Halbautomatischer symmetrischer Antennentuner-ATU 2016

ATU-Frontplatte

Dieser Antennentuner wurde im Mai 2017 auf die Version ATU 2017 hochgerüstet.
Eine weitere Pflege wird nicht mehr erfolgen.

Die dritte Version 2016 des im Jahr 2009 entstandenen symmetrischen Antennentuners (ATU) ist nun mit einer Kopplung zum TRX versehen. Es war ein lang gehegter Wunsch, auch im RX-Mode, also ohne HF-Träger, den Tuner abstimmen zu können. Dauernd ins Mike zu pfeifen, um auf eine neue QRG abzustimmen, macht keinen Spaß. Das in Abschnitt 5 beschriebene Kommunikationsmodul realisiert eine speziell für den Selbstbau-TRX ausgelegte abgespeckte CAT-Schnittstelle (Computer Aided Transceiver).

Neben dieser Erweiterung wurden einige kleine Verbesserungen an der Software vorgenommen, u.a. am RS485-Protokoll zwischen Controller und Tuner (Remote Unit). Die Software, Version 2.10 für Controller und Remote Unit, steht im Download zur Verfügung. Im Controller ist die Beschaltung an Port B.0 geändert. Die neuen Platinenlayouts sind ebenfalls im Download abgelegt.

Alle Anpassungen gegenüber der Version 2013 sind in Abschnitt 5 aufgeführt.

Der ATU arbeitet mit oder auch ohne dieses Kommunikationsmodul weiterhin halbautomatisch. Er muss also zunächst mit manuell auszuführenden Anpassungsoptimierungen die besten Frequenz-einstellungen lernen. Mit diesen im EEPROM abgelegten Daten stellt der ATU dann im Automatikbetrieb für jede TRX-Frequenz die optimalen Parameter ein. Wahlweise kann eine Antennenabstimmung auch manuell erfolgen, z.B. um eine automatisch eingestellte Abstimmung nachzujustieren.

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. Details zur RS485-Kommunikation sind hier und hier auf dieser Website zu finden.

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
 

Tags:

1 Steuergerät

Das Steuergerät enthält den Controller und ein Netzteil, das auch die 24V-Spannung zur Schaltung der Relais im Tuner bereitstellt. Der hier verwendete ATmega1284 TQFP-44 in SMD-Ausführung mit 128 kB Flash und 4 kB EEPROM wurde bewusst größer gewählt, als es die derzeitige Ausbaustufe erfordert, um später eventuell auf eine vollautomatische Abstimmung hochrüsten zu können. Statt um jedes Byte in einem kleinen Mikrocontroller zu ringen, macht es schon mehr Spaß, einen üppig ausgestatteten AVR zu programmieren.

Der pin-kompatible ATmega32-16AU (TQFP-44) sollte auch gehen (kompiliert, aber nicht getestet).
Für die Firmware-Version 2.10 ist die Flash-Belegung 86% (28.208 Bytes).
Anzupassen sind (im Quelltext angegeben):

  • $regfile = "m32def.dat"
  • ADC-Register ADCSRB auskommentieren, kennt ATmega32 nicht
  • ADC-Register DIDR0 auskommentieren, kennt ATmega32 nicht
  • ADC-Register SFIOR: Kommentarzeichen (') entfernen oder auch belassen,
    SFIOR=&B00000000 ist die Default-Vorbesetzung.
  • Ab Firmware V2.10 in den Subs "SendRemote" und "GetTRXFreq"
    "UCSRØA" ersetzen durch "UCSRA".

ATU Frontplatte

Abb. 1.1: Frontplatte des Steuergerätes.

1.1   Netzteil

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.

ATU Netzteil Schaltung

Abb. 1.2: Schaltbild des Steuergeräte-Netzteils.

1.2   Controller

Controller Schaltung

Abb. 1.3: Schaltbild des Controllers Rev. 2.

Die beiden Operationsverstärker IC6 dienen einerseits zur Kalibrierung der Leistungsmessung, andererseits als Impedanzwandler mit hohem Eingangswiderstand zu den Gleichrichterdioden des SWR-Kopplers und niedrigem Ausgangswiderstand zu den ADC des Microcontrollers.

