Home - Techniek - Electronica - Radiotechniek - Radio amateur bladen - UKW-Berichte - Vielseitig einsetzbarer ZF-Teil für 2-m-Empfänger und Nachsetzer 1
Die Empfängertechnik des Amateurfunks für KW, 2 m und 70 cm hat mit den neuesten, meist aus Japan bzw. USA angebotenen Geräten einen technischen Stand erreicht, der den vielfach teureren kommerziellen Geräten in einigen Punkten nicht wesentlich nachsteht.
Für die Amateurbänder über 1 GHz werden jedoch fast keine Fertiggeräte angeboten, und man ist auf den Selbstbau angewiesen. Die meisten Bauanleitungen für die Mikrowellenbänder sind aber Konverter, die als Nachsetzer ein KW- bzw. 2-m-Gerät benötigen, z.B. in (1-4). Viele der angebotenen Amateurgeräte sind als Nachsetzer aber ungeeignet. Sie sind nicht so einstrahlfest, daß der Nachsetzer nicht Signale direkt empfängt und damit Mikrowellensignale vortäuscht, bzw. durch das eigene Sendesignal bei der für Mikrowellenverbindungen häufig notwendigen Verabredung übersteuert wird.
Es muß daher ein Empfänger oder Nachsetzer vorhanden sein, der für viele Betriebsarten einsetzbar ist, und der auch hohen Anforderungen an Intermodulation, Einstrahlfestigkeit und Nebenempfangsstellen-Freiheit gerecht wird - kein Konverter ist besser als sein Nachsetzer! Daß ein solches Gerät auch im Selbstbau zu erstellen ist, soll mit der vorliegenden Arbeit gezeigt werden, die einen hochwertigen ZF-Teil beschreibt.
Ein Empfänger, der auch als Nachsetzer optimal ist und die im Amateurfunk gebräuchlichen Modulationsarten demodulieren kann, der rauscharm, übersteuerungsfest und störfest ist, sollte die folgenden Forderungen erfüllen:
- Demodulation der im Amateurfunk gebräuchlichen Modulationsarten
- Unterschiedliche, der Modulationsart anpaßbare Bandbreite
- der Modulationsart angepaßte Verstärkungsregelung
- Unterdrückung von Störpuls- und Störträgersignalen
- Einstellbare Empfindlichkeit
- Rauscharm
- Nebenempfangsstellenfrei
- Übersteuerungsfest gegenüber Signalen im Band und außerhalb des Bandes.
Ein Empfänger, der jeder Forderung optimal gerecht wird, läßt sich mit einem finanziell tragbaren Aufwand nicht realisieren. Das Konzept ist für den normalen Amateurfunkverkehr ausgelegt, kann jedoch durch Zusätze beliebig erweitert werden. Die dafür notwendigen Ein- und Ausgänge sind am Gerät vorgesehen.
Die Forderungen a - c bestimmen den Aufwand des ZF-Verstärkers sowie die Anzahl der Demodulatoren und Filter, während die Forderungen d - h die Eigenschaften des Eingangsteils des Empfängers bestimmen. Für die letztgenannten Forderungen sind schaltungstechnische Lösungen schon häufig aufgezeigt worden, so daß sich ein Eingangsteil mit bereits veröffentlichten Bauanleitungen realisieren läßt. Der notwendige ZF-Teil wird als Bauanleitung beschrieben.
1. Empfänger-Konzept
Wie bereits gesagt, werden als Nachsetzer für Mikrowellen-Empfänger meist Amateurfunkgeräte benutzt, und zwar wegen der besseren Spiegelfrequenzunterdrückung meist 2-m-Geräte. Das hat den Vorteil, daß als Empfänger Konverter mit fester Oszillatorfrequenz eingesetzt werden können. Die für die Mischung notwendigen Oszillatorsignale werden durch einen Ωuarzoszillator mit Vervielfacher erzeugt, wie durch DK1AG in (5) gezeigt. Nachteilig sind eventuelle Einstrahlungen durch starke 2-m-Signale. Für ein solches Nachsetzerkonzept ist der in Bild 1 dargestellte Empfänger geeignet. Eine Alternative ist ein Nachsetzer-Konzept mit einer Festfrequenz von beispielsweise 80 MHz, wie in Bild 2 gezeigt. Preisgünstige Ωuarzfilter hoher Ωualität werden neuerdings angeboten, so daß die Vorteile dieses Konzeptes ausgenutzt werden können.
