Aktueller Entwicklungstand
Stand 17.02.206 wird das erste Funktionsmuster zusammengebaut. Alle 3D-Druckteile sind fertig gedruckt. Der Steuerkontroller ist in der ersten Version auf einer Streifenleiterplatine fertig aufgebaut. Die Grundfunktionen der Firmware sind umgesetzt.
Vorsichtsmaßnahmen bei der Nutzung als Sendeantenne
Beim Einsatz einer Magnetik-Loop Antenne (dazu zählt auch die SP-Loop) als Sendeantenne, müssen Vorsichtsmaßnahmen eingehalten werden. Die Antenne baut in ihrer unmittelbaren Nähe im oberen Bereich Spannungswerte von einigen 1000 Volt auf. Zusätzlich baut sich in unmittelbarer Nähe ein starkes magnetisches Feld auf. Daher ist im Sendebetrieb ein Sicherheitsabstand einzuhalten. Sofern nicht sichergestellt werden kann, dass sich im Sendefall keine Personen im Nahbereich der Antenne aufhalten können, darf kein unbeaufsichtigter Betrieb stattfinden.
Kurzdaten
- Unterstützte Amateurfunkbänder im Sende u. Empfangsbetrieb:
- 14.000 bis 14.350 kHz mit ca. 60% Wirkungsgrad
- 18.068 bis 18.168 kHz mit ca. 78% Wirkungsgrad
- 21.000 bis 21.450 kHz mit ca. 86% Wirkungsgrad
- 24.890 bis 24.990 kHz mit ca. 91% Wirkungsgrad
- 28.000 bis 29.700 kHz mit ca. 94% Wirkungsgrad (*)
- Empfangsbereich … 13,5 MHz bis 29,7 MHz
- Schleife … Alu-Ring mit 90 cm Außendurchmesser, 28 mm Rohrdurchmesser, 1,5 mm Wandstärke
- Belastbar … 100 Watt HF max.
- Abstimmfunktionen … Manuell, Automatisch (nur ICOM IC-705)
- Steuerkontroller … ESP32
- Steuermotor … Schrittmotor mit 12800 Schritten für 180°-Drehwinkel (0,0140625° Schrittwinkel)
- Einsatzarten … Indoor, Portabel (Semi-Outdoor)
- Outdooreinsatz … siehe Hinweis zum Outdooreinsatz
- Länge der Steuerleitung … bis zu 100m
- 3D-Bauteile … PETG Filament, alle Gewinde mit Ruthex-Gewindeeinsätze realisiert
(*) Nach der bekannten Fachliteratur und den online zugänglichen Berechnungstools ist der Schleifenumfang der SP-Loop mit 282 cm für den Einsatz im 10m Band (28.000 bis 29.700 kHz) zu groß. Bei einem Schleifenumfang von > 0,25 Lambda ändert sich das Abstrahlverhalten von einer magnetischen hin zu einer elektrischen Antenne. Abhängig von den Bedingungen am Aufstellort kann sich das Abstimmverhalten dadurch negativ verändern.
Outdooreinsatz
Die SP-Loop ist aktuell nicht für den permanenten Außeneinsatz geeignet. Dazu fehlen den drei eingesetzten Gehäuse die entsprechenden Eigenschaften. Sofern ein permanenter Außeneinsatz geplant ist, müssen selbst Vorkehrungen getroffen werden die Gehäuse wetterfest zu machen.
Kurzbeschreibung
Die Grundidee hinter der SP-Loop ist eine Loop-Antenne, die sich im Search and Pounce Betrieb nutzen lässt. Die Abstimmung der SP-Loop folgt damit selbstständig der am Transceiver (ICOM IC-705) eingestellten Frequenz. Eine auf der Frequenz gehörte Amateurfunkstation kann damit sofort angerufen werden. Die Abmessung und Ausführung ist für den Portabeleinsatz gewählt. Der Wirkungsgrad für das 20m Band liegt bei >55%. Falls das 10m Amateurfunkband nicht zuverlässig abgestimmt werden kann, ist das eine akzeptierte Designeinschränkung.
Bedienung
Die SP-Loop wird je nach gewählter Bauvariante und Einsatzart direkt an der Loop bedient oder über ein abgesetztes Bedienteil.
