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1. Vorbemerkungen
Digitale Frequenzzähler gehören heute zur Ausrüstung vieler Amateurfunkstationen. Die obere Frequenzgrenze liegt, bedingt durch den auch heute noch überwiegenden Aufbau in "gesättigter Logik" (TTL), bei ca. 50 MHz. Höhere Eingangsfrequenzen lassen sich mit Schaltungen in "ungesättigter Logik" (ECL) verarbeiten.
Die Firmen Motorola, Plessey und Hewlett Packard (HP) bieten monolithisch integrierte Frequenzteiler bis 500 MHz an (Plessey bis 1 GHz). Ab Mitte 1974 wird auch ein 4 : 1-Teiler bis 1 GHz von Fairchild erhältlich sein(1). Aus der möglichen Vielfalt wurde die preisgünstigste Kombination ermittelt, welche Messungen im 70-cm-Band und noch etwas darüber hinaus erlaubt. Der unten beschriebene Vorteiler besitzt aus Gründen der Preiswürdigkeit die Teilverhältnisse 20 : 1 und 100 : 1.
2. Vorverstärker
Der Vorverstärker hat die Aufgabe, das zu zählende Signal auf einen hinreichend hohen Pegel anzuheben. Zum Durchsteuern einer in Stromschaltertechnik ausgeführten Schaltung werden bei tiefen Frequenzen wegen des Zusammenhangs IC ≈ exp U/uT ca. 2,3 uT ≈ 60 mV Eingangsspannung benötigt (Kollektorstromverhältnis 10 : 1). Der Eingangsspannungsbedarf steigt bei höheren Frequenzen unter anderem wegen des Spannungsabfalls am Basisbahnwiderstand stark an. Beim verwendeten 2 : 1-Teiler werden ca. 200 mV (Effektivwert) bei 500 MHz benötigt.
Monolithisch integrierte Schaltungen als Vorverstärker für den Frequenzbereich bis 500 MHz scheiden aus Preisgründen aus (> 200 DM).
Sehr vorteilhaft lassen sich dagegen für den Vorverstärker die preiswerten Transistoren für Antennenverstärker verwenden.
2.1. Erreichbare Verstärkung
Verzichtet man auf Transformationsnetzwerke zwischen den Transistorstufen, so erhält man für die Stufenverstärkung den Ausdruck:
Den Datenblättern entnimmt man für den verwendeten Transistortyp 2N5179 folgende Werte für die Vierpolkoeffizienten bei 500 MHz:
y11 = (13 + j 12) mS
y12 = (0 - j 2,25) mS
y21 = (20 - j 35) mS
y22 = (2 + j 5) mS
Damit wird:
Vu = 1,77 ej 71,17°
Die maximale Leistungsverstärkung einschließlich Neutralisationsnetzwerk (unilateraler Gewinn) ist:
Bezogen auf gleiche Impedanzen erhält man die maximale Stufenverstärkung zu:
Vu max = 3,76
Durch Anpassungsnetzwerke wäre demnach lediglich eine um den Faktor 2 höhere Stufenverstärkung erreichbar; abgesehen von der schwierigen Aufgabe, Neutralisations- und Anpassungsnetzwerke für weite Frequenzbereiche zu erstellen.
3. Abschwächer
Die übliche Antiparallelschaltung von zwei Dioden am Eingang des Vorverstärkers ist zur Signalabschwächung nicht ausreichend. Selbst mit Schottky-Dioden im induktivitätsarmen Gehäuse ließ sich das Eingangssignal (50-Ω-Quelle) nur unbefriedigend abschwächen.
Gute Erfolge ließen sich mit einem Abschwächer in Brückenschaltung nach Bild 1 erzielen.
Bild 1: Brückenschaltung aus Schottky-Dioden als Abschwächer
Wegen des Durchlaßwiderstandes der Dioden muß eine Grunddämpfung in Kauf genommen werden. Auch PIN-Dioden-Schalter zeigten gute Ergebnisse (Bild 2). Eine kontinuierliche Abschwächung wie im Eingang von Fernseh-Empfängern ist aber bei den hier auftretenden großen Amplituden nicht möglich (snap-off Effekt).
