt. An den Pins 17 und 38 ist ebenfalls VCC herausgeführt, um dort Stützkondensatoren (C4 und C5) anzuordnen. Diese puffern VCC bei den digitalen Schaltvorgängen im Chip.

Frontpanel Schaltung

Abb. 1.4: Schaltbild des Controller-Frontpanels Rev. 3.

Das Frontpanel trägt alle Bedien- und Anzeigekomponenten. Es ist mit Flachkabeln und doppelreihigen 6- bzw. 10-poligen Steckkontakten mit dem Controller verbunden.

Zur Reduzierung der TX-Leistung (TX mute) stehen zwei Ausgänge zur Verfügung, die vor jeder Relais-Umschaltung in der Remote Unit gleichzeitig geschaltet werden: Ein PTT-Relais mit Umschalt-kontakten und ein +12V-Steuerausgang ("Mute"). Die LED D7 "Tuning" zeigt diesen Schaltzustand an. Die TX mute-Funktion darf den TX nicht gänzlich stumm schalten, da eine wenn auch geringe Leistung gebraucht wird, um bei der automatischen Abstimmung das SWR bzw. den Return Loss messen zu können.

Die LED D4, am Vorgänger zur Anzeige der Programmierfunktion, zeigt nun blinkend ein SWR>3 an. Sonst keine Änderung gegenüber der Version 2013.

Die Anpassung der Bauhöhen der Taster und des in zwei neunfach Stecksockel (Rastermaß 2,0 mm) eingesteckten Displays an die Durchbrüche in der Frontplatte besorgt eine separate Display-Platine. Hierfür ist auf der Frontpanel-Platine ein Ausbruch auszusägen.

1.3   Die Platinen

Die Abmessungen und Befestigungslöcher der Controllerplatine sind kompatibel zur Vorgängerplatine.

Controller Platine

Abb. 1.5: Platine des Controllers.

Frontpanel Platine

Abb. 1.6: Platine des Controller-Frontpanels (Rev.2, 2013 unverändert).

1.4   SWR-Koppler

Das hier auf dieser Website beschriebene SWR-/Powermeter, wie auch im Vorgänger mit Dioden aus einer Vorstudie für den ATU entstanden, ist nun Bestandteil des ATU. Die eingesetzten AD8307 ermöglichen eine zuverlässigere SWR-Messung auch bei geringen TX-Leistungen gerade bei der Antennenabstimmung.

SWR-Koppler Schaltung

Abb. 1.7: Schaltbild des Kopplers.

Die Pi-Abschwächer R1 bis R6 sowie R10 bis R15 bilden zusammen mit den Anpassgliedern Ch1/Ch2 und R7/R8 bzw. R16/R17 zu den AD8307 die reellen 50Ω-Lasten an den Forward- und Reverse-Ports des Richtkopplers. Die Abschwächer, hier 6dB, sind wie die Ringkerne im Koppler der jeweiligen maximalen TX-Leistung anzupassen. Details zur Berechnung hier.

IC4 sorgt für eine niederohmige Einspeisung in die ADC des Controllers. Mit der im Controller konfigurierten internen ADC-Referenz 2,56V und der maximalen Ausgangsspannung des AD8307 von 2,5V ist eine Spannungsfolgerschaltung von IC4 mit R20/R24 = 0Ω, ohne R19 und R23 ausreichend. Fallweise kann mit den Gegenkopplungswiderständen die Spannungsverstärkung > 1 ausgelegt werden. Die Ausgänge von IC4 vertragen keine kapazitiven Lasten, etwa von Durchführungskondensatoren in der Gehäusewand.

Die Siebglieder zwischen den AD8307-Ausgängen und den OpAmp-Eingängen, etwa C14/Ch4/C15 im FWD-Kanal, sind bewusst hochfrequent ausgelegt, um eine PEP-Messung mit dem ADC des AVR durch Abtasten der maximalen Amplitude möglich zu machen.

Im Vorlaufzweig ist ein Emitterfolger T1 eingefügt, an dem die HF für die Frequenzmessung entnommen wird.

