Frage an die Profis, Power FM, Oszillatormann

Startbeitrag von Team Kanalbusdriver am 19.11.2016 18:17

Hallo,

wir sollen hier für einen Kunden eine Schaltung entwickeln, bei der er "scannen" kann wie er es nennt.

Die Schaltung an sich ist schon so weit aufgebaut, und funktioniert auch (Ein Empfänger mit einem SI Labs IC)

Nun geht es um den Sender. Der Sender arbeitet mit einem DDS Baustein, und kann so Frequenzen erzeugen. Der Kunde möchte, das der Generator Frequenzen von 2...22Mhz erzeugen kann.

Das ist ja so weit nicht schwer, das Problem an der Sache ist nur, das der Kunde eine Funktion möchte, die er als "Sweep" bezeichnet. Hierbei soll der Prüfsender die Frequenzen von 2...22Mhz durchlaufen, und über eine angeschlossene Antenne abstrahlen. Das Signal soll in ca. 10m Distanz empfangbar sein. Dabei muss noch erwähnt werden, das es auch von 22 auf 2Mhz gehen kann also in beide Richtungen. Auch Festfrequenzen sollen programmiert werden können.

Der DDS Baustein + µC ist bereits vorhanden, das Sweep Programm funktioniert auch. Allerdings tun wir uns schwer mit der Antennenanpassung.

Die Antenne soll eine einfache 1-2m Drahtantenne sein, dabei ist uns natürlich bewusst, das diese Antenne für diese Frequenzen viel zu kurz ist, jedoch ist ja auch nur eine geringe Reichweite gefordert.

Die jetzige Lösung wäre, das wir einen PI Filter verbauen, der über mehrere in Reihe geschaltene Festinduktivitäten verfügt, die per miniatur Relais gebrückt werden. Der Drehko des PI Filters würde mit einem Motor + Gewinde gedreht, die Spannung an der Antenne gemessen, und von einem µC ausgewertet - dieser µC steuert auch den Motor.

Das ist natürlich nicht sonderlich genau, eine Idee wie man das bauen könnte gäbe es aber, und erste Tests, mit dem "Relais-PI Filter" verliefen für unsere Zwecke ausreichend erfolgreich.

Die bessere Idee wäre natürlich, den Drehko + Motor durch eine Varicap zu ersetzen, allerdings gibt´s dann das Problem, das bei Resonanz die Spannung die Varicap leitend macht. Trotz dieser Gedanken im Vorfeld fand ein kurzer, unverbindlicher, Test statt. Die Varicap-Antennenanpassung ging, aber nur bei geringer Leistung.

Wisst ihr eine Möglichkeit, wie man das elegant lösen könnte?

Eventuell auch eine Schaltung mit PIN Dioden, statt Relais?

Wir können nicht nachvollziehen, weswegen der Kunde (Funkamateur) diesen Sweep Modus benötigt, allerdings steckt schon einiges an Arbeit in dem Empfänger - DDS Signal Generator Projekt, so wäre es doch schade, wenn es wegen der Antenne nicht zustande käme.

Wir würden unverbindlich anbieten, das der Name des besten Lösungsvorschlages auf der Platine mit aufgedruckt wird, und ihr so den Ruhm des Erfolgs erntet.

Allerbeste Grüße:

Team Kanalbusdriver.

Antworten:

Zur Lösung kann ich (noch) nicht beitragen, aber ich kann zumindest erklären, wass der "Kunde" damit vor hat:
Nämlich Wobbeln (Frequenzgänge sichtbar machen). Aber wozu das 10 m weit "senden" können muss bleibt auch mir ein Rätsel...

von Power-FM ne - am 19.11.2016 20:59
Hallo PowerFM,

das mit dem Woobeln ist uns natürlich bekannt, Frequenzen sweepen, um Filter auszumessen. Der Pegel, der aus dem DDS Generator kommt ist hierfür absolut ausreichend. Allerdings soll das Signal über 10m gesendet werden...

von Team Kanalbusdriver - am 20.11.2016 10:25
@ Elektronikbastler
Zitat

Allerdings soll das Signal über 10m gesendet werden

Und genau das macht die "Aufgabe" für mich irgendwie "merkwürdig" ;-).

