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Intermodulationsmessplatz für hohe Interzeptpunkte

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Der Interzeptpunkt dritter Ordnung stellt einen der wichtigsten HF-Parameter bei der Bewertung von Empfängereingangsteilen dar Wie man ihn mit amateurmäßigen Mitteln messen kann, zeigt der folgende Beitrag.

Überwiegend entstehen in unseren Empfängern Intermodulationsprodukte zweiter und dritter Ordnung. Dabei liegen die verursachenden starken Störer der Summen- und Differenz-Produkte zweiter Ordnung meist recht weit vom störenden Produkt auf unserem Empfangskanal entfernt, sodass man sie mit vergleichsweise einfachen Mitteln, wie z.B. einem Antennen-Anpassgerät in Hochpasskonfiguration, unterdrücken kann.

Anders hingegen die Verursacher der Produkte dritter Ordnung. Sie liegen um die Differenz ihrer Frequenzen ober- und unterhalb der IM-Produkte und damit oft sehr dicht an unserer Nutzfrequenz. Diese Situation ist vor allem im 40-m-Band anzutreffen. Solche Störer lassen sich üblicherweise nicht mit einfachen Mitteln unterdrücken, es sei denn, man setzt ein schmalbandiges Antennenquarzfilter direkt in den Antenneneingang.

Ihre Bewältigung gelingt nur mittels aufwändiger Schaltungstechnik im Empfänger-Frontend, also im Vorverstärker, Mischer, Filter usw. Das ist der Grund, warum die Intermodulationsfestigkeit für IM-Produkte dritter Ordnung generell als einer der wichtigsten HF-Parameter eines modernen Geräts anzusehen ist.

Zur Messung der Interzeptpunkte (engl.: interception point) der derzeit gängigen Amateurfunkempfänger oder Transceiver genügt es, über einen hinreichend entkoppelnden Leistungssummierer (1) zwei HF-Generatoren zu kombinieren. Die üblichen Ausgangspegel von maximal + 13 dBm erlauben eine zusätzliche Entkopplung mit ohmschen Dämpfungsgliedern zwischen Generatoren, Summierer und dem Messobjekt. Mit dieser Standardanordnung lassen sich Eingangsinterzeptpunkte dritter Ordnung bis etwa +20 dBm... +25 dBm mit akzeptabler Toleranz ermitteln.

Höhere Interzeptpunkte erfordern eine höhere Entkopplung zwischen den Generatoren, da deren Ausgangsverstärker bei höheren Pegeln gegenseitig mehr Intermodulation erzeugen als beispielsweise ein zu messender professioneller Empfänger. Eine höhere Entkopplung ist aber nicht realisierbar, weil dazu die Ausgangsleistung der Generatoren nicht ausreicht.

Also müssen hoch intermodulationsfeste Nachverstärker zum Einsatz kommen sowie leistungsfähige Dämpfungsglieder zur weiteren Entkopplung. Dadurch steigt jedoch der apparative Aufwand auf ein Niveau, das sich der Durchschnittsamateur nicht mehr leisten kann.

Wenn man davon ausgeht, dass der kritischste Fall für die Entstehung von Intermodulätion dritter Ordnung auf dem 40m Band vorliegt, so kann man sich auf eine repräsentative Messung auf 7 MHz beschränken. Finden außerdem anstelle der Generatoren Quarzoszillatoren entsprechender Ausgangsleistung und Schaltungsauslegung Verwendung, dann lässt sich ein Messplatz für hohe Interzeptpunkte mit vergleichsweise geringem Aufwand sogar im Eigenbau herstellen. Ein solcher für die Bestimmung des IP 3 professioneller Empfänger und des angekündigten neuen hochlinearen Transceivers IC-7800 wird hier vorgestellt.


Bild 1: So sind die einzelnen Module angeordnet. Quarzoszillatoren (links), Summierer und die zweifache Spannungsstabilisierung. Nach der Funktionsprüfung werden alle Module zugelötet.


