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In die Diodenhalterung des Meßkopfes (Teil 2, Seite 253, Bild 20a) muß ein Isolierring aus PTFE (Teflon) eingepreßt werden, damit die Diode nicht kurzgeschlossen ist. Bild 20 b zeigt die berichtigte Diodenhalterung. Danke DK1IS!
Bild 20b: Berichtigte Diodenhalterung des Meßkopfes
7. Aufbau eines Sendeempfängers
Für Transceiver im 10-GHz-Bereich gibt es verschiedene Konzepte; hier soll eine Version beschrieben werden, die von G 3 RPE vorgeschlagen wurde und die sich in vielen Funkverbindungen bewährt hat. Das Prinzip ist dabei folgendes: Ein Mikrowellen-Oszillator liefert die Sendeenergie, sie wird über eine Antenne abgestrahlt. Auf dem Weg zur Antenne wird über einen Richtkoppler ein kleiner Teil der Oszillatorleistung ausgekoppelt und gleichzeitig mit dem Empfangssignal aus einer zweiten Antenne einem Mischer zugeführt. An der Mischdiode mischen sich Signal- und Oszillatorfrequenz, die entstehende Zwischenfrequenz wird ausgesiebt, vorverstärkt und einem UKW-Rundfunkempfänger zugeführt. Bild 23 zeigt diese Anordnung.
Bild 23: Prinzipschaltung des 10-GHz-Transceivers
Da es bei einem Hohlleiteraufbau manchmal schwierig ist, die Achsen der Antennen genau parallel zu bekommen, wurde von den Verfassern eine Version mit nur einer Antenne und einem Hohlleiter-Umschalter erprobt. Dies macht das Ausrichten der Antenne - besonders wenn es sich um Parabolspiegel mit hohem Gewinn handelt - erheblich einfacher, erfordert aber den teuren beziehungsweise nicht leicht zu beschaffenden Umschalter. Neben seiner Funktion als Umschalter muß er für den Empfangsfall einen möglichst reflexionsfreien Abschluß für den Gunn-Oszillator bilden, da sonst starke Frequenzverwerfungen auftreten.
7.1. Der Hohlleiter-Richtkoppler
Um für die Mischdiode eine Oszillatorleistung zwischen 0,1 und 5 mW (1N23) beziehungsweise zwischen 0,25 und 10 mW (Schottky-Diode) zu erhalten, verwendet man zweckmäßiger-weise einen Richtkoppler. Andere Auskopplungen der Oszillatorleistung sind möglich, jedoch liefert der Richtkoppler die saubersten Verhältnisse. Bei Sendeleistungen um 15 mW benötigt man eine Koppeldämpfung von rund 10 dB, das heißt aus dem Hohlleiterzug, der zur Sendeantenne führt, soll ca. 1/10 der Oszillatorleistung ausgekoppelt werden. Als relativ leicht nachbaubar hat sich der Kreuzschlitzkoppler erwiesen. Er ergibt eine leicht einzuhaltende Rückdämpfung von 25 dB bei einem Stehwellenverhältnis von weniger als 1,2, wodurch die Frequenzverwerfung des Gunn-Oszillators in kleinen Grenzen bleibt. Bild 24 zeigt den mechanischen Aufbau und Bild 25 die Aufbauphasen dieses Geräts. Um starke Fehlanpassung zu vermeiden, ist es wesentlich, daß das Messingplättchen mit den eingefeilten oder eingefrästen Kreuzschlitzen so in den Hohlleiter eingesetzt wird, daß im Hohlleiterzug keine Stufen entstehen.
