Home - Techniek - Electronica - Radiotechniek - Radio amateur bladen - UKW-Berichte - Ein Sende-Empfänger für das 10-GHz-Band
2. Gunn-Oszillator
Das Kernstück eines Sende-Empfängers für 10 GHz ist stets der Mikrowellen-Oszillator. Um lange, hindernisfreie Strecken zu haben, wird ein 10-GHz-Transceiver praktisch nur im tragbaren Betrieb eingesetzt. Die Spannungsversorgung kann deshalb nur aus Batterien erfolgen. Dies bedeutet, daß für die Frequenzaufbereitung nur Halbleiterelemente infrage kommen. Das prinzipiell verwendbare Klystron scheidet wegen der aufwendigen Stromversorgung als Oszillator aus.
Um eine Frequenz im 10-GHz-Band zu erzeugen, stehen grundsätzlich zwei Möglichkeiten zur Verfügung:
- Frequenzvervielfachung aus dem 2-m- oder dem 70-cm-Band (zum Beispiel 144 MHz × 72 = 10368 MHz);
- Freischwingende Oszillatoren im 10-GHz-Band.
Die erste Möglichkeit ist aufwendig und wegen des mit jeder Vervielfachung wachsenden Rauschsockels nicht ganz problemlos; sie wurde deshalb vorläufig zurückgestellt. Die zweite Methode ist mit einem Gunn-Oszillator sehr einfach realisierbar und bei minimalem Aufwand ausreichend frequenzstabil. Die Funktion des Gunn-Elements ist von Fritz Möhring in (1) bereits so ausführlich beschrieben worden, daß sie als bekannt vorausgesetzt werden kann. Mit einem Gunn-Element läßt sich ein recht einfacher Mikrowellen-Oszillator aufbauen, dessen Ausgangsleistung und Frequenzstabilität für Funkverbindungen im 10-GHz-Band mehr als ausreichend sind.
Schließt man einen Hohlleiter beiderseits mit einer leitenden Wand ab, so erhält man einen Hohlraumresonator, dessen Länge einer halben Wellenlänge entspricht. Bei Anregung mit einer Welle bilden sich Strom- und Spannungsverteilungen - oder besser Feldstärkeverteilungen - aus, wie sie in Bild 11 dargestellt sind. Setzt man an einer geeigneten Stelle des Resonators ein Gunn-Element ein, so regt dieses die Schwingung im Resonator an. Dabei wird die entstehende Frequenz primär von den geometrischen Abmessungen des Hohlraumes bestimmt. Einen gewissen, aber wesentlich kleineren Einfluß haben die Kapazitäten und Induktivitäten des Gunn-Elements. Da diese wiederum von der Betriebsspannung abhängen, kann man sie zur elektronischen Abstimmung heranziehen. Will man öber größere Frequenzbereiche abstimmen, muß man die Abmessungen des Resonators verändern. Da dies mechanisch schwierig ist, ändert man die "elektrischen Abmessungen", beispielsweise durch Einschrauben eines Metallstiftes. Hierdurch wird die Induktivität des Resonators vergrößert; dreht man dagegen einen dielektrischen Stift in den Resonator ein, so verändert man die Kapazität. Beides führt zu einer Änderung der Resonanzfrequenz des Resonators. Bei Versuchen hat sich herausgestellt, daß Metallschrauben als Abstimmelemente durch Kontaktschwierigkeiten am Hohlleiterkürper zu sprunghaften Frequenzänderungen führen, die nur durch recht aufwendige Konstruktionen vermieden werden können. Völlig problemlos sind dagegen Teflonstifte mit Gewinde; man erreicht damit eine saubere, kontinuierliche Abstimmung mit hoher Wiederkehrgenauigkeit. Andere Kunststoffe als PTFE (Teflon) haben meist zu große Verluste, so daß manchmal nicht einmal mehr der Oszillator anschwingt.
Bild 11: Hohlraumresonator mit Strom- und Spannungsverteilung beziehungsweise Feldstä rkeverteilungen
Einen nach diesen Gesichtspunkten konstruierten Gunn-Oszillator zeigen die Bilder 12 und 13. Er geht auf einen Vorschlag von Dr. Dain Evans, G3RPE, zurück.
