Der Antennenschalter
Wie man im Schaltplan von PA8W sehen kann, gibt es rechts einen umrandeten Kasten: der Antennenschalter, inklusive Koax-Kabel und Antennen.
Man kann den Antennenschalter entweder in die Antennensteuerelektronik integrieren oder nahe den Antennen in einem separaten Gehäuse aufbauen. Die integrierte Variante kann man wiederum auf 2 Arten montieren. Prinzipiell gibt es also 3 Möglichkeiten, mit entsprechenden Vor- und Nachteilen:
1) Antennenschalter separat, im Sternpunkt der Antennen
2) Antennenschalter „integriert“, im Sternpunkt der Antennen
3) Antennenschalter „integriert“, im Fahrzeuginneren
Version 3 mit 4 dünnen RG174-Koax-Kabeln (Bild: © DO9WA)
Der PC bzw. der Laptop ist hier nicht eingezeichnet
Links = Linker Stereo-Eingang (Referenzfrequenz von der Antennensteuerelektronik) zum PC/Laptop
Rechts = Rechter Stereo-Eingang (Doppler-Ton vom Empfänger) zum PC/Laptop
Hold = Steuereingang zum Ein-/Ausschalten der Antennenrotation (Schalter gegen Masse)
+12 V = Versorgungsspannung für die Antennensteuerelektronik
Vor- und Nachteile
Version 1
Ein separater Antennenschalter im eigenen Gehäuse hat den Vorteil, daß man bei „vielen“ Antennen ebenso viele Koax-Kabel („nach unten“) einsparen kann. Bei einer Hausdachmontage (mit vielleicht 20 m zum Antennenfeld) ist dies sehr sinnvoll! Was die „Masseverteilung“ der Antennen und ihrer Koax-Kabel betrifft, so ist der symmetrische Aufbau (eventuell in einem Metallgehäuse, mit getrennten Kammern) HF-technisch sicherlich die beste Wahl. Nachteilig ist, daß die HF- und Steuerkabelstecker spritzwassergeschützt ausgeführt werden müssen, falls man welche verbaut.
Version 2 und 3
Wenn man den Antennenschalter auf der Platine der Antennensteuerelektronik integriert, dann hat es den Vorteil, daß man kein weiteres Gehäuse für einen separaten Antennenschalter benötigt.
Version 3
Befindet sich die komplette Elektronik beim Empfänger bzw. am Laptop, dann muß man für jede Antenne je ein Koax-Kabel „runterführen“! Wenn das Antennenfeld auf einem Autodach betrieben wird, dann ist dies bei den kurzen Strecken kein großer Nachteil, bei Montage auf einem Hausdach aber schon!
Version 2
Befindet sich die Antennensteuerelektronik inklusive Antennenschalter nahe den Antennen, dann braucht man nur 2 Kabel ins Fahrzeuginnere zu führen: ein Koax-Kabel und ein Versorgungskabel. Bei einer Hausdachmontage (mit vielleicht 20 m „Strecke“) kann man so neben vielen Koax-Kabeln auch ein mehradriges Steuerkabel einsparen, denn die Elektronik arbeitet autark. Nachteilig ist dann aber, daß die Antennen ohne Steuerkabel nicht einzeln vom Shack aus überprüft werden können.
Eine weitere Besonderheit bei einer Hausdachmontage ist, daß das Pegel-Poti für die Referenzspannung üblicherweise nicht mehr so einfach zugänglich ist. Das ist aber kein Problem, da man dieses nur 1 x grob bei der Erstinbetriebnahme (auf dem Labortisch, ohne Antennen) einstellen muß. Die Feinjustierung erfolgt über das Soundkarten-Menü.
