80m ARDF Sender mit FET
Vorgeschichte
neuer Sender im alten Gewandt
Angeregt durch einen Beitrag von Holger Eckard, DF2FQ in der CQ-DL 3/1998, baute ich damals meine ersten 3 Peilsender auf. Nach einigen Versuchen landeten sie dann wegen beruflicher Veränderungen in einer Kiste und gerieten in Vergessenheit. Erst nach dem Umzug hierher und den Kontakten zu C05 (Ingolstadt) wurde mein Interesse an der "Fuchsjagd" wieder geweckt. So kam es in diesem Jahr zu einer spontanen Entscheidung, die das ARDF (Amateur-Radio-Direction-Finding) einen entscheidenden Schritt voran brachte.
Es war der Projekttag am Mainburger Gabelsberg-Gymnasium, an dem Eltern und Kinder sich mit eigenen Vorschlägen für eine interessante Gestaltung einbringen konnten.
Da ich diese 3 Sender und 5 Peilempfänger hatte, machte ich den Vorschlag 2 Gruppen von 5 Kindern für je 2 Stunden mit dem Auffinden versteckter Sender zu beschäftigen. Der Vorschlag wurde angenommen und ich hatte 3 Wochen für die Vorbereitungen Zeit.
Wie nicht anders erwartet gab es Probleme mit der Technik, die jahrelang ungenutzt war. Mit einigem Aufwand konnten 2 Sender wieder zum Laufen gebracht werden. Um den Vormittag aber so interessant wie möglich zu gestalten, waren die beiden Sender zu wenig. Eine richtige Fuchsjagd erfordert nunmal 5 Füchse und eine Zielbake. Dafür wurden weitere 4 Sender benötigt.
Die Geräte von 1998 wollte ich nicht mehr nachbauen. Manche Endstufe mit dem BD137 entwickelt ein Eigenleben und um das Schwingen zu beseitigen, mussten Maßnahmen zur Reduzierung der Leistung ergriffen werden. 1,2 Watt war dann das Maximum an Sendeleistung. Zur Steuerung der neuen Sender wurden außerdem zusätzliche Prozessoren benötigt. Die alten PIC's - wenn überhaupt noch erhältlich - kamen dafür nicht mehr in Frage. Warum nicht die gesammelten Erfahrungen mit den ATMEL-Prozessoren und der Programmiersprache Bascom anwenden ? Wie aber soll nun der HF-Trakt der neuen Sender aussehen ?
Erst kürzlich stand ein interessanter Beitrag von Hans Joachim Brand, DJ1ZB in der CQ-DL 5/2011. Darin wurden QRP-Sender für 80- und 40m mit dem leistungsfähigen HF-FET RD06HHF1 beschrieben, deren Anzahl an Bauteilen für den MAS-Contest (Minimal Art Session) auf ein Minimum reduziert wurde. 3-4 Watt versprachen seine 2-stufigen Sender, bei 12-14V Betriebsspannung - dieser FET von Mitsubishi muss wahre Wunder vollbringen können... ich wollte es wissen und bestellte mir 5 Stück im Onlineshop des Funkamateur.
Ansicht eines Prototypen
Die ersten Ergebnisse waren allerdings nicht sehr berauschend: zu wenig Sendeleistung, dafür aber ein unendlich langer Lattenzaun auf dem Spektrumanalyser.
Ich wandte mich an Ha-Jo, DJ1ZB der sich die Zeit nahm und in sehr ausführlichen E-Mails Stellung zu meinen Problemen bezog. Dabei musste er umdenken, denn beim ARDF-Sender sind einige Stufen anders aufgebaut als bei seinem QRP-Sender mit 50 Ohm-Ausgang. Letztendlich hat er einen nicht unerheblichen Beitrag daran, dass dieses Projekt gelang und veröffentlicht werden kann - man kann es sozusagen als Gemeinschaftsprodukt von DJ1ZB und mir sehen. Einiges vom DF2FQ-Sender ist auch wieder mit eingeflossen. Dazu dann mehr im nacholgenden Abschnitt
Technische Daten
Sendeleistung: 2,5 Watt
Betriebsspannung: 9-13 V
Stromaufnahme: 270 mA bei 12,5V
Antennelänge: 3-10 m
Oberwellenunterdrückung: siehe Text
Schaltung des Senders
80m ARDF-Sender
Oszillator
Die mit dem NPN-Transistor T1 aufgebaute Stufe schwingt im 80m-Band. Die Frequenz ist durch den Quarz Q1 festgelegt und kann mit dem Trimmkondensator C1 geringfügig verändert werden. So lassen sich eventuelle Frequenzunterschiede einzelner Füchse ausgleichen. Will man darauf verzichten, kann C1 durch eine Brücke ersetzt werden.