Beide Konzepte unterscheiden sich nur in der Eingangsstufe und haben den gleichen ZF-Teil.
Es wird zunächst das Konzept nach Bild 1 realisiert und das zweite Konzept als Erweiterung später veröffentlicht.
1.1. Empfänger-Eigenschaften
Betrachten wir die notwendigen Empfänger-Eigenschaften in der Reihenfolge der vorgenannten Forderungen.
a) Modulationsarten
Für den Amateurfunk sind Amplituden- und Frequenzmodulationen für die verschiedenen Betriebsarten zugelassen. Eine Zusammenstellung in Tabelle 1 zeigt den unterschiedlichen Bandbreitebedarf.
| Betriebsart | Bandbreite | |
|---|---|---|
| Fernsehen | A5C | 4 MHz |
| Fernsprechen | F3 | 15 kHz |
| Fernsprechen | A3 | 5 kHz |
| Frequenzumtastung | F2/F4 | 5 kHz |
| Frequenzumtastung | A2/A4 | 5 kHz |
| Frequenzumtastung | F1 | 2,5 kHz |
| Fernsprechen (SSB) | A3J | 2,5 kHz |
| Telegrafie | A1 | 0,5 kHz |
Sieht man vom Fernsehen wegen des großen Bandbreitebedarfs ab, so muß das Gerät folgende Modulationsarten demodulieren können:
A1, A2, A3, A3J und F3.
Für F1, F2, F4, A4-Signale sind spezielle Demodulatoren und für die entsprechende Signalverarbeitung spezielle Empfänger erforderlich, so daß dafür ein rückwirkungsfreier ZF-Ausgang sinnvoll ist.
b) Bandbreite
Der Bandbreitebedarf ist, wie aus Tabelle 1 ersichtlich, durch vier verschiedene Filterbandbreiten mit B = 15 kHz; 5 kHz; 2,5 kHz, 0,5 kHz zu realisieren. Die Selektionseigenschaften werden durch die Qualität der Filter bestimmt.
c) Verstärkungsregelung
Die Verstärkungsregelung des ZF-Verstärkers muß eine einstellbare Zeitkonstante haben und für FM sollte der Verstärker als Begrenzer mit hoher AM-Unterdrückung arbeiten. Ein einstellbarer Squelch für den NF-Verstärker ist obligatorisch.
d) Störunterdrückung
Eine gute Unterdrückung von Störsignalen erfordert einen wirksamen Störaustaster vor den ZF-Filtern und ein Notch-Filter im ZF-Verstärker. Eine weitere Störunterdrückung nach der Demodulation im NF-Kanal ist nicht sinnvoll.
e) und f) Empfindlichkeit, Rauscharmut
Der Nachsetzer sollte bei einer Eingangsspannung ab 0,1 µV für Amateurzwecke brauchbare Signale liefern und eine Eingangsdynamik von 100 dB besitzen, wobei die Verstärkung der Eingangsstufe nur so groß sein sollte, daß die Rauschzahl des ZFTeils nicht überwiegt. Damit der ZF-Teil auch als selbständige Einheit verwendet werden kann, muß er empfindlich sein und einen Eingangswiderstand Z = 50 Ω haben. Dessen Eingangsempfindlichkeit soll so groß sein, daß eine Eingangsspannung von 0,5 µV ein noch brauchbares Signal hinter dem Demodulator ergibt. Mit einer technisch gut realisierbaren Eingangsdynamik von ca. 100 dB ergibt sich eine maximale Eingangsspannung von 50 mV am ZF-Teil. Größere Pegel sollten durch ein regelbares Dämpfungsglied vor dem Eingangsteil gedämpft werden. Damit wäre bei einer Verstärkung des Eingangsteils von 15 dB die Eingangsempfindlichkeit so groß, daß es als selbständiger Empfänger eingesetzt werden kann.
g) Nebenempfangsstellen-Freiheit
Sie wird durch schaltungstechnische Maßnahmen zur Spiegelfrequenzunterdrückung und durch die Frequenzwahl gewährleistet. Die Spiegelfrequenzunterdrückung sollte größer sein als der Verstärkungsregelbereich des ZF-Verstärkers, damit auch bei ungeregeltem ZF-Verstärker keine Spiegelfrequenz-signale stören. Die Frequenzwahl wird durch die in Amateurfunkgeräten übliche 9-MHzZwischenfrequenz bestimmt. Hierfür sind monolithische Ωuarzfilter in verschiedenen Bandbreiten preisgünstig erhältlich.