Ein Problem wird sein, dass die Antenne nun mal eine Resonanz hat und somit auch je nach Frequenz unterschiedliche Wirkungsgrade hat (besser, je näher man an die Resonanzfrequenz kommt).
Das bleibt auch so, wenn die Anpassung (mit welchen Mitteln auch immer) "nachgeführt" wird.

Sprich: Der Sweep wird, egal wie du es anstellst, mit der 2 m Drahtantenne, je nach Frequenz unterschiedlich stark abgestraht.
Die Frage ist nun, ist es überhaupt gefordert, dass der Sweep "linear" abgestrahlt wird, oder einfach nur dass er 10 m weit "sendet" (was er ja auch bei unterschiedlichen Pegelstärken tun würde)?

In welcher Zeitspanne läuft der Sweep ein mal von 2 bis 22 MHz durch? Die Variante mit Relais und Motoren (die ich für viel zu abenteuerlich / aufwendig halte) hat ja nun eine "gewisse" Trägheit, die man berücksichtigen müsste.

Warum nicht einfach eine Anpassung auf ca. 11 Mhz bauen und auf den anderen Frequenzen mit Fehlanpassung leben? Weil "genau" wird es ja wegen der Antennenreosnaz so oder so nicht. Wenn keine "Genauigkeit" gefordert ist, wäre das doch fast egal. Wenn nur die "10 m Reichweite" zählen, wäre das ja egal, und die wird man auch mit Fehlapnapssung irgendwie hinbekommen...

von Power-FM ne - am 20.11.2016 11:02
Eine Ergänzung noch mal, weil vielleicht schon wieder zu viel "Blabla" und zu wenig Lösungsvorschlag in meinem Beitrag steht.

Ich würde es einfach so machen:

Hinter den DDS einen breitbandigen Verstärker (z.B. mir einem MMIC oder auch mit den Museumsstücken bfr96s oder bf961, das wären zumindest bei mir die Kandidaten die ich aus der Bastelkiste kramen würde dafür), keinen Pi-Filter sondern einfach nur einen Tiefpass (mit RF-Sim berechnen) der auf ca. 5 MHz über der höchsten zu verarbeteinden Frequenz dimensioniert ist und dann an die Antenne. Es dürfen halt keine Resnanzverstärker verwendet werden.
In den Ausgangsstufen von DDS-Generatoren wird das doch auch nicht anders gemacht.

Wie gesagt, wenn es doch nur um die 10 m Reichweite geht, sollte das doch auch so zu schaffen sein.

von Power-FM ne - am 20.11.2016 11:13
Hallo,

die Idee kam uns auch schon, einfach mehrere Tiefpässe schaltbar machen anstatt des PI Filters, und dann die Endstufe so auslegen, das sie fest 50Ohm hat (einfach 50Ohm im Kollektor des Endstufentransistors)

Es ist auch nicht das Problem HF Leistung zu generieren, sondern diese möglichst elegant abzustrahlen.

Einen Tiefpass machen, der alles über 22Mhz rausfiltert wäre eine Idee, jedoch gäb´s dann ja die Obewellen, die unter dieser Frequenz sind, und die stören.

Bei tieferen Frequenzen ist vor allem die kurze Antennenlänge problematisch, wenn man den Tiefpass auf Standard 50Ohm berechnen lässt, und dimensioniert, erreicht man bei 2Mhz nur eine extrem geringe Reichweite, selbst mit angepasster Antenne, und entsprechender Spannungserhöhung, und einer recht hohen Leistung von ca 0,1W war es in den Tests auch nur so mäsig erfolgreich 10m "gut" (wenig Rauschen) zu überbrücken, mit einer 1m kurzen Antenne.

Auch die Idee, eine Antenne zu bauen, die aus Spule/Draht/Spule/Draht besteht schlug mit zu wenig Erfolg fehl. So sollte eine recht große Spule im Fuss der dann 1,50m langen Antenne sitzen, welche die Antenne bei in etwa 2-3Mhz "ungefähr" anpasst, ähnlich wie eine Ladespule in einer CB Antenne. Bei höheren Frequenzen würde die große Induktivität natürlich viel HF rausfiltern, allerdings machen sich dann die parasitären Windungskapazitäten bemerkbar, und sie lässt die HF passieren. Die 2. Spule wäre für ca 8Mhz Resonant usw usv. Wie gesagt, diese Antenne funktionierte zu schlecht.

