Home - Techniek - Electronica - Radiotechniek - Radio amateur bladen - UKW-Berichte - Bemessungsregeln für Frequenzvervielfacher mit Transistoren
Die beschriebenen Bemessungsregeln wurden aus der Untersuchung eines TransistorFrequenzverdopplers kleiner Leistung gewonnen. Sie sind sicher nicht unbegrenzt zu verallgemeinern, dürften aber doch gute Hinweise für das Arbeiten mit Frequenzvervielfachern im Frequenzbereich zwischen 10 und etwa 150 MHz darstellen.
1. Versuchsaufbau
Bild 1 zeigt den Schaltplan eines Frequenzvervielfachers mit den verwendeten Meßgeräten, einem Röhrenvoltmeter URI (Rohde und Schwarz) mit HF-Tastkopf, einem Meßempfänger und -Sender ASV (Rohde und Schwarz) für 30 - 300 MHz, sowie einem geeichten Dämpfungsglied für Z = 60 Ohm mit maximal 70 dB. Als Transistor wurde mit Absicht ein schneller Schaltertyp (fT ca. 400 MHz) mit großer Rückwirkungskapazität (ähnlich BSY18 oder 2N708) verwendet, von dem etliche Exemplare vorhanden waren - aus der Überlegung heraus, daß ein Versuchsaufbau, der damit arbeitet, auch gegen Änderungen des mechanischen Aufbaus und des Transistortyps unkritisch sein dürfte. Das soll natürlich nicht heißen, daß man einen Vervielfacher mit solchen Transistortypen planen sollte statt mit echten HF-Typen (z.B. 2N918).
Bild 1: Versuchsaufbau eines Frequenzvervielfachers
Alle Schwingkreise waren in Abschirmbechern untergebracht (Filterbausätze der Reihe D3 mit Gewindekern und zwei Kappenkernen der Firma Vogt). Es zeigte sich jedoch, daß die Bemessungsregeln auch für einfache abgeschirmte Spulen mit Gewindekern ohne Kappen-kerne gelten.
Um verschiedene Aussteuerungsmöglichkeiten zu haben, erhielt die Spule L2 (40 % der Windungszahl von L1) einen Mittenanzapf und wurde streng symmetrisch aufgebaut. Somit ließ sich auch ein Gegentaktverdoppler realisieren. Darüberhinaus wurde auch Aussteuerung mit kapazitivem Anzapf untersucht.
Die hier nicht gezeigte Ansteuerschaltung bestand aus einem 9-MHz-Quarzoszillator mit Trennverstärker, einem Phasenmodulator (ohne NF-Spannung), und einem Verdoppler von 9 auf 18 MHz. Dieser Verdoppler wurde durch das etwas schwache Signal des Phasen-modulators kollektorseitig nicht voll durchgesteuert, so daß - wie später noch erklärt wird - die Ausbildung höherer Harmonischer nur gering ist und die Messung nicht stört. Im 36-MHz-Ausgang einer derartigen Anordnung sind prinzipiell alle Vielfachen von 18 MHz und in schwächerer Ausprägung auch noch die von 9 MHz zu erwarten.
2. Durchführung der Messungen
Zunächst wurde eine Eintaktverdopplerstufe aufgebaut. Die Basis erhielt 0 V Vorspannung und wurde von der vollen Wicklung L2 (40 % der Windungen von L1) angesteuert. Der mit 68 Ohm gewählte Emitterwiderstand RE wurde wie üblich mit einem Kondensator überbrückt, und zwar mit CE = 680 pF (Serienresonanz bei ca. 18 MHz).
Diese Schaltung schien zunächst stabil zu sein, aber die Abstimmung des Kollektorkreises mit L3 auf maximale Spannung am Röhrenvoltmeter ergab eine andere Einstellung als die Abstimmung auf maximale Anzeige bei 36 MHz am Meßempfänger. Dies ließ auf starke Ober- und Nebenwellen schließen. Der Meßempfänger zeigte vorallem, daß auch unharmonische Nebenwellen auftraten, obwohl die ansteuernde HF-Spannung in Verbindung mit der Schwellenspannung des Transistors eigentlich gerade einen geeigneten Stromflußwinkel für stabile Verdopplung hätte ergeben sollen. Auch andere Werte der steuernden HF-Spannung, andere Spulenanzapfe, und Basisvorspannungen änderten nichts am unsauberen Arbeiten der Stufe.
Sie arbeitete jedoch sauber, sowie der Emitterkondensator CE fortgelassen wurde. Jetzt konnte man durch Wahl eines zur kollektorseitigen Belastung passenden Emitterwiderstandes einen günstigen Stromflußwinkel und eine optimale kollektorseitige Aussteuerung einstellen, ohne daß unharmonische Nebenwellen auftraten. Dabei war die Oberwellendämpfung als gut zu bezeichnen.
Es wurden noch verschiedene Ansteuerungsarten untersucht, kapazitive Ankopplungen an den 18-MHz-Kreis mit L1, verschiedene Basisvorspannungen - auch mit Diodenstabilisierung - sowie ein Gegentakt-Eintakt-Verdoppler. Sie alle brachten keinen deutlichen Vorteil gegenüber der in Bild 1 gezeigten einfachen und Bauelemente sparenden Grundschaltung.
