Aufbau der Elektronik
Abb.: Elektronikbox mit Beschriftung der Komponenten
Das Herzstück der Sende- und Empfangsanlage ist das Adalm Pluto SDR-Modul des Herstellers Analog Devices. Der Adalm Pluto verarbeitet die zu sendenden und die empfangenen Signale und stellt die Schnittstelle zwischen der Anlage und dem Laptop dar. Der Sendepfad der Funkstation wird über ein universelles 90-W-Laptopnetzteil mit einer Ausgangsspannung von 19,5 VDC gespeist. Eine Spannungswandler-Platine setzt die Spannung auf 28 VDC hoch, um somit den 20-W-Leistungsverstärker von SG Lab in der dritten Version zu betreiben. Das modulierte 2,4-GHz-Signal aus Trägerschwingung und Nutzsignal wird am TX-Ausgang des Plutos über ein RG58 Koaxialkabel in eine Helixantenne eingespeist, die das Signal in Richtung des Satelliten aussendet. Da das Ausgangssignal des Plutos zu gering ist, um den Verstärker voll auszusteuern, ist dem 20-W-Leistungsverstärker der Vorverstärker CN0417 von Analog Devices vorgeschaltet. Dieser verstärkt das Ausgangssignal auf ca. 63 mW, sodass es vom Endverstärker verarbeitet werden kann.
Der Vorverstärker wird über eine USB-Buchse einer 5-V-Spannungswandler-Platine betrieben. Diese Platine versorgt ebenfalls den Adalm Pluto über einen weiteren USB-Port mit Spannung. Die 5-V-Platine wird wiederum von einem 12-V-Steckernetzteil gespeist, das einen maximalen Strom von 3 A liefern kann. Dieses Netzteil versorgt ebenfalls den Kühlerlüfter des Leistungsverstärkers und den Bullseye LNB der Firma Othernet, der für den Empfang zuständig ist (siehe Abschnitt LNB). Zwischen dem Netzteil und dem LNB befindet sich eine Stromeinspeiseweiche, die eine Trennung der 12-V-Versorgungsspannung und des Signals vornimmt. Der LNB wird über ein handelsübliches Koaxialkabel (Antennenkabel) gespeist und mit dem RX-Eingang des Adalm Plutos verbunden.
Abb.: Ausschnitt der Elektronikbox von Verteilerplatine
Der Adalm Pluto ist mittels eines USB-Ethernet-Adapters und einem Ethernet-Kabel mit dem Labornetzwerk verbunden. Mit einem Laptop im selben Netzwerk und der Software SDR-Console wird der Pluto angesteuert. Zum Senden wird die Push-To-Talk-Taste des Mikrofons gedrückt, es kann in das Mikrofon gesprochen werden. Infolgedessen wird das eingesprochene Signal verarbeitet, gemischt und über die Sendeantenne an den QO-100 übertragen. Der LNB, der sich auf derselben Achse wie die Sendeantenne im Brennpunkt des Parabolspiegels befindet, empfängt die vom QO-100 kommenden Signale, verabeitet sie und setzt sie auf eine Frequenz von 739 MHz um. Die Signale werden an den Pluto übertragen, der diese ebenfalls verarbeitet und sie wiederum über das Netzwerk an den Laptop sendet. Dort könne die Signale visualisiert und angehört werden. Eine detaillierte Erklärung der jeweiligen Komponenten ist im folgenden detailierter erläutert. Eine Erklärung, was beim Sende- und Empfangsvorgang passiert, ist hier zu finden.
Wie auf dem Foto der Elektronikbox zu erkennen ist, werden die Versorgungsspannungen der Netzteile zuerst auf Platinen mit Klemmleisten gegeben, bevor sie zu den jeweiligen Komponenten gelangen. Dies dient der Übersichtlichkeit und macht einen Austausch einzelner Komponenten z. B. bei einem Defekt einfach. Das Blockschaltbild zeigt den Aufbau und die Verschaltung der Komponenten übersichtlich. Die Komponenten befinden sich in einer Blechdose, um so vor ungewollter Einstrahlung abzuschirmen.