Auch funktioniert das Konzept mit den 50Ohm im Kollektor des Transistors eher schlecht, denn da geht zu viel HF über die Widerstände verloren. Bei einer Spule ändert sich die Impendanz mit der Frequenz, was auch unerwünscht ist.

Es ist also nicht leicht, deswegen fragen wir hier.

von Team Kanalbusdriver - am 20.11.2016 16:04
Die Idee der motorischen Anpassumschaltung oder mit einer Relaisumschaltung würde ich nicht umsetzen. Die Haltbarkeit der elektromechanischen Bauteile ist nur endlich und vielleicht sind schon nach ein paar tausend Zyklen erste Ausfälle da.
Die Idee, die Antenne anzupassen, würde ich ganz schnell vergessen. Das funktioniert nur bei bekannter und konstanter Antennenimpedanz. Wenn Euer Kunde -als Amateurfunker- an der Antennenmessstrecke rumbastelt und ins Nahfeld der Antenne Metallteile oder Drähte legt, ist die Anpassung schon wieder anders. Deshalb lieber aperiodisch arbeiten.

Die kurze Drahtantenne von 2m, mit hoffentlich auch 2m Gegengewicht, würde ich also gar nicht abstimmen. Der Gewinn der Antenne ist proportional f ..f². Die Reichweite wird also konstant wenn Du bei 2 MHz 10...100 mal mehr Spannung als bei 20 MHz anlegst. Ich würde also einfach eine Endstufe einbauen, die bei 2 MHz ohne Anpassung genug Signal mit dem 2m Draht erzeugt. Wieviel genug ist, habt Ihr nicht verraten. Ich habs gerade mal getestet: Mit 2m Draht und dem Messsender auf 6 dBm und 2 MHz gedreht habe ich in 10m Entfernung etwa 10 µV Antennenspannung in meinem Sony ICF SW7600. Vielleicht ist das ja genug. Das würde ich erst mal klären. Wenn der Kunde 100µV braucht müßte die Endstufe eben 26 dBm =400 mW bringen und für 1 mV Antennenspannung 46 dBm =40 Watt. Da kommt die nächste Frage auf: Wieviel Strom darf die Schaltung verbrauchen? Wäre überhaupt die Energie für die Versorgung einer 40 W Endstufe verfügbar? Wenn diese elementaren Dinge besprochen sind würde ich die Endstufe von MiniCircuits auswählen oder selbst bauen. Hinter die Endstufe gehört dann ein 3 dB Pad, das für Zwangsanpassung sorgt. Dahinter der LC Tiefpass zweiter Ordnung mit einer Grenzfrequenz von 2 MHz. Vielleicht reicht auch ein nackter Kondensator nach GND mit 2 MHz Grenzfrqeuenz. Das hätte den Vorteil, das die Reichtweite auf 20 MHz ggf. leicht besser ist als auf 2 MHz und Fremdsender besser überdeckt werden. Dahinter noch ein 3dB Pad oder ein nackter 50 Ohm Abschlußwiderstand nach Masse. Das sorgt dafür, daß der Tiefpaß nicht mit der Antenne resoniert. Der Tiefpaß am Sendeausgang beseitigt auch die Oberwellen, so daß die Reichweite der Oberwellen nicht größer als die Grundwellenreichweite wird.

Diese Lösung hat selbstverständlich den schlechtesten Wirkungsgrad aller Zeiten, aber wird dafür fast auf Anhieb funktionieren. Es ist also schnell fertig. Das ist ja auch manchmal wichtig. Besonders, wenn man Geld verdienen will.

von Oszillatormann - am 23.11.2016 11:42
Noch ein Nachtrag: Nachdem Ihr gesehen habt, daß die MCL Endstufe über 1000 € kostet, wollt Ihr die wahrscheinlich nicht einbauen. Es gibt noch zwei Alternativen. Ein Breibandtrafo kann vielleicht 10 fach hochtransformieren, von 50 Ohm auf 5kOhm, und ist dann noch breitbandig genug. Das spart natürlich reichlich Sendeleistung, wenn die Antenne aus 5 kOhm Generatorwiderstand hochhohmig gespeist wird. Eine irgendwie geartete Frequenzganglinearisierung muss aber bestimmt noch dazu erfunden werden. Mindestens wieder ein Längswiderstand Richtung Antenne und ein kleiner C (15pF) parallel zur Antenne. Für 2MHz Grenzfrequenz hat der R 4,7 kOhm. Da wird der Breitbandtrafo auch gleich richtig abgeschlossen, jedenfalls oberhalb etwa 5 MHz.

