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Jeder aktive UKW-Amateur hat schon erfahren, daß oft viele störende, nicht von Amateuren stammende Signale im 2-m-Band hörbar sind. Ihr Auftreten kann viele Ursachen haben, nicht zuletzt im Amateurempfänger selbst. Beispielsweise können zwei oder auch mehr legale Signale aus den Bändern unter- und oberhalb des Amateurbandes durch Intermodulation am Empfänger- oder Vorverstärker-Eingang neue Signale im Amateurband erzeugen, die dann zusammen mit den "echten", gewünschten Signalen verstärkt und demoduliert werden.
Ein weiteres Problem können einzelne, besonders starke Außerband-Signale sein, die den Arbeitspunkt der ersten Stufe verschieben, und so den Empfänger unempfindlich machen. Verschwindet das starke Signal wieder, ist plötzlich das (schwache) Amateursignal wieder hörbar. Solche überraschenden Veränderungen liegen nicht an der troposphärischen Wellenausbreitung, sondern an mangelnder Großsignal-Festigkeit unserer Empfänger.
Derartige Störungen können durch ein Empfänger-Eingangsfilter, das ausschließlich die gewünschten Frequenzen durchläßt, verringert oder manchmal sogar ganz verhindert werden.
Ein gutes Filter verringert auch die Summenleistung von Zündfunken-Störungen und anderem "Man-made Noise" (auch eine Form der Umweltverschmutzung!). Was im Band übrigbleibt, kann noch schlimm genug sein, und man könnte auf die Idee kommen einfach die Sendeleistung zu erhöhen, um den Empfang unserer Signale zu erleichtern. Vorübergehend würde das auch helfen; aber wenn alle Sender mit höherer Leistung arbeiten, wird schließlich die alte Situation wieder hergestellt. Dies ist der Grund, warum weltweit versucht wird, die Empfängereigenschaften zu verbessern. Das im folgenden beschriebene Bandfilter ist eine der Möglichkeiten.
1. Bandfilter
Es dürfte bekannt sein, daß die Verluste eines Resonanzkreises von der Güte der Induktivität L und der Kapazitiät C abhängen. Wenn die Güte Q eines Kreises hoch ist, so ist die Resonanzkurve scharf. Sie wird noch schärfer - oder ihre Flanken noch steiler - wenn zwei Resonanzkreise gekoppelt werden. Für quantitative Berechnungen, die heute mit elektronischen Rechnern durchgeführt werden, benötigt man Werte von Güte und Kopplungsgrad. Die Rechnungen muß man nicht mehr selbst ausführen, da man die Ergebnisse in Tabellenwerken und Diagrammen findet.(1),(2)
Für den Entwurf benötigt man den gewünschten Frequenzgang mit Dämpfungswerten bei bestimmten Frequenzen als Vorgabe. (Bild 1). Die Einfügungsdämpfung (= Dämpfung im Durchlaßbereich) ao kann innerhalb des Durchlaßbereiches zwischen einem minimalen und einem maximalen Wert schwanken (Zahl der Maxima entspricht der Anzahl der gekoppelten Kreise). Die Eckfrequenzen des Durchlaßbereiches nennen wir fP1 und fP2. Bei der Frequenz fC1 soll die Dämpfung aC1 auftreten, und bei fC2 soll die Dämpfung den Wert aC2 erreichen.
Bild 1: Typischer Frequenzgang eines Bandfilters und seine Spezifizierung.
Die Filterflanken-Steilheit hängt von der Anzahl der Resonanzkreise und den Gütewerten ab. Die Form der Kurve, das heißt ihre Bandbreite, sowie der Wert der Einfügungsdämpfung konnen durch den Kopplungsgrad verändert werden. Bei festerer Kopplung wird die Durchlaßkurve breiter, und die Dämp fungsschwankungen (Ripple) im Durchlaßbereich werden stärker. Bei sogenannter kritischer Kopplung sind die Verhältnisse günstiger, aber die Bandbreite ist kleiner. Lose Kopplung schließlich ergibt die geringste Bandbreite, aber auch eine hohe Einfügungsdämpfung.
