Entwicklung und Aufbau eines automatischen, Mikrocontroller gestützten Kurzwellen- Anpassungstransformators für den Frequenzbereich von f = 1.

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1 Studienarbeit Entwicklung und Aufbau eines automatischen, Mikrocontroller gestützten Kurzwellen- Anpassungstransformators für den Frequenzbereich von f = MHz Michael Blasius Universität Duisburg-Essen - Hochfrequenztechnik Prof. Dr.-Ing. K.Solbach 1

2 Gliederung Einleitung 2

3 Gliederung Einleitung Anforderungen 2

4 Gliederung Einleitung Anforderungen Lösungsansatz 2

5 Gliederung Einleitung Anforderungen Lösungsansatz Systemkonzept 2

6 Gliederung Einleitung Anforderungen Lösungsansatz Systemkonzept Systemkomponenten 2

7 Gliederung Einleitung Anforderungen Lösungsansatz Systemkonzept Systemkomponenten Software 2

8 Gliederung Einleitung Anforderungen Lösungsansatz Systemkonzept Systemkomponenten Software Praktischer Aufbau 2

9 Gliederung Einleitung Anforderungen Lösungsansatz Systemkonzept Systemkomponenten Software Praktischer Aufbau Erweiterungsmöglichkeiten 2

10 Gliederung Einleitung Anforderungen Lösungsansatz Systemkonzept Systemkomponenten Software Praktischer Aufbau Erweiterungsmöglichkeiten Vorführung 2

11 Einleitung Übertragungsstrecke Z 0 G Z Antenne 3

12 Einleitung Übertragungsstrecke Z 0 G Z Antenne Leistungsanpassung wenn: Z 0 = Z Antenne 3

13 Einleitung Stehende Welle 2 2 U max Umin 3

14 Einleitung Stehende Welle 2 2 U max Umin Stehwellenverhältnis VSWR VSWR = U max U min 3

15 Einleitung Transceiver direkt an Antenne ) J A A 6 H = I? A E L A H A E J K C 3

16 Einleitung Transceiver über Tuner an Antenne ) J A A 6 H = I? A E L A H A E J K C ) F = I I C A H J A E J K C 3

17 Systemanforderungen Automatische Anpassung 4

18 Systemanforderungen Automatische Anpassung Frequenzbereich 1.8MHz bis 30MHz (Kurzwellenband) 4

19 Systemanforderungen Automatische Anpassung Frequenzbereich 1.8MHz bis 30MHz (Kurzwellenband) Praktikabler Anpassbereich von Antennenimpedanzen 4

20 Systemanforderungen Automatische Anpassung Frequenzbereich 1.8MHz bis 30MHz (Kurzwellenband) Praktikabler Anpassbereich von Antennenimpedanzen Möglichst großer Leistungsbereich 4

21 Lösungsansatz Messaufnehmer Auswertung Anpassung Richtkoppler Microcontroller Collins-Filter Messelektronik Ermittlung von VSWR +Sendefrequenz Regelschleife Motoren mit Treibern Minimierung des VSWR 5

22 Lösungsansatz Messaufnehmer Auswertung Anpassung Richtkoppler Microcontroller Collins-Filter Ermittlung des Reflektionsfaktor + Sendefrequenz Messelektronik Berechnung der Antennenimpedanz sowie der Filterreaktanzen Motoren mit Treibern Direkteinstellung des Collins-Filters 5

23 Systemkonzept RICHTKOPPLER Collins-Filter L IN 50R 50R C1 C2 OUT GAIN/PHASE DETECTOR Comparator M0 M1 M2 Frequenzteiler Treiber Treiber Treiber ADC COUNTER Q Microcontroller (µc) ATMEL 90S8535 5V 12V Power-Supply 230V/50Hz 2x16 LC-Display Frontpanel AUTO OFF TUNE SWR STATUS 6