Zweite Möglichkeit: Vielleicht funktionieren die 4000er Logikbausteine mit 15 V Versorgung noch bei 20 MHz als Endstufe. Davon ein paar parallel und hochohmige 15 Vss stehen bereit zur Speisung eines Tiefpasses mit zusätzlicher Frequenzganglinearisierung.

von Oszillatormann - am 23.11.2016 21:12
Hallo,

vielen Dank für deine Ausführungen.

Das Problem ist wenn wir "nur eine Endstufe bauen" für 2Mhz, wie filtert man die Oberwellen raus für 4,6,8,12Mhz?

Wenn man dann einen Tiefpass baut für 4Mhz, was ist dann, wenn man 4Mhz senden mag?

Könntest du einen konkreten Schaltplan machen? Das wäre super, denn momentan tüfteln wir schon an der uns selbst bewussten, alles andere als optimalen, Motor-Relais Lösung.

Selbst wenn eine BB112 oder BB113 funktionieren würde, müssten wir ja immernoch die Spulen umschalten, denn sonst, beispielsweise bei einer 2,2µH Spule für den bereich 15-22Mhz bräuchte man bei 2Mhz ja einige hundert pF, das die Antenne angepasst wird, was in der Praxis dann zu sehr schlechter Oberwellendämpfung und wenig Reichweite führt.

Wir haben 12V zur Versorgung, die vermutlich auch mit etwas mehr Strom belastet werden dürfen, eine Endstufe diskret aufzubauen ist ja auch kein Problem (auch wenn erste Versuche die üblichen Probleme mit sich brachten, so leuchtete eine 250mW lampe ca 150mW stark an 2Mhz, mit unserer einfachen 2-Transistor Endstufe, bei 22Mhz war sie ganz aus...) Aber das macht nix, denn bei 22Mhz reichen schon wenige mW für 10m Reichweite.

Selbst wenn wir nur von 2 auf 3,7Mhz gehen ist die Reichweite bereits enorm viel stärker, als auf 2Mhz trotz Anpassung.

Wie gesagt, "grundtests" vor der BB112 mit einer Z Diode als Varicap zeigten zwar, das das prinzipiell funktioniert - allerdings - selbst bei einer 20V Z Diode verschwand die AM, sobald wir die Leistung wieder auf die notwendige Ausgangsleistung erhöhten...

In Rücksprache mit dem Kunden kam dieser uns etwas entgegen, und sagt, wenn 2Mhz nicht funktionieren, können wir auch verscheidene Bänder nur machen. Die geringste Frequenz wäre dann 5,9Mhz, aber immernoch hoch bis ca 21Mhz in div. Abschnitten. Was wir als nächstes versuchen würden (wir haben ja auch andere Arbeit dazwischen mhmmm...) wäre doch eine Abstimmung mit der BB112 oder BB113 und dem Versuch bei den hohen Frequenzen einfach wenig Leistung zu machen (reicht ja für Reichweite die gefordert ist) und zu hoffen, das die BB112 oder BB113 nicht leitend wird.

Bei 2Mhz ist die Spannung sehr hoch an der Antenne, klar, logisch, aber bei 5-6Mhz wird die Spannung langsam geringer.

Es stehen wie gesagt 12V zur Verfügung, welche Signalstärken der Kunde will soll er uns noch schreiben.

Könnte man die Spulen nicht mit PIN Dioden Schalten?

Ja eine Anpassung ganz weglassen wäre ideal, aber bei unseren Tests wars auf 2Mhz so, das es am Empfänger nach 4m schon etwas zu rauschen begann, wir wollen halt sicherstellen das es sicher so weit geht.

von Team Kanalbusdriver - am 24.11.2016 08:34
Nachdem der Sender nur 10 m weit funken soll, wird die Oberwelle ebenfalls höchstens 10 m Reichweite haben. Da würde ich mir keine Gedanken machen und die bestenfalls für UKW und höher filtern.
In meinen VCOs habe ich auch hohe HF Pegel an den Varicaps. Damit die nicht leitend werden kommen acht Stück rein, je zwei parallel und vier Etagen im Doppelgegentakt übereinander.

Einen konkreten Schaltplan kann ich nicht machen, jedenfalls nicht für eine Abstimmschaltung mit PIN-Dioden und Bauteilegräbern.