Abb.: Blockschaltbild Elektronikaufbau
Komponenten der Elektronikbox
Adalm Pluto
Eine detailierte Erläuterung ist unter Adalm Pluto zu finden.
Spannungsversorgung des Systems
Die Spannungsversorgung des Systems wird mit zwei Netzteilen realisiert. Dabei wird die Spannungswandler-Platine für den 20-W-Leistungsverstärker mit einem 90-W-Universalnetzteil gespeist, das für gewöhnlich für Laptops verwendet wird. Dieses bietet eine Spannung von 19,5 V und kann einen Strom von maximal 4,6 A liefern. Der Stecker am Ende des Kabels wurde abgetrennt, sodass die Plus- und Masseleitung direkt mit der Spannungswandler-Platine verbunden werden können.
Die 12-V-Komponenten werden mit einem 36-W-Steckernetzteil mit einer Ausgangsspannung von 12 V und einem maximalen Strom von 3 A gespeist. Die Spannung wird über eine Klemmleiste auf die Verbraucher verteilt. Beide Netzteile werden mit 230 VAC aus der Steckdose gespeist.
OSKJ Spannungswandler-Platine
Die Spannungswandler-Platine des Herstellers OSKJ ist ein DC/DC-Aufwärtswandler. Eine Eingangsspannung von 10-32 V kann mit der Platine in eine Ausgangsspannung von 12-35 V gewandelt werden. Die maximale Stromstärke am Ausgang ist mit 6 A angegeben, die maximale Ausgangsleistung kann dabei bis zu 150 W betragen. Die Platine basiert auf dem UC3844-Chip von Texas Instruments. Bei dem Chip handelt es sich um einen Schaltregler/PWM-Kontroller, der mit einer Frequenz von 500 kHz arbeitet. Die Ausgangsspannung kann mit einem Präzisionspotentiometer auf der Platine eingestellt werden. Neben dem Chip befinden sich weitere Bauelemente wie eine Spule, Widerstände, Kondensatoren und Transistoren auf der Platine. Die beiden MOSFET-Transistoren sind aufgrund der Abwärme jeweils mit einem Kühlkörper zur Kühlung verschraubt. Die Ein- und Ausgangsspannungen werden über Klemmleisten, die sich auf der Platine befinden, zugeführt bzw. abgegriffen.
Abb.: Montierte Spannungswandler-Platine
DEBO DC 2XUSB
Die Spannungswandler-Platine DC 2XUSB des Herstellers DEBO ist ein DC/DC-Abwärtsregler. Sie basiert auf dem LM2596-Chip von Texas Instruments, welcher in der vorhandenen Ausführung eine Eingangsspannung zwischen 6 V bis 40 V in eine konstante Gleichspannung von 5 V wandelt. Dabei kann ein Strom von bis zu 3 A geliefert werden. Bei dem Chip handelt es sich um ein Schaltregler, der mit einer Frequenz von 150 kHz arbeitet. Neben dem Chip befinden sich die nach Herstellerangaben notwendigen Komponenten wie Kondensatoren, eine Diode und eine Spule auf der Platine. Die gewandelte Ausgangsspannung kann über zwei USB-Ports auf der Platine abgegriffen werden.
SG Lab 2.4 GHz 20 W Power Amplifier V3
Der 20-W-Leistungsverstärker von „SG Laboratory Ltd“ ist für die Verwendung im 2,4-GHz-Sendepfad einer QO-100 Sendestation optimiert worden. Der Verstärker befindet sich zur Abschirmung vor unerwünschter Einstrahlung in einem Metallgehäuse. In der Version 3 beinhaltet die Platine des Verstärkers zusätzlich einen Vorverstärker, um auch mit SDR-Modulen betrieben werden zu können, dessen Ausgangsleistung nicht für den Betrieb des eigentlichen Verstärkers ausreichen.