Steuerkontroller
Die Steuerfunktionen laufen auf einem ESP32. Die Firmware wurde mit der Ardunio IDE in C++ geschrieben. Ergänzt wurde der ESP32 um ein HC-05 Modul für die Bluetooth-Verbindung zum ICOM IC-705. Für die Ansteuerung des Schrittmotor kommt ein TMC2209 Baustein zum Einsatz. Ein RS485 Modul sorgt für die Verbindung zwischen Steuerkontroller und abgesetzter Bedieneinheit. Ein DC DC Wandler wandelt die Eingangsspannung auf 5VDC um.
Menüstruktur
Über das Hauptmenü kann zwischen MANUELL, AUTO, TUNE und CONFIG umgeschaltet werden.
MANUELL … In diesem Modus wird die SP-Loop über die Tasten CW und CCW auf die gewünschte Betriebsfrequenz manuell abgestimmt.
AUTO … Im Auto-Modus wird die SP-Loop über den ICOM IC-705 per Bluetooth gesteuert. Sofern notwendig, kann über die CW bzw. CCW die SP-Loop jederzeit manuell nachgestimmt werden. Die Steuerung erfolgt über die vom IC-705 kontinuierlich per Bluetooth übertragende Arbeitsfrequenz. Über die Frequenz wird die passende Position des Drehkondensators ermittelt und dieser kontinuierlich nachgeführt. Die Nachrührung erfolgt dabei nahezu ohne Verzögerung, auch wenn mit dem VFO schnell über das Band gedreht wird.
TUNE … Im Tune Modus wird die SP-Loop für die einzelnen Amateurfunkbänder voreingestellt. Dazu wird für die Bandgrenzen der einzelnen Amateurfunkbänder manuell auf bestes SWR abgestimmt und die Position des Drehkondensators bzw. Schrittmotor gespeichert. Ist das SWR für die untere und obere Bandgrenze abgespeichert, berechnet der Steuerkontroller im Anschluss die Zwischenschritte des Schrittmotors im 1 kHz Raster. Dieses Tuning kann entweder mit dem angeschlossen ICOM IC-705 mit reduzierter Sendeleistung (<5 Watt) oder mit einem NanoNVA erfolgen. Die Tuning-Werte werden im nichtflüchtigen Speicher des ESP32 abgelegt. Diese Einstellung muss an jedem Aufbauort neu vorgenommen werden.
CONFIG … Im Config-Modus wird festgelegt, in welchem Moduls der Steuerkontroller starten soll, wenn er eingeschaltet wird.
Bauvarianten der SP-Loop
Je nach gewählter Bauvariante erlaubt die SP-Loop den REMOTE Betrieb mit abgesetzter Bedieneinheit, den REMOTE BLUETOOTH Betrieb ohne abgesetzte Bedieneinheit wenn ein ICOM IC-705 verwendet wird und sich beide in Bluetooth-Reichweite befinden oder REMOTE WLAN (noch nicht umgesetzt).
Variante REMOTE – Betrieb mit abgesetzten Bedienteil
Für den Betrieb mit abgesetzten Bedienteil wird der an der SP-Loop befindliche Steuerkontroller über ein Kabel mit dem abgesetzten Bedienteil verbunden. Über das Kabel wird die SP-Loop mit 12VDC versorgt und es erfolgt die Kommunikation zwischen beiden Geräten nach dem RS-485 Standard.
Variante REMOTE BLUETOOTH – Betrieb ohne abgesetztes Bedienteil
Der Betrieb ohne abgesetztes Bedienteil ist möglich, wenn sich die SP-Loop und der ICOM IC-705 in Reichweite der Bluetooth-Verbindung befinden. In diesem Fall erfolgt die Bedienung direkt an der Loop oder im AUTO-Modus über die Bluetooth-Verbindung zum IC-705. Die SP-Loop muss in diesem Fall per Koaxialkabel mit dem ICOM IC-705 verbunden werden und über den entsprechenden Eingang lokal mit 12 VDC versorgt werden.
Variante REMOTE-WLAN (TODO) – Betrieb über Steuerung per HTML-Interface
Idee: Der Steuerkontroller verbindet sich per WLAN mit dem lokalen Netzwerk. Er baut eine eigene Steuerseite auf, über die der Anwender per Internetbrowser zugreifen kann. Die Steuerseite bildet die Funktion des Steuerkontrollers nach. Der Steuerkontroller benötigt nur eine Stromverbindung.
Nachbau
Beim Nachbau einer Magnetik-Loop Antenne (dazu zählt auch die SP-Loop) als Sendeantenne müssen Vorsichtsmaßnahmen eingehalten werden. Die Antenne baut in ihrer unmittelbaren Nähe im Bereich des Plattendrehkondensators Spannungswerte von einigen 1000 Volt auf. Zusätzlich baut sich in unmittelbarer Nähe ein starkes magnetisches Feld auf. Daher ist im Sendebetrieb ein notwendiger Sicherheitsabstand zwingend einzuhalten.
