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Kurzfassung: Um hohe Leistung für 10GHz EME zu erreichen kann man mittlere TWT's der 25W Klasse zusammenschalten, um beinahe die doppelte Leistung zu erreichen. Dieses wird mit einem speziellen Hohlleiter-Koppler und zusätzlichen Einrichtungen zur Laufzeit und Verstärkungs-Entzerrung erreicht.
1. Einführung
Die ersten EME-Versuch bei HB9AGE haben gezeigt, daß man mit einem 3m Spiegel und 25W Leistung seine eigenen Echos gerade über dem Rauschen hören kann. Für erfolgreichen Betrieb benötigt man dann eine besser ausgerüstete Station als Partner. Z.B. wurden die QSO's mit WA70O (200W/4m Spiegel) und SM4DHN (80W/6m Spiegel) binnen 10 Minuten mit guten Signalen abgewickelt. Um die Station zu verbessern, kann man den Spiegel vergrößern, die Vorstufe verbessern oder die Leistung erhöhen. Größere Spiegel sind schwierig zu handhaben und bei einer Rauschzahl von 0,7db für die Vorstufe begrenzt bereits das Mondrauschen die nutzbare Empfindlichkeit. Hochleistungs-TWT's sind sehr schwer zu bekommen. Da es aber genügend TWT's der 25W Klasse gibt, wurde versucht, die Leistung durch Zusammenschaltung von 2 TWT's zu verdoppeln.
2. Technik der Zusammenschaltung
Bild 1: Coupling Block Diagram
Die Blockschaltung in Bild 1 zeigt die nötigen Geräte:
- 2x 25W TWT der gleichen Type
- 2 Stromversorgungen
- Ein gutes 'Magic Tee' für 10GHz. Die Ausführungen Mr das 8,5-9,5 GHz Radarband sind nicht brauchbar.
- 2 Hohlleiter Abschlüsse für 50W
- 2x 10 dB Variable Abschwächer
- 1 Posaune für 10GHz (Line-Stretcher)
- 1 Leistungsteiler
- 2 Isolatoren Koax
2.1 Allgemeine Bemerkungen
Bild 2: Coupling Schema
Bild 2 zeigt die genaue Schaltung. Alle Ausgangsleitungen sind Hohlleiter, da sie sehr geringe Verluste haben. Es besteht wenig Sinn darin, kostbare Energie in Kabelverlusten zu vergeuden.
Es ist vorteilhaft, einen Isolator zwischen dem Hybrid-Addierer und dem Horn zu schalten. Diese sind aber nicht einfach zu bekommen und haben, wenn sie beschädigt sind, hohe Verluste.
Das Horn soll mindestens 20 dB Rückflußdämpfung haben. Wenn das Horn eine unbekannte Charakteristic hat, sollte man einen E/H-Tuner zwischenschalten. Mit diesem wird dann auf maximale Ausgangsleistung abgestimmt. Der Leistungsaddierer (Magic Tee) hat gute Isolation, solange er eine gut angepasste Last sieht.
Die Eingänge der Röhren werden durch Isolatoren von den Abschwächem bzw. der Posaune entkoppelt. Damit 'sehen' die Röhren immer 50 Ohm und es gibt keine unerwünschten Wechselwirkungen.
Es sollte darin erinnert werden, daß TWT's starke Magnete haben. Deswegen muß ein Mindestabstand von 30mm gewahrt bleiebn, um Defokussierun und Leistungsverlust zu vermeiden. Zur Montage der TWT's wird ein sehr großer Kühlkörper (<0,1 K/W z.B. 25x40x5cm) verwendet. Zusätzlich müssen Lüfter angebracht werden. Die TWT's werden mit Wärmeleitpaste aufgeschraubt. Die Endtemperatur sollte nicht mehr als 60-70 °C betragen.
2.2 Bemerkungen zur Montage
Die TWT's werden im Fokus des Spiegels montiert. Die Stromversorgungen befinden sich auf der Rückseite. Zur Verbindung dienen gut isoliert und abgeschirmte Kabel. Ich habe eine kostbare Röhre durch die Verwendung von nicht abgeschirmten Kabel verloren. Das HF-Feld ist sehr stark und stört jede Gleichspannungsregelschaltung empfindlich.
2.3 Eingangs-Leistungsteiler
Alle gebräuchlichen Leistungsteiler, Wikinson Hybrid, Rat-Race Koppler, 3dB Hybrid und 6dB Widerstandsteiler sind brauchbar. Wichtig ist nur, daß die Leistung gleichmäßig auf die Ausgänge aufgeteilt wird. Hat man genug Steuerleistung, kann man gut einen 6dB Widerstandskoppler verwenden.