Der Verstärker verfügt am Ein- und Ausgang über je eine weibliche SMA-Buchse, mit welchen das Signal am Eingang eingespeist respektive am Ausgang abgegriffen werden kann. An der Seite des Verstärkers befinden sich drei Pins, zwei für die Spannungsversorgung (+28V und Ground) und ein Pin für die Push-To-Talk-Funktion *link zum PTT Artikel*. Der Verstärker muss mit einer Versorgungsspannung zwischen 24 und 28 VDC betrieben werden. So kann bei 24 V eine Ausgangsleistung des Signals von 17 W und bei 28 V eine Leistung von 20 W erzielt werden. Um ein Ausgangssignal von 20 W zu erhalten, muss das Signal am Eingang eine Leistung von mindestens 40 mW (ca. 16 dBm) aufweisen, was einem Verstärkungsfaktor von 500 (ca. 27 dB) entspricht.
Der Stromverbrauch bei einer Signalleistung von 20 W am Ausgang beträgt laut Datenblatt 1.6 A. Mithilfe der Formel für die elektrische Leistung lässt sich wie folgt die elektrische Leistung des Verstärkers berechnen, die der Verstärker nutzt.
Auf der Platine befinden sich zusätzliche Messpunkte, auf welche bei geschlossenem Gehäuse nicht zugegriffen werden kann.
Analog Devices CN0417 Leistungsverstärker 2,4 GHz
Die Leistungsverstärker-Platine CN0417 von Analog-Devices ist für den Frequenzbereich von 2,4 GHz optimiert worden. Über eine weibliche SMA-Buchse wird der Platine das zu verstärkende Signal zugeführt und mittels eines Bandpassfilters am Eingang gefiltert. Die auf der Platine verbaute Verstärkerschaltung ADL5606, dessen Ein- und Ausgang auf eine Impedanz von 50 Ω angepasst sind, verstärkt das Eingangssignal typischerweise um 20 dB (bei einer Eingangsleistung von -2 dBm). Das Signal kann somit um den Faktor 100 verstärkt werden (siehe Rechnung unten). Die Platine wird über einen Mikro-USB-Anschluss mit einer Gleichspannung von 5 V versorgt, welche von einem DC/DC-Wandler des Typs LTM8045 reguliert wird. Die Verstärkerschaltung weist laut dem Datenblatt einen Strombedarf von 362 mA auf. Über eine männliche SMA-Buchse kann das verstärke Signal abgegriffen werden.
Berechnung des Verstärkungsfaktors A:
Beispiel mit einem Eingangssignal mit einer Leistung von -2 dBm:
Othernet Bullseye LNB
Bei dem Bullseye LNB des Herstellers Othernet handelt es sich um einen rauscharmen Signalumsetzer (engl. Low Noise Block = LNB), der eigens für den Empfangspfad von QO-100-Stationen konzipiert wurde. Im Vergleich zu handelsüblichen LNBs ist der Bullseye werksseitig mit einem frequenzstabilen temperaturkompensierten Quarz-Oszillator mit hoher Frequenzstabilität (2 PPM 25 MHz TCXO) ausgestattet. Eine hohe Frequenzstabilität ist für einen guten Empfang der vom QO-100 kommenden Signale notwendig.
Der Bullseye LNB unterstützt einen Eingangsfrequenzbereich von 10489 - 12750 MHz, seine Lokaloszillatorfrequenzen liegen bei 9750 MHz für das Low-Band und 10600 MHz für das High-Band. Somit lassen sich Zwischenfrequenzen von 739 - 1950 MHz (Low-Band) und 1100 – 2150 MHz (High-Band) erzielen. Die Verstärkung liegt bei 50 – 66 dB. Die Frequenzstabilität beträgt im Temperaturbereich von -20 bis 60 °C +/- 30 kHz, bei 23 °C beträgt sie +/- 10 kHz. Der LNB wurde laut Hersteller werkseitig mit einem GPS-Takt als Referenz kalibriert.