24 Systemkomponente: Collins-Filter Anforderungen an das Collins-Filter: 7

25 Systemkomponente: Collins-Filter Anforderungen an das Collins-Filter: Kontinuierliche Justierbarkeit via Motoren 7

26 Systemkomponente: Collins-Filter Anforderungen an das Collins-Filter: Kontinuierliche Justierbarkeit via Motoren Großer Anpassbereich 7

27 Systemkomponente: Collins-Filter Anforderungen an das Collins-Filter: Kontinuierliche Justierbarkeit via Motoren Großer Anpassbereich Ausreichende Leistungsfestigkeit 7

28 Systemkomponente: Collins-Filter Anforderungen an das Collins-Filter: Kontinuierliche Justierbarkeit via Motoren Großer Anpassbereich Ausreichende Leistungsfestigkeit Abschirmung zum Schutz der übrigen Komponenten 7

29 Systemkomponente: Collins-Filter Collins-Filter L Z 0 C1 C2 Z L 7

30 Systemkomponente: Collins-Filter Teilanpassbereiche des Collins-Filter L Z 0 C1 C2 Z L L Z 1 Z 2 L Z 0 C1 Z L Z 0 C2 Z L nicht anpassbar Z L 0 0 Z 0 Z 0 Z L nicht anpassbar 7

31 Systemkomponente: Collins-Filter Gesamtanpassbereich des Collins-Filter L Z 0 C1 C2 Z L Z 1 Z 2 Z Z 0 Z L Z 2 7

32 Systemkomponente: Collins-Filter Realer Anpassungsbereich bei 1.8MHz arc r R Z 0 X Z 0 7

33 Systemkomponente: Collins-Filter Realer Anpassungsbereich bei 28MHz arc r R Z 0 X Z 0 7

34 Systemkomponente: Richtkoppler Anforderungen an den Richtkoppler: 8

35 Systemkomponente: Richtkoppler Anforderungen an den Richtkoppler: Kleine Einfügedämpfung 8

36 Systemkomponente: Richtkoppler Anforderungen an den Richtkoppler: Kleine Einfügedämpfung Eigenimpedanz von 50Ω 8

37 Systemkomponente: Richtkoppler Anforderungen an den Richtkoppler: Kleine Einfügedämpfung Eigenimpedanz von 50Ω Ausreichende Leistungsfestigkeit 8

38 Systemkomponente: Richtkoppler Design des Richtkopplers IN d' Signalführender Leiter Auskoppelleiter d a c OUT A a' Abschirmgehäuse B 8

39 Systemkomponente: Richtkoppler Design des Richtkopplers IN d' Signalführender Leiter Auskoppelleiter d a c OUT A a' Abschirmgehäuse B Dimensionierungsvorschrift für das Gehäuse a d e Z0 60 8

40 Systemkomponente: Richtkoppler Design des Richtkopplers IN d' Signalführender Leiter Auskoppelleiter d a c OUT A a' Abschirmgehäuse B Dimensionierungsvorschrift für das Gehäuse a d e Z0 60 Ω Dimensionierungsvorschrift für den Auskoppelleiter a d e Z0 60 Ω 8

41 Systemkomponente: Richtkoppler Aufbau des Richtkopplers 8

42 Systemkomponente: Richtkoppler Fertig montierter Richtkoppler 8

43 Systemkomponente: Richtkoppler Charakterisierung des Richtkopplers: Einfügedämpfung a = 10 log ( 1 P OUT P IN ) 8

44 Systemkomponente: Richtkoppler Charakterisierung des Richtkopplers: Einfügedämpfung a = 10 log Einfügedämpfung a << 1 db ( 1 P OUT P IN ) 8

45 Systemkomponente: Richtkoppler Charakterisierung des Richtkopplers: Koppeldämpfung Frequenz Koppeldämpfung H Koppeldämpfung L MHz db db