Bild 12: Gunn-Oszillator mit dielektrischer Abstimmung
Bild 13: Gunn-Oszillator, Gesamtdarstellung
Bild 13a: Holleiterflansch
Bild 13b: Diodenhalterung
Bild 13c: Teil 3:Abstimmstift
Bild 13d: Teil 4: Kurzschlußschieber
Bild 13e: Teil 5: Iris
Die eine der beiden leitenden Abschlußwände ist hier als Blechblende mit einer Öffnung (Iris) ausgeführt, durch welche die HF-Energie in den anschließenden Hohlleiter tritt. Die zweite Abschlußwand ist als Kurzschlußschieber aufgebaut. Kritische Maße, die möglichst genau eingehalten werden sollen, sind in Bild 12 eingerahmt; Abweichungen ergeben zum Teil erhebliche Frequenzabweichungen. Den Resonator kann man entweder aus einem abgesägten Hohlleiterstöck aufbauen, oder aus einzelnen Messingblechstücken zusammenlöten, was aber wegen der vielen Lötstellen schwierig ist. Die Metallmasse des Resonators sollte möglichst groß sein, damit man eine gute Kurzzeitstabilität gegenüber Temperaturschwankungen erreicht.
Da das Gunn-Element im Betrieb extrem niederohmig ist, stellt es für den Hohlleiter nahezu einen Kurzschluß dar. Es müßte daher eigentlich fast in der Abschlußwand montiert werden. Da dies aber aus mechanischen und elektrischen Gründen nicht möglich ist, ist der vorliegende Hohlraumresonator eine ganze Wellenlänge lang und dann erst durch den Schieber abgeschlossen. Die frequenzbestimmende Länge ist hier der Abstand Lochblende - Gunn-Element. Praktisch hat es sich als zweckmäßig erwiesen, diesen Abstand etwas kleiner als in Bild 12 zu wählen - die erzeugte Frequenz ist dann zu hoch - und die gewönschte Frequenz durch 0,5 mm oder 1 mm dicke Distanzscheiben aus Messing zwischen Flansch und Irisblende einzustellen. Diese Distanzscheiben müssen die Form des Flansches haben. Liegt die Frequenz zu tief, so ist eine Korrektur mit vernönftigen Mi eln kaum mehr möglich. Der Kurzschlußschieber hat bei einer derartigen Konstruktion w ig Einfluß auf die Schwingfrequenz, dagegen hat er großen Einfluß auf die abgegeben Leistung. Für den späteren praktischen Betrieb sollte er aus elektrischen Gründen besse durch eine an der richtigen Stelle eingelötete Kurzschlußplatte ersetzt werden.
Für die Halterung des Gunn-Elements ist folgendes wichtig: Der eine Anschluß - normalerweise der Minuspol - liegt an Masse, der andere muß zur Zuführung der Betriebsspannung isoliert herausgeführt werden. Diese Isolation wird als Klatschkondensator ausgebildet, das Dielektrikum ist eine dünne Kunstfolie - am besten aus PTFE (Teflon). Da das Gunn-Element mit jeder Induktivität zusammen schwingen kann, sind äußere Induktivitäten gefährlich - es können parasitäre Schwingungen mit wesentlich niedrigeren Frequenzen auftreten, die das Element zerstören können. Es ist deshalb auf eine gute Abblockung mit induktionsarmen Scheibenkondensatoren möglichst nahe am Oszillator zu achten.
3. Spannungsversorgung und Modulation
Gunn-Elemente benötigen je nach Fabrikat und Leistungsbereich Versorgungsspannungen zwischen 7 V und 10 V. Die Spannung soll stabilisiert sein, da Spannungsänderungen unweigerlich die Betriebsfrequenz beeinflussen. Geht man von einer Batteriespannung von 12 V aus, so genügt eine einfache Stabilisierungsschaltung aus Längstransistor und Z-Diode. Der während des Betriebs fließende Strom durch das Gunn-Element beträgt bei einer HF-Leistung von 50 mW maximal 500 mA. Begnügt man sich mit einer für den Funkbetrieb auch öber große Entfernungen völlig ausreichenden Leistung von 5 mW, so muß man mit einem Strom von ca. 200 mA rechnen. Bild 14 zeigt eine geeignete Schaltung zur Stabilisierung. Der Umstand, daß geringe Spannungsänderung am Gunn-Element Frequenzänderungen des Oszillators hervorrufen, läßt sich leicht zur Frequenzmodulation verwenden. Man führt die Versorgungsspannung über die Sekundärseite eines Transformators, an dessen Primärseite ein Modulationsverstärker angeschlossen ist.
Bild 14: Spannungsversorgung mit Modulationstransformator
Mit einer Modulationsspannung von rund 0,2 V bekommt man einen Frequenzhub von mehr als 50 kHz.