Für das erste Konzept ist die Spiegelfrequenzunterdrückung dann durch die Selektion im Eingangsteil - ein Bandfilter - gegeben, im zweiten Konzept durch die Weitabselektion des 80-MHz-Ωuarzfilters. Hier zeigen sich die Nachteile des ersten Konzeptes. Die Spiegelfrequenzunterdrückung sollte bei einer ZF-Verstärkerdynamik von 100 dB in der gleichen Größenordnung liegen. Das ist jedoch mit einfachen Mitteln in dem über einen Bereich von 2 MHz abstimmbaren Eingangsteil nicht realisierbar. Bei einer festen Frequenz im zweiten Konzept lassen sich solche Werte mit relativ schmalbandigen Filtern schaffen.
Für den Betrieb als Nachsetzer ist die Spiegelfrequenzunterdrückung des Konverters nicht außer acht zu lassen. Die hohe Eingangsfrequenz von 144/146 MHz (bzw. 80 MHz) gewährleistet auch eine technisch gut lösbare Spiegelselektion im Konverter.
Die Nebenempfangsstellen-Freiheit hängt nicht nur vom Schaltungskonzept, sondern ebenso vom Aufbau und der Abschirmung der Baugruppen ab. Der mechanische Aufbau eines Geräts ist für die Funktion von entscheidender Bedeutung, eine fachmännisch eingesetzte Do-it-yourself-Werkzeugausrüstung unerläßlich.
h) Übersteuerungsfestigkeit
Eine rauscharme und gleichzeitig übersteuerungsfeste Eingangsstufe erfordert einen großen linearen Aussteuerbereich. Lösungen sind möglich, wie DJ7VY in (6) gezeigt hat.
1.2. Beschreibung des Blockschaltbildes
Das in Bild 1 gezeigte Blockschaltbild des Empfängers ist weitgehend mit schon veröffentlichten und bewährten Baugruppen aufgebaut. Das Eingangsteil DJ7VY 002 aus (6) wird ohne den Ωuarzoszillator und das Störaustast-Tor verwendet, dafür das Oszillatorsignal des variablen Oszillators DJ7VY 004 aus (7) eingekoppelt. Die Frequenzanzeige erfolgt mit dem Frequenzzähler DK1OF 044/045 aus (8). Der Störaustaster DJ7VY 003 aus (9) wird direkt an den Mischerausgang des Eingangsteils angeschlossen. Er ist für die Funktion des Geräts nicht unbedingt erforderlich und kann auch später erst ergänzt werden. Der Mischerausgang und der Eingang des ZF-Teils haben eine Impedanz von 50 Ω und können direkt verbunden werden. Es ist notwendig, daß an allen Baugruppen die Eingänge und Ausgänge, die hochfrequente Signale führen, mit einer reellen Impedanz von 50 Ω ausgeführt sind, damit die Verbindungen mit handelsüblichen Koaxialstekkern und -kabeln ausgeführt werden können. Das hat den Vorteil, daß keine unkontrollierten Verkopplungen zwischen den einzelnen Baugruppen durch strahlende Leitungen entstehen und daß die Länge der Kabel die Funktion der Schaltung nicht wesentlich beeinflußt. Ein weiterer Vorteil ist die leichtere meßtechnische Überprüfbarkeit der einzelnen Baugruppen, da die meisten Hochfrequenzmeßgeräte eine Impedanz von 50 Ω haben.
Bild 1: Blockschaltbild des 2-m-Empfängers Bandbreite.