2.4 Variabler Abschwächer
In Bild 4 wird eine einfacher Abschwächer mit einem Bereich von 10dB gezeigt. Leider ändert er Betrag und Phase, wenn man die Absorptionsfläche (200 Ohm/cm2) in den Hohlleiter bewegt. Nach der Abstimmung ist der Abschwächer gegen unbeabsichtigtes Verstellen zu sichern. In diesem Fall funktioniert nämlich nichts mehr.
Bild 4: Waveguide Attenuator
In Bild 3 werden einfache übergänge von Koax auf Hohlleiter gezeigt. Sie haben eine Rückflußdämpfung von mehr als 30dB.
Bild 3: Coax to Waveguide Transition
2.5 Posaune
Der Phasenschieber, auch Posaune genannt, weist eine interne Helix-Struktur auf und ist sehr schwer selbst herzustellen. Man besorgt ihn sich am besten vom Surplus-Markt. Er dient nach dem Verstärkungsabgleich dazu, die Laufzeit in beiden Zweigen abzugleichen.
2.6 Leistungsaddierer
Der Leistungsaddierer ist als Hohlleiter-Verbindung ausgebildet (Bild 5). Man nennt ihn auch 'Magic Tee'. Er ist ein 4-Tor Koppler mit 0° Summen-Tor und 180° Differenztor. Leistung an den Eingangstoren wird im Summen-Tor addiert und im Differenztor subtrahiert. Bei gleichen Amplituden und Phasen der signale erscheint am Differenzport keine Leistung.
Bild 5: Ideal Magic Tee
Um einen realen Leistungsaddierer meßtechnisch zu erfassen, schleißt man die Eingänge A und B über die Hohlleiter übergange an. Am Differenz-Torwirdein Hohlleiter-Abschluß angebracht und die Leistung am Summen-Tor eingespeist. Die Leistung an beiden Toren A oder B soll nicht mehr als 0.1dB differieren.
Die Isolation kann man am Differenz-Tor bestimmen, wenn man A und B mit 50Ohm abschließt. Sie sollte ca. 20 dB betragen.
3. Abstimmprozedur
Die Posaune wird halb eingedreht. Jede Röhre wird am Ausgang einzeln über Richtkoppler auf einen Hohlleiter-Abschluß geführt. Die Eingangsbeschaltung der Röhren ist wie in Bild 2 angegeben. Mit den variablen Abschwächern wird jede Röhre auf gleiche Ausgangsleistung eingepegelt. Es muß darauf geachtet werden, daß die Ausgangsleistung bei beiden Röhren stabil ist.
Die Abschwächer werden gesichert und der Leistungsaddierer mit den Röhren zusammengeschaltet. Jeweils ein Richtkoppler (-40dB) mit einem Leistungsmesser und ein Hohlleiterabschluß werden auf das Summen-Tor und das Differenz-Tor geschaltet. Nach Einschaltung der Steuerleistung muß am Summen-Tor mehr Leistung beobachtet werden können als am Differenztor. In der Anfangsphase sollten die TWT's nicht mehr als 5 Sekunden getastet werden. Die Posaune wird nun auf maximale Leistung am Summentor und minimale Leistung am Differenztor eingeregelt. Kommt man die Grenzen des Einstellbereichs, muß je nach Sachlage zusätzlich Kabellänge in einen der beiden Zweige eingefügt werden. Die elektrische Länge sollte der Hälfte der maximalen Länge der Posaune entsprechen. Nach dem Einfügen wird wieder das Minimum auf dem Differenztor gesucht. Nach erfolgreicher Abstimmumg muß die Leistung am Summentor ca. 2,8dB angestiegen sein und die Leistung am Differenztor mindestens 20 dB weniger sein.
Bild 6: E-Plane Magic Tee
Bild 7: H-Plane Magic Tee
Bild 8: Standard Magic Tee
4. Danksagung
My thanks to Pierre, HB9CUA, for the drawings and to Lee Johnson for some ideas he inspired. Vielen dank an meinen Partner in der EME-Gruppe Pierre, HB9CUA, für die Zeichnungen und an Lee Johnson für einige Ideen.
5. Literatur
- "Broadband Phase Equalizing Technique for combining High Power TWTs", Microwave Journal, 12/1988
- "Power Combiner Supports 2W GaAs Amp at 35 GHz", Microwave Europe 11&12/1990
HB9AGE, Walter Hanselmann.