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digitaler Langwellen-Sender

Seit einigen Jahren ist Funkamateuren auch ein Band im Langwellen-Bereich zugewiesen. Das Band reicht von 135,7 kHz bis 137,8 kHz ist also nicht allzu breit. Deswegen sind auch nur schmalbandige Betriebsarten wie CW und verschiedene Digimodes zugelassen. Die zugelassene abgestrahlte Leistung beträgt 1W. Aufgrund der großen Wellenlänge von 2,2 km ist es aber für die meisten Amateure nicht möglich effiziente Antennen aufzubauen, üblicherweise beträgt die Effizienz maximal 0,1%. Man benötigt somit sehr leistungsstarke Sender um die vom Gesetz mögliche Strahlleistung auszuschöpfen.
Glücklicherweise ist es mit moderen Halbleitern ohne Weiteres möglich HF-Leistungen von einigen Hundert Watt zu erzeugen. Zumal bei den meisten benützten Betriebsarten keine Linearverstärker benötigt werden.

Aufbau:
Der im folgenden beschriebene Sender erzeugt mit einer einfachen Gegentakt-Schaltstufe Leistungen bis zu 500 W. Mehr Aufwand wurde beim Oszillator getrieben. Die angestrebten, zum Teil extrem schmalbandigen Betriebsarten erforden ein sehr stabile Frequenz die sich in feinen Schritten einstellen läßt. Deshalb wurde zur Frequenzerzeugung ein DDS-Baustein verwendet. Dieser erzeugt auf rein digitalem Weg eine Frequenz die deren Stabilität nur von dem verwendeten Clock-Oszillator abhängt. Bei einer Clock-Frequenz von 10 MHz beträgt die minimale Schrittweite der Einstellung 0,0023 Hz.
Als Clockoszillator wird ein temperaturkompensierter Quarzoszillator b.z.w. ein Rubidiumfrequenznormal verwendet sodass einer sehr hohe Stabiltät der Frequenz erreicht wird. Die gesamten Steuerungs- und Anzeigefunktionen übernimmt ein Arduino Nano.
Im DDS wird die doppelte Sendegrequenz erzeugt und durch einen folgenden D-Flipflop wieder halbiert. So erhält man zwei symetrische Rechteckspannungen zu Ansteuerung der Gegentaktendstufe. Als Treiber dient ein Baustein IR2110, Die Endstufenfets sind vom Typ W14NK60Z. Die Fets sind auf einem, durch einen Lüfter gekühlten Kühlkörper befestigt. Auf die Enstufe folgt ein Tiefpass. der die Oberwellen unterdrückt, vorallem die 3.Harmonische ist aufgrund des Gegentaktbetriebs stark ausgeprägt. Wie der Endstufenübertrager sind die Spulen des Tiefpasses auf große Ringkern aus dem Ferritmaterial N30 gewickelt.Die Auskopplung des HF-Energie erfolgt über eine N-Buchse.
>Schaltplan im PDF-Format<