Bild 2: Seitenansicht des Testgenerators mit darunter angeordnetem Dämpfungsglied. Zur Bestimmung des Empfänger-Grundrauscheins sind zusätzliche Festdämpfungsglieder aufzustecken (Pfeil).

Schaltung

Die Messeinrichtung besteht aus zwei Oszillatoren, dazu Summierer, Versorgung und schaltbarer Abschwächer. Die Schaltung der ersten vier Module zeigt Bild 3. Die beiden Oszillatoren sind identisch aufgebaut - sie unterscheiden sich lediglich in der Quarzfrequenz. Ich habe hier die Frequenzen mit einem Abstand von 50 kHz auf 7,10 MHz und 7,15 MHz festgelegt. Die Intermodulationsprodukte dritter Ordnung entstehen dann auf den Frequenzen 7,05 MHz und 7,20 MHz.


Bild 3: Schaltbild des Interrnodulationsmessplatzes; braun unterlegte Baugruppen sind separat abgeschirmt.

Oszillatoren

Die Oszillatoren weisen einige Besonderheiten gegenüber der Standardschaltung auf. Zur Erzielung höchstmöglicher Schwingamplitude bei geringstem Strom sind Transistoren höchster Stromverstärkungsklasse einzusetzen. Der rauschanne NF-Transistor BCY59 garantiert ein Signal geringsten Phasenjitters, speziell bei Einsatz der selektierten Typen BCY59/IX bzw. /X. Alle Kreiselemente sollten eine hohe Güe aufweisen. Daher verwendet man am besten Folien- oder Glimmerkondensatoren. Die Auskopplung des Signals erfolgt an einem Serienkondensator zwischen Quarz und Masse. An dieser Stelle wirkt der Quarz als Ausgangsfilter für das Signal. Hier ist der Oberwellengehalt am geringsten, etwa -50 dBc.

Zudem wird so das Signal des jeweils anderen Oszillators vom aktiven Schaltungselement ferngehalten, die Isolation damit erhöht und etwaige Intermodulationsentstehung unterdrückt. Der ohmsche Spannungsteiler verbessert die Ausgangsanpassung auf S22 > 20 dB. Bei knapp 30 mA Stromaufnahme an 8 V Versorgungsspannung liefert der Oszillator +6 dBm Ausgangsleistung. Mit dem Einstellregler im Emitterpfad lässt sich der Pegel fein justieren. Eine höhere Ausgangsleistung wäre nur durch Verringerung der Ausgangsisolation zu erzielen; bei höherem Strom gerät der Transistor an seine Verlustleistungsgrenze.

Summierer

Der Leistungssummierer ist eine ohmische Brückenschaltung, wobei der vierte 50 Ω Widerstand durch das Messobjekt gebildet wird. Zur optimalen Entkopplung der Oszillatorsignale wird jenes über einen Symmetriertransforrn ator in den Brückenzweig eingeschleift. Dieser Transformator ist auf einen N30 Doppellochkern 7 mm x 6 mm x 4 mm von Siemens gewickelt.

Die Wicklung besteht aus drei trifilar verdrillten CuL-Drähten mit je 0,2 mm Durchmesser. Es werden drei Windungen aufgebracht. Nach dem Wickeln sind die verdrillten Enden sorgfältig aufzudrehen, zu verzinnen und mit dem Ohmmeter zu separieren.

Nach dem Brückenabgleich mit dem 100 Ω Einstellregler ergibt sich bei sorgfältigem Aufbau eine Isolation von mehr als 50 dB zwischen den Oszillatoranschlüssen und eine Durchgangsdämpfung für die Oszillatorsignale von knapp über 6 dB. Die hohe Isolation ist nur bei präzisem Abschluss mit jeweils 50 Ω zu erzielen - mit ein Grund für die notwendige Ausgangsanpassung der Oszillatoren.