Als Modulationstransformator eignen sich alle Lautsprechertransformatoren aus alten Transistortaschenradios, deren niederohmige Wicklung (ehemaliger Lautsprecheranschluß) an den Modulationsverstärker angeschlossen wird. Die Betriebsspannung des Oszillators wird über die hochohmigere Wicklung geföhrt. Diese Schaltung ergibt eine saubere und klare Modulation, deren Qualität merklich besser ist, als bei Verwendung eines Operationsverstärkers, dessen Steuereingang die Niederfrequenz zugeführt wird. Einen geeigneten Modulationsverstärker, der auch noch die leistungsfähigsten Gunn-Elemente voll aussteuern kann, zeigt Bild 17. Der neue integrierte Verstärker TDA 1037 ermöglicht einen besonders einfachen Aufbau; es sind normale dynamische Mikrofone verwendbar.
Bild 15: DC0MT 001
Bild 16: DC0MT 001
Bild 17: Modulatorschaltung DC0MT 002
Bild 18: Leiterplatte DC0MT 002
Die Modulationsleitung muß unbedingt HF-mäßig geerdet werden, um parasitäre Schwingungen auszuschließen. Damit der Abklatschkondensator die hohen Modulationsfrequenzen nicht unzulässig absenkt, sollte seine Kapazität nicht größer als 4,7 nF sein. Er muß möglichst nahe am Oszillatoranschluß angebracht sein.
Bild 19: Modulator DC0MT 002
4. Inbetriebnahme
Vor der ersten Inbetriebnahme muß man sich unbedingt davon überzeugen, ob das Gunn-Element richtig herum in der Halterung sitzt, da eine falsche Polung das Element zerstört. Die Betriebsspannung wird zunächst auf den niedrigsten Wert (etwa 6 bis 7 V) eingestellt. Da die Stromwerte verschiedener Gunn-Elemente sehr stark streuen, kann man keinen Richtwert für den Strom angeben; es sollten aber bei 5-mW-Elementen nicht mehr als 100 mA sein. Erhöht man dann vorsichtig die Spannung, dann steigt der Strom zunächst an, fällt aber bei weiterer Spannungserhöhung wieder ab. Man stellt einen Arbeitspunkt ein, der kurz vor dem Strommaximum liegt. Um zu kontrollieren, ob die Anordnung schwingt, kann man einen einfachen Diodenmeßkopf verwenden, wie er später auch als Mischer gebraucht wird. Eine Mikrowellendiode (etwa vom Typ 1N23) wird in die Mitte eines Hohlleiters eingesetzt; über einen kleinen Klatschkondensator wird ein Pol herausgeführt und an ein Meßinstrument angeschlossen. Die Bilder 20 und 21 zeigen eine solche Konstruktion, die zum Einstellen eines Gunn-Oszillators sehr nützlich ist.
Bild 20: Diodenmeßkopf
Bild 20a: Diodenhalterung des Meßkopfes
Bild 21: Diodenmeßkopf
Zur ersten Kontrolle werden Gunn-Oszillator und Diodenmeßkopf zusammengeschraubt. Bei HF-Leistungen über 10 mW muß ein Dämpfungsglied zwischengeschaltet werden, da sonst die Anzeigediode zerstört wird. Kann man nach dem Einschalten des Oszillators einen Ausschlag am Meßinstrument beobachten, so ist dies ein Zeichen dafür, daß der Oszillator schwingt. Man stellt nun die Vorspannung so ein, daß der Oszillator maximale Leistung abgibt. Danach verschiebt man den Kurzschlußkolben so, daß man ein Leistungsmaximum erhält. Diese Stellung des Kolbens markiert man, entfernt den Kolben und lötet statt dessen eine Kurzschlußplatte ein. Hat man die Maße des Resonators genau eingehalten, so kann man jetzt schon sicher sein, im richtigen Frequenzbereich zu arbeiten. In der nächsten Fortsetzung wird ein Frequenzmesser beschrieben, mit dessen Hilfe die Schwingfrequenz im Betrieb kontrolliert werden kann.
5. Ein einfacher Sende-Empfänger
Für erste Versuche läßt sich mit dem beschriebenen Gunn-Oszillator ein extrem einfacher Sende-Empfänger aufbauen. Dazu wird der Oszillator direkt auf eine Hornantenne aufgesetzt und mit der Modulations- und Spannungsversorgung verbunden. Die Anlage arbeitet so als Sender. Will man empfangen, so nutzt man das Gunn-Element als selbstschwingende Mischstufe aus. Dabei wird das ankommende Signal mit der Oszillatorfrequenz gemischt, die entstehende Zwischenfrequenz führt man einem Kofferradio oder Autoradio zu, das man auf ca. 104 MHz eingestellt hat. Dieser Empfänger arbeitet nun als ZF-Verstärker und Demodulator. Bild 22 zeigt die notwendige Schaltung.