Jede Filter-Dimensionierung erfordert also Kompromisse mit dem Ziel, eine vorgegebene Bandbreite mit möglichst geringer Einfügungsdämpfung zu realisieren, und dabei die erforderlichen Dämpfungswerte bei weiter außen liegenden, kritischen Frequenzen nicht zu unterschreiten.
2. 4-Kreis-Filter für das 2-m-Band
Es wird nun ein Filter zum Nachbau beschrieben, dessen Eigenschaften in Tabelle 1 zusammengestellt sind.
| Mittenfrequenz | f0 = 145 MHz |
| Einfügungsdämpfung | a0 = 1,6 - 1,8 dB |
| Unt. Durchlaß-Eckfrequenz | fP1 = 144 MHz |
| Dämpfung bei fP1 | a1 = 2,0 dB |
| Ob. Durchlaß-Eckfrequenz | fP2 = 146 MHz |
| Dämpfung bei fP2 | a2 = 2,0 dB |
| Unt. Cut-off-Frequenz | fC1 = 140 MHz |
| Dämpfung bei fc1 | aC1 = 36 - 40 dB |
| Ob. Cut-off-Frequenz | fC2 = 150 MHz |
| Dämpfung bei fc2 | aC2 = 36 - 38 dB |
Das Filter besteht aus kapazitiv gekoppelten LC-Kreisen. Für das 2-m-Band lassen sich Luftspulen hoher Güte mit kleinen Abmessungen einsetzen. Mit versilbertem Draht und nicht zu vielen Windungen erreichen sie Q-Werte über 100. Das ist zwar kein Vergleich zur Güte koaxialer Resonatoren (größenordnungsmäßig Q = 1000), aber die Herstellung ist wesentlich einfacher. Spulen für das 2-m-Band können aus 1 mm dickem Draht mit 6 bis 8 mm Spulendurchmesser angefertigt werden.
Zum Abstimmen kann man Luft- oder Teflon-Trimmer von 8 bis 15 pF verwenden, doch gibt es auch andere Lösungen. Vor allem auf die Ausführung der speziellen Koppelkondensatoren wird noch eingegangen werden, weil sie zu den Abstimmelementen beitragen.
Ein- und Ausgang werden induktiv angekoppelt, weil sich so die Transformation von 50 Ω auf den Resonanzwiderstand der Kreise - Größenordnung kΩ - einfach durchführen läßt. Für die angestrebte rein kapazitive Kopplung müssen die einzelnen Spulen in Abschirmkammern untergebracht werden.
3. Baubeschreibung
Das Schaltbild des 4-Kreis-Filters zeigt Bild 2. Die Drahtlänge der induktiven Anzapfungen beträgt 12 bis 15 mm bei der Windung 0,25 - 0,75 vom kalten Ende. Es wird versilberter 1-mm-Draht verwendet, den man auf einen 6-mm-Dorn wickelt.
Bild 2: Schaltbild eines 4-Kreis-Filters mit kapazitiver Kopf-Kopplung.
Der Ausführung der Koppelkondensatoren CC1 ... CC3 wurde besondere Sorgfalt gewidmet. Die Idee war, daß zwei benachbarte leitende Flächen auf einer Leiterplatte gut reproduzierbare Kapazitätswerte ergeben, in der hier benötigten Größenordnung von 0,2 bis 1 pF. Bild 3a zeigt diese Anordnung und ihr Ersatzschaltbild. Nach Bild 3b kann man eigene Dimensionierungen vornehmen.
Bild 3a: Schematische Anordnung und Ersatzschaltbild eines Koppelkondensators in Streifen leitu ngstechni k.
Bild 3b: Dimensionierungs -Diagramme für Streifenleitungs-Koppelkondensatoren.
Diese bequeme und weitverbreitete Streifenleitungstechnik fügt unserem Filter aus konzentrierten Induktivitäten und Trimmern verteilte Kapazitäten hinzu. Sie werden auf einer beidseitig kaschierten Glasfaser-Teflon-Platine mit den Abmessungen 100 mm × 50 mm realisiert (Bild 4). Die Anordnung ist symmetrisch.