Die Kalibrierung der Leistungsanzeige erfolgt zunächst mit P1 für den Vorlauf, z.B. mit einem Scope (10:1-Tastkopf) am TX-seitigen Eingang in den SWR-Koppler und einer 50 Ω-Dummyload am Ausgang. Mit Ueff = Uss/2,828 ergibt sich die effektive Eingangsleistung Peff = (Ueff)2/Z und Z = 50 Ω. Mit P1 wird die Anzeige auf den berechneten Leistungswert eingestellt und die DC-Spannung am Schleifer von P1 gemessen. Am SWR-Koppler wird anschließend das Verbindungskabel zum REV-Eingang von IC6 vorübergehend an den FWD-Ausgang des SWR-Kopplers gelegt und mit P2 die gleiche DC-Spannung am Schleifer von P2 eingestellt. Damit sind die Verstärkungseinstellungen identisch.

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 16 MHz Taktfrequenz ist damit im 6m-Band noch sicher zu zählen. Die Eingangsempfindlichkeit beträgt etwa 200 mVss. Falls die HF-Spannung nicht reichen sollte, kann der 4,7pF-Kondensator im SWR-Koppler erhöht werden. Die Frequenzkalibrierung wird mit C12 vorgenommen.

Zur RS485-Kommunikation mit IC5 sind hier und hier auf dieser Website ausführliche Beschreibungen zu finden. Im Mustergerät wurden R11 und R13 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.

Eine merkwürdig anmutende Modifikation hat DL2BK vornehmen müssen, um die Kommunikation überhaupt möglich zu machen: Er hat probeweise 100nF von Pin 1 des IC5 nach Masse gelegt. Damit ging die Kommunikation. Für meine Begriffe sind 100nF am "Empfangsohr" des ATmega reichlich viel. Ich habe es mit 1nF nachvollzogen. Damit funktioniert es bei mir auch. Möglicherweise gibt es hier eine HF-Einstreuung vom dicht daneben liegenden Quarz. Dieses Problem gab es mit dem Vorläufer (ATmega32 im DIP-Gehäuse und geringere Packungsdichte) zumindest nicht. Die Controllerplatine wurde geringfügig nachgearbeitet, C20 kann optional eingefügt werden. Neue Version im Download.

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 stützen VCC bei den digitalen Schaltvorgängen im Chip.

ATU Frontpanel Schaltung

Abb. 1.4: Schaltbild des Controller-Frontpanels Rev. 1.

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 Umschaltkontakten und ein +12V-Steuerausgang ("Mute"). Die LED D7 "Tuning" zeigt diesen Schaltzustand an.

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

Controller Platine

Abb. 1.5: Platine des Controllers (Version 2013).

Frontpanel Platine

Abb. 1.6: Platine des Controller-Frontpanels.

1.4   SWR-Koppler

Für den Kurzwellenbereich sind zwei Bauformen gebräuchlich, die Bruene- und die Stockton-Variante. Zur Messung des HF-Stroms verwenden beide eine Transformatorauskopplung. Der Stockton-Typ (auch unter den Bezeichnungen "Hybrid-Koppler" und "Tandem match coupler" bekannt) koppelt auch die HF-Spannung induktiv mit einem zweiten Transformator aus, der Bruene-Typ misst die HF-Spannung über einen abzugleichenden kapazitiven Spannungsteiler. Der Bruene-Koppler lässt sich mit nur einem Ringkern recht kompakt aufbauen. Der Stockton-Koppler braucht mit zwei Ringkernen mehr Platz, kommt aber in der Grundform ohne Abgleich aus. Hier wurde dem Stockton-Koppler der Vorzug gegeben. Eine ausführlichere Beschreibung ist hier auf dieser Website zu finden.

SWR-Koppler Schaltung

Abb. 1.7: Schaltbild des Kopplers.

Die Schaltung ist an Einfachheit ja kaum noch zu unterbieten, jedoch sind es die beiden unscheinbaren Gleichrichterdioden BAT 43 und ihre Beschaltung, die die Gesamtleistung ausmachen. Dioden haben eine nicht lineare Kennlinie, die gerade bei optimalem SWR und niedriger Leistung geradezu kontraproduktiv stört. Zur rechnerischen Korrektur kommt aber der ohnehin vorhandene Microcontroller zu Hilfe.

