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Als weiteres Beispiel für die Verwendung von Fahrradventil-Teilen(1) und des früher beschriebenen Drosselsystems zur kontaktlosen Abstimmung von Hohlleiterbauteilen(2) wird ein Aufbau gezeigt, der als Gunn-Oszillator oder als Detektor/Mischer im 24-GHz-Amateurband benutzt werden kann. Es werden gebräuchliche Halbleiter bekannter Firmen (z.B. Siemens, Kontron, Microwave Associates) im Hohlleitertyp WR28 (R320) verwendet.
Die Baugruppe besteht zum Teil aus bereits früher beschriebenen Teilen, wie zum Beispiel einer Drosselhalterung für die Diodenzuführung und einer Drosselanordnung zur Abstimmung. DerAufbau gestaltet sich sehr einfach, setzt aber - wie schon in früheren Aufsätzen erwähnt - den Zugang zu einer Drehbank voraus.
Betriebsverhalten
Durch die hohe Grenzfrequenz des verwendeten Hohlleitertyps WR 28 konnten mit geeigneten Gunn-Elementen Schwingungen bis in den Bereich um 35 GHz erzeugt werden. Selbstverständlich läßt sich auch der Hohlleitertyp WR42 einsetzen. Elektrisch ändert sich dadurch lediglich die Wellenlänge im Hohlleiter, so daß man die Maße von den hier gezeigten Zeichnungen ausgehend umrechnen kann.
Durch die Drosselabstimmung läßt sich sowohl im Oszillatorbetrieb als auch bei Verwendung als Detektor das Maximum sicher finden. In den Aufbau passen die in Bild 1 gezeigten üblichen Gunn-Elemente (rechts unten) oder Schottky-Dioden (links unten).
Bauhinweise
Bild 1 zeigt die komplette Baugruppe, die nach eigenem Gutdünken mit Standard- oder selbstgefertigten Flanschverbindern versehen werden kann. Zur Anpassung setzt man - falls für erforderlich erachtet - in bekannter Weise einen 3-Schrauben-Tuner (2 mm 0, Abstand λH/8 bis λH/4) ein, und verlängert dazu die Ausgangsseite der Baugruppe um 1 bis 2 cm.
Bild 1: Eine kontaktlos abstimmbare 24-GHz-Baugruppe, die je nach eingesetztem Halbleiter entweder als Gunn-Oszillator oder als Detektor/Mischer arbeitet. Maßbild unten links: Schottky-Diode; unten rechts: Gunn-Element.
In der Stückliste sind diejenigen Teile, die aus den Veröffentlichungen (1) und (2) übernommen werden können, extra gekennzeichnet. Neu anzufertigende Teile zeigen die Maßskizzen in Bild 2, einige weitere in der Stückliste aufgeführten Teile benötigen keine Zeichnung.
Bild 2: Einige Einzelteile für den Aufbau in Bild 1; restliche Teile siehe Stückliste.
| Teil | Bezeichnung, Material, Abmessungen | Bemerkung |
|---|---|---|
| 1 | Abstimm-Drosselanordnung | wie in (2) beschrieben |
| 2 | Drossel für Diodenzuführung | siehe Bild 2 |
| 3 | Fahrradventil-Überwurfmutter | wie in (1) beschrieben |
| 4 | Fahrradventil-Schaft, 12 lang, Innenbohrung 5 ø | |
| 5 | Buchse aus PTFE (Teflon) | siehe Bild 2 |
| 6 | Isolierscheibe aus PTFE 1 mm dick, Außen-ø = 9 mm, Bohrung = 1,5 mm | ohne Zeichnung |
| 7 | Diodenschraube aus Cu oder Ms M4 × 0,5, 8 lang, zentrierte Bohrung 1,6 ø und ca. 5 tief | siehe Bild 1 |
| 8 | LagerungfürAbstimmdrossel | wie in (2) beschrieben |
| 9 | Distanzring aus PTFE | ie in (2) beschrieben |
| 10 | Lötöse mit 7-mm-Bohrung | |
| 11 | Mutter von Fahrradventil | |
| 12 | Gewindebuchse aus Cu oder Ms | siehe Bild 2 |
| 13 | Hohlleiter WR 28 (R 320) ca. 55 lang; mit 3-Schrauben-Anpassung ca. 70 lang | bei Verwendung von Hohlleitertyp WR42 (R 220) bleiben die Längsmaße unveränd. |
| 14 | Buchse aus PTFE | siehe Bild 2 |
| 15 | Kontermutter M 3 |
Alle Lötstellen sind mit weichem Lot hergestellt. Wird ein Flansch angebaut, so lötet man diesen zuerst an den Hohlleiter, und zwar mit einem Lot hoher Schmelztemperatur. Die Verbindungsseite des Flansches kann dann durch Planfräsen oder -Drehen überarbeitet werden. Bei geringen erforderlichen Materialabtragungen genügt ein Abschleifen mit Naß-Schmirgelpapier der Körnung 400/600, das man auf eine Glasplatte legt. Es ist auf gleichmäßigen Schleifdruck zu achten, damit die Planfläche schließlich nicht doch ungewollt gewölbt ausfällt.