Im Sender hinten links ist das Rubidiumnormal von Efratom zu sehen. Es erzeugt, wie auch der TCXO die 10 MHz Clockfrequenz für den DDS-Baustein HP9850. Vorn links die Steuerplatine mit Arduino und DDS. In der Mitte die Enstufe mit Kühlkörper, dahinter die Ringkerne des Ausgangsübertragers und der Spulen des Tiefpasses. Rechts das Netzteil. Der große Trafo hinten versorgt die Endstufe. Davor der kleiner Trafo für die Vorstufen.
Wird der Sender allein betrieben kann mittels Taste in normaler Telegrafie gesendet werden. Beim Betrieb zusammen mit einem PC können auch QRSS, DFCW und SlowHell gefahren werden.
QRSS: Bei QRSS werden einfach die Zeiten drastisch velängert. Ein Punkt des Morsealphabets kann bis zu einigen Minuten lang sein, die Striche entsprechend länger. So wird die Bandbreite reduziert und durch Mittelung im Empfänger wird das Signalrauschverhältniss gesteigert. Natürlich dauert ein einfaches QSO dann auch sehr lange, bis zu mehreren Stunden.
DFCW: Auch DFCW arbeitet mit längeren Zeiten. Aber hier dauern Striche und Punkte gleich lang, werden aber mit einer unterschiedlichen Frequenz gesendet. DFCW ähnelt somit der altbekannten Betriebsart RTTY, nur sind hier die Zeiten stark verlängert und die Frequenzumtastung beträgt nur wenige Hertz und weniger.
SlowHell: SlowHell arbeitet wie das normale Hell aber mit reduzierter Geschwindigkeit und damit reduzierter Bandbreite. Die zu übertragenden Zeichen werden in ein Raster zerlegt und die Rasterpunkte gesendet. Im Empfänger werden die Punkte wieder zu einem Zeichen zusammen gesetzt, ähnlich wie bei einer Fax-Übertragung. Der Gewinn bei diesem Verfahren ist die Fähigkeit des Auges, b.z.w. des Gehirns Strukturen zu erkennen und zu vervollständigen auch wenn diese unvollständig sind. Auch wenn einige Rasterpunkte eines Zeichens aufgrund von Störungen nicht richtig übertragen wurden kann man trotzdem das gesendete Zeichen oft erkennen.
Von den vielen möglichen Hell-Modi wird hier mit S/MT-Hell gearbeitet. 		 
   
Bei allen genannten Betriebsarten wird die Bandbreite der Übertragung stark reduziert und so ein Gewinn im Signalrauschverhältniss erreicht. Auch bei nur wenigen Zeichen dauert die Übertragung sehr lange, deshalb ist es wichtig dass die Frequenz des Senders stabil bleibt und nur wenig driftet. Für den Empfang der Sendungen werden Computerprogramme verwendet z.B. >Spectrum Lab<. In der Wasserfalldarstellung des Spektrums kann man direkt die Zeichen lesen, ideal auch für Amateure die garnicht oder nur schlecht morsen können. Allerdings lehnen manche Amateure solche Computer gestützten Betriebsarten ab "Wir sind Funker und keine Programmierer".
Das Bild zeigt einen Screenshot von Spectrumlab mit den beiden Betriebsarten DFCW und QRSS, man sieht, die Sendung in QRSS dauert etwas länger als in DFCW
Der Screenshot einer Testsendung in S/MT-Hell. Im unteren Bild wurde das Signal stark abgeschwächt. Man sieht das der Text trotz des starken Rauschens noch ganz gut erkennbar ist.