Bei der Untersuchung der Diodenkennlinien zeigte sich, dass sich eine Korrekturfunktion U2/U3 - gemessene Gleichspannung U2 zu anliegender Hochfrequenz-Spitzenspannung U3 - für die BAT43 mit einer simplen Potenzfunktion der Form

y = a * xb + c

recht gut darstellen lässt. Mit Excel lässt sich diese Funktion an die gemessenen Daten anpassen, Ergebnis im nachfolgenden Bild.

Diodenkorrekturfaktor

Abb. 1.8: Excel-Fit an die gemessene Korrekturfunktion U2/U3.

Mit der so gefundenen Funktion für den DC-HF-Korrekturfaktor ist somit für die ausgemessene BAT43 aus der gleichgerichteten Spannung UDC die tatsächliche HF-Spitzenspannung näherungsweise zu ermitteln.

UHF = UDC * CF U2/U3

Die Abweichung der nach dieser Funktion berechneten Werte von den gemessenen HF-Spannungen war oberhalb von 300 mVs HF kleiner als 1%.

Die o.g. Funktionsparameter a, b und c sind wegen der Exemplarstreuungen auf alle Fälle mit Hilfe der Excel-Mappe im Download zur SWR-Messbrücke hier auf dieser Website zu bestimmen. Im Setup (s.u. zu 3.2.4) können sie dann korrigiert werden.

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

Steuergerät Innenansicht

Abb. 1.9: Innenansicht des Steuergerätes, Deckel des SWR-Kopplers entfernt.

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

In der im Setup Nr. 1 (s.u. zu 3.2.4) einstellbaren Variante "Christian-Tuner" mit nur 7 Induktivitäten wird das achte Bit an PC7 nicht geschaltet.

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:

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

Die revidierte Schaltung ist in nachfolgender Abb. 2.2 dargestellt.

LC-Bank

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

In der im Setup Nr. 1 (s.u. zu 3.2.4) 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.

Alte HL-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.

Neue Konzeption (Abb. 2.4, 2.5): Mit einer anderen Beschaltung von RL8 bis RL11 wird jeweils nur eine L- bzw. C-Bank an den Antennenausgang geschaltet.

HL-Schaltung Tiefpass

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

HL-Schaltung, Hochpass

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

HL-Schaltung Relais

Abb. 2.6: Hoch-/Tiefpassumschaltung, Relaisbeschaltung.

2.3   Zu 2, Balun

Der Balun lag nun auch ausgebaut auf der Werkbank. Also wurde er erst einmal mit dem FA-NWT durchgemessen. Den hatte ich 2009 noch nicht. Der Strombalun nach DG0SA mit 2 bifilaren Wicklungen CuL 1 mm auf der rechten und linken Ringkernhälfte zeigte nicht gerade berauschende Ergebnisse, vermutlich weil die Impedanz der zwei nebeneinander liegenden CuL-Drähte weit ab von 100 Ohm lag. DG0SA verwendet 100 Ohm Zwillingsleitung.

Statt dessen wurde der Balun nach Joe Reisert, W1JR, 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.

SWR Balun

Abb. 2.8: SWR W1JR-Balun.

Impedanz Balun

Abb. 2.9: Impedanz W1JR-Balun.

Gleichtaktunterdrückung Balun

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:

HL-Switch

Abb. 2.11: Hoch-/Tiefpassumschaltung.

2.4   Zu 3: C-Bank

Bei den Tests an der neuen 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.

Weiterhin wurden in allen Binärstufen mit FKP1-Kondensatoren grundsätzlich Reihenschaltungen vorgesehen, um die Spannungsfestigkeit bei kritischen Anpassungssituationen zu erhöhen.

Da ich schon mal dran war, habe ich in der L-Bank die Durchmesser der Luftspulen zwecks Güteverbesserung vergrößert. Die Grundschaltung ist aber unverändert geblieben.

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 814pF
L = 0,2 bis 32 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 Bedienung

Die Steuerung des Antennenkopplers erfolgt komplett über das Steuergerät.

3.1   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).

Neben dem Display sind auf der Frontplatte fünf Taster, ein Drehencoder und fünf LED angeordnet. Diese ermöglichen einen manuellen 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, später (?) vollautomatische Abstimmung
  3. Store zum Abspeichern manuell optimierter Bandeinstellungen
  4. Reset zum Zurücksetzen von Einstellungen
  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.

3.2   Betriebsarten Übersicht

Eine ausführliche Bedienungsanleitung ist im Download zu finden.