Wegen der definierten Eingangsimpedanz braucht der nachfolgende ZF-Teil einen Anpaßverstärker, mit dem der Eingangsteil an die Ωuarzfilter angepaßt wird. Die umschaltbaren Ωuarzfilter bestimmen den Frequenz-gang. Vorgesehen sind monolithische Ωuarzfilter für die Bandbreiten 15 kHz, 5 kHz und 2,4 kHz, sowie ein diskret aufgebautes Telegrafie-Filter mit 500 Hz Bandbreite. Es lassen sich jedoch auch Filter entsprechender Bauform mit anderen Bandbreiten einsetzen.
Der nachfolgende geregelte ZF-Verstärker ist mit Dual-Gate-MOS-FETs bestückt und enthält auch ein abschaltbares Notch-Filter. Für die Erzeugung der Regelspannung ist im ZF-Verstärker ein eigener Demodulator vorgesehen, der auch das S-Meter speist. Damit ist gewährleistet, daß am Ausgang des Verstärkers ein von der Modulationsart nahezu unabhängiger mittlerer Pegel anliegt. Dieses ZF-Signal speist die Demodulatoren und einen Trennverstärker, der das Signal direkt auskoppelt. Es kann dann mit Zusatzgeräten weiterverarbeitet werden.
Es sind je ein Demodulator für FM, AM und SSB/Telegrafie (CW) vorgesehen. Der FM-Demodulator wird über einen Begrenzerverstärker gespeist und ist mit einem Ωuarzdiskriminator bestückt.
Für AM ist ein Synchrondemodulator eingesetzt, der gegenüber einem Hüllkurvendemodulator den besseren Störabstand hat. Die Demodulation der SSB/CW-Signale erfolgt in einem Gegentaktmischer. Ein BFO liefert das Überlagerungssignal; er ist mit zwei Seitenbandquarzen und einem CW-Ωuarz bestückt.
Der nachfolgende NF-Verstärker hat Ausgänge für Kopfhörer und Stationslautsprecher.
1.3. Ausbaumöglichkeiten
Der Aufbau der Baugruppen ist so gestaltet, daß sich eine Vielzahl von Ausbaumöglichkeiten ergibt.
An den ZF-Ausgang können weitere Demodulatoren, wie zum Beispiel ein FM-Demodulator für frequenzumgetastete Signale mit niedriger Shift, wie er unter Punkt 3.6. mit beschrieben wird, oder ein Sichtgerät zur Modulationskontrolle angeschlossen werden.
Durch die Ausgänge des BFO- und des Oszillatorsignals ist der Empfänger zum Transceiver erweiterbar. Eine entsprechende Baugruppe wird beim Verfasser zur Zeit entwickelt.
Eine wesentliche Erweiterung ist das Eingangsteil nach Bild 2. Damit wird das 9-MHzTeil um ein 80-MHz-Teil erweitert. Wie das Blockschaltbild zeigt, liegt am Eingang ein regelbares Dämpfungsglied, mit dem zu hohe Eingangspegel gedämpft werden. Danach folgt ein rauscharmer, übersteuerungsfester Verstärker, dem das 80-MHz-Ωuarzfilter mit einer Bandbreite von 15 kHz nachgeschaltet ist. Nach dem Filter ist ein Störaustaster angeordnet, über den das Signal an den Mischer gelangt, der es mit einem 71-MHz-Oszillatorsignal auf 9 MHz umsetzt.
Bild 2: Blockschaltbild des 80-MHz-Eingangsteils.
Aus dem Eingangssignal wird nach dem Dämpfungsglied das Signal für den Störaus-taster und für einen Panorama-Empfänger ausgekoppelt. Die Signalaufbereitung für diese beiden Baugruppen erfolgt bei 10,7 MHz und 455 kHz. Eine störende Beeinflussung des 9-MHz-Teils ist damit weitgehend vermieden. Die Spiegelfrequenzen für die 9-MHz sowie 10,7-MHz-Umsetzung liegen bei dem gewählten Konzept im Fernseh-Band I und werden durch Sperrfilter unterdrückt.
Mit diesem Eingangsteil ist ein vielseitig verwendbarer ZF-Verstärker gegeben. Er bildet die Grundlage für einen Mikrowellen-BandEmpfänger und einen von 100 kHz bis 30 MHz durchstimmbaren Kurzwellenempfänger.