SWR-Koppler Platine

Abb. 1.8: Kopplerplatine.

SWR-Koppler Innenansicht

Abb. 1.9: 20W-Koppler.

Steuergerät Innenansicht

Abb. 1.10: Innenansicht des Steuergerätes.

Für einen SWR-Koppler mit QRO-Dimensionierung ist noch genügend Platz im Gehäuse.

 

 

2 Remote Unit

Die Remote Unit steuert die Relais für Induktivitäten (Port C) und Kapazitäten (Port A) und die Hoch- bzw. Tiefpassanordnung (Port D.7) des Tuners aus den über die RS485-Schnittstelle empfangenen Befehlen.

2.1   Schaltung (unverändert, Rev. 2, Aug. 2013)

Der Spannungsregler 7805 bekommt vor Anstrengung, 24V auf 5V herunter zu regeln, doch ziemlich heiße Backen. Als Option außerhalb des Gehäuses der Remote Unit-Steuerung wurde ihm noch ein 7812 vorgeschaltet. So wird die Wärmeabführung gerecht verteilt.

Remote Unit Schaltung

Abb. 2.1: Schaltbild der Remote Unit-Steuerung

Zur Funktionskontrolle kann an die Zehnfach-Steckbuchse ein 16x2 Standard-LCD angeschlossen werden. Die 24V-Stromversorgung erfolgt über das Kommunikationskabel. Da die Relaissteuerung über T1, IC2 und IC3 unabhängig von der Steuerelektronik erfolgt, können statt 24V- z.B. 12V-Relais verwendet werden. Stromsparender wären bistabile Relais. Da müsste man aber lange sparen, damit sich die beträchtlichen Mehrkosten für solche Relais irgendwann rechnen. Für einen Batteriebetrieb im Grünen aber sicher eine Überlegung wert. Hierzu müsste allerdings die Relaisansteuerung in der Software erweitert werden, um kurze Stromstöße zum An- und Abschalten zu liefern.

Die LC-Bank ist dem offenbar bewährten Konzept des ursprünglich asymmetrischen Christian-Kopplers entlehnt [4]. Im Mustergerät wurden die Ansprüche allerdings auf HF-Leistungen um die 100 W reduziert, was die Anforderungen an die L's und C's deutlich mäßigte. Die Spulendaten sind in einer Excel-Tabelle angegeben. Als Relais werden die Finder-Typen FIN 40.61.9 24V [1] eingesetzt (auch tauglich für eine 750 W-Ausführung).

Eine in jeder Hinsicht kompromisslose Variante mit Luftspulen und Glimmer-C's hat DL1SNG im Funkamateur 1 bis 4/2011 veröffentlicht [9]. Dieses Gerät der 1 kW-Klasse spielt allerdings in einer anderen Liga als der hier gezeigte Ansatz.

Die LC-Bank wurde aufgrund der Versuche mit der neuen Dipolantenne komplett überarbeitet. Wesentliche Änderungen, Stand 09/2016:

  1. Hoch-/Tiefpassumschaltung
  2. Balun
  3. C-Bank

Die revidierte Schaltung ist in nachfolgender Abb. 2.2 dargestellt.

LC-Bank Schaltung

Abb. 2.2: Schaltbild der Remote Unit-L-/C-Bänke.

In der im Setup, siehe Bedienungsanleitung, einstellbaren Variante "Christian-Tuner" mit nur 7 Induktivitäten wird das achte Bit (RL7 in Abb. 2.2) an PC7 (siehe Abb. 2.1) nicht geschaltet.