Bild 24: Aufbau-Einzelheiten eines 10-GHz-Kreuzschlitz-Kopplers
Bild 25: Einzelteile und fertiger Kreuzschlitz-Koppler
7.2. Der Empfangsmischer
Als Mischer kann, wenn man keine zu hohen Anforderungen stellt, der in Teil 2, Abschnitt 4, beschriebene Diodenmeßkopf verwendet werden. Das erzielbare Rauschmaß liegt mit einer mittelmäßigen Mischdiode (1N23D) bei etwa 8 dB; mit hochwertigeren Dioden (1N23H) läßt sich dieser Wert bis auf etwa 6 dB verbessern. Im praktischen Betrieb hat sich jedoch die Rauschzahl als verhältnismäßig unkritisch erwiesen. Wesentliche Verbesserungen kann man eigentlich nur durch Diodenköpfe erzielen, die für die Betriebsfrequenz exakt auf minimales Stehwellenverhältnis abgleichbar sind. Diese Bauteile sind jedoch für den Amateur schwer herstellbar und meist mangels entsprechender Meßgeräte noch schwerer sauber abgleichbar, so daß der beschriebene Diodenmeßkopf als annehmbarer Kompromiß anzusehen ist. Bei einer Diode des Typs 1N23 sollte im Betrieb ein Diodenstrom von ca. 600 µA fließen. Damit ist die Oszillatorleistung optimal für niedrigste Rauschzahl. Dies ist jedoch nicht sehr kritisch, solange der Strom zwischen etwa 0,2 und 3 mA liegt.7.3. Der ZF-Vorverstärker
Aus verschiedenen Gründen ist es wichtig, daß die Mischdiode ZF-seitig möglichst leistungsangepaßt betrieben wird. Nur unter dieser Voraussetzung sind optimale Rauschzahl und Mischsteilheit (geringste Mischdämpfung) erreichbar. Mischdioden vom Typ 1N23 benötigen einen Arbeitswiderstand von ca. 300 Ω, den die an den Mischer anschließende ZF-Stufe anbieten muß. Dies ist bei den häufig als ZF-Nachsetzer verwendeten Rundfunkgeräten nicht der Fall, so daß eine Impedanzwandlerstufe notwendig wird. Die im 10-GHz-Bereich arbeitenden Radargeräte verwenden häufig zu diesem Zweck den speziell hierfür entwickelten Feldeffekt-Transistor vom Typ E300 (Siliconix). Betreibt man diesen FET in Gate-Schaltung, so bietet er genau den für die Mischdiode notwendigen Arbeitswiderstand an seinem Source-Eingang an. Nach den Datenblättern liegt sein Rauschmaß bei 100 MHz weit unter dem der Mischdiode, so daß die Gesamtrauschzahl nicht verschlechtert wird. Sieht man am Eingang einen Schwingkreis vor, so kann das Spiegelrauschen etwas abgedämpft werden. Die Gesamtverstärkung des Impedanzwandlers ist nicht kritisch,- erreichbar sind ca. 10 dB, was sich als mehr als ausreichend erwiesen hat. Bild 26 gibt die Schaltung, Bild 27 die Druckplatine des Vorverstärkers mit den Abmessungen 80 mm × 48 mm wieder.
Bild 26: Rauscharmer Vorverstärker für 100 MHz
Leiterplatte DC0MT 003 für den 100 MHz-Vorverstärker
Der Ausgangs-Anzapf ist so gewählt, daß Anpassung an ein handelsübliches Autoradio (Ze 150 Ω) besteht. Wird ein anderes Rundfunkgerät als ZF-Nachsetzer gewählt, muß unter Umständen der Anzapf an der Spule des Ausgangskreises so lange verschoben werden, bis maximales Rauschen erzielt wird. Bild 28 zeigt den Versuchsaufbau des Verstärkers. Da als Zwischenfrequenz 104 MHz (Mittenfrequenz) gewählt worden sind, muß der Verstärker unbedingt gut abgeschirmt werden - was natürlich auch für die Verbindungsleitung zwischen Diodenmischkopf und Verstärker gilt - um Kreuzmodulation durch Rundfunksender im UKW-Bereich zu vermeiden. Die Verstärkerplatine enthält gleichzeitig einen Anschluß für ein Instrument zum Messen des Diodenstroms. Da der Richtkoppler über das ganze Band von 10,0 bis 10,5 GHz nahezu konstante Richtdämpfung hat, läßt sich dieses Instrument auch als "relativ output meter. verwenden. Handelsübliche Drehspulinstrumente mit 1 mA Vollausschlag sind verwendbar.
Bild 28: Versuchsaufbau des Vorverstärkers
Bild 29 schließlich zeigt die Selektionskurve des Vorverstärkers.