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

  1. "Auto": Automatische Wahl von vorher optimierten Einstellungen von Induktivität L, Kapazität C und Schaltung als Hoch- bzw. Tiefpass (H/L, High/Low pass) aus dem EEPROM mit Hilfe der gemessenen TX-Frequenz, wahlweise der vom ATU-TRX Com-Modul übertragenen TRX-Frequenz.
  2. "Man": Manuelle Einstellung von L, C, H/L auf bestes SWR.
  3. "Prog": manuelle Einstellung von L, C, H/L auf bestes SWR wie in Mode 2. Mit Betätigen der Taste "Store" wird diese Einstellung für das aus der TX-Frequenz ermittelte Bandsegment im EEPROM gespeichert.
  4. "Setup": Einstellen wichtiger, im EEPROM gespeicherter Betriebsparameter.

In den Betriebsarten "Auto", "Man", und "Prog" 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. 32 μH (im Mustergerät mit 8 Spulen) und 800 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 159 Bandsegmente teilen sich wie folgt auf:

Band
(m)
von
(kHz)
bis
(kHz)
Segmente Breite
(kHz)
160 1.795 2.005 21 10
80 3.495 3.805 31 10
60 5.240 5.460 11 20
40 6.990 7.210 11 20
30 10.085 10.175 3 30
20 13.985 14.375 12 30
17 18.040 18.200 4 40
15 20.975 21.475 12 50
12 24.865 25.015 3 50
10 27.965 29.785 26 70
6 49.960 52.000 30 80

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Wird ein passendes Bandsegment nicht gefunden oder liegt die TX-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 automatic mode

Abb. 3.3.1: 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 neue 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.

3.6   Die Software

Die Software für die beiden ATMega ist in BASCOM AVR geschrieben. Der Code ist umfangreich dokumentiert. Eine gesonderte Beschreibung ist unten im Download zu finden. Der Quellcode ist Open Source für den privaten Gebrauch. Eine kommerzielle Nutzung ist nicht gestattet.

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

4 Aufbau

Das in 2012 neu entwickelte 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.

5 Brückenschlag, ATU-TRX Com

Es ja nun eher der Normalfall und gehört ebenso zu den gepflegten Umgangsformen unter OMs, zuerst eine Weile ins Band hineinzuhorchen, bevor VOX oder PTT bemüht werden, um hier und da mitzu-mischen. Aber ohne Träger weiß der Antennentuner nicht, auf welche Frequenz er sich einstellen soll. Erst mit einem TX-Signal kann der Frequenzzähler im ATU etwas ausrichten.

Es müsste so etwas wie ein CAT-Modul her, CAT = Computer aided Transceiver, die mit Informationen aus dem TRX dem ATU sagt, wo es langgeht. Das auch im RX-Mode. Die aktuellen käuflichen TRX-Modelle haben das alle. Nur hat jeder große Hersteller sein eigenes Verfahren. Die Platzhirsche auf dem TRX-Markt haben die Chance für eine Vereinheitlichung zum Wohl der Anwender gründlich vergeigt. Zumindest die Protokolle sind offengelegt.

Aus der Betrachtung der Protokolle einerseits, z.B. von ICOM, YAESU und Kenwood, und der technischen Möglichkeiten meines Selbstbau-TRX andererseits entschied ich mich für eine pragmatische kleine Lösung, bei der nur noch der von mehreren Herstellern verwendete Code zur Abfrage der TRX-Frequenz das Kommando "FA" übrig blieb.

1  Randbedingungen

Das ist vorhanden:

  • Selbstbau-TRX mit einem von einem Microcontroller gesteuerten LO mit I2C-Schnittstelle zum Bandfilter- und PA-Tiefpassmodul,
  • Selbstbau-ATU mit Steuereinheit (Controller) und abgesetztem Tuner (Remote Unit), verbunden über einen RS485-Bus.

Das Com-Modul könnte nun genau dazwischen den TRX über I2C anzapfen und die gelesene TRX-Frequenz auf den RS485-Bus geben, die der ATU-Controller weiter verarbeitet.

ATU & TRX bussystem

Abb. 5.1: Anbindung der ATU-TRX-Com-Moduls an die vorhandenen Bus-Systeme.

2  Schaltung

ATU-TRX Com schematics

Abb. 5.2: ATU-TRX Com-Modul, Schaltung.

Ein ATtiny hätte für die Aufgabe auch gereicht, aber ein ATmega48 war gerade zur Hand. 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.

