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DCF77-Empfang Anwendungen von
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DCF77-Kreuzantenne
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1 DCF77-Kreuzantenne

Ziel bei dieser Entwicklung war es, die Richtungsabhängigkeit von DCF77-Antennen zu verringern bzw. gänzlich loszuwerden.

Dazu habe ich zwei Varianten entwickelt. Bei beiden setzt sich die Spule aus zwei Einzelspulen zusammen. Im ersten Fall sind beide um 90° versetzt angeordnet, im zweiten Fall um 45°. Dadurch hat immer mindestens eine Spule Teilempfang, selbst wenn die andere vollkommen quer zur Richtung Mainflingen steht. Die Summe aus beiden Empfangsrichtungen wird dadurch nie Null, die querstehende Spule trägt halt gerade nur nicht zum Empfang bei.

Die zweite Variante mit 45° wurde deshalb entwickelt, weil 10 cm lange Ferritstäbe nicht in jeder Richtung in jedes Gehäuse passen. So kann der eine Stab am Gehäuseboden in eine Schrägrichtung eingebaut werden, der zweite Stab am Oberteil des Gehäuses in die andere Schrägrichtung. Je stärker sich die beiden Richtungen unterscheiden und je näher sie zu 90° rücken, desto geringer ist die richtungsabhängige Amplitudendifferenz.

Richtungsabhängige Empfangsstärke So sieht die relative Empfangsstärke der beiden Varianten in den Raumrichtungen aus. Bei beiden wird die Empfangsstärke nie Null, sie schwankt nur zwischen 0,5 und 0,7 (bei der 90°-Kreuzantenne) und 0,92 und 0,35 (bei der 45°-Kreuzantenne).

Um mit den Stäben noch ein wenig weiter zu experimentieren, habe ich die 90°-Antenne nur über ca. 45% ihrer Länge mit einlagigem Kupferdraht bewickelt (weil sich das mechanisch so anbietet wenn man die beiden Stäbe ohne Abstand und einfach über Kreuz miteinander verbindet). Bei der 45°-Antenne habe ich den gesamten Stab bewickelt und beiden Stäbe nur an einem der beiden Enden nahe zusaammen montiert. Das ergibt übrigens interessante Effekte bei der Induktivität: im ersten Fall ist die Induktivität der beiden gekreuzten Spulen niedriger als die Induktivitätssumme aus beiden. Im zweiten Fall ist die Induktivität größer als die Summe beider Einzelinduktivitäten. Bei räumlich getrennter Montage beider Spulen, z. B. an der Unter- und Oberseite eines Gehäuses hat man diesen Effekt nicht.

1.1 Aufbau

Aufbau der 90- und 45-Grad-Antennen Die 90°-Antenne (links) wird so aufgebaut. Zwei 10 cm lange Ferritstäbe werden über ca. 45% ihrer Gesamtlänge an eine ihrer beiden Seiten mit einer Doppellage Isolierband versehen. Darauf werden jeweils 110 Windungen 0,255mm-Kupferlackdraht bündig (Windung an Windung) bewickelt und die beiden Stäbe mit Kabelbindern über Kreuz miteinander verbunden. Die beiden inneren Enden der Spulen wurden miteinander verbunden.

Die 45°-Antenne habe ich ebenso aufgebaut, nur wurde der gesamte Ferritstab (mit Ausnahme von etwa 5 mm an beiden Enden) mit Kupferdraht bewickelt, wofür etwa 13 m Kupferdraht pro Stab nötig war. Die beiden Enden wurden mit Schrumpfschlauch fixiert. Beide Ferritstäbe wurden im 45°-Winkel auf einer unbeschichteten 100x100mm großen Epoxidplatte mit Kabelbindern fixiert. Die beiden Enden der Spulen wurden miteinander verbunden.

1.2 Messungen an den beiden Spulen

Messung der Induktivität Die beiden Spulen der 45°-Antenne habe ich mit zwei Messmethoden untersucht:
  1. mit einem FET-bestückten DIP-Meter,
  2. mit einem CMOS-Oszillator.