Bei den 80m-ARDF-Sendern haben sich Standardquarze mit einer Frequenz von 3579 kHz durchgesetzt. Der Rückholfuchs muss allerdings auf einer anderen Frequenz senden. Meist ist es 3600 kHz und die Bauformen dieser Quarze können verschieden sein. Um auch die größeren HC6/U-Quarze verwenden zu können, steht der zusätzliche Löt-PAD1 zur Verfügung.
Weil der Quarzoszillator T1 getastet wird, hat der Prozessor einen eigenen Quarz mit der Frequenz von 4 MHz. So ist sicher gestellt, dass in den Sendepausen absolut nichts vom Sender zu hören ist.
Wird die Basis des PNP-Transistors T4 an Masse gelegt, schaltet dieser die Betriebsspannung für T1 durch. Für Testzwecke, z.B. für den Antennenabgleich, kann dies mit einem Taster an PAD9 erfolgen. Eine Masseverbindung kann aber auch durch die Kollektor-Emitter-Strecke von T5 hergestellt werden. Dessen Basis wird mit einem Schalter zwischen PAD10 und PAD11 mit dem Prozessorausgang verbunden. Die dort anliegende CW-Kennung ist highaktiv.
Auch die Spannung des Spindeltrimmers R4 wird über T4 getastet. Mit R4 wird die Gatespannung des FET T2 eingestellt. Da das Gate hochohmig ist, fließt hier kaum Strom, allerdings erhöht sich mit zunehmender Gatespannung der Drainstrom. Durch die Tastung fließt dieser nur dann, wenn auch der Oszillator arbeitet.
Eine weitere Besonderheit dieser Stufe ist das Verhältnis von C2 und C3, das auf größtmögliche Oszillatorleistung ausgelegt ist. Bei Ha-Jo's Versuchen brachten C2-Werte von 1-2,2nF kaum Einfluss auf die Ansteuerung von T2. C3 verringert dagegen die Ansteuerung, wenn er vergrößert wird.
Da der Eingang des FET's hochohmig ist, sollte der Signalausgang des Oszillators ebenfalls hochohmig sein. Für Wechselspannungen erreicht man das mit der Drossel L1 deren induktiver Blindwiderstand 6 mal größer ist als der kapazitive Blindwiderstand des FET- Eingangs mit 25pF.
Ein Versuch die Drossel einzusparen und durch Verringern des Emitterwiderstandes R3 dieselbe Ansteuerleistung zu erzielen, führte nicht mal annährend zum selben Ergebnis.
Eine kapazitive Verbindung vom Gate nach Masse könnte T2 zum Schwingen bringen. Ohne R5 wäre das über mit C3 möglich. Auch wenn es bei meinen Prototypen nicht dazu kam, habe ich auf Ha-Jo's Anraten diesen Widerstand mit vorgesehen.
PA
Zum Eingang der PA ist ja schon einiges gesagt worden. Die Ausgangsstufe ist für den ARDF-Einsatz optimiert. Bei angestrebten 2,5Watt Ausgangsleistung wäre der Ausgangswiderstand nach den gängigen Berechnungsformeln ca.30 Ohm. Somit sollte die Induktivität von L2 = 1,3 µH sein (XL=30Ohm, f=3600kHz) und die Kapazität von C8 ca. 1500pF. Die Induktivität von L3 müsste dann wesentlich kleiner ausfallen als in meiner Schaltung.