2.2   Zu 1, Hoch-/Tiefpassumschaltung

Bei den Anpassungsversuchen der neuen Dipolantenne zeigte sich eine Schwäche des Tuners. Aus meiner Sicht ist es ein Designfehler, der sich durch alle mir bekannten im Internet veröffentlichten Variationen des symmetrischen Christiankopplers zieht, z.B. bei DK8EY. In dieser Konzeption, der die Ursprungsversion von 2009 gefolgt ist, sind in Stellung Lowpass die beiden C-Bänke in Serie an den Antennenausgang geschaltet, in Stellung Highpass sind es die beiden L-Bänke (Abb. 2.3). Ergebnis: Die Kapazitäten halbieren sich, die Induktivitäten verdoppeln sich. Damit ist zumindest an meinem 2x13,75m Dipol mit 12 m Hühnerleiter eine Anpassung am unteren und am oberen Ende des Kurzwellenbereichs (80 und 10 m) nicht optimal möglich. 160 m wurde erst gar nicht versucht.

Hoch-/Tiefpass alte Schaltung

Abb. 2.3: Schaltung der L- und C-Bänke in der Vorgängerversion.

Im 80m-Band reicht die (halbierte) Kapazitätsvariation in Stellung Lowpass nicht aus, das ganze Band mit niedrigem SWR zu überstreichen. Im 10m-Band ist die (verdoppelte) Stufung der Induktivitätsvariation in Stellung Highpass zu grob, um im gesamten Band auf optimales SWR abzugleichen. Die Relais RL8 bis RL11 wurden daher anders beschaltet.

Tiefpassschaltung neu

Abb. 2.4: Hoch-/Tiefpassumschaltung, Stellung Tiefpass.

Hochpassschaltung neu

Abb. 2.5: Hoch-/Tiefpassumschaltung, Stellung Hochpass.

Hoch-/Tiefpass Relais

Abb. 2.6: Hoch-/Tiefpassumschaltung, Relaisbeschaltung.

2.3   Zu 2, Balun

Der Balun nach Joe Reisert, W1JR, ist mit RG316 auf den FT140-43 gewickelt, je 5 Windungen mit Richtungswechsel (Abb. 2.7).

W1JR-Balun

Abb. 2.7: Strombalun (Mantelwellensperre) mit 10 Windungen nach W1JR.

W1JR bewickelt den Ringkern scheinbar asymmetrisch, Beispiele in [10] und Rothammels Antennenbuch, Kap. 7.4.2.3. In Abb. 2.7 links (von oben) 5 Windungen, die 6. Windung ist der Richtungswechsel, dann weitere 4 Windungen auf der rechten Seite (nach unten). Insgesamt also 10 Windungen. Einmal innen durch ist eine Windung. Bei anderen Autoren im Netz findet man auch oft um den Richtungswechsel symmetrische Anordnungen, z.B. 5 Windungen rechts, dann Richtungs-wechsel, dann 5 Windungen links, insgesamt also 11 Windungen. Für tiefere Frequenzen könnten ggf. auch mehr Windungen gebraucht werden, s.u. Abb. 2.10. Eine Rechts-Links-Symmetrie ist wohl eher ein Anliegen von Ästheten. Der Witz in der Wicklungsanordnung liegt darin, dass Ein- und Ausgang maximal voneinander entfernt sind und dabei der gesamte Ringkern bewickelt ist.

Simple Wickeltechnik, auch gute Werte? Offenbar.

Balunmessung SWR

Abb. 2.8: SWR W1JR-Balun.

Balunmessung Impedanz

Abb. 2.9: Impedanz W1JR-Balun.

Balunmessung Gleichtakt

Abb. 2.10: Gleichtaktunterdrückung W1JR-Balun.

Jeweils 25Ω-Widerstände wären passender für das 50Ω-System. Dennoch, kann man so lassen. Die Aufgabe, Gleichtaktströme durch Mantelwellen zu unterdrücken, erfüllt der Balun zwischen 80 und 10m mit deutlich über 30 dB bei manierlichem SWR und glattem Impedanzverlauf. Für 160m brächten wohl je eine Windung mehr rechts und links eine bessere Gleichtaktunterdrückung.

So sieht die Hoch-/Tiefpassumschaltung dann aus:

Hi/LO switch

Abb. 2.11: Hoch-/Tiefpassumschaltung.