2. Baugruppen des Eingangsteils
Die für den Empfänger nach Bild 1 verwendeten Baugruppen des Eingangsteils wurden geringfügig modifiziert. Es gelten jedoch die in den Bauanleitungen(6) ... (9) gemachten Angaben und Werte, so daß im folgenden nur auf die Änderungen hingewiesen wird.
2.1. Eingangsteil DJ7VY 002
Das Eingangsteil nach (6) wird ohne den vorgesehenen Störaustaster und ohne den Ωuarzoszillator und Verdoppler aufgebaut. Die Auskopplung erfolgt direkt am Mischer über eine 50-Ω-Koaxialbuchse, ebenso wie die Einkopplung des Oszillatorsignals am Eingang des Filters F4. Die geänderte Schaltung aus (6) ist in Bild 3 zu sehen. Ihre Verstärkung wurde am Musteraufbau zu Gp = 14 dB in Bandmitte gemessen.
Bild 3: Geändertes Eingangsteil nach DJ7VY.
2.2. Oszillator DJ7VY 004
Da der Empfänger aus einem Netzteil betrieben wird, das eine stabilisierte Spannung von 15 V liefert, wird der Oszillator nach (7) ohne den Spannungsregler I7 aufgebaut. Die Verbindung von Pt1 zu Dr7 erfolgt durch eine Drahtbrücke.
2.3. Frequenzanzeige DK1OF 044/045
Der Frequenzzähler nach (8) wird so verwendet, wie von DJ7VY in (7) beschrieben. Beim Versuchsaufbau des Verfassers zeigte sich, daß die Störungen durch das Multiplexsignal ziemlich stark sind, so daß die Zählerplatine mitsamt der Anzeige gut abgeschirmt werden muß.
Der Referenz-Ωuarzoszillator wird im Versuchsaufbau noch in der angegebenen Form verwendet; ein verbesserter, temperaturstabilisierter Oszillator wird jedoch zur Zeit entwickelt und später beschrieben.
2.4. Störaustaster DJ7VY 003
Der Störaustaster wurde nach Bild 10 in (9) ohne Änderungen verwendet. Die Verstärkung im Nutzband beträgt beim Musteraufbau Gp = 5 dB, bei abgeschaltetem Störaustaster Gp = -0,4 dB.
Literatur zu Teil 1
- Dahms, J., DC0DA: Konverter für das 13-cm-Band, UKW-Berichte 16 (1976) Heft 3, Seite 130-137
- Heidemann, R., DC3QS: Empfangsmischer für das 6-cm-Band, UKW-Berichte 19 (1979) Heft 3, Seite 142-146
- Börs, G., DB1PM: Fleckner, H., DC 8 UG: SSB im 10-GHz-Band, UKW-Berichte 20 (1980) Heft 1, Seite 2-10 Heft 3, Seite 130-140 Heft 4, Seite 242-246
- Kulmus, H., DJ8UZ: Konverter zum Empfang von Wettersatelliten mit 2-m-FM-Geräten, UKW-Berichte 20 (1980) Heft 3, Seite 141-144
- Neubig, B., DK1AG: Extrem rauscharmer 96-MHz-Ωuarzoszillator für die UHF/SHF-Frequenzaufbereitung, UKW-Berichte 21 (1981) Heft 1, Seite 24-32
- Martin, M., DJ7VY: Modernes Eingangsteil für 2-m-Empfänger mit großem Dynamikbereich und geringen Intermodulationsverzerrungen, UKW-Berichte 18 (1978) Heft 2, Seite 116-127
- Martin, M., DJ7VY: Rauscharmer UKW-Oszillator mit Diodenabstimmung, digitaler Frequenzrastung und Frequenzanzeige UKW-Berichte 20 (1980) Heft 4, Seite 194-209
- Kestler, J., DK1OF: Ein setzbarer Vor/Rück-Frequenzzähler, UKW-Berichte 20 (1980) Heft 4, Seite 210-221
- Martin, M., DJ7VY: Großsignalfester Störaustaster für Kurzwellen- und UKW-Empfänger mit großem Dynamikbereich, UKW-Berichte 19 (1979) Heft 4, Seite 201-211
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DJ3RV, Friedrich Krug.