3.7 Klapperfreies Antennenrelais

Beim Antennenrelais, besser elektronischen Sende-/Empfangsumschalter, stand der K2 von elecraft Pate [1]. Stephen Wilson, G3VMW, zeigt in seiner Version des Pic-A-Star [2] eine für 100W ausgelegte Variation dieses Schalters. Der wurde mit einigen Modifikationen nachgebaut. Unter anderem wurde statt des ZVN4424A im K2 (VDS=240V) ein ZVNL120A (VDS=200V) verwendet, der bei reichelt.de zu haben ist.

Revision vom 08.04.2013: Der MOSFET T5 in der ersten Version vom 24.12.2011 ist zum Ersten gar nicht nötig, um im TX-Modus das Gate von T6 (Hochspannungs-MOSFET ZVNL120A) sauber auf Masse zu ziehen und damit zu sperren, zum Zweiten schließt er bei einer Fehlfunktion in der RX/TX-Umschaltung den Collektor von T4 fast kurz. T5 und seine Beschaltung wurden entfernt. Stattdessen sorgt der 10k-Widerstand R3 am Gate von T6 (in der revidierten Schaltung nun T5, s.u.) für ein ordentliches Low-Potenzial am Gate von T5 sowie den Dioden D3, D4 und D5 im TX-Betrieb. Weniger ist manchmal mehr. Schaltung und Platinen nachfolgend in der revidierten Fassung.

Antenna switch Schaltung

Abb. 3.7.1: Schaltbild des Antennenumschalters Antenne auf RX bzw. TX

Der Antennenschalter nutzt die Fähigkeit der Gleichrichterdiode 1N4007 aus, aufgrund ihrer Struktur auch als PIN-Diode zu arbeiten, auch wenn die Hersteller diese Anwendung wohl nie beabsichtigt haben. Es wurden vor Jahren beschaffte 1N4007 eingesetzt. Ob sich Dioden aus aktueller Fertigung mit ggf. anderer Herstellungstechnik auch noch wie PIN-Dioden verhalten, kann nicht gesagt werden.

Die Ansteuerung für den TX- bzw. RX-Betrieb erfolgt über T1/T3 (TX, Anschluss 3) bzw. T2/T4 (RX, Anschluss 4). Damit erhält im TX-Betrieb die PA das HF-Signal aus dem Bandpassfilter auf den PA-Eingang (Pin 2), im RX-Betrieb wird das Antennensignal zum Bandpassfilter durchgereicht. Der PA-Ausgang ist permanent mit dem Ausgangspin 7 und dem Tiefpassfilter LPF verbunden. Die Transistorschalter mit T1 bis T4 entlasten die Steuersignale +12V RX bzw. +12V TX.

TX-Betrieb
Ziel ist, das HF-Signal vom Anschluss (1), Ausgang Bandfilter, zum Anschluss (2), PA-Input, zu verbinden und den Rückfluss des verstärkten PA-Signals vom Anschluss (7) auf den RX-Zweig zu verhindern.

T1 ist mit den an Anschluss 3 liegenden +12V durchgeschaltet, zieht damit die Basis von T3 runter, so dass T3 leitet und D2 in Durchlassrichtung vorgespannt wird. Das HF-Signal findet nun seinen Weg von Anschluss (1) über die leitende D2 zum Anschluss (2).
Auch D3 erhält an der Anode eine positive Vorspannung und leitet ggf. vorhandene Rest-HF über C4 ab, die über die gesperrte D1 gelangen könnte. Über die Drosseln RFC2/3 sorgt R3 für Low-Potenzial an den Anoden von D4 und D5 sowie an Gate von T5. T5 sperrt, womit an den Kathoden von D4 und D5 die +138V-Hochspannung anliegt. Mit dieser extremen Sperrspannung reduzieren sich die Sperrschichtkapazitäten erheblich und bewirken damit eine gute HF-Isolation.

RX-Betrieb
Ziel ist, das Empfangssignal vom Anschluss (7), gemeinsam genutztes Tiefpassfilter, zum Anschluss (1), Eingang Bandfilter, zu verbinden und der PA kein HF-Signal an den Anschluss (2) zu liefern. Die PA ist weiterhin mit dem Tiefpass, Anschluss (7), verbunden, zumindest aber deren Treiberstufe stromlos.

