Home - Techniek - Electronica - Radiotechniek - Radio amateur bladen - UKW-Berichte - Konverter für das 13-cm-Band mit 2 Vorstufen und aktivem Mischer
1. Allgemeines
Die bisher beschriebenen Empfangskonverter für den genutzten Teil des 13-cm-Amateurbandes (2304 - 2306 MHz) sind mit Diodenmischern (passiver Mischer) und nachfolgenden, rauscharmen Zwischenfrequenz-Vorverstärkern ausgestattet (Lit. 1,2,3). Lediglich der Konverter nach (2) besitzt eine Vorstufe. Wie aufwendig es ist, um mit (externen) Vorstufen (4) bei passivem Mischer die theoretisch mögliche Empfindlichkeit tatsächlich zu erreichen, hat Dieter Vollhardt in (5) anschaulich beschrieben. Wesentlich günstiger ist es, für den passiven einen aktiven Mischer (Transistormischer) einzusetzen, weil dann statt Mischverlust eine Mischverstärkung auftritt.
Versuche mit Transistormischern wurden bisher nur von wenigen Amateuren durchgeführt. Auch in der gebräuchlichen ausländischen Literatur, wie "ham radio" und "QST" ist hierüber nichts zu finden. Da nun Transistoren mit guter Rauschzahl und ausreichender Verstärkung bei 2300 MHz preiswert erhältlich sind, ist man auch im 13-cm-Band nicht mehr auf den Diodenmischer allein angewiesen. Sehr günstige Daten besitzt der Transistortyp BFR 4 A (Siemens), für den der Hersteller bei einem Kollektorstrom von 3 mA und bei einer KollektorEmitter-Spannung von 10 V eine Rauschzahl von 4 dB (2,0 GHz) angibt. In (5) sind die Werte F = 4,4 dB und V = 10 dB bei 2,3 GHz zu finden; sie sind natürlich nur bei optimaler Ein- und Ausgangsanpassung zu erreichen.
Es wird ein Empfangskonverter 2304 MHz/144 MHz beschrieben, der in zwei selektiven Vorstufen und in der Mischstufe mit BFR 34 A ausgestattet ist. Die Oszillatorkette wurde ähnlich der Beschreibung in (6) gebaut und stellt eine getrennte Baugruppe dar. Bild 1 zeigt den Konverter und das Oszillatorteil.
Bild 1: Der 13-cm-Konverter mit seiner Oszillatorbaugruppe (unten)
2. Zur Schaltung des Konverters
Die Schaltung des Empfangsumsetzers zeigt Bild 2. Man erkennt fünf Koaxialkreise in λ/2-Ausführung, die in der Mitte (Spannungsbauch) kapazitiv abstimmbar sind. Die ersten drei (L2, L3, L4) sind auf die Signalfrequenz, die anderen beiden (L6, L8) auf die Oszillatorfrequenz abgestimmt.
Bild 2: 13-cm-Konverter mit 2 Vorstufen und aktivem Mischer
Alle drei Transistoren (BFR34 A) arbeiten mit direkt geerdetem Emitter, so daß der mit den Trimmpotentiometern eingestellte Arbeitspunkt in keiner Weise gegenüber Spannungs- und Temperaturänderungen stabilisiert ist. Während die Betriebsspannung leicht für den gesamten Konverter stabilisiert werden kann, verschlechtern jedoch extreme Temperaturschwankungen bei tragbarem oder Mobilbetrieb Verstärkung und Rauschzahl. Falls dies untragbar erscheint, kann nach (7) ein einfaches Widerstands-Netzwerk für die Basisspannung berechnet werden, das den Kollektorstrom ausreichend temperaturstabil macht. Diese Vorspannungsschaltung wurde hier jedoch nicht angewandt, weil sie eine höhere Betriebsspannung (beispielsweise 20 V) erfordert.
Wie in (5) empfohlen, wird Transistor T1 auf niedrigste Rauschzahl, der Transistor T2 dagegen auf höchste Verstärkung eingestellt. Siemens gibt dazu folgende Werte an:
UCE = 10 V; IC = 3 mA für niedrigste Rauschzahl bei 2 GHz
UCE = 6 V; IC = 15 mA für maximale Leistungsverstärkung (Transitfrequenz)
Der Verfasser betreibt T2 nur mit 6 mA, für höhere Ströme muß der Kollektorwiderstand von 1 kΩ auf 470 Ω erniedrigt werden.