3. Ergebnisse
Wie bereits erwähnt wurde, darf kein Emitterkondensator vorgesehen werden. Als entscheidend für die Unterdrückung von Ober- und Nebenwellen, sowie für den Wirkungsgrad des Verdopplers erwies sich dann die Ausgangsanpassung. Das heißt, der Lastwiderstand des Kollektorkreises, einschließlich seiner Belastung durch die folgende Stufe muß so bemessen werden, daß die Kollektorspannung fast an die Grenzkennlinie, aber nicht darüber hinaus ausgesteuert wird. Im vorliegenden Fall durfte die HF-Spannung am Kollektor 4 bis maximal 5 V (gemessen mit URI) nicht übersteigen, andernfalls ließen sich kräftige Oberwellen bis 300 MHz nachweisen.
3.1. Meßwerte
Die in Bild 1 gezeigte Schaltung, mit L2 = 40 % von L1, ohne Basisvorspannung und ohne Emitterkondensator zeigte die folgenden Meßwerte:
(Alle Werte bezogen auf den Pegel bei der Nutzfrequenz 36 MHz)
| 27 MHz | kaum nachweisbar |
| 45 MHz | kaum nachweisbar |
| 54 MHz | -34 dB |
| 72 MHz | -36 dB |
| 90 MHz | -39 dB |
| 108 MHz | -39 dB |
| IC | 2,3 mA |
| UHF | 1,15 V (an 350 Ω) |
| uC | 5 V (Effektivwert) |
| RE | 150 Ω |
Höhere Harmonische nicht feststellbar.
4. Realisierung
Die geforderte optimale Ausgangsanpassung läßt sich in der Praxis nicht ohne weiteres realisieren. Da die Belastung des Kollektorkreises durch die nächste Stufe schlecht zu berechnen ist, nimmt man sie als gegeben an, und verändert den Emitterwiderstand so, daß die optimale Aussteuerung der Kollektorspannung erreicht wird. Beispielsweise erwies sich in der Versuchsschaltung für den 350-Ohm-Lastwiderstand und die gegebene Aussteuerung ein Emitterwiderstand von 150 Ohm als günstig; bei einer Verkleinerung des Lastwiderstandes auf 110 Ohm konnte der Emitterwiderstand auf 68 Ohm herabgesetzt werden.
Ein gewisses Problem stellt allerdings die Messung der am Kollektor stehenden HF-Spannung dar, wenn man dieses wirkungsvolle Rezept anwenden will. Sie muß mit einem kapazitätsarmen Oszilloskop- oder Röhrenvoltmeter-Tastkopf erfolgen. Bei Voltmetermessung muß der Effektivwert von uc etwas kleiner als 0,7 × Ub sein. Bei Oszilloskopmessung muß der Spitze-Spitze-Wert der Kollektorspannung etwas kleiner als 2 × Ub sein. Der Schwingkreis muß mit dem Tastkopf auf maximale Spannung nachgestimmt werden. Bei den Versuchen (36 MHz !) wurde der 2-pF-Tastkopf des URI verwendet; auch ein 7-pF-Oszilloskop-Tastkopf ließ sich noch einstimmen, ein 10-pF-Tastkopf machte jedoch bereits Schwierigkeiten.
Ohne diese Meßmittel kann man sich jedoch folgendermaßen helfen:
Der Kollektorstrom der nächsten in B- oder C-Betrieb arbeitenden Stufe ist ein zuverlässiges HF-Voltmeter, das zwar keine Absolutwerte anzeigt, dafür aber die Meßanordnung nicht verfälscht, weil unter originalen Lastbedingungen angezeigt wird. Man bedämpft dazu zweckmäßigerweise den Kollektorkreis dieser "Anzeigestufe" mit etwa 100 Ohm, damit man keine internen Eigenschaften (beispielsweise Unstabilität) dieser Stufe mitmißt.
Der Kollektorstrom der Anzeigestufe entspricht der Ausgangsspannung des einzustellenden Verdopplers; er hängt vom Emitterwiderstand RE des Verdopplers prinzipiell so ab, wie es Bild 2 zeigt. Wenn der Kollektor des Verdopplers voll durchgesteuert ist, nimmt der Strom nicht mehr deutlich zu. Die Grenze ist nicht sehr scharf; der optimale Emitterwiderstand liegt deutlich vor der Grenze.
Bild 2: Kollektorstrom der nachfolgenden Stufe in Abhängigkeit vom Emitterwiderstand des Vervielfachers
Da jede folgende Stufe die Aussteuerung der vorhergehenden beeinflußt, nimmt man zweckmäßigerweise nach dem Abgleich von der tiefsten zur höchsten Frequenz hin (Vervielfacherkette), eine Nachkorrektur der Emitterwiderstände von der Endstufe rückwärts bis zum Oszillator hin vor. Der Feinabgleich ist jedoch nicht besonders kritisch.
5. Anmerkung
Die in Bild 1 gezeigte Meßanordnung ist etwas primitiv, weshalb die Meßwerte natürlich nicht auf die Goldwaage gelegt werden dürfen. Der Unterschied gegen das mit gleicher Anordnung gemessene Spektrum bei übersteuertem Kollektor ist jedoch erheblich. Abschliessend möchte der Verfasser Herrn W. Pieles für seinen Einsatz bei der Durchführung der Messungen danken.
DL3ZU, Dr. Ing. Hans Schierholt.