Versuche zeigten aber, dass der Ausgangskreis nach DF2FQ optimal für die Anpassung verkürzter Antennen geeignet ist. Also C8 mit 330pF gegen Masse, L3 mit 12,25 µH in Reihe und nochmal ein Drehkondensator von 500pF am Ausgang zu Masse reichen vollig aus. Wie das Spekrumbild zeigt, ist die Unterdrückung der ersten Oberwelle auf 40m für diesen geringen Aufwand garnicht so schlecht.
Der Prototyp war mit 8m-Drahtantenne und Gegengewicht im bewaldeten Gelände noch in 8km Entfernung aufzunehmen (Peilempfänger). Albert, DK2XD, konnte ihn in ca. 1 km mit einem FT1000 und 2*10m-Dipol mit S9+20dB empfangen. Auf 40m war bei ihm absolut nichts mehr zu hören.
Beim Löten des PA-FET sollte das Gate mit der Source über zwei Klemmhaken und einer Litzenverbindung kurzgeschlossen werden, da diese FETs gegen Fremdspannungen empfindlich sind.
Die Drossel L2 sollte für Ströme von max. 1A ausgelegt sein - auch wenn normalerweise weniger Strom fließt. C8 ist ein Wickelkondensator von 330pF, der auch aus einer Parallelschaltung mehrerer Kondensatoren bestehen kann. Keinesfalls sollten hier Keramikkondensatoren verwendet werden !
L3 ist eine Spule mit Eisenpulver-Ringkern T68-2 (rot) und 47 Windungen CuL, Durchmesser 0,5mm. Der kleinere T50-2 Kern müsste mit 50 Windungen 0,25mm CuL bewickelt werden, um die selbe Induktivität zu erreichen. Die Spule hat dann eine geringere Güte.
TR1 ist ein Ferritübertrager FT23-43. Primär wird eine Windung mit 0,5mm CuL aufgebracht, sekundär sind es 10 Windungen 0,25mm CuL. Der induzierte Antennenstrom fließt dann durch R15 und die Diode D1 richtet die im Stromkreis anliegende HF-Spannung gleich.
HF-Reste werden von C9 gegen Masse abgeleitet, sodass für die nachfolgende Anzeige eine saubere, dem Antennenstrom proportionale Gleichspannung zur Verfügung steht.
Zur Anzeige kann wahlweise ein Drehspul-Messinstrument für 100 - 300 µA oder eine Leuchtdiode verwendet werden. Mit R7 lässt sich der Anzeigebereich des Messinstruments justieren.
R8, R9, R10, C10 und T3 sind für die Anzeige mit LED gedacht. Sie können bei Verwendung des Drehspulinstrumentes weg gelassen werden. Wählt man die LED-Anzeige gilt das Selbe für R7.
Ursprünglich wurde für die Outputanzeige die HF-Spannung ausgekoppelt und gleich gerichtet. Das führte aber zu Oberwellen im VHF-Bereich. Selbst mit einem Koppelkondensator von 2,7pF waren diese Schwingungen noch im Spektrum (siehe oben) zu sehen. Durch Verwendung eines Ferritübertragers vermeidet man solche unerwünschten Nebenerscheinungen
Zeit- und Kennungsgeber
Dieser wird mit einem ATMEL Controller Attiny 2313 realisiert. Durch die Taktung mit externem Quarz wird eine sehr hohe Zeitstabilität erreicht.
Über PB0-5 lässt sich mit Jumpern die gewünschte Kennung mit dem dazugehörigen Zeitintervall einstellen. In Version 1 der Firmware beträgt die Pausenzeit bei allen Kennungen 4 Minuten. Nur wenn kein Jumper gesteckt ist, wird ständig "MO" gesendet. Ist z.B. Jumper 1 gesteckt, beginnt der Sender sofort mit MOE. Nach einer Minute folgen 4 Minuten Sendepause. Bei Jumper 2 wird nach einer Minute Verzögerung MOI gesendet, danach folgen 4 Minuten Pause usw.
An PAD12 kann eine LED angeschlossen werden, die im Sekundentakt leuchtet. So hat man eine Funktionskontrolle des Kennungsgebers.