Bild 2: PIN-Dioden-Schalter als Abschwächer
Als geeignetster Abschwächer hat sich der Vorverstärker selbst erwiesen. Hierbei ist lediglich wichtig, daß die Transistoren bei Ansteuerung mit negativen Spannungen keinen parasitären Schwingkreis als Last anstoßen können. Solche Schwingkreise können insbesondere die üblicherweise zur Frequenzgangkorrektur eingefügten Kollektorinduktivitäten sein. Bild 3 und Bild 4 sollen den Begrenzungseffekt verdeutlichen und den Einfluß ungünstig dimensionierter KollektorInduktivitäten zeigen.
Bild 3: Eingengsspennung des 2:1-Teilers (Stift 13) zur Demonstration der Begrenzerwirkung des Breitband-Vorverstärkers
Bild 4: Wie Bild 3, jedoch bei Verwendung von Kollektordrosseln (ca. 40 nH Luftspulen) zur Anhebung des Frequenzgangs (Fehlzählung!)
4. Die Schaltung
Die Gesamtschaltung zeigt Bild 5. Das Eingangssignal passiert zunächst den zweistufigen Vorverstärker (T1, T2). Um parasitäre Resonanzen zu vermeiden, arbeiten die Transistoren auf Ferrit-Breitbanddrosseln. Es wird die bei Antennenverstärkern übliche Technik der Parallel- und Seriengegenkopplung angewandt.
Bild 5: Schaltbild des 500-MHz-Vorteilers mit Vorverstärker
Auf den 2 : 1-Teiler (I1) folgt kapazitiv gekoppelt der 10 : 1-Teiler (I2). Der Transistor T3 dient als Pegelwandler (ECL/TTL). Je nach Stellung des Schalters S gelangt das TTL-Signal über die Gatter direkt (Gesamtteilverhältnis 20 : 1), oder über den als 5 : 1-Teiler geschalteten I3 (Gesamtteilverhältnis 100 : 1) an den Ausgang. An den Anschlüssen Pt3 und Pt4 ist noch ein Flipflop (50 MHz) frei, das eventuell zur Taktfrequenz-Halbierung benutzt werden kann. (Torzeitverdopplung ergibt ein effektives Teilverhältnis von 10 : 1). Der Ausgang Pt7 wird am besten unmittelbar mit dem Tor des Zählers verbunden. Ist ein Einbau jedoch nicht möglich, so kann diese Baugruppe auch über ein Koaxialkabel an den Verstärkereingang des Zählers angeschlossen werden.
4.1. Hinweise zu den Bauelementen
| I1 | 1820 - 0558 (Hewlett-Packard) bzw. als Nachfolger: 1820-0736 |
| I2 | 95H90 (Fairchild) |
| I3 | SN74196N |
| I4 | SN7400N |
| T1, T2 | 2N5179 (RCA) |
| T3 | BF440, BF414 (AEG-Tfk) oder 2N5139, BF272, BSX29 (Fairchild) oder BF324, BF450 (Siemens) oder anderer VHF-PNP-Si-Transistor |
| L1... L3 | Ferrit-Breitbanddrossel 1,5 Wdg. in 6-Loch-Kern (Valvo Nr. 4312 020 36690) oder ... 36700 und 1 Wdg. herausziehen) |
| L4, L5, L6 | Ferrit-Breitbanddrossel 2,5 Wdg. in 6-Loch-Kern (Valvo Nr. 4312 020 36700) |
| Alle Kondensatoren keramische Scheiben; Ausnahme C15 (Tantal-Tropfen-Elko) | |
5. Meßergebnisse
Die Eingangsempfindlichkeit des Zählers ist in Bild 6 aufgetragen. Bild 7 zeigt die Eingangsreflexionsdämpfung re = - 20 log (b1 / a1) mit:
a1 = Amplitude der vom Zählereingang reflektierten Welle
b1 = Amplitude der zum Zählereingang laufenden Welle.