Bild 22: Einfacher 10-GHz-Transceiver
Hat die Gegenstelle eine gleichartige Anlage, so kann man ohne jede Sende-Empfangs-Umschaltung gegensprechen, wobei man die eigene Modulation im Empfänger mithören kann. Die Sendefrequenzen der beiden beteiligten Stationen liegen um den Betrag der Zwischenfrequenz, also beispielsweise um 104 MHz, auseinander.
Da das Gunn-Element kein idealer Mischer ist, läßt die Empfindlichkeit der Anlage zu wünschen übrig, die Rauschzahl liegt bei > 25 dB. Trotzdem sind damit Funkverbindungen über mehr als 10 km ohne weiteres möglich (in England wurden damit mehr als 100 km überbrückt).
6. Liefermöglichkeiten für Mikrowellenbauteile
6.1. Gunn-Elemente
Neben den von Fritz Möhring (1) genannten Plessey-Elementen gibt es eine Reihe von Elementen anderer Hersteller, die teilweise recht preiswert bezogen werden können. NEC liefert Elemente für 30 mW und 60 mW (Bezeichnung: ND7, X-Band, Mittenfrequenz 10 GHz, 30 mW; ND7, X-Band, Mittenfrequenz 10 GHz, 60 mW). Ferner Typ DGB6844 A, 15 mW, X-Band, und Typ DGB6835 C, 50 mW, X-Band. Vertrieb: KONTRON Elektronik GmbH, Oskarvon-Miller-Straße 1, 8057 Eching.
Valvo liefert den Typ CXY11C, X-Band, 15 mW. Vertrieb öber die Valvo-Distributoren, wie zum Beispiel KAETS, Innere Laufer Gasse 21, 8500 Nörnberg.
6.2. Mikrowellen Gleichrichter- und Mischerdioden
Der geeignetste Typ 1N23 (der folgende Buchstabe gibt die Rauschzahl an, je höher der Buchstabe im Alphabet, desto geringer ist die Rauschzahl) ist in fast allen Fachgeschäften erhältlich. So zum Beispiel bei CONRAD Electronic-Center, Schillerstr. 23a, 8000 München. Da die Werte der Dioden ziemlich stark streuen, sollte man sich mehrere Exemplare beschaffen, um das beste (höchstes Vor-Rück-Verhältnis, höchster Diodenstrom, niedrigstes Rauschen) aussuchen zu können. Nicht geeignet sind die zwar im Aussehen gleichen, aber für andere Frequenzbereiche konstruierten Dioden vom Typ 1N21 oder 1N416.
6.3. Hohlleiterbauteile
Vielfach findet man kommerzielle Hohlleiterbauteile auf Schrottplätzen und bei Verwertungsgesellschaften wie zum Beispiel FEMEG. Für den Selbstbau empfehlen sich Messingvierkantrohre, wie sie im Möbelbau verwendet werden. Diese Messingrohre sind zum Preis von ca. 12,- DM pro Meter in Metallhandlungen zu beziehen. Eine sichere Quelle ist die Firma HERBIG, Heidemannstr. la, 8000 München 45. Leider stimmen die Abmessungen dieser Rohre mit denen der kommerziellen, genormten Hohlleiter nicht ganz überein (Innenmaße 18 mm × 8 mm, Außenmaße 20 mm × 10 mm), so daß man Schwierigkeiten bei der Kombination mit kommerziellen Bauteilen bekommt. Baut man die Anlage aber komplett selbst auf, dann stellen diese Hohlleiterstücke sicher die preiswerteste Lösung dar. Ihre Grenzfrequenz liegt bei 8,33 GHz, also weit genug entfernt von der Betriebsfrequenz.
Literatur
- Möhring, F.: Dioden zur Erzeugung und Verstärkung von Mikrowellen, UKW-Berichte 10 (1970), Heft 4, Seite 244 - 254
- Siemens AG: Lineare Schaltungen. Datenbuch 1976/77
- Evans, Dr. D.: Vortrag auf der VHF-UHF 76 in München
DC5CX, B. Heubusch, DC0MT, Dr. Ing. A. Hock und DC5CY, H. Knauf.