2.4   Zu 3: C-Bank

Bei den Tests an der Dipolantenne zeigten sich teilweise übergroße Sprünge bei der SWR-Optimierung mit Schaltung einer anderen Binärstufe. Beim Hochschalten der Kapazitäten etwa fallen alle niederwertigen Relais ab, während das nächst höherwertige anzieht. Die Kondensatoren waren sorgfältig entsprechend der Binärstufung ausgemessen. Soweit die Theorie. Die Praxis zeigt z.B. beim binären Sprung auf 200pF statt dem erwarteten Kapazitätszuwachs von ca. 3 pF einen von ca. 7 pF. Erscheint wenig, kann aber einen Sprung über das minimale SWR bedeuten. Knapp daneben ist auch vorbei. Bilder hierzu sind im Download zu Artikel "Abenteuer Antennenbau" auf dieser Website zu sehen.

Deshalb wurden die beiden höchsten Kapazitäten C6 und C7 (vgl. Abb. 2.2) mit 194pF (statt 200 pF) und 387pF (statt 400pF) bemessen. Die Werteauswahl der verwendeten WIMA FPK1-Kondensatoren ist leider begrenzt.

C-Bank

Abb. 2.12: Die C-Bank.

L-Bank

Abb. 2.13: Die L-Bank.

Als Nullwerte bei "Durchzug", also alle Kapazitäten aus (Relais in Ruhestellung offen) und alle Induktivitäten überbrückt (Relais in Ruhestellung geschlossen) ergaben sich
C0 ~ 17pF und
L0 ~ 200nH.

Mit der hier gezeigten Dimensionierung ergibt sich damit ein Einstellbereich von
C = 17 bis 815pF
L = 0,2 bis 33 µH.

Damit lässt sich nicht jede beliebige Antenne, insbesondere eine extrem kurze mit abenteuerlichen Fußpunktimpedanzen anpassen. Bei Dipolantennen, und dafür ist der symmetrische Tuner gedacht, muss ggf. auch mit der Länge der Hühnerleiter experimentiert werden, um innerhalb des Einstellbereiches noch anpassen zu können. Die doch relativ grobe 8 Bit-Stufung setzt hier Grenzen. Zur Not – nicht schön, aber machbar – kann in Stellung Tiefpass in den unteren Bändern ein weiterer Kondensator parallel an die Antennenbuchsen geklemmt werden.

2.5   Zusammenbau

Remote Unit Innenansicht

Abb. 2.14: Ansicht der Remote Unit.

Es werden insgesamt fünf Platinen verwendet, zwei für die beiden L-Züge, zwei für die beiden C-Züge und die fünfte für die Umschaltung Hoch-/Tiefpass mit Balun. Die C- bzw. L-Platinen werden mit Gewindestangen als "Doppeldecker" verschraubt. Es wurde darauf geachtet, dass für die Zuschnitte Euro-Karten (160x100 mm) ausreichen. Die Verbindung der Steuerleitungen untereinander und zur Remote Unit erfolgen mit Flachbandkabel und Zehnfach-Pfostensteckern. 2,5 mm2 Autolitze lässt eine freitragende HF-Verkabelung zu. Die Controller-Platine in der Remote Unit ist in einem aus doppelseitigem Platinenmaterial zusammengelöteten Gehäuse untergebracht, um Empfangsstörungen zu vermeiden.

 

3 ATU-TRX-Kommunikation

Die Kommunikation mit dem TRX zur Übertragung der aktuellen Frequenz auch im RX-Betrieb ist speziell für den Si570-LO im TRX ausgelegt.

Für einen wahlfreien Einsatz des ATU-TRX Com-Moduls ist ein Jumper an Pin PB.0 des ATmega1284P im ATU-Controller nach GND vorgesehen (Abb. 1.3). Nur wenn dieser gesteckt ist, wird die ATU-TRX Com aktiviert.

ATU-TRX-COM Bus

Abb. 3.1: Anbindung der ATU-TRX-Com-Moduls an die vorhandenen Bus-Systeme.

ATU-TRX-COM Schaltung

Abb. 3.2: ATU-TRX Com-Modul, Schaltung.