Der Kennungsgeber wird durch Anlegen von Masse an PAD14 gestartet. Dieser PAD ist mit einer Chinchbuchse auf der Rückseite des Senders verbunden. Durch Anschluss eines zentralen Starttasters ist ein gleichzeitiges Starten aller Kennungsgeber vor Inbetriebnahme der Sender möglich.
Verbindet man PAD 10 und 11 wird die Kennung an den Sender weiter gegeben. Dies darf erst nach dem Anschluss und Abgleich von Antenne und Erde geschehen. Die Sender werden also nach dem Einschalten (Powerschalter) und dem Start des Kennungsgebers zum Aufstellort transportiert. Um sie beim Transport nicht versehentlich auszuschalten, sind für "Power" Schiebeschalter vorgesehen.
Am Aufstellort wird nach dem Anpassen der Antennen (Taster "Test") die Verbinden von PAD10 und 11 mit dem Schalter "Kennung an/aus" eingeschaltet. Der versehentliche Betrieb ohne Antenne hat bisher zu keinen Ausfällen geführt. Sollte beim Transport doch mal ein Sender versehentlich ausgeschaltet werden, muss dieser vor Ort mit einem an die Chincbuchse gesteckten Taster wieder zum richtigen Zeitpunkt gestartet werden.
Die Diode D2 dient zum Schutz gegen Verpolung. In die Zuleitung der Betriebsspannung sollte deshalb auch eine Sicherung integriert sein. Bei Peilwettkämpfen ist es nicht verkehrt, eine Schachtel Ersatzsicherungen dabei zu haben. Die zu wechseln ist allemal einfacher, preiswerter und geht schneller als der Austausch anderer Bauteile.
Platine
Die Platine ist doppelseitig beschichtet. Die Oberseite dient nur als Massefläche. Will man den Herstellungsaufwand gering halten, reicht es nur die Unterseite zu belichtet und zu ätzen. Die Oberseite lässt man während dieser Arbeitsschritte von der Schutzfolie bedeckt.
Layout auf der Unterseite
Nach dem Ätzen wird die Folie abgezogen und beide Seiten werden vom Fotolack befreit. Zuerst bohrt man nur die Pads, die keine Verbindung zur Masse haben. Um Kurzschlüsse zu vermeiden werden diese dann auf der Oberseite mit einem größeren Bohrer frei gemacht. D.h. sie werden dort nur angebohrt, sodass in einem Druchmesser von 2-3mm kein Kupfer mehr an diesen Stellen ist.
Danach bohrt man die Löcher für die Massepads. Alle Beinchen die mit Masse verbunden sein sollen, werden dann auf der Ober- und Unterseite verlötet.
Natürlich kann man auch beide Seiten der Leiterplatte belichten und ätzen. Im Downloadbereich steht die letzte und endgültige Version des Layout zur Verfügung. Die EAGLE-Dateien sind mit der Version 5.0.0 für Windows "Light Edition" erstellt, die man bei Cadsoft gratis runter laden kann.
Die Größe der Platine von 100mm x 63mm ist für den Einbau in ein Weißblechgehäuse ausgelegt. Einige meiner Prototypen habe ich so aufgebaut. Allerdings sind diese Gehäuse nicht wetterbeständig.
Die Platine kann auch an den Bohrungen mit Gewindebolzen befestigt werden.
Bestückungsplan
Platine nur für Drehspulinstrument als HF-Indikator bestückt (bei LED-Indikator entfallen R7 und PAD4)
Messaufbau für Erstinbetriebnahme (links:Stromaufnahme, hinten:HF-Spannung, gemessen an 1kOhm mit 10:1-Tastkopf, rechts:Betriebsspannung)
Inbetriebnahme
Dazu vorher den Spindeltrimmer so einstellen, dass der Schleifer auf Masse liegt, am Antennenausgang einen 500pF Drehkondensator anlöten, der mit dem 2. Anschluss an Masse liegt. Parallel zum Drehkondensator einen 1 kOhm-Widerstand (induktionsfrei) mit einer Belastbarkeit von mindestens 2 Watt anschließen. Je nach Bestückung ein Drehspulinstrument oder eine LED als HF-Indikator anschließen.