Der Mischtransistor T3 wird ohne Oszillatorsignal auf B-Betrieb (Kollektorstrom gerade am Instrument sichtbar, also einige µA) eingestellt. Das Oszillatorsignal erhöht den Kollektorstrom auf eine mA, was ein guter Indikator für die Abstimmung des Oszillatorbandfilters und der Kopplung mit L5 ist. UHF-Anteile in der Kollektorwechselspannung des Mischers schließt der Scheibenkondensator von etwa 10 - 15 pF (Wert unkritisch, Ausführung wichtig) unmittelbar am Kollektor kurz. Er stellt gleichzeitig den Kreiskondensator für 145 MHz dar. Über einen 50-Q-Anzapf an der ZF-Spule L10 gelangt das Signal unmittelbar an die Ausgangsbuchse. Ein ZF-Vorverstärker ist bei diesem Konzept nicht erforderlich, da die drei Stufen bereits eine Durchgangsverstärkung von 25 - 30 dB haben.
Das Bandfilter für die Injektionsfrequenz aus L6 und L8 ist vielleicht noch nicht optimal bezüglich der Durchlaßdämpfung; ganz sicher geht einiges an Oszillatorenergie durch die Kopplung von L5 auf den 2300-MHz-Kreis mit L4 verloren. Da die Oszillatoraufbereitung jedoch gut 10 mW bei 2160 MHz abgibt, ist dies unerheblich. Wichtig ist, daß der Mischer ein sauberes Injektionssignal erhält.
3. Aufbauhinweise für den Konverter
Für den Versuchsaufbau wurde teils einseitig, teils beidseitig kupferkaschiertes Leiterplatten-material von 1,5 mm Dicke verwendet. Die Konstruktionsskizze in Bild 3 und die folgenden Fotografien zeigen die Abmessungen und Aufbau-Einzelheiten. Für den Nachbau empfiehlt der Verfasser 0,7 mm dickes Messingblech, weil damit das "Durchkontaktieren" an den Emitteranschlüssen entfallen kann, und nur noch einseitig gelötet werden muß. Vor dem Einbau der elektronischen Bauteile kann der ganze Aufbau versilbert werden (das Mustergerät ist nicht versilbert). Die folgende Tabelle enthält die Zuschnitte für 1,5 mm dickes Leiterplattenmaterial, das einseitig (es) beziehungsweise beidseitig (bs) kupferkaschiert ist.
Bild 3: Konstruktionsskizze des 13-cm-Konverters
| Anzahl | Abmessungen | kaschiert |
|---|---|---|
| 2 | 138 × 27 × 1,5 | es |
| 2 | 138 × 95 × 1,5 | es |
| 2 | 92 × 27 × 1,5 | es |
| 1 | 92 × 27 × 1,5 | bs |
| 2 | 84 × 27 × 1,5 | es |
| 4 | 49 × 27 × 1,5 | bs |
Man sieht schon aus den Zuschnittmaßen, daß der Konverter innen 27 mm hoch ist. Beidseitig kaschiertes Material wird lediglich für diejenigen Trennwände benutzt, die auf beiden Seiten Hochfrequenz "sehen". Außen am Konverter sind keine Metallflächen vorhanden; damit kann niemand in Versuchung kommen, Masseverbindungen außen statt innen herzustellen.
Die Antenne wird über eine N-Norm-Buchse und die Koppelschleife L1 angeschlossen. Der Außenleiter der Buchse wird innen rundum mit der Gehäusewand verlötet, damit eine wellen-widerstandsrichtige, induktivitätslose Masseverbindung sichergestellt ist. Die Koppelschleife L1 ist 16 mm lang (+5 mm umgebogen), 5 mm breit, und in etwa 1,5 mm Entfernung von L2 angeordnet. Nachdem sich die Resonanz dieses ersten Kreises als sehr scharf erwies, ist die Einkopplung möglicherweise noch nicht optimal; dies kann jedoch auch an der Ankopplung des ersten Transistors liegen. Für die letzten Feinheiten fehlen dem Verfasser leider die Meßmittel. Es wäre schön, wenn jemand die optimalen Maße ermitteln und veröffentlichen würde.
Alle fünf Schwingkreiskammern haben quadratischen Querschnitt (27 mm) und sind innen 49 mm lang. Die Halbwellen-Innenleiter werden aus 7 mm dickem Messingrohr angefertigt. In die offenen Enden werden M 3-Muttern aus Messing hineingedrückt und verlötet. Dabei sollten die Muttern so tief eingedrückt werden, daß die Rohrwand etwa 1 mm über die Muttern ragt. Nach dem Planfeilen der Rohrenden zieht sich dann beim Festschrauben nur die Rohrkante in die verzinnte Kaschierung der Kammer-Stirnwände ein, und bildet so einen einwandfreien, rundum festen Massekontakt.