Will man bei langen Leitungen auf ein (separates) abgeschirmtes NF-Kabel verzichten bzw. das Signal/Rausch-Verhältnis der Referenzspannung verbessern, dann könnte man anstelle des Poti-Ausgangs (Punkt B) den Eingang des Tiefpasses (Punkt A) „nach unten“ führen und so den Tiefpass inklusive Poti an den Laptop „verlagern“. Dort braucht es dann eine kleine Zusatzplatine mit dem Tiefpass, dem Poti und eventuell einem NF-Trenn-Trafo.
Hinweise
• Die Koax-Kabel zu den Antennen müssen alle gleich lang sein!
• Das Koax-Kabel zum Empfänger darf (bei der Version 1 und 2) beliebig lang sein.
• Bei mehr als 4 Antennen ist die Version 3 nicht empfehlenswert (zu viele Koax-Kabel).
Der Antennenschalter im Detail
Jeder Diodenschalter besteht aus einer PIN-Diode, einer Drossel und 2 Kondensatoren. Der linke Kondensator bildet zusammen mit der Drossel einen Tiefpass, der ein Abfließen der Antennenspannung in Richtung Steuereingang verhindert. Der rechte Kondensator leitet die Antennenspannung von der Antenne übers Koax-Kabel zum Empfänger.
Am Ausgang des Antennenschalters hängt (quasi als „Last“) eine weitere PIN-Diode über eine Drossel an Masse. Die Drossel ist nötig um einerseits zu verhindern, daß die Antennenspannung nach Masse abfließt und andererseits, daß ein DC-Steuerstrom von der Antennensteuerschaltung fließen kann.
Man beachte den HF-sensitiven Bereich bzw. die internen Koax-Kabel zu den BNC-Buchsen!
Wer will (bzw. weiß wie's geht und die passende Software sowie einen geeigneten Platinenhersteller an der Hand hat), der kann die internen Koax-Kabel zu den BNC-Buchsen auch als Streifenleitung auf einer dazu passenden, doppelseitigen Leiterplatte realisieren.
Wer kein dünnes RG174-Koax-Kabel zur Hand hat, der kann für die internen Verbindungen zu den BNC-Buchsen auch abgeschirmte NF-Kabel einlöten. Die Kabelimpedanz ist dann zwar keine 50 Ω, aber die Leitungen sind sehr kurz, womit eine mögliche Impedanztransformation gering ausfällt. Hauptsache der Aufbau hat definierte und somit konstante Eigenschaften. Außerdem, wer will schon über die Peilantennen senden?!
Funktion
Schickt man über den Steuereingang einen Strom durch beide PIN-Dioden nach Masse, dann werden diese leitfähig und die GP-Antenne wird zum Rx-Koax-Kabel durchgeschaltet. Ohne Strom am Steuereingang sind beide Dioden nicht leitfähig, also sehr hochohmig: Die Antenne wird abgetrennt bzw. die Zuleitung zum Rx-Koax-Kabel wird für diese Antenne unterbrochen, damit andere Antennen an den Empfänger gekoppelt werden können.
Bei der Version mit Dipolen werden pro Antenne insgesamt 3 PIN-Dioden geschaltet:
PA3BNX erwähnt in seinem Flyer, daß die Koax-Kabel zu den Antennen 34 cm lang sein sollen. PA8W schreibt dagegen, daß die Koax-Kabel zu den Antennen nur gleich lang sein müssen. Also, was ist jetzt richtig?
Beides ist ok!
Eine mechanische Koax-Kabellänge von 34 cm bedeutet eine elektrische Länge von λ/4 (für eine Frequenz im 2-m-Band, mit dem Verkürzungsfaktor Vk = 0,66). Grund für die Vorgabe sind die transformatorischen Eigenschaften von Koax-Kabeln, speziell bei λ/4:
Wenn die PIN-Diode an der Antenne ohne Steuerstrom hochohmig ist, dann wird dieser Widerstand an den Anfang des λ/4-Kabels auf 0 Ω transformiert und schließt dort eventuelle Reste der Antennenspannung nach Masse kurz. Umgekehrt wird der hochohmige Widerstand der PIN-Diode am Anfang des λ/4-Kabels ans Kabelende auf 0 Ω transformiert. Vagabundierende Antennenspannungen können also unmöglich auf die „Sammelschiene“ zum Empfänger durchkommen.
