Anwendungen von
AVR-Einchip-Prozessoren AT90S, ATtiny, ATmega und ATxmega DCF77-Kreuzantenne
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.
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
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
Die beiden Spulen der 45°-Antenne habe ich mit zwei Messmethoden
untersucht:
mit einem FET-bestückten DIP-Meter,
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
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
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.
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.
Das ist die Kapazität der Varaktordiode und der Einstellbereich
der AGC-Spannung zwischen 1 und 5 V mit der Kreuzantenne,
mit einer großen Spule mit 9,58 mH und 330 pF
Festkapazität (in rot), und
mit einer kleinen Spule mit 1,5 mH und einer
Festkapazität von 2,7 nF (in violett).
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.
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.