Der Bullseye LNB weist LNB-typische Maße auf und wird über eine F-Buchse (grün) mittels Koaxialkabel und einer Stromeinspeiseweiche mit 12 VDC ferngespeist. Über das Kabel werden ebenfalls die Daten übertragen. Über die rote F-Buchse kann das interne Oszillatorsignal bei Bedarf abgegriffen werden.
Abb: Othernet Bullseye LNB montiert an Antenne
TZU 15-01 Stromeinspeiseweiche
Mit der Stromeinspeiseweiche wird der LNB über ein handelsübliches Koaxialkabel mit einer Versorgungsspannung von 12 VDC ferngespeist. Die Weiche verfügt über zwei F-Buchsen und einen F-Stecker. Der F-Stecker führt zum Gerät der Wahl, über die gegenüberliegende Buchse kann das von der Gleichspannung entkoppelte Empfangssignal abgegriffen werden. Die Versorgungsspannung wird der Weiche ebenfalls über eine F-Buchse zugeführt. Die Versorgungsspannung kann dabei bis zu 65 V bei einem Strom von bis zu 2 A betragen. Die elektrischen Bauteile befinden sich in einem Blechgehäuse.
Abb: Stromeinspeiseweiche TZU 15-01 mit Zuleitung der Versorgungsspannung
Push-To-Talk (PTT) Mikrofon
Mittels einer Push-to-Talk-Taste lässt sich bei Funkgeräten auf Knopfdruck von Empfang auf Senden umschalten. Diese Funktion wurde mit einem Mikrofon eines handelsüblichen Funkgerätes auch für dieses Projekt realisiert. Das Mikrofon verfügt über zwei Klinkenstecker. Die 3,5-mm-Klinke ist dabei für das Audiosignal zuständig, die 2,5-mm-Klinke für das PTT-Signal. Durch das Drücken der PTT-Taste wird die Signalleitung des rechten Kanals der 2,5-mm-Klinke mit der Masseleitung der Klinke verbunden. Zur Verwendung der PTT-Funktion mit der SDR-Console muss das PTT-Signal dem Computer über eine serielle RS232-Schnittstelle zugeführt werden. Da der verwendete Laptop nur über eine USB-Schnittstelle verfügt, wird die Schnittstelle mit einem Adapter-Kabel mit integriertem FT323RL-Chip realisiert. Der Chip kann mithilfe eines Treibers auf dem Laptop eine RS232-Schnittstelle an einem der USB-Ports simulieren und setzt die Signale in beide Richtungen entsprechend um. Dadurch lassen sich Signale über den USB-Port wie über eine RS232-Schnittstelle versenden und empfangen. Die Leitung des rechten Kanals der 2,5-mm-Klinke wurde mit dem CTS-Pin des Adapter-Kabels verbunden. Die SDR-Console liest den CTS-Pin aus. Werden durch die Betätigung der PTT-Taste die Signalleitung und somit der CTS-Pin auf Masse gezogen, wird dies durch die SDR-Console erkannt. Infolgedessen wird der Adalm Pluto in den Sendebetrieb umgeschaltet und das in das Mikrofon gesprochene Sprachsignal wird verarbeitet und ausgesendet.
Die unten stehende Abbildung zeigt die Verschaltung der Komponenten. Dabei wird die RS232-Schnittstelle wie ein realer Anschluss dargestellt. In Realität bietet das Adapter-Kabel mit dem FT323RL-Chip Steckerbuchsen für handelsübliche Entwicklungskabel, wie sie auf Steckplatinen verwendet werden.
Auf dem Foto des PTT-Pfades ist eine USB-Soundkarte zu erkennen. Diese wird verwendet, da der Laptop nur über eine Kombi-Buchse für Headsets verfügt. Mit der Soundkarte lassen sich der Mikrofoneingang sowie der Lautsprecher/Kopfhörer-Ausgang separat verwenden. In den Mikrofoneingang der Soundkarte wird die 3,5-mm-Klinke des Mikrofons gesteckt. Die Ausgabe erfolgt über handelsübliche Stereo-Lautsprecher.