1.2.1 Messergebnisse mit dem DIP-Meter

Beim Dip-Meter wurde die Spule mit einem 2*365 pF-Drehko und einem FET zum Schwingen gebracht. Aus Experimenten mit diversen Festinduktivitäten wurde die Kapazität mit 200 pF im eingedrehten Zustand und 23 pF im ausgedrehten Zustand bestimmt.

Die beiden Spulen schwangen mit 217,64 bzw. mit 221,75 khz im eingedrehten Zustand, woraus sich eine Induktivität von 2,67 bzw. 2,58 mH ergibt. Die Summe aus beiden (ohne räumliche Nähe) läge dann bei 5,25 mH.

1.2.2 Messergebnisse mit einem CMOS-Oszillator

CMOS-Oszillator zur Induktivitätsmessung Diese Schaltung wurde benutzt, um ebenfalls die Induktivität zu bestimmen. Die Messungen mit dieser Methode ergaben signifikant höhere, nämlich 3,87 bzw. 3,79 mH, was in Summe 7,66 mH ergäbe.

Die Messung an der fertig montierten Kombination ergab hingegen eine noch höhere Induktivität, nämlich 9,58 mH. Wie sich die räumliche Nähe der beiden Stäbe so auswirken tut ...

1.3 Trennverstärker

HF-Eingangsteil DCF77-Kreuzantenne, Trennstufe und Frequenzeinstellung Das ist die Schaltung zu der Antenne (die 45°-Variante). Der Antennenkreis wird aus den beiden hintereinander geschalteten Spulen der Kreuzantenne und einem Kondensator von 330 pF gebildet. Das Signal geht an das Gate eines beliebigen N-FET. Am Source- und am Drain-Anschluss liegen zwei 1k-Widerstände, die das positive und negative Ausgangssignal gegenphasig über gleichstromtrennende Kondensatoren mit 1 nF niederohmig (ca. 2,5kΩ) an die nachfolgende Verstärkerstufe liefern.

Noch eine Betrachtung darüber, warum ein FET unbedingt nötig ist. Die große Empfangsspule hat eine Induktivität von 9,58 mH. Das bedeutet bei 77,5 kHz eine induktive Reaktanz von ZL = 2 * π * f * L oder 4,66 kΩ. Ist die Spule mit dem Kondensator in Resonanz, dann steigt die Reaktanz um den Faktor Güte der Spule an, also mindestens um das 100-fache. Das bedeutet, dass der Schwingkreis einen Resonanzwiderstand von mehr als 460 kΩ hat. Entsprechend spitz und frequenzselektiv ist auch die Resonanzkurve, Störungen neben der Frequenz werden dementsprechend gut unterdrückt.

Entsprechend fatal wäre es daher, auf diesen hochselektiven Schwingkreis eine niederohmigere Verstärkerschaltung folgen zu lassen, denn dies würde sowohl die Empfangsfeldstärke als auch die Frequenzselektivität empfindlich herabsetzen. Die FET-Stufe hat daher erst mal gar keine Verstärkung, sie setzt nur den Ausgangswiderstand herab und behält ansonsten die guten Empfangseigenschaften des Eingangsschwingkreises bei.

1.4 AFC-Frequenzeinstellung

Da die Resonanzfrequenz von Kreuzantenne und des 330pF-Kondensators etwas schwanken kann (Temperatur, Eisen in der näheren Umgebung, etc.), sind zwei Kapazitätsdioden antiparallel zum Resonanzkreis geschaltet. Ich habe zwei der drei Dioden einer TOKO KV1235Z verwendet, man kann aber auch BB112 (Doppeldiode) oder andere Mittelwellen-Dioden verwenden, die bei 0,7 V mehr als 100 pF Kapazität haben.

Abhängig von der AFC-Regelspannung (0 bis 5 V) liegt die halbe Kapazität der Regeldiode parallel zum Resonanzkreis. Das ermöglicht eine feinfühlige Justierung auf 77,5 kHz (mit einem Poti, einem Trimmer oder einem PWM-Digital/Analog-Wandler). Da die Kapazitätsdioden in Sperrrichtung betrieben werden, wird kein Strom verbraucht.

