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Jeder Funkamateur möchte nach dem Bau seines Konverters, Vorverstärkers oder Empfängers gern wissen, wie empfindlich dieser nun wirklich ist. Um dies messen zu können, benötigt er einen Rauschgenerator. Eine für Amateurzwecke recht gut reproduzierbare Rauschquelle wird hier beschrieben.
Zum Erzeugen einer Rauschspannung gibt es verschiedene Methoden. Die bekannteste ist wohl die mit einer Sättigungsdiode arbeitende. Eine Hochvakuum-Diode mit Wolfram-Kathode erzeugt auf Grund des Schroteffektes eine Rauschleistung, die proportional dem Diodenstrom ist. Damit ergibt sich eine leichte Eichbarkeit. In (4) ist ein solches Gerät beschrieben.
Mit Kohle- oder Metallschichtwiderständen lassen sich Rauschgeneratoren nach dem thermischen Verfahren bauen. Hierbei wird der Effekt ausgenutzt, daß die Rauschleistung der Temperatur direkt proportional ist. Wenn man einen Widerstand verschiedenen Temperaturen aussetzt, erzeugt er genau definierte Rauschleistungen, die allerdings nur klein sind.
In (1) wird eine einfache und billige Methode gezeigt, wie man mit Halbleitern eine Rauschleistung erzielen kann. Dies hat zwar den Nachteil, daß die Rauschleistung nicht reproduzierbar ist, so daß der Generator für Meßzwecke erst geeicht werden muß. Aber der große Vorteil ist die einfache Herstellung. Oft will man auch nicht unbedingt die exakte Rauschzahl wissen, sondern nur einen Vergleich mit einer anderen Baugruppe oder einem früheren Aufbau durchführen. Ein derartiger Halbleiter-Rauschgenerator wird im Folgenden beschrieben.
Schaltungsbeschreibung
Die Basis-Emitter-Diode eines Hochfrequenz-transistors T2 in Bild 1 wird in Sperrichtung betrieben. Sie erhält ihren Strom über eine Konstantstromquelle, damit die Rauschleistung konstant bleibt. Diese Stromquelle ist mit einem Feldeffekttransistor (T1) konventionell aufgebaut. Mit R1 wird der konstante Strom eingestellt, die Diode D1 dient zur Temperaturkompensation.
Bild 1: Die Emitter-BasisDiode eines UHF-Transistors ist die eigentliche Rauschdiode, die aus einer Konstantstromquelle mit T1 gespeist wird. Unten im Bild: Bohrungen in Front-und Abschlußblech des Gehäuses.
R1 hat beim Verfasser einen Wert von 2,2 kΩ. Bei kleineren Werten stieg die Rauschleistung nicht mehr an und bei größeren Werten wird die Rauschleistung entsprechend kleiner. Da an der Rauschdiode T2 eine Gleichspannung von ungefähr 4,8 V liegt, wurde zum Ausgang hin ein Chip-Kondensator C1 zur Gleichspannungstrennung eingefügt.
Hinter dem Abschlußwiderstand R2 befindet sich ein Dämpfungsglied (R3, R4, R5). Damit kann die Rauschleistung ebenfalls herabgesetzt werden. Vor allem aber verbessert dieses Dämpfungsglied die Anpassung, da der Relfexionsfaktor um den Dämpfungsfaktor des Dämpfungsgliedes verkleinert wird. Allerdings hat dies bei einem Dämpfungsglied in Platinenbauweise seine Grenzen. Bei höheren Frequenzen wird der Reflexionsfaktor größer und damit die Anpassung schlechter. Deshalb ist beim Mustergerät (Bild 2) nur ein 6-dB-Dämpfungsglied aus Metallschicht-Widerständen im Rauschgenerator eingesetzt. Wer andere Dämpfungswerte berechnen will, kann dies in (2) nachlesen. Die restliche Dämpfung kann mit einem e×ternen, guten Dämpfungsglied erreicht werden.
Bild 2: Die Fotografie zeigt, daß der Aufwand sehr gering ist.
Eine Verbesserung des Reflexionsfaktors ergab sich durch ein dünnes Messing- oder Kupferblech, das dicht auf die Metallfilm-widerstände des Dämpfungsgliedes gedrückt wurde. Es kann dann auf beiden Seiten mit Masse verlötet werden. Dies ist in der Fotografie zu erkennen.
Mit diesem Aufbau und einem 6-dB-Dämpfungsglied (R3, R4, R5) ließ sich bei 1,3 GHz eine Refle×ionsdämpfung von 15 dB erreichen. Bei 145 MHz und 432 MHz ist die Anpassung besser, und wer den Rauschgenerator nur in diesem Bereich verwenden will, kann das Blech weglassen.
In Bild 3 wird die Reflexionsdämpfung am Ausgang des Rauschgenerators dargestellt. Das Rauschspektrum über die Frequenz verteilt zeigt Bild 4.
Bild 3: Die Reflexionsdämpfung zwischen 150 MHz (linker Bildrand) und 1,3 GHz, gemessen hinter einem 6-dB Dämpfungsglied, liegt zwischen 18 und 14 dB.
Bild 4: Der ENR-Wert, gemessen zwischen 50 und etwa 1300 MHz, nimmt über diesen Frequenzbereich um etwa 3 dB ab.
Aufbau
Bild 5 zeigt eine kleine Platine mit der Bezeichnung DB2GM 002, auf der man den Rauschgenerator aufbauen kann. Die Außenabmessungen von 72 mm × 35 mm passen zu einem Weißblechgehäuse mit 30 mm Höhe. Für die 9-V-Batterie ist ein Ausschnitt herauszusägen, für den runden Ansatz der BNCBuchse herauszufeilen.