46 Systemkomponente: Richtkoppler Richtschärfe (Directivity) 8

47 Systemkomponente: Richtkoppler Richtschärfe (Directivity) genügend groß 8

48 Systemkomponente: Richtkoppler Messung der Eigenimpedanz 8

49 Systemkomponente: Richtkoppler Messung der Eigenimpedanz 50Ω auf gesamten KW-Band 8

50 Systemkomponente: r-detektor RICHTKOPPLER 50R 50R 10dB Betrags/ Phasen Detektor AD8302 A Betrag 10dB A Phase 9

51 Systemkomponente: r-detektor RICHTKOPPLER 50R 50R 10dB Betrags/ Phasen Detektor AD8302 A Betrag 10dB A Phase Messwertausgabe als Analogspannungen 9

52 Systemkomponente: r-detektor RICHTKOPPLER 50R 50R 10dB Betrags/ Phasen Detektor AD8302 A Betrag 10dB A Phase Messwertausgabe als Analogspannungen Reflektionsfaktor-Betrag: 30 mv/db 9

53 Systemkomponente: r-detektor RICHTKOPPLER 50R 50R 10dB Betrags/ Phasen Detektor AD8302 A Betrag 10dB A Phase Messwertausgabe als Analogspannungen Reflektionsfaktor-Betrag: 30 mv/db Dynamikbereich von 60 db 9

54 Systemkomponente: r-detektor RICHTKOPPLER 50R 50R 10dB Betrags/ Phasen Detektor AD8302 A Betrag 10dB A Phase Messwertausgabe als Analogspannungen Reflektionsfaktor-Betrag: 30 mv/db Dynamikbereich von 60 db Eingangspegel bis -60 dbm 9

55 Systemkomponente: r-detektor RICHTKOPPLER 50R 50R 10dB Betrags/ Phasen Detektor AD8302 A Betrag 10dB A Phase Messwertausgabe als Analogspannungen Reflektionsfaktor-Betrag: 30 mv/db Dynamikbereich von 60 db Eingangspegel bis -60 dbm Reflektionsvektor-Phase: 10 mv/degree 9

56 Systemkomponente: Frequenzzähler 74F74 VDD Triggerlevel MAX t wait & 16Bit Zählregister 10

57 Systemkomponente: Frequenzzähler 74F74 VDD Triggerlevel MAX t wait & 16Bit Zählregister Zählergrenzfrequenz: f zähler < 1 2 f Quarz 10

58 Systemkomponente: Mikrocontroller Typ: ATMEL AT90S

59 Systemkomponente: Mikrocontroller Typ: ATMEL AT90S8535 Codespeicher 8KByte Flash 11

60 Systemkomponente: Mikrocontroller Typ: ATMEL AT90S8535 Codespeicher 8KByte Flash 8-Kanal 10Bit AD-Converter 11

61 Systemkomponente: Mikrocontroller Typ: ATMEL AT90S8535 Codespeicher 8KByte Flash 8-Kanal 10Bit AD-Converter Counter mit externem Eingang 11

62 Systemkomponente: Mikrocontroller Typ: ATMEL AT90S8535 Codespeicher 8KByte Flash 8-Kanal 10Bit AD-Converter Counter mit externem Eingang ISP Schnittstelle E H? J H A H ) 6 ' 5 & #! # ! 2 A C A = F = I I K C J M E? K C I K C A > K C 9 E ) 8 4. = I D I B J M = H A 2 O F H C 11

63 Software Initialisierung VSWR Messung Frequenzmessung Display-Update tune OFF SWR>2 SWR>3 automatic Ja nein Ja nein Tuning-Algorithmus 12

64 Aufbau: Hauptplatine 13

65 Erweiterungsmöglichkeiten und Ausblick Direktanpassung via Lastimpedanzvorberechnung 14

66 Erweiterungsmöglichkeiten und Ausblick Direktanpassung via Lastimpedanzvorberechnung Absicherung mit Dummyload Powersplitter Dummyload PA HF-Relais automatischer K W-Tuner Antenne 14

67 Erweiterungsmöglichkeiten und Ausblick Direktanpassung via Lastimpedanzvorberechnung Absicherung mit Dummyload Powersplitter Dummyload PA HF-Relais automatischer K W-Tuner Antenne Speichern von Filterkonfigurationen 14

68 Ende Demonstration 15

69 Ende Danke für Ihre Aufmerksamkeit 15

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