Versorgung

Die Oszillatoren liefern bei konstanter Verlustleistung und geringer Betriebsspannung einen höheren Signalpegel als bei hoher Betriebsspannung. Daher wird zur Konstanthaltung der Pegel und Entkopplung der Oszillatoren über die Betriebsspannung jede Oszillatorspannung getrennt auf 8 V stabilisiert. Folienkondensatoren am Ein- und Ausgang der beiden 78L08 verhindern Schwingneigung, und parallel geschaltete Keramik-Kondensatoren entkoppeln für HF. Alle Versorgungsleitungen werden mehrfach über Drosseln und Durchführungskondensatoren abgeblockt.

Aufbau

Wie schon erwähnt, ist die Entkopplung der Oszillatorsignale das A und 0 einer korrekten, eigen-intermodulationsannen Funktion. Daher werden die Oszillatoren in kleine Metallbüchsen "wasserdicht" eingelötet. Nur eine kleine Öffnung für die Nachjustierung des Pegels bleibt offen. Sie wird nach dem Abgleich mit einer selbstklebenden Kupferfolie verschlossen.

Ebenso findet der Summierer in einer etwas kleineren "Büchse" Platz. Den Aufbau vor dem vollständigen Zulöten der Gehäuse veranschaulicht Bild 1.

Anschließend kommen die Module samt Spannungsversorgung nochmals in ein schirmendes Gehäuse hinein. Alle HF-Verbindungen können mit Koaxialkabel fest verlötet oder zum einfacheren Abgleich über kleine koaxiale Stecker/Buchsen angeschlossen werden.

Dämpfungsglied

Das hier eingesetzte Dämpfungsglied stammt preiswert vom Flohmarkt auf der Ham Radio. Es beinhaltet zwei präzise Schalter mit vollständig geschirmtem Dämpfungsnetzwerk. Es ist nur bis 120 MHz geeignet, liefert aber im Kurzwellenbereich äußerst präzise Dämpfungsschritte.

Da es lediglich für Intermodulationsmesszwecke zum Einsatz gelangen soll, habe ich es mittels zweier Aluminiumrahmen und einem kleinen Chassis, ebenfalls aus Aluminium, fest mit der Oszillatorbaugruppe verschraubt.

Die Verbindung zwischen Oszillatoren und Abschwächer ist aus Gründen der HF-Dichtigkeit mit Semi-Rigid-Kabel hergestellt. Selbstverständlich können auch andere schaltbare Dämpfungsglieder mit einer Impedanz von 50 Ω verwendet werden, sofern sie eine entsprechende Präzision aufweisen. Solche aus US-amerikanischer Low-Cost-Produktion für den Amateurbedarf zählen nicht unbedingt dazu. Bild 4 zeigt die Gesamtansicht bei einer Messung.


Bild 4: IM-Mossgenerator (oben) mit Dämpfungsglied bei einer Messung des Interzeptpunkts des R&S EK070

Messergebnisse

Die Intermodulationseigenschaften des Zweitongenerators selbst konnte ich am Spektrumanalysator untersuchen. Dabei gelang es auch mit höchstwertigem Messequipment nicht, die IM-Eigenprodukte nachzuweisen. In Bild 5 ist nur zu erkennen, wo die IM-Produkte der Anordnung im Rauschen und den Analyzer-Artefakten zu finden wären. Selbst bei geringster Bandbreite und Sweepzeiten von mehr als einer halben Stunde, war die Darstellung iner Messdynamik >90 dB nicht mehr möglich.

An der Stelle der IM-Produkte (Marker 3 und 4) hat das Rauschen einen Pegel von etwa -89 dBc. Da die IM-Produkte nicht im Rauschen zu erkennen sind, sind sie schlechtestenfalls 3 dB schwächer als das Rauschen, liegen also unter oder bei -92 dBc. Mit Generatorpegeln von 0 dBm entspricht dies einem Eigen-IP von > +46 dBm! Damit lassen sich Eingangsinterzeptpunkte von +40 dBm mit einem Fehler von maximal 1 dB ermitteln - für ein Amateurprodukt mit gerade mal vier aktiven Bauelementen ein respektables Ergebnis!