Wer mag, der darf die von PA3BNX vorgeschlagenen (meist eh „viel zu kurzen“) 34 cm langen Koax-Kabel mit einem Ungeradzahligen von λ/4 verlängern (siehe Tabelle). Oder man folgt dem Vorschlag von PA8W und verwendet Koax-Kabel mit beliebiger Länge. Der Unterschied dürfte nicht allzugroß sein (wenn man PIN-Dioden anstelle von Universal-Dioden einlötet!), denn die PIN-Dioden sind im „offenen Zustand“ eh hochohmig, sollten ausreichend Dämpfung aufweisen.
Nicht vergessen:
Alle Leitungen, vom Sammelpunkt im Antennenumschalter, über eventuell vorhandene Koax-Stecker/-Buchsen bis hin zu den Antennen müssen gleich lang sein. Es empfiehlt sich also ein sternförmiger Aufbau des Antennenschalters, ob jetzt als separater Schalter auf dem Dach oder integriert in der Antennensteuerelektronik.
Beispiel
Der 8-fach-Mobil-Antennenschalter von DF9IE
Antennenschalterdose vor dem Einbau der Platine
Deckel verschraubt (nicht verlötet!)
Oberseite (unterer Deckel mit 28 Mini-Neodym-Magneten)
Doppelseitige Lochraster-Platine: Unterseite mit Koax- und Steuerkabel
Empfehlung:
Die Deckel einer Weißblechdose besser verschrauben als verlöten, denn sonst ist eine Reparatur (z. B. wegen ESD oder einem ungewollten „Sendeversuch“) ohne Schaden an der Elektronik bzw. am RG174-Koax-Kabel so gut wie unmöglich!
PIN-Dioden versus Universal-Dioden
In fast allen Bauvorschlägen (z. B. RAMSEY-Peiler, SSSD-Peiler usw.) werden in den Stücklisten (aus Kostengründen) Universal-Dioden (1N4148) anstelle von PIN-Dioden angegeben. Diese „schalten zwar auch“, aber die HF-Eigenschaften von PIN-Dioden sind deutlich besser, speziell das Sperrverhalten:
Oberhalb von 10 MHz verhalten sich PIN-Dioden wie ein Ohmscher Widerstand, d. h. man kann das Dämpfungsverhalten mit dem Steuerstrom steuern, was speziell bei Weichtastern gebraucht wird.
Drosselspule
Wie oben schon erwähnt, hat die Drossel direkt an der Antenne die Aufgabe, den Antennensteuerstrom durch die PIN-Diode(n) nach Masse abzuleiten und dabei die Antennenfußpunkt-Impedanz möglichst wenig zu belasten. Die Drossel im Antennenschalter dient dazu, den Antennensteuerstrom durch die PIN-Dioden zu leiten sowie HF-Spannungen zum Steuerteil abzukoppeln (und dabei die „Antennensammelschiene“ möglichst wenig zu belasten).
Die Drosseln müssen also für Gleichstrom möglichst niederohmig, aber gleichzeitig auf der Betriebsfrequenz des Peilers möglichst hochohmig sein.
Bei Eigenresonanz zeigen die Kurven in den Datenblättern ihr Impedanz-Maximum. Zu tieferen Frequenzen hin haben die Drosseln das gewünschte induktive Verhalten, während die Impedanz oberhalb der Eigenresonanz in ein kapazitives Verhalten übergeht.
Soll der Antennenumschalter sowohl im 2-m-Band als auch im 70-cm-Band Verwendung finden, dann besteht die Schwierigkeit darin, eine Drossel zu finden, die sowohl bei 145 MHz als auch bei 435 MHz ausreichend hochohmig ist. Außerdem sollte die Drossel als Induktivität wirken, d. h. die Betriebsfrequenz muß unterhalb der Eigenresonanz liegen.