Ich würde, wie oben geschrieben, die Antenne über einen 4,7 kOhm Längswiderstand und 15pF nach Masse speisen. Das sollte den Frequenzgang ausreichend linearisieren. Vor dem 4k7 muß einfach genug Spannung für die Kundenanforderung sein. Ob das 1V oder 100V sind müsst Ihr anhand der S/N Anforderungen ermitteln. Bei 100V wäre dann sicher noch ein Doppel-Pi-Filter mit 20 MHz Grenzfrequenz sinnvoll gegen UKW Störungen. 100V aus 4k7 Innenwiderstand bedeuten immerhin 530 mW verfügbare Sendeleistung. Das Pi-Filter müsst Ihr vernünftig klein mit SMD Bauteilen aufbauen, damit die Kondensatoren auch noch im UHF Band die Oberwellen kurzschließen.

von Oszillatormann - am 24.11.2016 12:45
Hier hat jemand eine 1,8 m lange Vertikalantenne mit einem 100:1 Trafo angepasst:

http://www.qsl.net/wa1ion/bev/bb_antenna_matching.pdf
Bitte ab hier lesen: Test Case 1: a 1.8 m (6 ft.) vertical whip

Vielleicht hilft das weiter, der Amateurfunker hat auch diverse Ringkerne empfohlen.

von Oszillatormann - am 25.11.2016 13:59
Hallo,

wäre es denn möglich, bei dem PI Filter mit 4 Spulen in Reihe, wo jede einzelne von einem Relais gebrückt wird, den integrierten Schaltkreis 4066 zu verwenden?

von Team Kanalbusdriver - am 08.12.2016 15:31
Statt Relais den 4066?

von Oszillatormann - am 08.12.2016 18:07
Hallo,

wir hatten uns das so vorgestellt, das wir den 4066 als Schalter verwenden, und eine BB112 oder 113 als Abstimmdiode.

Der µC hat dann eine Tabelle gespeichert, wie viel Volt er auf die Varicap geben muss, wenn die Antenne z.B: 1m lang ist. Das muss ja nicht 100%ig angepasst sein, aber in - etwa

Ein kurzer 10 Minuten Test mit dem 4066, auf eime Steckboard, zeigte, das es im Prinzip funktioniert, also der Test war einfach ein 6Mhz Quarzoszillator dann am Ausgang ein Buffer, und dahinter ein PI Filter, die 22µH Spule im PI Filter für ein 50cm Drahtstück als Antenne konnte man einwandfrei mit dem 4066 schalten, war der Kontakt zwischen pin 1 und 2 offen, nur ein sehr schwaches Signal im Kontrollempfänger, Pin geschlossen, Signal extrem stark, wie´s sein sollte.

Allerdings hat das IC ja einen internen Widerstand, und der Test war nur bei 6Mhz, aber würde es gehen, wenn man ein besseres oder schnelleres IC verwendet - wir meinen Prinzipiell. Denn so könnte man sich die mechanischen Komponenten sparen...


Eine andere "noch ok" Alternative wäre eine Endstufe mit recht viel Leistung, so um die 50-100mW, die dann einfach 2 Tiefpässe am Ausgang hat, die abwechselnd geschalten werden. Die Frequenz wäre dann in Rücksprache mit dem Kunden geringer - nur 6-22Mhz...

Die Spulen im Kollektor sind deswegen so groß, das sie bei den Frequenzen schon einen recht hohen Widerstand haben, und so eine rel. hohe Spannung entsteht, und man nichtmehr so weit hoch transformieren muss, das war uns wichtiger, als die Spule auf 50Ohm auszulegen, ausserdem ist der Endverstärker ja recht breitbandig, würde man die Frequenz ändern, hätte die Spule ja nichtmehr 50Ohm...

Können wir für die 2 Oberwellenfilter einfach die Mittenfrequenz nehmen also 9Mhz für den ersten und 18 für den zweiten und dann den Blindwiderstand ausrechnen lassen, und die Filter so berechnen lassen?

Hier mal ein kleiner Plan von unserem Vorhaben. Eine Platine haben wir übrigens jetzt mal gebaut, das mit den Relais würde schon sehr gut funktionieren, dann gings auch ab 2Mhz gut, aber das ist halt keine wirklich gute Lösung



von Team Kanalbusdriver - am 10.12.2016 16:43
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