Abb: Verschaltung der Komponenten
Abb.: Anschluss des PTT an den Laptop
ALLNET ALL0174 Netzwerkadapter
Mithilfe des Netzwerkadapters ALL0174 von ALLNET kann ein Gerät über einen Micro-USB-Port um eine Netzwerk-Schnittstelle erweitert werden. Dazu verfügt der Adapter über einen männlichen Micro-USB-2.0-Anschluss, der in die entsprechende Buchse des Wunschgeräts gesteckt wird und über eine RJ45-Buchse. In die RJ45-Buchse wird ein Ethernet-Kabel (auch LAN-Kabel genannt) gesteckt, dessen anderes Ende in ein Netzwerkgerät wie beispielsweise einen Router oder einen Switch gesteckt werden kann. Somit kann das Wunschgerät in ein Netzwerk eingebunden werden.
Im Gehäuse des Adapters arbeitet der ASIX AX88772B Chipsatz, der die Wandlung zwischen USB und RJ45 realisiert. Dies funktioniert bidirektional, sodass das Gerät Daten über den Adapter empfangen und aussenden kann. Der Micro-USB-Anschluss bedient sich des USB-Standards 2.0 und ist zu den Standards 1.0 und 1.1 abwärtskompatibel. Der Adapter ermöglicht Geschwindigkeiten von bis zu 100 Mbit/s (Megabits pro Sekunde) im Halb- und Vollduplex-Betrieb.
3D-gedruckte Teile der Elektronikbox
Auch in der Elektronikbox wurden 3D-Druckteile verwendet. Für die 28-V-Spannungswandler-Platine wurde eine Halterung konstruiert, die eventuelle Kurzschlüsse durch Berührung der Blechkiste verhindern soll. Darüber hinaus erleichtert die Halterung die Montage der Platine in der Kiste. Das Bauteil wurde mit der CAD-Software Fusion 360 von Autodesk konstruiert und aus PETG gefertigt. In die vier Bohrungen wurden im Anschluss an den Druckvorgang M3-Einschmelzgewinde aus Messing mit einem Lötkolben eingesetzt, um die Platine an ihren Verschraubungspunkten mit der Halterung verbinden zu können.
Abb.: 3D-Modell der Halterung
Die Platine mit den Klemmleisten, die für die Verteilung der 12-V-Versorgungsspannung angefertigt wurde, mussten ebenfalls vor Kurzschlüssen geschützt und zur Verschraubung ausgelegt werden. Dazu wurde eine Halterung konstruiert, die an der Wand der Blechkiste verschraubt werden kann. Die zugeschnittene Platine wird in die Führung geschoben und ist somit vor Kontaktierung mit dem Blech geschützt. Das Bauteil wurde aus PETG gefertigt.
Abb.: Platine in gedruckter Halterung
Wickelhilfe für Helixantenne
Die 3D-Modelle des Wetterschutzes enthalten auch eine Wickelhilfe für die Helixantenne. Die Wickelhilfe ermöglicht das saubere Wickeln von Helixantennen mit 3,5 Windungen aus Drähten mit unterschiedlichen Drahtdurchmessern. Da die Wickelhilfe nur im Labor verwendet wird, wurde sie aus PLA-Filament gefertigt. PLA steht für die Polyactide. Wie auch bei PETG handelt es sich um einen Thermoplast. PLA ist nicht so UV- und wärmebeständig wie PETG und somit nicht für den Einsatz im Freien geeignet. Dafür kann PLA aus nachwachsenden Rohstoffen wie beispielsweise Mais gewonnen werden. Darüber hinaus ist das Material unter industriellen Bedingungen kompostierbar. Das Material wurde bei einer Düsentemperatur von 210 °C und einer Druckbetttemperatur von 55 °C verarbeitet.
Abb.: Gedruckte Wickelhilfe mit Probewicklung aus Kupferdraht