Eine exakte Baudratengenerierung erlaubt der 14,7456MHz-Quarz. Zur Prüfung der Protokolle kann ein 16x2-LCD angeschlossen werden. Die Verbindungen zur Außenwelt ermöglichen der RS485-Baustein MAX485 an den Pins PD0 bis PD2 und (Software-) I2C über die Pins PC4/PC5.

Die Platine, 34x52mm, findet in einem Schubert-Weißblechgehäuse Nr. 12 (37x55x30mm) Platz. Das Modul wird im TRX untergebracht.

Das ATU-TRX Com-Modul im TRX wird von zwei Seiten traktiert:

  1. Der ATU Controller fragt etwa im ½ Sekundentakt über den RS485-Bus das ATU-TRX Com-Modul nach der aktuellen TRX-Frequenz.
  2. Das ATU-TRX Com-Modul seinerseits erhält mit der gleichen Taktrate vom TRX Si570-LO über I2C die aktuelle TRX-Frequenz mitgeteilt und gibt diese als Antwort auf die Anfrage auf den RS485-Bus an den ATU Controller.
  3. Der ATU Controller ermittelt aus der Frequenz die im EEPROM gespeicherten Einstelldaten für die Remote Unit.
  4. Im RX-Mode stellt die Remote Unit daraufhin die zur Frequenz passenden Tunerdaten ein. Im TX-Mode steht das Signal aus dem SWR-Koppler für den Frequenzzähler zur Verfügung, so dass hier die gemessene TX-Frequenz wie bisher verwendet wird.

Anforderung der TRX-Frequenz ATU Controller an ATU-TRX Com:

Byte Bedeutung Wert
1 Zieladresse 0x02
2 Absenderadresse 0x00
3 Kommando 0xFA
4 Datenbyte 1 (Dummy) 0xFF
5 Datenbyte 2 (Dummy) 0xFF
6 Datenbyte 3 (Dummy) 0xFF
7 Checksumme aus Bytes 1 bis 6 ...

Antwort: TRX-Frequenz von ATU-TRX Com an ATU Controller:

Byte Bedeutung Wert
1 Zieladresse 0x00
2 Absenderadresse 0x02
3 Kommando 0xFA
4 Frequenz (kHz) high byte ...
5 Frequenz (kHz) low byte ...
6 Dummy 0xFF
7 Checksumme aus Bytes 1 bis 6 ...

Der Si570-LO im TRX überträgt die TRX-Frequenz in kHz als High-/Low-Byte über I2C. Die I2C-Adresse des ATU-TRX Com ist 0x78.

Für den Einsatz des ATU-TRX Com-Moduls ist die Aktualisierung der Si570-LO-Firmware im TRX auf die Version V3.10 erforderlich (im Download zum TRX-LO). Sie ist lediglich um die I2C-Kommunikation mit dem Modul erweitert. Diese legt im ½-Sekundentakt die aktuelle TRX-Frequenz auf den I2C-Bus.

Die Aktivierung erfolgt mit einer Verbindung von Pin PA.0 nach GND im TRX-LO an der bislang unbenutzten ADC-Stiftleiste, z.B. mit einem Jumper. Ohne das ignoriert der LO das Com-Modul.

 

4 Bedienung

Die Steuerung des Antennenkopplers erfolgt komplett über das Steuergerät.

4.1   Bedienelemente

Um im Normalbetrieb auch ständig die TX-Leistung und das SWR anzuzeigen, wird ein 4x20-LCD verwendet. Die Wahl fiel wegen der handlichen Abmessungen auf das EA DIP204-4 von Electronic Assembly (z.B. reichelt.de). Die Besonderheiten dieses Displays sind hier beschrieben.

Neben dem Display sind auf der Frontplatte fünf Taster, ein Drehencoder und fünf LED angeordnet. Diese ermöglichen den Betrieb und die Einstellung der Betriebsparameter ohne Finger- und Hirnakrobatik infolge Mehrfachbelegung von Tasten.