Es gilt:
RDC ≈ 0 Ω
│Z│ >> 50 Ω
fBetrieb < fResonanz
Beispiel: FASTRON-Drosseln (Datenblatt: Klick auf das Bild)
1-µH-Drossel - Eigenresonanzfrequenz: 200 MHz (braue Kurve)
Die von PA8W verwendete 1-µH-Drossel weist fürs 2-m-Band eine ausreichend hohe Impedanz von 1,6 kΩ auf (welche u. a. parallel zur Antennenfußpunkt-Impedanz von 50 Ω liegt). Die Kurve endet allerdings bei 230 MHz.
Der Hersteller hat keine weiteren Meßdaten angegeben, da die Drossel jenseits der Eigenresonanz im kapazitiven Bereich arbeitet. Ich habe die Kurve nach unten „verlängert“, um abzuschätzen, welche Impedanz diese Drossel bei 435 MHz hat.
Da für den Peiler keine energetischen Aspekte relevant sind, ist es weniger wichtig, ob die Drossel bei hohen Frequenzen eine kapazitive oder eine induktive Impedanz aufweist. Lediglich der Betrag der Impedanz │Z│ (Scheinwiderstand) ist von Interesse.
Falls die Extrapolation der Kurve korrekt wäre, dann würde der Scheinwiderstand │Z│ für 435 MHz bei durchaus brauchbaren 300 Ω liegen.
Link zum Distributor:
0,1-µH-Drossel - Eigenresonanzfrequenz: 700 MHz (blaue Kurve)
Für den Betrieb im 70-cm-Band sollte man eine Drossel wählen, die eine Eigenresonanz von höher als 435 MHz aufweist.
Die 0,1-µH-Drossel weist für 435 MHz eine hohe Impedanz von │Z│ = 1,1 kΩ auf (welche u. a. parallel zur Antennenfußpunkt-Impedanz von 50 Ω liegt).
Bei 145 MHz beträgt der Scheinwiderstand │Z│ allerdings nur noch 110 Ω.
Link zum Distributor:
0,47-µH-Drossel - Eigenresonanzfrequenz: 310 MHz (grüne Kurve)
Alternativ könnte man eine 0,47-µH-Drossel einbauen, was ein Kompromiß zwischen der 1-µH-Drossel und der 0,1-µH-Drossel darstellt. Die Scheinwiderstände für beide Bänder (900 Ω und 530 Ω) liegen jeweils oberhalb von 500 Ω, womit die Bedingung │Z│ >> 50 Ω (mit einem Faktor > 10) erfüllt ist.
Link zum Distributor:
Fazit
Aus dem Datenblatt ist ersichtlich, daß die Bedingungen für beide Bänder nur schwer zu erfüllen sind. Die FASTRON-Drosseln sind für den Betrieb auf 2 Bändern einfach nicht „breitbandig“ genug.
Zusammenfassung
Der Antennenschalter und die Antennen sind die einzigen Punkte, an denen „Hochfrequenz ins Spiel kommt“!
Also, wer‘s richtig gut machen möchte, der kreiert ein doppelseitiges, sternförmiges Layout und baut den Antennenumschalter in ein Weißblech ein. Mit Trennwänden aus Blech hat man eine optimale Trennung zwischen den Eingängen (oben), als auch zum Ausgang/„HF-Sammelpunkt“ und den Steuerleitungen (unten). Das funktioniert auch mit einer doppelt kaschierten Lochrasterplatine und obenliegender, durchgehender Massefläche.
Wenn man den Aufbau sorgfältig und HF-gerecht ausführt, dann sollte der einwandfreien Funktion des SSSD-Peilers nichts mehr im Wege stehen.
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