T2 ist mit den an Anschluss 4 liegenden +12V durchgeschaltet, zieht damit die Basis von T4 runter, so dass T4 leitet und +12V an das Gate von T6 und über RFC3 an die Anode von D5 legt. T6 steuert damit durch, D5 wird leitend. Über RFC2 werden ebenfalls D4 und D1 leitend. Die Verbindung vom Tiefpass (7) zum Bandfilter (1) ist geschaltet. D2 und D3 sind gesperrt.

Die Signalwege in Stellung RX bzw. TX sind nachfolgend verdeutlicht.

Signalweg RX & TX

Abb. 3.7.2: Die HF-Signalwege in den Stellungen "RX" und "TX"

Da im Bandpassfilter bereits eine RX/TX-Umschaltung vorgesehen ist, kann hier das Signal direkt an die PA geführt werden. Die Schaltung sorgt also nur noch für eine Isolation des PA-Outputs hin zu dem elektronischen RX/TX-Umschalter mit einem FST3125, siehe RX-Signalpfad - RX-Frontend.

Signalweg TX mit RX/TX Umschaltung im BPF

Abb. 3.7.3: Der Signalweg in Stellung "TX" mit dem RX/TX-Umschalter im Bandpassfilter

Damit die Dioden D4 und D5 für den Sperrzustand mit geringer Sperrschichtkapazität  auch ordentlich vorgespannt werden, ist ein kleiner Spannungsgenerator vorgesehen, der knapp 140 V liefert.

HV-Generator Schaltung

Abb. 3.7.4: Schaltbild des Hochspannungsgenerators

Um HF-Einstrahlung des Quarzoszillators in den Antennenumschalter zu verhindern, ist der Spannungsgenerator auf einer separaten Platine untergebracht. Für den abgeschirmten Einbau sind Schubert-Gehäuse Nr. 2 (37x74x30 mm) für den Antennenschalter und Nr. 12 (37x55x30 mm) für den HV-Generator vorgesehen. Die drei roten Bauteile sind WIMA FKP-2-Kondensatoren 10nF/630V=.

Antennenumschalter und HV-Generator Platinen

Abb. 3.7.5: Der Antennenumschalter auf der linken Seite ist ein erster Prototyp.

Messungen

Die HF-Isolation einfacher Umschaltrelais ist ja nun nicht so besonders. Gespannt war ich deshalb auf die Messungen. Hier sind die mit dem NWT für den Bereich 1 bis 50 MHz aufgenommenen Ergebnisse:

Messung TX-Zweig (Pin1 - Pin2)

Abb. 3.7.6: Durchlasskurven zwischen den Anschlüssen (1) und (2), TX-Zweig

Blau: Durchlass "TX ein", rot Sperrverhalten "TX aus/RX ein".
Die Durchlassdämpfung ist annähernd konstant, bei 30 MHz z.B. 0,6 dB. Die Sperrdämpfung ist stark frequenzabhängig (Sperrschichtkapazität), bei 30 MHz beträgt sie z.B. nur noch 18 dB, was tolerierbar sein sollte, da der PA-Treiber im Empfangsmodus abgeschaltet wird. Ist sozusagen der Hosenträger zusätzlich zum Gürtel.

Messung RX-Zweig (Pin1 - Pin7)

Abb. 3.7.7: Durchlasskurven zwischen den Anschlüssen (1) und (7), RX-Zweig

Blau: Durchlass "RX ein", rot Sperrverhalten "RX aus/TX ein".
Das Ergebnis ist gar nicht mal so schlecht:
Sperrdämpfung fast konstant, ca. 42 dB, zwischen 1,8 und 50 MHz.
Durchlassdämpfung im RX-Zweig von 1,2 dB (1,8 MHz) bis 1,8 dB (30 MHz) ist allerdings schon merklich, da drei Dioden im Signalzweig liegen.

Gibt es Alternativen zur Schaltung der HF mit PIN-Dioden, wenngleich hier mit "missbrauchten" 1N4007-Gleichrichterdioden? Im Web ist nichts Greifbares zu finden. In [3] hat DL2AVH einen Vorschlag mit MOSFETs BSS 138/123 veröffentlicht, mit denen QRP-Leistungen schaltbar sein sollen.
 

Referenzen

[1]    http://www.elecraft.com/k2_page.htm
[2]    http://www.g3vmw.demon.co.uk/
[3]    DL2AVH, Klapperfreies Antennenrelais, FA 2/2000, S. 183