Bild 5: Die 72 mm × 35 mm große Leiterplatte ist einseitig kaschiert und wird auf der Leiterbahnseite bestückt.
Die Platine wird mit den wenigen Bauteilen direkt auf der Lötseite bestückt (Bild 6). Die Bauteile werden stumpf aufgelötet, es sind also keine Löcher in die Platine zu bohren. In die vorgebogenen Winkel der Gehäusewand bohrt man entsprechend Bild 1 die zwei Bohrungen für die BNC-Flanschbuchse und den Schalter.
Bild 6: Bestückungsplan, sowie Lage von Schalter, BNC-Buchse und Batterie im Gehäuse.
Die BNC-Buchse wird in die eine Gehäusewandhälfte eingesetzt und verlötet. Nun kann man die Platine so in diese Gehäusehälfte einpassen, daß der Anschlußstift der BNCBuchse auf der Platine am Dämpfungsglied verlötet werden kann. Danach wird die Platine mit dem ganzen Gehäuse an den Masseflächen verlötet. Die Gehäusedeckel lassen sich so fest aufsetzen, daß sie nicht verlötet werden müssen. Schließlich kann die restliche Verdrahtung durchgeführt werden. Eine 9-V-Batterie wird als Spannungsversorgung eingesetzt.
Bauteile
T1: BF245C
T2: BFR34A
R1: siehe Text
R2: 50 Ω oder anderer Systemwiderstand
Metallfilmwiderstände für das Dämpfungsglied
3dB: R3, R5: 294 Ω R4: 17,5 Ω
6dB: R3, R5: 150 Ω R4: 37,5 Ω
10 dB: R3, R5: 71 Ω R4: 96,0 Ω
C1: 1 nF Chip-Kondensator (Wert unkritisch)
Weißblechgehäuse: Deckel-Außenmaße in mm: 37 × 74, 30 mm Höhe
BNC-Flanschbuchse
Inberiebnahme
Der Rauschgenerator braucht nur an einen Empfänger angeschlossen zu werden und muß bei richtiger Verdrahtung sofort funktionieren. Nun kann mit dem Widerstand R1 die gewünschte Rauschleistung eingestellt werden. Wer die Möglichkeit hat, kann das Gerät mit einem kommerziellen Rauschgenerator vergleichen und hat es damit geeicht.
Messen der Rauschzahl
Die Rauschleistung PR berechnet sich zu: PR = k × T × B.
Hierbei ist k die Boltzmann-Konstante k = 1,38 × 10-23 Ws/K, T die absolute Temperatur in Kelvin und B die Bandbreite des Systems.
Der Rauschgenerator gibt eine Rauschleistung von P = (ENR +1) × k × T × B ab. ENR (= Excessive Noise Ratio) ist also der Faktor, der für den Rauschgenerator in einer Eichung zu bestimmen wäre.
Einen einfachen Meßaufbau zur Rauschmessung zeigt Bild 7.
Der zu messenden Baugruppe folgt ein Dämpfungsglied. Hinter dem Dämpfungsglied wird ein Empfänger als Anzeige angeschlossen. Der Rauschgenerator bleibt zunächst ausgeschaltet. Man stellt mit dem Dämpfungsglied einen ablesbaren Ausschlag am S-Meter des Empfängers ein. Nun wird der Rauschgenerator eingeschaltet, womit sich die Anzeige am Empfänger erhöht. Mit dem Dämpfungsglied wird sie wieder auf den Wert wie bei ausgeschaltetem Generator gebracht. Mit der Dämpfungsdifferenz, die am Dämpfungsglied abgelesen werden kann, errechnet sich die Rauschzahl der Baugruppe folgendermaßen:
Hierin ist d der Dämpfungsfaktor. Er muß als Faktor in die Formel eingesetzt werden und nicht in dB. Die Umrechnung dafür ist d = 10a/10.
Ein Beispiel soll die Messung und Berechnung verdeutlichen.
Bei ausgeschaltetem Generator erhält man eine gut lesbare Anzeige am Empfänger mit einem Dämpfungsglied von 4 dB. Wenn man den Rauschgenerator einschaltet, benötigt man ein Dämpfungsglied von 8 dB, um den gleichen Ausschlag zu erreichen. Die Dämpfungsdifferenz beträgt also a = 8 dB - 4 dB = 4 dB. Dies entspricht einem Dämpfungsfaktor von d = 104'0 = 2,51. Wenn der Rauschgenerator z.B. ein ENR = 10 hat, so errechnet sich die Rauschzahl der zu messenden Baugruppe zu
Auch wenn der ENR-Wert des Rauschgenerators nicht bekannt ist, kann man zumindest vergleichend feststellen, ob eine Änderung an der Baugruppe etwas gebracht hat oder nicht. Je größer die Dämpfungsdifferenz ist, um gleichen Ausschlag zu erzielen, desto niedriger ist die Rauschzahl der Baugruppe.
Eine sehr gute Erklärung aller Begriffe um das Rauschen findet sich in (3).
Bild 7: Meßaufbau für Rauschzahl-Messungen.
Literatur
- Prof. G. Sinigaglia, Dr. G. Tomasetti: A solid state wide band noise generator, Electronic Engineerung, October 1973
- Wiedemann, E., DL8XI: Dämpfungsglieder zur Leistungsanpassung, UKW-Berichte 18 (1978) Heft 4, Seite 243-250
- Lentz, R., DL3WR: Rauschen in Empfangsanlagen, UKW-Berichte 15 (1975) Heft 3, Seite 164-180
- Plötz, M., DL7YC: Ein stabiler Breitband-Rauschgenerator, VHF/UHF Dubus-Technik Buch oder Dubus-INFO 2/1975
DB2GM, Michael Ulbricht.