Bild 4: Teflon-Leiterplatte HA5KFV 001 für ein 4-Kreis-Filter für das 2-m-Band.
Die Induktivitäten werden koaxial in Kammern aus Leiterplattenmaterial gebaut, wie Bild 5 zeigt. Alle Lötnähte - auch diejenigen der beiden Koaxialbuchsen (BNC) - müssen innen verlaufen, damit dichte Kammern ohne Ritzen, mit gutem elektrischen Kontakt zu Ein- und Ausgangsbuchse entstehen. Ausschliesslich die Koppelkondensatoren leiten den HF-Strom von Kammer zu Kammer. Die Trimmer sind Tronser-Typen (Lufttrimmer) mit 4 Anschlüssen, für die Bohrungen vorgesehen sind.
Bild 5: Außen- und Trennwände, sowie den Deckel für das 4-Kreis-Filter kann man aus einseitig kaschiertem Leiterplattenmaterial herstellen.
3.1. Materialliste
Leiterplatte HA5KFV 001, 100 × 50, aus beidseitig kupferkaschiertem, glasfaserverstärkten Teflon-Material (Er = 2,2), 1,5 mm dick (3M: 250 GX 1,5)
Die folgenden 8 Teile bestehen aus einseitig kaschiertem, normalen Leiterplattenmaterial, 1,5 mm dick:
3 Stück Trennwände, 47 × 25
2 Stück Seitenteile, 97 × 25
2 Stück Wände mit BNC-Buchse, 50 × 25
1 Stück Deckel 100 × 50
Weiterhin werden benötigt:
2 BNC-Buchsen (Radial) R-141554)
4 Lufttrimmer (Tronser 10-1111-20014-000)
4 Luftspulen: 7 Windungen aus 1-mm-Draht, versilbert, auf 6-mm-Dorn gewickelt, freitragend zwischen Masse und Tronser-Trimmer eingelötet
Dünne Kupferfolie (ca. 0,1 mm dick) zum Löten des Deckels an den Kasten, und als metallischer Kontakt zwischen Deckel und Oberkante der Trennwände. Ein fertiges Filter, ohne Deckel ist in Bild 6 zu sehen.
Bild 6: Ein fertiges Filter ohne Deckel
4. Abgleich
Obwohl man sämtliche Werte genau berechnen kann, erfordern die Herstellungstoleranzen der Spulen, und die gegenseitige Beeinflussung von Schwingkreis- und Koppel-Kapazitäten eine Abgleich-Möglichkeit. Deshalb sind Trimmer und jeweils mehrere "Kapazitäts-Inseln" für die Kopplung vorgesehen. Je weniger dieser Kapazitäts-Inseln einander gegenüberstehen, desto schwächer ist die Kopplung. Der optimale Abgleich jedes 4-Kreis-Filters ist wegen der gegenseitigen Beeinflussungen ein diffiziler Prozess, für den man einen Wobbelmeßplatz oder einen HF-Netzwerk-Analysator und Geduld benötigt.
Als ersten Schritt gleicht man alle Kreise auf die Band-Mittenfrequenz von 145,0 MHz ab. Dann verstärkt man schrittweise die Kopplung durch Zusammenlöten von mehr Inseln, bis die erforderliche Bandbreite erreicht ist. Die Ein- und Ausgangs-Ankopplung dagegen soll so lose wie möglich, das heißt Anzapfpunkte so nahe am kalten Ende wie möglich, eingestellt werden. Wie der Frequenzgang von Amplitude und Eingangs-Reflexionsdämpfung schliesslich aussehen sollten, zeigt Bild 7.
Bild 7: Frequenzgang von Dämpfung (ausgezogene Linie) und Eingangs-Reflexionsdämpfung (strich-punktiert).
5. Literatur
- Fink, D.G.: Electronic Engineers Handbook, Mc-Graw Hill Publications, New York
- Pfitzenmaier, G.: Tabellenbuch Tiefpässe SIEMENS AG, München 1971
HA5KFV, István Szabó
HA5GH, Sándor Nagy.