Für den Nachbau der SP-Loop stehen nach der Fertigstellung folgende Informationen zum Download zur Verfügung:
- .3mf Dateien für die per 3D-Druck herzustellenden Bauteile
- Fritzl-Schaltplan
- Arduino-Sourcecode
- List mit den benötigten Kleinteilen (Schrauben, Einschmelzgewinde, etc.)
90 cm Loop aus Aluminium
Die 3D-Druckteile sind für eine Loop mit 90 cm Außendurchmesser und einem Rohrdurchmesser von 28 mm ausgelegt. Weicht die Aluminiumloop von diesen Eckdaten ab, ist sie für die entworfenen Gehäuse nicht geeignet.
3D-Druck
Für die Herstellung der 3D-Druck Bauteile ist ein Drucker mit einem Bauvolumen von mindestens 300x300x330 mm notwendig. Die abgebildeten 3D-Druckteile wurden mit einem Creality Ender 3v3 Plus gedruckt.
- Die Gesamtdruckzeit für alle 3D-Druckteile auf einem Creality Ender 3v3 Plus beträgt ca. 45 Stunden.
- Alle Druckteile wurden mit 25% Füllgrad gedruckt.
- Stützstrukturen werden nicht benötigt.
Steuerkontroller
Der Steuerkontroller besteht aus folgenden Bausteinen und wurde auf einer Streifenleiterplatine aufgebaut. Abhängig für welche Konfiguration man sich entscheidet, unterscheidet sich die Bestückung.
Die Vollbestückung sieht wie folgt aus:
- ESP32-WROOM-32E – Entwicklungsboard
- HC-05 Integrated Bluetooth Module
- DollaTek 2 Stück TTL auf RS485 Serial-Port-Konverter Modu
- DC-DC Step Down Converter 7-20V bis 5V Mini 560
- TMC2209 V2.0 Schrittmotortreiber Ultra Silent 2.5A Schrittmotortreiber
- LCD2004 Display-Modul mit Philips I2C Wandlerbaustein
Abstimmkondensator
Als Abstimmkondensator kommt der DKS6 mit 10pf – 120pf von Schubertgehäuse zum Einsatz. Dabei handelt es sich um einen Splitt-Stator Kondensator mit einer nutzbaren Abstimmkapazität von 5 bis 60 pF.
Theoretisch kann durch Einsatz eines größeren Abstimmkondensators die SP-Loop auch auf dem 40m und 30m Amateurfunkband abgestimmt werden. Beachtet werden sollte dabei aber, dass der Wirkungsgrad auf dem 30m Band auf ca. 30% und auf dem 40m Band auf ca. 10% abfällt. Die Antenne ist damit auf diesen beiden Bändern nicht mehr wirkungsvoll. Zusätzlich verschlechtert sich das Abstimmverhalten, da die Kapazitätsänderung pro Microschritt vergrößert. Weiter dürfte es schwierig werden einen passenden Plattendrehkondensator als Splitt-Stator Ausführungen mit dem notwendigen Kapazitätsbereich zu finden. Letztendlich müssten diese Entworfenen Gehäuse angepasst werden.
Anschluss des Transceiver
Die Koppelschleife befindet sich im unteren Gehäuse der SP-Loop. Sie ist aus einem RG-213 Koaxialkabel hergestellt. Die Koppelschleife hat einen Umfang von 1/5 der Hauptschleife. Das Gehäuse verhindert, dass sich Lage und Form der Koppelschleife beim Transport verändern, was die SWR Einstellung der SP-Loop beeinflusst. Für die Verbindung der Koppelschleife mit dem Transceiver ist eine SO-239 Buchse vorgesehen.
Belegung des Steuerkabel
Das Gehäuse des Steuerrechner ist mit einer Aussparung für eine fünfpolige Buchse nach SP21 Standard ausgestattet. Pin 1 und Pin 2 müssen für Stromversorgung des Steuercomputer der SP-Loop immer angeschlossen sein. Pin 3, Pin 4 und Pin 5 sind optional zu verbinden, falls der Steuercomputer über das abgesetzte Bedienteil aus der Ferne bedient werden soll.
- Pin 1 +12VDC
- Pin 2 GND
- Pin 3 RS-485 A+
- Pin 4 RS-485 B-
- Pin 5 Erath
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