Bild 29: Selektionskurve des Vorverstärkers
7.4. Frequenzmesser
Für den praktischen Betrieb hat es sich als sehr zweckmäßig erwiesen, wenn die Betriebsfrequenz jederzeit möglichst genau gemessen werden kann. Zu diesem Zweck kann man zwischen Richtkoppler und Diodenmeßkopf einen Hohl raum-Frequenzmesser einschalten. Dieser besteht aus einem Halbwellenresonator mit verschiebbarem Kurzschlußkolben, der lose an den Hohlleiterzug angekoppelt wird.
Bild 30 zeigt die Konstruktionseinzelheiten. Als Ausgangsmaterial dienen normale Hohlleiter-stücke. Die Kopplung zwischen den beiden Hohlleitern besorgt eine 6-mm-Bohrung. Stellt man den Kurzschlußschieber nun so ein, daß sich im Frequenzmesser eine Hohlraumlänge von λH/2 ergibt (oder auch 3 λH/2 etc.), so gerät der Hohlraum in Resonanz und entzieht dabei dem speisenden Hohlleiter Energie. Dies ist durch einen deutlichen Dip am Diodenstrom-Instrument erkennbar. Verwendet man Normhohlleiter für den Frequenzmesser, so gilt die in Bild 31 gezeigte Eichkurve.
Bild 30: Aufbau-Einzelheiten eines Hohlraum-Frequenzmessers für 10 GHz
Bild 31: Eichkurve des Frequenzmessers
Die erzielbare Genauigkeit hängt wesentlich von der Dip-Schärfe ab und diese wiederum von der Größe der Koppelbohrung. Je kleiner die Koppelbohrung, desto schärfer und eindeutiger, aber auch kleiner, wird der Dip. Die angegebene Koppelöffnung ist ein guter Kompromiß, Genauigkeiten von 0,001 % sind erreichbar (das heißt absolut ca. 10 MHz), sofern Mikrometerschrauben hoher Auflösung verwendet werden. Wegen des unvermeidlichen Spiels zwischen Kurzschlußkolben und Mikrometerspindel (siehe Detail in Bild 30) ist es empfehlenswert, die Frequenzmessung immer nur in einer Drehrichtung vorzunehmen, um Fehler in der Anzeige zu vermeiden. Aufwendigere Lösungen zur Vermeidung dieser Fehler sind natürlich möglich. In Bild 32 sind die Einzelheiten des Frequenzmessers erkennbar.
Bild 32: Ein fertiger Frequenzmesser
7.5. Gesamtaufbau
Aus den beschriebenen Teilen läßt sich nun entsprechend Bild 23 ein kompletter Transceiver aufbauen. Die Verbindung des Hohlleiterteils mit den einzelnen Platinen nimmt man nach Bild 33 vor, wobei die Baugruppen mit Klammern an den Hohlleiterstücken befestigt werden können. Die in Bild 33 eingezeichnete Relaisplatine besorgt eine Sende-Empfangs-Umschaltung, die über PTT gesteuert wird. Diese Umschaltung ist prinzipiell nicht erforderlich, hilft aber im Portabelbetrieb Strom zu sparen. Sie schaltet im Empfangsfall den Modulator, im Sendefall den ZF-Vorverstärker und das als ZF-Nachsetzer verwendete Rundfunkgerät ab.
Zusammenschalten der einzelnen Baugruppen
Bild 34 zeigt den Hohlleiteraufbau ohne Frequenzmesser.
Bild 34: Die zusammengebauten Hohlleiter-Baugruppen
Ist der Gunn-Oszillator nach Abschnitt 4 betriebsbereit, so ist auch der Gesamtaufbau prinzipiell sofort betriebsbereit. Der ZF-Vorverstärker wird auf maximales Rauschen im nachgeschalteten Rundfunkempfänger abgeglichen, wobei dieser auf eine Empfangsfrequenz von ca. 104 MHz eingestellt wird. Verwendet man handelsübliche Autoempfänger, so ist die Anpassung richtig; bei Kofferempfängern oder anderen Empfangsgeräten muß eventuell der Anzapf der Spule im Ausgangskreis des Vorverstärkers verschoben werden, bis maximales Rauschen erreicht ist.