Bild 5: Überprüfung des Messgenerators an einem kommerziellen Spektrumanalyzer. An den Stellen der Marker 3 und 4 liegen die IM-Produkte der Messeinrichtung im Rauschen. Der intermodulationsfreie Dynamikbereich beträgt mindestens 92 dB.

Messverfahren

Der Eingangsinterzeptpunkt eines Empfängers wird am sinnvollsten aus dem intennodulationsfreien Dynamikbereich bestimmt. Dazu stellt man den Empfänger auf die Frequenz eines der beiden Oszillatorsignale und schwächt dieses so weit ab, bis sich am NF-Ausgang des Empfängers, mit einem Echt-Effektiv-Voltmeter gemessen, ein Signal-Störabstand (S + N)/N von 3 dB ergibt (d.h. Signal gegenüber Grundrausehen bei abgeschaltetem Signal).

Dieser Pegel entspricht dem Noise Floor (Grundrauschen) PN des Empfängers. Zur Ermittlung dieses Grundrattschens musste ich dem hier eingesetzten einstellbaren Dämpfungsglied noch Festdämpfungsglieder in Serie nachschalten, wie dies auf Bild 2 zu erkennen ist. Es empfiehlt sich, diese Messung für Vergleichszwecke bei SSB-Bandbreite durchzuführen.

Der nächste Schritt ist die Einstellung des Empfängers auf die Frequenz des zu erwartenden IM-Produkts - z.B. 7,05 MHz. Nun erfolgt eine Erhöhung des Generatorsignals so lange, bis auch das IM-Produkt ein (S + N)/N = 3 dB liefert. Der Unterschied der Pegel entspricht dann dem IM-freien Dynamikbereich IMD3.

Der Interzeptpunkt dritter Ordnung, bezogen auf den Empfängereingang, errechnet sich schließlich gemäß der Beziehung

wobei PG der Pegel des eingestellten Zweitonsignals ist).

Hintergrundinformationen zum Messverfahren und der Intermodulationsentstehung sind in (2) und (3) zu finden, auch der FA-Beitrag (4) liefert einige Anhaltspunkte.

Fazit

Mit diesem selbstgebauten IM-Testgenerator ist man in der Lage, auch hohe Eingangsinterzeptpunkte professioneller Kurzwellenempfänger im 7 MHz Bereich zubestimmen. Der integrierte Aufbau verringert den apparativen Aufwand auf ein Minimum und vereinfacht die Messung drastisch; Vergleichsmessungen des wichtigsten Kriteriums des Empfänger-Großsignalverhaltens sind damit ganz schnell erledigt. Eike, DJ5AO, und Peter, DK7SP, sei an dieser Stelle für die profunde Vorarbeit gedankt.

Bild 6: IP3, Grundrauschen PN und IM-freier Dynamikbereich IMD3; IP3 lässt sich wegen viel zu hohen Pegels nicht direkt messen, sondern nur berechnen, siehe Kasten.

Literatur

  1. Schnorrenberg, W., DC4KU: Power-Splitter mit Power-Combiner in Tbeorie und Praxis. Funk Amateur 52 (2003) H. 10, S. 1007-1009; H. 11, S. 1115-1117
  2. Cuno, H.H., DL2CH; Graf, U., DK4SX: Warum so messen? CQ DL 69 (1998) H. 11, S. 861 ff.
  3. Graf, U., DK4SX: Empfänger-Intermodulation. CQ-DL 73 (2002) H. 6, S. 436-438; H. 7, S. 504-507; H.8, S.588-591.
  4. Schwarzbeck, G., DL1BU: Labortest: Icom IC-775 DSP, 200-W-Transceiver mit DSP (1). Funk Amateur 45 (1996) H. 4, S. 378-382.

Dipl. -ing. ULRICH GRAF - DK4SX