Bild 6: Eingangsempfindlichkeit des Vorteilers als Funktion der Frequenz
Bild 7: Eingangs-Reflexionsfaktor des Vorteilers als Funktion der Frequenz
Für re > 10 dB ist die "Welligkeit" s < 1,9. Wegen der guten Eingangsanpassung kann das zu messende Signal auch über längere Koaxialkabel zugeführt werden. Die Eingangsleistung sollte nicht über 150 mW liegen, was einer max. Eingangsspannung von ca. 3 V entspricht. Soll die Frequenz größerer Leistungen gemessen werden, empfiehlt sich das Vorschalten eines Dämpfungsgliedes entsprechender Belastbarkeit.
6. Aufbau und Abgleich
Der Aufbau erfolgt auf einer beidseitig kaschierten Leiterplatte mit den Abmessungen 95 mm × 50 mm. Ihre Bezeichnung ist DJ5HD 003. Der Einbau in ein Weißblechkästchen ist empfehlenswert, aber für die Funktion nicht unbedingt erforderlich. Erdschleifen sind beim Einbau des Vorteilers in einen vorhandenen Zähler unbedingt zu vermeiden! Bild 8 zeigt die Leiterbahnen und den Bestükkungsplan, Bild 9 die Leiterplatten-Oberseite. Die Platine sollte nicht verändert werden; es können höchstens noch einige Drähte zur Verbindung der oberen und der unteren Massefläche eingelötet werden.
Bild 8: Bestuckungsplan und Leiterbahnen der Platine DJ5HD 003
Bild 9: Oberseite der Platine DJ5HD 003
Alle Bauteile sind mit kürzestmöglichen Anschlüssen einzulöten. Dies ist besonders wichtig für die Verstärkertransistoren T1 und T2. Die Löcher (0,8 ø) für ihre Anschlußdrähte werden nach Bild 10 dicht neben den zugehörigen Leiterbahn-Enden gebohrt, wobei das Rastermaß der Transistoranschlüsse möglichst genau einzuhalten ist. Die Transistoren werden dann so eingelötet, daß ihre Gehäuse auf der Leiterplatte aufsitzen.
Bild 10: Einbauhinweise für die Transistoren T1 and T2
Mit dem Potentiometer P1 muß sich am Stift 13 von I1 eine Spannung von 4,75 V einstellen lassen. Ist dies nicht möglich, so streut der Transistor T2 in der Stromverstärkung sehr stark. Eine Veränderung von R6 zum nächsten Normwert reicht dann in jedem Fall aus.
Da der 2 : 1-Teiler I1 im allgemeinen bis über 600 MHz funktioniert, bestimmt der 10 : 1-Teiler I2 die obere Frequenzgrenze der Baugruppe. Sie wird durch eine niedrige Betriebstemperatur des 95H90 erhöht, weshalb es zweckmäßig ist, einen Winkel (oder ein U-Profil) aus Aluminium aufzukleben.
Die Potentiometer P1 und P2 sind nach Erreichen der stationären Betriebstemperatur (2 bis 3 Minuten) auf maximale Empfindlichkeit bei möglichst hoher Frequenz abzugleichen. Weitere Abgleicharbeiten sind nicht notwendig. Bild 11 zeigt das Mustergerät von DJ7JX.
Bild 11: Musteraufbau des 500-MHz-Vorteilers mit Verstärker
7. Literatur
DJ7JX, G. Bergmann und DJ5HD, M. Streibel.
Hinweise - Verbesserungen - Änderungen
Das Schaltbild enthält einen Zeichenfehler: Bei I2 (95H90) ist der Anschluß 3 mit der Basis von T3 verbunden, nur die Anschlüsse 4 und 5 liegen an der Betriebsspannung. Die Leiterplatte ist fehlerfrei.