Als Abstimmkapazitäten dienen hochwertige keramische Spindeltrimmer mit einer Kapazität von 0,3 - 1,7 pF. Die Trimmer werden am Gehäuseboden verlötet, und mit ihrem heißen Ende in eine mittig angebrachte Bohrung des λ/2-Kreises eingepaßt (nicht gelötet). Falls Trimmer mit so geringer Kapazität nicht zur Verfügung stehen, entfernt man von Spindeltrimmern höherer Kapazität - beispielsweise 6 pF - den Metallbelag, und läßt den Keramikkörper in den Innenleiter ragen. Die Kapazität zwischen Spindel und Leiter ist dann ausreichend klein. Man kann auch eine M4-Feingewindeschraube und aufgelötete Messingscheiben verwenden.
In die Trennwände aus beidseitig kaschiertem Leiterplattenmaterial werden zur Aufnahme der Transistoren engsitzende Aussparungen gesägt. Auf jeden Emitteranschluß wird ein dünner, versilberter Kupferfolienstreifen aufgelötet, der nach dem Einschieben des Transistors in die Aussparung auf beiden Seiten heruntergeklappt und verlötet wird. So entsteht eine kurze Erdung und eine "Durchkontaktierung" am Leiterplattendurchbruch. Der Anzapfpunkt für Basis und Kollektor der Vorstufen ist jeweils etwa 12 mm vom kalten Ende entfernt; beim Mischer sind es rund 10 mm. Auf den Leitungskreis wird ein keramischer Scheibenkondensator von etwa 220 pF gelötet, und die Verbindung zum Transistor durch 4 mm breite, versilberte Streifen aus Kupferfolie hergestellt. Die schmalen Transistoranschlüsse treten somit praktisch überhaupt nicht in Erscheinung. Die Betriebsspannungen führen λ/4-Drosseln auf die Scheibenkondensatoren. Das kalte Ende der Drosseln liegt an Durchführungskondensatoren von 100 bis 200 pF.
Zur Kopplung von L6 auf L4 ist eine Durchführung mit Teflon-Isolierung einzusetzen, die 4 mm breite Koppelfahnen angelötet bekommt. Diese werden nach Bild 3 gebogen.
Der Kollektor des Mischtransistors führt in eine separate Kammer für den ZF-Schwingkreis. Unmittelbar neben dem Transistoranschluß wird ein Scheibenkondensator von 10 bis 15 pF an die Trennwand gelötet. Hier wird die abstimmbare ZF-Spule angeschlossen. 2 Windungen vom kalten Ende wird über 680 bis 1000 pF ausgekoppelt. Zum Abblocken des ZF-Kreises ist auf dem Kammerboden ein Scheibenkondensator von rund 1 nF aufgelötet.
Die Basisspannungsteiler mit den Trimmpotentiometern zum Einstellen der Ruheströme sind in eigenen Kammern angeordnet, und erhalten die Betriebsspannung einzeln von außen über 1-nF-Durchführungskondensatoren. Ungewollte Kopplungen von Kammer zu Kammer und damit Schwingneigungen sind so von vornherein ausgeschlossen. Nach dem Fertigstellen des Konverters werden in die Ecken aller Kammern M3-Muttern aus Messing eingelötet und auf einer ebenen Schmirgelfläche plan gezogen. Der Gehäusedeckel wird um alle Bohrungen herum verzinnt und dann mit 22 Schrauben befestigt.
Bild 4: 13-cm-Konverter met 2 Vorstufen und aktivem Mischer, ausgeführt in Kammerbauweise mit λ/2-Kreisen.
Bild 5: Einzelheiten im Bereich der Mischstufe
3.1. Besondere Bauelemente
| T1 ... T3 | BFR34A (Siemens) |
| L1 | Ms-Blech ca. 14 mm lang, 4 mm breit, 1,5 - 2 mm Abstand zu L2 |
| L2 ... L4, L6, L8 | siehe Text |
| L5 | Kupferfolie, ca. 4 mm breit, 12 - 15 mm lang, an Teflon-Durchführung |
| L7 | versilb.Kupferdraht 1,5 mm ø, Abstand zu L6 und L8 ca.2 mm,14 mm hoch |
| L9 | versilb.Kupferdraht 1,5 mm ø, 1-2 mm Abstand zu L8, ca. 13 mm lang |
| L10 | versilb.Kupferdraht 1 mm ø, 6 Wdg. auf 5-mm-Spulenkörper, UKW-Kern, Windungsabstand = Drahtdurchmesser, Anzapf ca. 2 Wdg. vom kalten Ende |
| L11 ... L15 | λ/4-Drosseln, Kupfer-Lack-Draht 0,3 - 0,4 mm ø, 3 Wdg. auf 4-mm-Dorn, etwas auseinandergezogen, freitragend eingelötet |
| L16 | 6-Loch-Kern-Drossel (Valvo) |
| 5 | keramische Scheibenkondensatoren ohne Anschlußdrähte ca. 220 pF |
| 1 | keramischer Scheibenkondensator ohne Anschlußdrähte ca. 12 pF |
| 1 | keramischer Scheibenkondensator ohne Anschlußdrähte ca. 1 nF |
| 5 | keramische Spindeltrimmer ca. 0,3 - 1,7 pF (nicht mehr gefertigter Typ der Fa. Stettner) |
| 6 | keramische Durchführungskondensatoren zum Einlöten (mögl.kleine Bauform) ca. 150 pF |
| 3 | keramische Durchführungskondensatoren zum Einlöten ca. 1 nF |
| 3 | Trimmpotentiometer 1 kΩ, RM 10/5 mm |
4. Abgleich und Betrieb
Zuerst werden die Ruheströme der drei Transistoren - wie im Abschnitt 2 beschrieben - eingestellt. Dann schließt man das Oszillatorteil an, und stimmt die Kreise mit L6 und L8 auf größten Strom des Mischtransistors ab. Wenn nun der ZF-Kreis bei 145 MHz abgeglichen wird, ist im nachgeschalteten 2-m-Empfänger schon eine deutliche Rauschzunahme zu hören.