Die 5 Taster zur Bedienung sind:

  1. Mode zur Einstellung der jeweiligen Betriebsart
  2. Tune Bestimmung der über PTT bzw. Mute reduzierten Sendeleistung für die ATU-Relais-umschaltung, Anstoßen der vollautomatischen Abstimmung im Automatic-Mode
  3. Store zum Abspeichern optimierter Bandeinstellungen
  4. Reset zum Zurücksetzen von Einstellungen im Manual-Mode
  5. Lock zum Sperren der ATU-Einstellungen gegen ungewollte Änderungen.

Daneben erfüllen die Taster im Setup-Modus weitere Funktionen, die im Display angezeigt werden.

Mit dem Drehencoder werden hauptsächlich die Induktivitäten und Kapazitäten im Tuner eingestellt, daneben im Setup verschiedene Zahlenwerte.
Die LED zeigen bestimmte Betriebszustände zur Erleichterung der Bedienung an.

4.2   Betriebsarten Übersicht

Eine ausführliche Bedienungsanleitung ist im Download zu finden.

Mit dem Taster "Mode" sind fünf Betriebsarten wählbar. Sie werden durch wiederholtes Tasten durchgetaktet.

  1. "Auto": Der ATU stellt die Abstimmdaten (L, C und Hoch-/Tiefpass) aus dem EEPROM mit Hilfe der gemessenen oder der von der ATU-TRX-Com übermittelten TRX-Frequenz ein. Die Einstellung kann mit der automatischen Abstimmung auf bestes SWR korrigiert und im EEPROM gespeichert werden.
  2. "Man": Der ATU stellt die Abstimmdaten (L, C und Hoch-/Tiefpass) aus dem EEPROM mit Hilfe der gemessenen oder der von der ATU-TRX-Com übermittelten TRX-Frequenz ein. Die Einstellung kann manuell auf bestes SWR korrigiert und im EEPROM gespeichert werden.
    Bevorzugte Betriebsart in der SWL-Option.
  3. "Setup": Einstellen wichtiger, im EEPROM gespeicherter Betriebsparameter.
  4. "Calibrate": Kalibrieren der Log Amps an zwei Stützstellen.
  5. "Auto Tune Setup": Vorgabedaten zur Beschleunigung der automatischen Abstimmung.

In den Betriebsarten "Auto" und "Man" werden in der Display-Zeile 1 die Einstelldaten für L, C und Hoch-/Tiefpass angezeigt. Die Werte für L und C werden aus den im EEPROM gespeicherten Daten für die Nullinduktivität/Nullkapazität, den Schrittweiten für L und C und der jeweiligen Encoder-einstellung berechnet.

L und C werden über Relais binär entsprechend den Encoderwerten 0 bis 255 geschaltet, so dass Werte bis ca. 33 μH (im Mustergerät mit 8 Spulen) und 815 pF eingestellt werden können. In der "Christian-Tuner"-Einstellung mit 7 Spulen zählt der Encoder nur von 0 bis 127.

Es sind alle Amateurbänder von 160 bis 6 m programmiert. Die insgesamt 144 Bandsegmente teilen sich wie folgt auf:

Band von (kHz) bis (kHz) Segmente Breite (kHz)
160m 1.800 2.000 20 10
80m 3.500 3.800 30 10
60m 5.280 5.420 8 20
40m 7.000 7.200 10 20
30m 10.100 10.160 3 20
20m 14.000 14.360 12 30
17m 18.068 18.188 4 30
15m 21.000 21.480 12 40
12m 24.890 24.990 2 50
10m 28.000 29.740 29 60
6m 50.030 51.010 14 70

Wird ein passendes Bandsegment nicht gefunden oder liegt die TRX-Frequenz nicht an, wird statt der Band-Mittenfrequenz "NoBand" angezeigt.

Beispielhaft sei hier das Display für den Automatic-Mode gezeigt. Details in der Bedienungsanleitung.

Display Auto mode

Abb. 4.1: Display "A", Automatic Mode.