Die Teile 4 und 12 werden verspannt und gemeinsam weich gelötet, wobei die Bohrungen genau fluchten müssen. Sie werden deshalb in einem gemeinsamen Arbeitsgang mit einem 2-mm-Bohrer vorgebohrt. Danach bringt man die vorgeschriebenen Bohrlöcher an.
Für Teil 4 fertigt man sich ein Zentrierwerkzeug aus PTFE (Teflon) an, das nach dem Löten wieder entfernt wird. Für diese Lötung wird übrigens ein Lot mit niedriger Schmelztemperatur verwendet und die Flanschlötung durch ein Stück nasses Papiertaschentuch vor zu starker Erwärmung geschützt. Man erhitzt am besten mit einer Butangas-Flamme und lötet mit einem relativ kleinen, durch die Flamme zusätzlich erhitzten elektrischen Lötkolben.
Die Lötung von Teil 8 an den Flansch ist weniger kritisch; die Teile 4, 12 und der Flansch werden trotzdem vorsichtshalber naß abgedeckt. Hier verwendet man am besten das gleiche Lot wie für die Lötung der Teile 4 und 12, und wendet auch das gleiche Verfahren an.
Den Zusammenbau nimmt man entsprechend Bild 1 vor. Die Zuführungsdrossel für Diode beziehungsweise Gunn-Element wird mit einer Lage Tesafilm isoliert. Bei Verwendung als Gunn-Oszillator lötet man zwischen Teil 2 und Masse-Lötöse das obligatorische Dämpfungsglied zum Verhindern parasitärer Schwingungen ein, nämlich 22 nF in Serie mit etwa 100 Q. Bei manchen Aufbauten reicht der 22-nF-Kondensator allein aus, bei anderen wieder müssen noch 10 bis 50 µF parallel geschaltet werden, um Schwingungen im Niederfrequenzbereich zuverhindern. Dies muß man ausprobieren und mit einem Oszilloskop oder FS-Empfänger meßtechnisch kontrollieren.
Die Abstimmdrossel wird von der offenen Seite des Hohlleiters eingeführt. Der Bohrkonus von ca. 120° ermöglicht ein Zentrieren und Fixieren, so daß durch leichten Druck auf den Drosselschaft in Durchdrehrichtung das Ansetzen eines Uhrmacher-Schraubendrehers ermöglicht wird, und der Gewindebolzen in der Gewindebohrung faßt.
Inbetriebnahme und Ergebnisse
Die Diode oder das Gunn-Element ist vorsichtig einzusetzen, um eine mechanische Zerstörung durch Verkanten zu vermeiden. Die Abstimmung mit der Drosselanordnung ist eindeutig. Bei Resonatoren dieser Art mit der H70-Welle ist der Hohlleiterraum zwischen Halbleiter-Element und Drossel frequenzbestimmend. Die Gesamt-Güte dieses Hohlraum-Resonators bestimmt die Abstimmbreite des Detektors/Mischers.
Eine eventuell gewünschte Feinabstimmung kann durch Einbau einer Schraube aus Metall - oder besser aus PTFE - an einem Ort maximaler elektrischer Feldstärke erreicht werden. Eine solche Stelle liegt etwa in der Mitte zwischen Halbleiter-Element und Drossel, und in der Mitte der Hohlleiter-Breitseite. Die Abstimmsteilheit kann verringert werden, indem man die Abstimmschraube aus der Mitte der Hohlleiter-Breitseite mehr zum Rand hin versetzt.
Als Gunn-Oszillator liefert die Baugruppe je nach Typ des Gunn-Elements etwa 10 bis 50 mW - bei optimaler Wärmeableitung und Anpassung.
Als Detektor (z.B. mit einer Siemens-SchottkyDiode des Typs BAT 14 - 121) ist die Baueinheit sehr gut brauchbar in Verbindung mit dem in (3) beschriebenen Frequenzmesser, sowie für einfache Abstrahlungsmessungen an Antennen. Um die Empfindlichkeit zu erhöhen, kann man eine einfache Hornantenne mit etwa 15 dB Gewinn anbauen.
Als Empfangsmischer hat der Verfasser die Baugruppe ebenfalls erfolgreich eingesetzt. Absolute Rauschmeßwerte liegen nicht vor, da lediglich eine ungeeichte Rauschquelle zur Verfügung stand. Hiermit wurden jedoch Vergleichsmessungen durchgeführt. Sie ergaben für die beschriebene Anordnung mit einer rauscharmen Schottky-Diode der BAT14-Reihe etwa die gleichen Empfindlichkeitswerte wie man sie mit anderen Durchblasemischern mit der 1N26 erreicht.