Zur Messung der HF-Ausgangsspannung ist ein Oszilloskop am besten geeignet, weil man damit auch die Signalform überprüfen kann. Es wird parallel zum Abschlusswiderstand angeschlossen. Man kann aber auch mit einem (zur Not selbst gebauten) HF-Tastkopf und Voltmeter die Ausgangsspannung messen.
Ein Labornetzteil mit Strombegrenzung wird auf 12V eingestellt. In die Plusleitung, die mit PAD7 des Senders verbunden ist, wird ein Strommesser geschaltet. Der Prozessor steckt noch nicht im Sockel. Nach dem Anlegen der Betriebsspannung fließt so gut wie kein Strom, weil außer dem 78L05 alle aktiven Bauteile außer Betrieb sind.
PAD9 (Taster "Test") wird mit Masse verbunden. Der Oszillator sollte jetzt schwingen und der FET verstärken. Mit dem 500pF Drehkondensator auf Maximum abgleichen und dabei das Signal auf dem Oszilloskop- und die Stromaufnahme überprüfen. Ist alles in Ordnung, wird der Spindeltrimmer langsam aufgedreht. HF-Ausgangsspannung und Strom steigen dabei an. Wenn nur noch der Strom steigt und sich an der HF-Amplitude nichts mehr ändert, dann den Spindeltrimmer wieder soweit zurück drehen, dass das Stom-Spannungsverhältnis optimal ist. Ein höherer Strom hat keine Auswirkungen auf die Signalqualität, wie sich mit dem Spektrumanalyser nachweisen ließ. Die Entladezeit des Akkus wird dadurch allerdings verkürzt.
Die Drehko-Einstellung für maximale HF-Spannung sollte auch bei den Indikatoren ein Maximum erzeugen. Mit R7 wird der Ausschlag des Messinstrumentes justiert. Bei der LED-Anzeige muss nichts eingestellt werden. Vorsicht, der 2W Lastwiderstand wird heiß.
Messwerte
Spannung; Strom; HF-Spannung; Leistung
13,5V 320mA 170Vss 3,6W
12,5V 300mA 160Vss 3,2W
11,5V 280mA 150Vss 2,8W
10,5V 250mA 135Vss 2,3W
9,5V 230mA 120Vss 1,8W
8,5V 210mA 110Vss 1,5W
7,5V 175mA 90Vss 1W
6,5V 150mA 75Vss 0,7W
5,5V 110mA 50Vss 0,3W
Das Verringern der Betriebsspannung führt zwangsläufig zum Abfall der HF-Amplitude. Dabei änderte sich aber nichts an der Signalform. Ein sauberer Sinus ist auch bei 5V noch nachweisbar. Betreibt man den Sender mit weniger Spannung, gibt es keinerlei Verzerrungen oder Schwingen.
Mit geringer Betriebsspannung immer noch eine ausreichende Sendeleistung zu erzeugen, dürfte für den Einsatz dieses FET's in der Endstufe sprechen. Bei einbrechender Akkuspannung wird der Sender nur schwächer, er schaltet sich aber erst dann aus, wenn der Prozessor nicht mehr genug Spannung bekommt (Ub<5V)
Inzwischen haben wir im OV U24 unsere erste Fuchsjagd mit diesen Sendern veranstaltet. Es gab keine Ausfälle. Die Sender waren 5 Stunden in Betrieb und lieferten bis zum Schluss gute Signale, die überall lautstark zu hören waren. Die Restspannung der 1,35 Ah-Akkus lag danach immer noch über 12V. Die Zeitpunkte der Aussendungen blieben bis zum Schluss konstant. Ich kann zufrieden sein, allerdings nicht ganz:
die Gehäuse der Sender sind nicht wetterfest und müssen bei Regen mit Plastiktüten abgedeckt werden. Hier sollte eine andere Lösung gefunden werden.
Layout und Software stehen als Download zur Verfügung
Neustadt, 07.12.2011