3  Funktionsweise

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.

3  Software

Obwohl zwei Schnittstellen, RS485 und I2C, zu bedienen sind, ist der Softwareaufwand überschaubar.

Die RS485-Schnittstelle folgt im Wesentlichen dem erprobten Ansatz aus dem bisherigen Antennentuner. Was allerdings geändert wurde, ist das Protokoll. Es wurde um eigentlich nicht benötigte Daten wie STX und ETX bereinigt. Da nun 2 Slaves zu bedienen sind, sind Ziel- und Absenderadressen zugefügt. Der Aufbau ist nun einheitlich mit einer festen Länge von 7 Bytes.

Byte Bedeutung
1 Zieladresse
2 Absenderadresse
3 Kommando
4 Datenbyte 1
5 Datenbyte 2
6 Datenbyte 3
7 Checksumme aus Bytes 1 bis 6

Das setzt voraus, dass es auf dem Bus gesittet zugeht, also nicht durcheinander gequakt wird. Vornehmer ausgedrückt, dass keine Kollisionen stattfinden. Das ist Sache des ATU-Controllers als Bus-Master. Weitergehende Erläuterungen in RS485 - Long distance call und RS485 Master-Slave.

3.1     Kommunikation mit ATU-TRX Com

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 ...

3.2  Kommunikation mit dem Si570-LO im TRX

Die I2C-Schnittstelle ist im Artikel AVR-Kopplung über I2C näher beschrieben. Der Si570-LO im TRX überträgt wie oben die TRX-Frequenz in kHz als High-/Low-Byte über I2C. Die I2C-Adresse des ATU-TRX Com ist 0x78.

4  Anpassungen im Antennentuner 2013

Mit dem geänderten RS485-Protokoll zwischen ATU-Controller, Remote Unit und nunmehr ATU-TRX Com ist die Firmware sowohl im ATU-Controller als auch in der ATU-Remote Unit auf den neuen Stand, beide in der Version 2.10, zu bringen (im Download). Zukünftig wird nur noch diese Software gepflegt.

Da das ATU-TRX Com-Modul speziell für den Selbstbau-TRX ausgelegt ist, wurde bei der Hard- wie auch bei der neuen Software ab Version 2.10 bedacht, die ursprüngliche Funktionalität auch ohne dieses Modul beizubehalten.

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. 5.3). Nur wenn dieser gesteckt ist, wird die ATU-TRX Com aktiviert. Dafür ist der bisher funktionslose Transistor T2 entfallen. Diese Anpassung lässt sich leicht an der alten Platine vornehmen. Das geänderte Platinenlayout ist im Download zu finden.

ATU Controller, Com jumper

Abb. 5.3: ATU-Controller, Schaltungsauszug Rev. 2.

Da der ATU-Controller bei Einsatz des ATU-TRX Com-Moduls nunmehr nicht mehr an einem Ende des RS485-Busses sitzt, muss der Bus-Abschlusswiderstand R12 (Abb. 1.3) entfernt werden. Siehe auch Abb. 5.1. Die beiden Fail safe Pullup-/Pulldown-Widerstande R11 und R13 (Abb. 1.3) bleiben, falls sie bestückt sind.

Am 9-poligen Sub-D-Konnektor zum TRX werden zusätzlich RS485-A mit Pin 8 und RS485-B mit Pin 9 verbunden.

ATU Controller, Com connector

Abb. 5.4: Beschaltung des Sub-D-Konnektors zum TRX.

An der Remote Unit sind bis auf das Softwareupdate keine Änderungen vorzunehmen.

5  Anpassungen im TRX Si570-LO

Für den Einsatz des ATU-TRX Com-Moduls ist die Aktualisierung der Firmware auf die neue 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 an der bislang unbenutzten ADC-Stiftleiste, z.B. mit einem Jumper. Ohne das ignoriert der LO das Com-Modul.

6 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.

Im Quellcode für die ATU Remote Unit ist unter Fuse Bits irrtümlich "BOOTRST [x]" angegeben, was den Reset-Vektor auf den Bootloader setzen würde. Das ist Unsinn.
Das BOOTRST-Bit wird nicht gesetzt. ATU_RemoteUnit_210.BAS ist aktualisiert (17.12.2016).
Danke an Rainer, DC6LB, für den Hinweis.

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. Bugfix 31.03.2013
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