Das Dämpfungsglied zur Verhinderung parasitärer Schwingungen des Gunn-Oszillators muß natürlich bei den letztgenannten Anwendungen ausgebaut werden, da sonst der ZFWeg kurzgeschlossen wäre.
Warmeprobleme
Bei einer Verwendung als Gunn-Oszillator muß einschränkend angeführt werden, daß die Wärmeabführung in dem beschriebenen Aufbau im Dauerbetrieb bereits Probleme mit sich bringen kann. Selbst Kleinleistungs-Elemente, wie beispielsweise der Typ MA-49628 arbeiten bei einer Spannung von typisch 5 V bereits mit Strömen von 100 bis 200 mA. Bei dem niedrigen Wirkungsgrad von nur 2 bis 5% entstehen dann bereits rund 0,5 bis 1 W Verlustleistung, die abzuführen sind. Deshalb sollte man - wenn irgend möglich - die gute Wärme-Leitfähigkeit von Kupfer ausnutzen. Vor allem bei Einsatz leistungsstärkerer Gunn-Elemente empfiehlt sich der Anbau eines der handelsüblichen schwarz eloxierten Kühlkörper oder eines Kupferklotzes als Wärmesenke. Man kann auch beides kombinieren.
Alle Teile, die deutlich wärmer werden als ihre Umgebung, sollten mattschwarz gehalten sein, damit sie Wärme abstrahlen können. Da eine versilberte Oberfläche kaum Wärme abstrahlen kann, kommt ein Versilbern nur für HF-Strom führende Oberflächen im Inneren in Betracht.
Alle diese Maßnahmen nutzen jedoch nichts, wenn der Wärmeübergang vom Halbleiter-Element zur Aufnahmeschraube schlecht ist, weil die Bohrung zu groß ausgefallen ist. Hier sind eine gute Passung und eventuell ein wenig Wärmeleitpaste erforderlich. Da sich darüber hinaus Wärme nur recht langsam ausbreitet (in Messing noch langsamer als in Kupfer), kann der Halbleiterkristall die kritische Temperatur von 250° bereits überschritten haben, wenn am Kühlkörper noch kaum eine Temperaturerhöhung zu fühlen ist. Mit Fühlen und Glauben kommt man beim Wärmeproblem nicht weiter; man muß vor allem die kleinflächigen Übergänge, die Wärme transportieren sollen, sehr genau ansehen. Zur Veranschaulichung mag der Hinweis dienen, daß schon bei einem Kleinleistungs-Gunn-Element die Wärmebelastung des Übergangs Kristall/Gehäuse bei etwa 5 W/mm2 liegt! Am gezeigten Gunn-Element müssen dann etwa 0,5 bis 1 W über ca. 8 mm2 fließen, falls die ganze Oberfläche der Anodenseite wärmeleitend in Teil 7 sitzt. Wenn nur ein Teil der Oberfläche anliegt, wird die spezifische Wärmebelastung höher. Wärmeleitpaste ist kein Allheilmittel gegen schlechte Passungen; sie muß mit Verstand angewendet werden: die HF-Übergänge müssen wegen der andernfalls auftretenden Verluste frei von Wärmeleitpaste bleiben!
Literatur
- Schäfer, E., DL3ER: Koaxiale SHF-Verbindungen aus Fahrrad-Ventilen, UKW-Berichte 20 (1980) Heft 3, Seite 164-165
- Schäfer, E., DL3ER: Drosseln zur kontaktlosen Abstimmung von Hohlleiter-Bauteilen, UKW-Berichte 21 (1981) Heft 1, Seite 12-14
- Schäfer, E., DL3ER: Frequenzmesser für den Bereich 23,5 bis 24,5 GHz, UKW-Berichte 21 (1981) Heft 2 Seite 75-78
DL3ER, Erwin Schäfer.
Hinweise - Verbesserungen - Änderungen
In beiden Beiträgen bezeichnet der Punkt am Gunn-Element nicht die Kathode, sondern die Kühlkörper-Seite! Dieser Fehler hat sich - wie ich aus meinem QRL weiß - beim Druck in das Datenbuch von MA eingeschlichen, von wo er vermutlich in die UKW-Berichte übernommen wurde (stimmt - die Red.).
Die MA-49628 ist eine "Anode-Heat-sink-Diode", also muß an der mit Punkt gekennzeichneten Seite der Pluspol angeschlossen werden. In dem auf Seite 213 gezeigten Aufbau fließt ie Wärme über den Anschluß-stift, die Klemmplatte und die Glimmerscheibe zum Hohlleiter. Würde man das Gunn-Element umdrehen - was Wärmetechnisch günstiger ist - so müßte der Pluspol an Masse.
DJ7FJ