Zum Endabgleich der λ/2-Kreise muß der Deckel aufgeschraubt sein und ein stabiles Signal am Antenneneingang liegen. Beim Mustergerät stellte sich mit einer Betriebsspannung von 12 V eine Durchgangsverstärkung von rund 28 dB ein, die an den Bandenden um etwa 2 bis 3 dB abfiel. Die Resonanzüberhöhungen des Eingangskreises und des letzten 2160-MHz-Bandfilterkreises erwiesen sich als sehr scharf. Auch bei abgenommenem Deckel waren keine Schwingneigungen festzustellen. Trotz guter UKW-Lage traten keine Durchschläge von Relaisstellen oder starken SSB-Stationen im 2-m-Band auf. Ein 3 km entfernter Fernsehumsetzer rief auch keine unerwünschten Mischprodukte hervor. Dabei diente als Nachsetzer ein SSB-FM-AM-Transceiver der Firma Semcoset.
Dieser Konverter wurde mit den beim Verfasser zur Zeit vorhandenen Konvertern nach (1) und (2) verglichen. Dazu standen ein verhältnismäßig stark einfallender Bakensender (DC6MR: 2304,975 MHz) und ein schwaches Dauersignal aus 60 km Entfernung am Bandanfang zur Verfügung. Das Ergebnis war zufriedenstellend, wenn auch vielleicht das Optimum mangels Meßgeräten noch nicht erreicht ist. Sicherlich kann durch optimale Anpassung der Transistor-Ein- und Ausgänge an die λ/2-Schwingkreise die Empfindlichkeit noch verbessert werden. Hierzu schlägt der Verfasser die folgenden Änderungen vor:
Die Basis- und Kollektoranschlüsse der Transistoren werden auf kleine Teflonstützpunkte mit einer kleinen Gewindeschraube aufgesetzt, und Koppelfahnen aus Kupferfolie angebracht. Auch die Drosseln führen auf diese Stützpunkte. Mit einem Kunststoffwerkzeug können nun überall die Koppelgrade optimal eingestellt werden. Dieser Vorschlag lehnt sich an die Baubeschreibung(4) an. Der Verfasser wäre für Erfahrungsberichte beim Nachbau oder bei Weiterentwicklungen dankbar.
5. Literatur zu Teil 1
- Fisher, R.E.: Interdigital Converters for 1296 and 2304 MHz, QST Vol. 58 (1974) Heft 1 (Januar), Seite 11 - 15
- Hupfer, K.: Empfangsmischer mit Vorstufe für das 13-cm-Band, UKW-Berichte 14 (1974), Heft 2, Seite 66 - 73
- Schädlich, A.: Ein Empfangskonverter mit Diodenmischung für das 13-cm-Band, UKW-Berichte 14 (1974) Heft 4, Seite 197 - 202
- Foot, N.J.: Narrow-band solid state 2304 MHz preamplifiers, ham radio magazine 7 (1974) Heft 7 (Juli), Seite 6 - 11
- Vollhardt, D.: Rauschen von Misch- und Vorstufen bei SHF, UKW-Berichte 16 (1976) Heft 1, Seite 51 - 59
- Hupfer,K.: 2160-MHz-Frequenzaufbereitung als Überlagerungsoszillator für 13-cm-Mischer, UKW-Berichte 14 (1974) Heft 3, Seite 183 - 184
- Richter, K.: Design DC stability into your transistor circuits, MICROWAVES Vol. 12 (1973) Heft 12 (Dezember), Seite 40 - 46
Teil 1 - Teil 2
DC0DA, Jürgen Dahms.