Hat der sich einstellende Diodenstrom einen wesentlich zu großen Wert ( > 2 mA), dann ist entweder das Gunn-Element zu leistungsstark oder der Richtkoppler hat eine zu geringe Koppeldämpfung. In beiden Fällen sollten die Kreuzschlitze durch kleinere ersetzt werden. Bei zu kleinem Richtstrom ist die Diode schlecht; durch Aussuchen erreicht man meist den für hohe Mischsteilheit erforderlichen Mindestwert ID > 200 µA. Ist der Vorverstärker abgeglichen und stellt sich ein Diodenstrom von 200 bis 600 µA ein, so ist das Gerät betriebsbereit.
8. Betriebspraxis
Bei ersten Versuchen im 10-GHz-Band sollte man zunächst über kurze Entfernungen die notwendigen Erfahrungen sammeln. Da bei diesen hohen Frequenzen bereits mittelgroße Antennen sehr stark bündeln, sollte anfangs mit kleinen Horn-Antennen gearbeitet werden. G3RPE sagt hierzu, daß viel mehr Funkverbindungen wegen zu hohen, als wegen zu niedrigen Antennengewinnen nicht zustande kommen. Eine Querverbindung im 2-m- oder 70-cm-Band ist zum Einrichten der Antennen unerläßlich. Auf kurze Distanz sollte man auch den Frequenzhub nach Rapport einstellen. Hat man so einige Erfahrungen gesammelt, kann man über größere Entfernungen Versuche machen, wobei man sich nach genauen Landkarten Funkstrecken mit freier optischer Sicht aussuchen soll. Bei einer Verbindung über beispielsweise 50 km, darf die höchste Geländeerhebung (einschl. Bäume, Gebäude etc.) nirgends näher als 20 m an die optische Sichtlinie herankommen, um eine sichere Funkverbindung zu erhalten. Die zu überwindende Streckendämpfung (Freiraumausbreitung) berechnet sich aus:
a(dB) = 92.4 + 20 log d(km) + 20 log f(GHz)
Beispielsweise ergibt sich für d = 50 km a zu 146 dB. Arbeitet man bei beiden Funkstellen mit Antennengewinnen von 30 dB (z.B. Parabolspiegel mit rund 40 cm Durchmesser), und auf der Senderseite mit 5 mW, so erreicht man eine Empfangsleistung von rund 10 pW. Das ist für normale Empfänger mehr als ausreichend; es entspricht an einem 50-Ω-Eingang einer Spannung von 22 µV. In der Praxis kann die Atmosphäre durch Regen, Nebel oder Schnee höhere Dämpfungswerte haben. 50 km sind aber immer sicher überbrückbar, sofern freie Sicht besteht. Das Ausrichten der Antennen geschieht am sichersten mit Hilfe optischer Peileinrichtungen (Kimme und Korn) nach Landmarken, die man sich aus der Landkarte entnimmt. Dies wird um so schwieriger, je höher die Antennengewinne sind.
Haben beide Stationen die gleiche Zwischenfrequenz am Empfänger eingestellt, so ist - wie schon in Abschnitt 5 dargestellt - Gegensprechen möglich. Kommt eine Funkverbindung zustande, ist jedesmal wieder die erzielbare Tonqualität überraschend.
Abschließend möchten sich die Verfasser bei Max Munich, DJ1CR, Konrad Hupfer, DJ1EE und Franz Braun, DC0HH, für viele interessante Hinweise, Versuche und Funkverbindungen im 10-GHz-Band bedanken.
Literatur
- Evans, Dr. D.: Die ersten Schritte im 10-GHz-Band, UKW-Berichte 16 (1976) Heft 4, Seite 194 - 205
- Vollhardt, D.: Rauschen von Misch- und Vorstufen bei SHF, UKW-Berichte 16 (1976) Heft 1, Seite 51 - 59
DC5CX, B. Heubusch, DC0MT, Dr. Ing. A. Hock und DC5CY, H. Knauf.