Die automatische Einstellung wird mit Hilfe der aktuellen TRX-Frequenz und den im EEPROM gespeicherten Daten vorgenommen. Die TX-Frequenz ermittelt der Frequenzzähler aus dem Signal der SWR-Messeinheit, wahlweise stellt das ATU-TRX Com-Modul die RX-Frequenz bereit. Zur TRX-Frequenz wird das passende Bandsegment gesucht und daraus die EEPROM-Adresse ermittelt, unter der die Daten gespeichert sind. Diese Daten (L, C, H/L) werden automatisch eingestellt.

Die vorlaufende Leistung wird in Zeile 3 im Automatic-Mode wahlweise als PEP ("FWP") oder als Average Power ("FWA"), beide in Watt, angezeigt. Umschaltung mit der Reset-Taste. Rücklaufende Leistung und SWR sind gemittelte Werte.

4.3 Die automatische Abstimmung

Mit der Entwicklung des Softwareteils für die automatische Abstimmung wurde mein Nervenkostüm doch arg strapaziert. Es ging sowohl um die Suchstrategie an sich, eigentlich waren es im Verlauf mehrere, wie auch um deren praktische Umsetzung. Nach einigen Versuchen am AVR bin ich schließlich auf Excel VBA (Visual Basic for Applications) ausgewichen, um die Irrungen und Wirrungen des Suchprogramms zu ergründen. Hierzu wurden ca. 3.000 Messpunkte mit dem ATU aufgenommen und in Excel übertragen. Einige Abbildungen in der Bedienungsanleitung rühren daher.

Es hat sich gezeigt, dass ein unbedarftes Suchen nach einem minimalen SWR mit Hilfe der Variation der Kapazitäten und Induktivitäten über deren gesamten Einstellungsbereich in nervenschonender Zeit nicht zum Ziel führt. Zu unterschiedlich ist das Resonanzverhalten des hiesigen 2x13,75m-Dipols mit Hühnerleiter. Deshalb wurde speziell für die Abstimmautomatik ein eigenes Setup eingeführt, in dem je Amateurband eigene Suchparameter voreingestellt werden können. Im 15m-Band etwa, dem der Dipol annähernd eine 2λ-Resonanz anbietet, ist der Einstellbereich für L und C extrem schmal - keine Chance für den ATU, mit Standardeinstellungen wie etwa für das 80m-Band, diesen Resonanzpeak in akzeptabler Zeit zu finden.

Setup und Suchstrategie sind in der Bedienungsanleitung näher beschrieben.

Mit entsprechenden Vorbesetzungen der Abstimmbereiche und anfänglichen Schrittweiten für L und C und der Startkonfiguration Hoch- oder Tiefpass wurde eine Abstimmzeit von 2 bis 3 Sekunden in den untersuchten Bändern 80 bis 10m erreicht.

Auto Tuning

Abb. 4.2: Voreinstellungen und Ergebnisse der automatischen Abstimmung.

4.4 Die Software

Die Software für die beiden ATMega ist in BASCOM AVR geschrieben. Der Code ist umfangreich dokumentiert. Der Quellcode ist Open Source für den privaten Gebrauch. Eine kommerzielle Nutzung ist nicht gestattet.

Die Software (.bas und .hex) steht einschließlich einer Excel-Mappe mit Layoutunterlagen im Download zur Verfügung. Die Daten für die EEPROM-Voreinstellungen in "ATU_Contoller_EEPROM_Data_300.bas" müssen, falls neu kompiliert wird, im gleichen Verzeichnis wie die Quelle "ATU_CONTROLLER_xxx.BAS" gespeichert sein.
Die Programmierung erfolgt über den ISP-Stecker in der Schaltung.

Das Controllerprogramm in der Version 3.00 wurde aufgrund der Erweiterungen umgepflügt und wieder fein geharkt. Wie für jede Software gilt auch hier: Es sind bestimmt noch Fehler drin. Für Hinweise bin ich dankbar.

Die Software für die Remote Unit ist unverändert (V2.10, 09/2016).