Ein großes Problem beim Langwellen-Funkverkehr ist die Antenne, die in den allermeisten Fällen wesentlich kleiner als die Wellenlänge von etwa 2,2 km ist. Während man im Empfangsbetrieb auf "magnetische Antennen" wie Rahmen- oder Feritantennen zurückgreifen kann ist das im Sendebetrieb nicht möglich. Die nötigen hohen Ströme würden durch Skin- und Proximityeffekt große Verluste bewirken. Was bleibt ist eine Langdrahtantenne, in diesem Fall eine elektrisch sehr kurze Antenne. Die Antenne wird mit einer Induktivität elektrisch verlängert und in Resonanz gebracht. Die Kapazität eines freien Leiters ist klein und beträgt etwa 7pF/m, sodass ziemlich große Induktivitäten gebraucht werden. Für eine 10m lange Antenne (77pF) sind das 17 mH. Für eine möglichst verlustarme Spule werden die Abmessungen ziemlich groß.
Für den ersten Versuch wurde die Antennenspule mit 1 mm CuL Draht auf ein gerade vorhandenes Plexiglasrohr von 200 mm Durchmesser mit insgesamt 192 Windungen gewickelt. Die Spule ist als Variometer ausgeführt. Das heißt im Inneren der Spule befindet sich eine drehbar gelagerte zweite Spule mit 130 mm Durchmesser und 100 Wicklungen CuL Draht. Die gemessene Induktivität beträgt 8 mH, die Eigenkapazität 16 pF bei einer Variometerstellung von 0°. Bei einer Stellung von 90° kommt man auf
6 mH. Rechts ein Bild des Antennenvariometers, innere Spule in 90° Stellung. Der 9V Block dient zum Größenvergleich.
Man sieht das die Spule leider zu klein ist. Für eine Antennenkapazität von 80 pF benötigt man eine Spule mit mindestens 14 mH. Mit einer weiteren, aufgesetzten Spule mit 193 Wicklung einem Durchmesser von 200 mm und einer Länge von 210 mm kommt man auf 16.4 mH.
Der AL-Wert der Spule beträgt 16 mH / 385 Wdg = 0,0415 mH / Wdg. Um auf die gewünschte Frequenz von 136 kHz zu kommen müssen demnach noch etwa 36 Wicklungen zugegeben werden, gewickelt wurden 50 Wicklungen, in der Hoffung dann mit dem Variometer über das gesamte Band. von 135,7 bis 137,8 kHz abstimmen zu können. Als Antennenträger wird eine Angelrute, eine sogenannte Stipprute verwendet. Solche Rute gibt es in sehr langer Ausführung. Die verwendete Rute von Mitchell, Carpodrom 1100 hat eine Länge von 11 Meter wiegt nur etwa 1 kg und ist trotz ihrer Länge relativ steif. Das liegt an der Verwendung von Kohlefasern für den Aufbau. In wie weit die Leitfähigkeit der Fasern stört muss noch getestet werden, ein DC-Widerstand konnte jedenfalls nicht gemessen werden.
Die Dachkapazität sollte nicht zu schwer sein, dagegen spielt die Windlast keine Rolle da die Antenne nur kurzzeitig aufgestellt werden soll. Die Kapazität besteht aus acht Buchenholzstäben die wie Speichen in einer Holzscheibe stecken die wiederum auf dem obersten Element der Rute steckt. Die Stäbe sind in weiten Windungen in Klingeldraht umwickelt dessen Enden an der zentralen Scheibe zusammen gelötet sind. An diesem Punkt ist der vertikale Antennendraht angeschlossen.
Das rechte Bild zeigt den versuchsweisen Aufbau der Antenne.bei leichtem Wind. Es ist schon erstaunlich wie steif das Carbonrohr ist. Zufälligerweise passt die Angelrute auch genau in den Sonnenschirmständer.

Am oberen Ende der Spule entstehen bei Resonanz ziemlich hohe Spannungen. Schon die Leistung ( ~ 2,2 Watt) des zum Messen verwendeten Frequenzgenerators reicht aus die Testkapazitäten (Philips Tauchtrimmer) durchschlagen zu lassen. Beim Anschluss des Senders muss man deshalb sehr vorsichtig sein. Am Besten man versorgt erst mal die Endstufen mit einem externen Netzgerät das man langsam hochfährt.
Links ein Blick in den Sockel der Spule. Dort ist die Antriebsachse des Seilzuggetriebes zur Verstellung der drehbaren Spule. Es empfielt sich nicht direkt an der Achse der Spule zu manipulieren. Die Verstimmung durch die Annäherung der Hand ist ziemlich groß. Ebenfalls im Sockel ist das Sende/Empfangs-Relais untergebracht.
Ebenfalls im Sockel ist das Sende/Empfangs-Relais (links oben) untergebracht. Auf der rechten Seite, in einer Abschirmbox ist der RX-Vorverstäker untergebracht. Das HF-Relais wird vom Vorverstärker gesteuert. Sobald dieser Spannung erhält schaltet das Relais die Antenne auf den Vorverstärker.
Durch Messung der Resonanzfrequenz der Spule mit verschiedenen Parallelkapazitäten können sowohl die Induktivität wie auch die Eigenkapazität bestimmt werden.
Die Induktivität der Spule beträgt ~ 16 mH bei einer Eigenkapazität von ~ 13 pF. Aus diesen Werten kann die Antennenkapazität von ~ 66 pF berechnet werden. Dieser Wert liegt mit ~ 6,6 pF/m sehr gut am theoretischem Wert von 7 pF/m.
Soweit so gut aber der erste Sendeversuch scheiterte total. Die Gegenstadion in etwa 30 km Entfernung konnte nicht das geringste Signal aufnehmen. Grund genug den gesamten Aufbau nochmal genau zu betrachen und zu vermessen.