Kapazitaetsdiode KV1235Z Das ist in etwa die Kennlinie der Kapazitätsdiode. Da diese Kennlinie im Datanblatt ziemlich krumm aussieht, habe ich sie polynomisch erzeugt (siehe Blatt "FET-RX" in der LibreOffice-Rechendatei). Beim Interpolieren können daher Ungenauigkeiten nicht vermieden werden.

Kapazitaetsdiode und AFC-Bereich Das ist die Kapazität der Varaktordiode und der Einstellbereich der AGC-Spannung zwischen 1 und 5 V mit der Kreuzantenne, Der Einstellbereich ist bei der großen Spule gut abgedeckt, bei der sehr kleinen eher nicht. Man beachte aber, dass zwei der Dioden antiparallel geschaltet sind, sich ihre Kapazität folglich halbiert.

Parallelschaltung Kapazitaetsdioden Im Falle der kleinen Spule käme es daher eher in Frage, zwei oder drei der Dioden parallel zu schalten, um den Aussteuerbereich zu vergrößern. Die Kurve "Kleine+3P" in Orange zeigt den Effekt auf: ungefähr derselbe wie mit der großen Spule.

1.5 Eigenschaften der Kreuzantenne

Mit der hier vorgenommenen Teilung der Spule in zwei halbe tritt ein Phänomen auf, das bei der Frequenzeinstellung zu beachten ist. Beide Spulen haben eine gemeinsame Resonanz, als wenn sie eine wären, und zuätzlich eine Resonanz jeder der beiden Einzelspulen. Diese liegt etwa bei der halben Induktivität der Gesamtspule. Variiert man die Spannung der Kapazitätsdiode, kann man beide Maxima erkennen. Der Unterschied ist bei der 90°-Kreuzantenne mit der niedrigen Induktivität u. U. nicht zu erkennen, weil die Kapazität der Diode nicht für beide Resonanzen ausreicht. Bei der 45°-Antenne sind wegen des niedigen C's beide gut erkennbar. Damit man nicht der Resonanz der Einzelspule aufsitzt, sollte man die Spannung der Kapazitätsdiode von +5V an abwärts variieren.

Dies wäre vermeidbar gewesen, indem man beide Einzelspulen in Resonanz bringt und jeder Spule einen (größeren) Kondensator spendiert, natürlich dann auch vier statt nur zwei Kapazitätsdioden anschließt und beide Einzelkreise hintereinander schaltet. Da beide gleichspannungsmäßig durch den niedrigen Ohm-schen Widerstand der Spulen auf Nullpotenzial liegen, kann die gleiche Regelspannung verwendet werden. Unterschiede in der Induktivität der beiden Spulen werden mit einem kleinen Festkondensator ausgeglichen (bei mir wären das dann 21pF bei einer Festkapazität von ca. 1nF gewesen.

Eins hat die Praxis gezeigt: diese Antenne ist sehr selektiv. Während meine Energiesparlampe am Basteltisch jeden kommerziellen DCF77-Primitiv-Empfänger zur Verzweiflung treibt, ist diese Antenne gegen die Störstrahlung auf ca. 80 kHz völlig immun. Dazu mag die Resonanzabstimmung mit der Kapazitätsdiode beitragen, denn ein wenig neben den 77,5 kHz tobt sich der sehr amplitudenstarke Störer aus (meine Schreibtischlampe) aus. Antennen, die weniger frequenzselektiv sind als diese hier, werden durch dieses starke Signal ziemlich aus dem Tritt gebracht.

Umgekehrt ist diese Kreuzantenne praktisch nicht richtungsselektiv. Es gibt keinen Richtungsbereich, in dem der Empfang tatsächlich auf Null geht In allen Richtungen arbeitet die Antenne einwandfrei, ihre Signalstärke ist nur in einem geringen Umfang von der Richtung abhängig. Der geringe Amplitudenverlust durch die Fehlrichtung der jeweils anderen Ferritspule kann vernachlässigt und mit der Regelspannung (AGC) des Verstärkers ausgeglichen werden.

Da ich keinen Kompass habe (und der in meinem Android-Handy ein nutzloses Schätzeisen darstellt – da ist der Begriff "Norden" ein sehr weites Feld), kann ich leider keine Richtungs-Messdaten aufnehmen.

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