 

5 Aufbau

Das Steuergerät ist komplett in SMD-Technik aufgebaut, die aus dem Vorläufer 2009 geringfügig angepasste Steuerung in der Remote Unit in Mischtechnik. Im Steuergerät erfolgt die Bestückung - bis auf Taster, Encoder und Display-Stecksockel - konsequent auf der Leiterseite. Insbesondere werden alle Stiftleisten von der Platinenrückseite durch die Bohrungen geführt und auf der Leiterseite verlötet.

Alle Standard-Bauteile sind z.B. bei [1] erhältlich. Auf den Platinen werden nicht die sperrigen Wannenstecker, sondern zugeschnittene zweireihige Stiftleisten verwendet.

Spezielle Bauteile sind: Printtrafo EI 66/23 124 (24V/1,5A) [1], ALPS-Encoder STEC11B03 [1], LCD 204 DIP [1]. Um die unterschiedlichen Bauhöhen der Taster und des LCD an die Frontplatte anzupassen, befindet sich das auf Sockeln (9-fach, Rastermaß 2 mm!) aufgesteckte LCD 204 DIP auf einer gesonderten Platine.

Zum Ausmessen der aus doppelseitigem Platinenmaterial (FR4) herzustellenden kleinen C's und der Spulen in der LC-Bank ist ein L/C-Messgerät erforderlich, z.B. von AADE [3]. Empfehlenswert ist es, auch die FKP1-Kondensatoren auszumessen und etwas mehr als benötigt zu beschaffen. Bei den C's und L's kommt es vor allem auf die Symmetrie der Werte an.
Es ist insbesondere bei der Zuschaltung einer neuen Kapazität bzw. Induktivität darauf zu achten, dass die Schrittweite ungefähr eingehalten bleibt. Das passiert beim Hochschalten immer dann, wenn das jeweils nächst höhere Relais anzieht, während alle vorherigen abfallen, beim Runterschalten umgekehrt. Ein höherer Sprung verfehlt einen möglichen optimalen Abgleichwert und irritiert bei der Abstimmung. Die Stufung in Zweierpotenzen (1-2-4-8...) sollte also etwas geringer als jeweils um den Faktor 2 sein. Damit wird eine bessere Überlappung der Einstellbereiche erreicht.

 

7 Downloads

Hier sind die Downloads mit Schaltbildern, Platinenlayouts, Firmware und weiteren Beschreibungen.

Wie immer: Das beschriebene Mustergerät wurde eingehend getestet, es gibt aber weder Gewährleistung noch Garantie.

Auch wie immer, die Downloads sind frei für den privaten Gebrauch entsprechend der GNU-Lizenz. Eine kommerzielle Nutzung ist nicht gestattet.

Einige OMs berichten hin und wieder von Schwierigkeiten, die Fuses im anscheinend etwas exotischen ATmega1284P zu setzen. Einige Programmer können das wohl nicht. Wie das mit Atmel Studio und BASCOM geht, ist hier beschrieben.

Versionsübersicht

Firmware Datum Beschreibung
ATU Controller 2.00 22.02.2013 Erste Version.
ATU Controller 2.01 29.03.2013 Setup #12, max. Tuning TX-Leistung mit 2 Ziffern statt nur einer,
Bugfix 31.03.2013
ATU Controller 2.02 11.04.2013 Verlängerung des TX-Muting bei der ATU-Abstimmung, nicht veröffentlicht
ATU Controller 2.03 13.09.2013 Geänderte Hoch-/Tiefpass-Umschaltung
ATU Controller 2.04 30.01.2014 Bugfix Reset und Lock key
ATU Remote 2.10 13.09.2016 Neues RS485-Protokoll
ATU TRX Com 1.00 26.09.2016 ATU TRX Com-Modul, erste Version
ATU Controller 2.10 29.09.2016 Erweiterung um ATU-TRX Com, neues RS485-Protokoll
ATU Controller 3.00 04.05.2017 Neuer Koppler mit AD8307, dazu Erweiterung im Setup und Kalibrierung
Automatische Abstimmung mit zugehörigem Setup