Zuerst wurde die reale Ausgangsleistung gemessen. Eine Betriebsspannung der Endstufe von 35 V ergibt einen Ausgangsstrom vom 1,6 A in 50 Ohm, somit eine Ausgangsleistung 128 W. Auf 35 V bricht die Spannung des Netzteils bei voller Last zusammen. Als Messgerät wurde thermoelektrisches verwendet. Hier wird der Strom über die Erwärmung eines vom zu messendem Strom durchflossenen Leiters gemessen.
Diese Erwärmung erzeugt mittels eines Thermoelements eine Spannung die durch ein Messwerk angezeigt wird. Der Vorteil dieses Prinzips ist eine weitgehende Unabhänigkeit der Frequenz. Bei geeignetem Aufbau kann das Instrument von Gleichstrom bis zu den oberen Kurzwellenbändern verwendet werden und auf einfache Weise mit Gleichstrom kalibriert werden.
Für das rechte Bild wurde die Ladespule ohne Antenne angeschlossen. Die Kapazität der Antenne wurde durch einen Hochspannungs-Vakuumkondensator ersetzt. Zur Spannungsanzeige wurde eine kleine Leuchtstoffröhre in der Nähe des Antennenanschluss montiert. Wird mit dem Variometer auf Resonanz abgestimmt leuchtet die Röhre hell auf und der HF-Strom geht zurück. Auffallend ist dass der Strom schon bei kleiner Betriebsspannung deutlich höher ist als mit 50 Ohm Last. Daraus kann auf eine sehr schlechte Anpassung gefolgert werden.
Deshalb wurde die Primärwicklung von zwei auf vier Windungen erhöht. Ein nächster Versuch mit der Antenne zeigte dass sich mit dem Variometer nun sehr schön auf ein Stromminimum abstimmen läßt. Allerdings blieb das nicht lange erhalten. Schon nach einer kurzen Zeit von 15 Minuten war keine Abstimmung mehr möglich, unabhängig von der Variometerstellung blieb der Strom konstant. Der Versuch fand in einer kalten Nacht statt und sowohl die Spule wie auch das Carbonrohr waren nach kurzer Zeit feucht und mit einem Wasserfilm bedeckt. Als dann die Antenne durch den Vakuumkondensator ersetzt wurde konnte wieder normal abgestimmt werden, offenbar bereitet nicht die feuchte Spule sondern die Antenne, b.z.w. das feuchte Carbonrohr das Problem.

Ein Sendeversuch fand am 12.12.2018 in Garching (JN58UG03) statt. Der Partner war Helmut (DJ3NF,) in Dietersheim (JG58UG17), und somit ca. 1,6 km entfernt. Die Endstufe hatte eine Betriebsspannung von 16V entsprehend circa 20 Watt Ausgangsleistung. Die Antenne war ein etwa vertikalgespannter Draht von 10m Länge ohne Dachkapazität. Verwendet man die Berechnungen von >ON7YD< kommt man bei diesen Dimensionen auf einen Antennenwirkungsgrad von 7x10-5 und die abgestrahlte Leistung beträgt gerademal 1,4 mW. Mit anderen Betriebsarten als CW kann man noch bis zu 20 dB gewinnen aber letztendlich benötigt man deutlich höhere Antennen um größere Entfernungen zu überbrücken.
Auch bei diesem Versuch zeigte sich wieder das der Antennendraht die Carbonstange auf keinen Fall berühren darf, da sich sonst die Antenne nicht auf Resonanz abstimmen läßt und auch die Leuchtstofflampe am oberen Ende der Spule nicht mehr zündet. Offenbar ist der Widerstand der Angerute im Hohfrequenzbereich doch sehr klein.