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In den letzten Jahren sind bereits viele Funkamateure im 10-GHz-Band aktiv geworden. Aus den Ergebnislisten zu Wettbewerben, wie z.B. des "Bayerischen Bergtag" (BBT), ist eine deutliche Zunahme zu erkennen. Wenn auch nicht alle Geräte im Eigenbau entstanden, so ist doch das besondere Interesse an den sehr hohen Frequenzen erkennbar. Das für die Funkamateure seit einigen Jahren freigegebene 24GHz-Band ist jedoch noch nicht all zu sehr belebt.
Beim 10-GHz-Band haben die relativ günstig zu erstehenden "Gunnplexer" zur Belebung erheblich beigetragen. Bei den Eigenbaugeräten hat sich das System des sogenannten Durchbiasemischers (DBM) durch überraschend gute Erfolge schnell eingeführt. In den UKW-Berichten(1) wurde vom Verfasser ein DBM für das 10GHz-Band zum Nachbau beschrieben. Nachfolgend wird nun auch für das 24GHz-Band ein Sende-Empfänger beschrieben, der sich in vielen Einsätzen bewährt hat.
Konzept
Vom Verfasser wurden für 24 GHz verschiedene Gerätekonzepte gebaut und erprobt, wobei beim Vergleich zwischen Aufwand und Leistung nachstehendes DBM-Konzept am günstigsten abschnitt. In Bild 1 ist das komplette, betriebsfertige Gerät vorgestellt. In dem aus Leiterplattenmaterial gefertigten Gehäuse sind außer der Batterie alle zum Betrieb notwendigen Komponenten enthalten; die Hohlleiterbaugruppe zeigt Bild 2.
Bild 1: Die Abmessungen dieses 24-GHz-Transceivers (ohne Hohlleiteranschluß) sind: Länge 150 mm, Breite 50 mm, Höhe 100 mm.
Bild 2: Die Hohlleiterbaugruppe von der Seite; der Gunn-Oszillator wird mit einem Tiefenmikrometer abgestimmt.
Anordnung der Mischdiode
Bei Versuchen mit Durchblasemischern für das 10-GHz-Band wird mancher schon festgestellt haben, daß beim Empfang eine sehr hohe Empfindlichkeit zu erzielen ist, die Sendeleistung jedoch in bescheidenem Rahmen bleibt. Bei einem DBM für das 24-GHz-Band wird dieses Verhältnis noch kritischer, wenn man nicht besondere Konstruktionen anwendet. Schuld an der relativ geringen Sendeleistung ist die zwischen Oszillator und Antenne sitzende Mischdiode.
Wird diese allerdings etwas aus dem in der Mitte des Hohlleiters kräftigsten E-Feld gerückt, so übernimmt sie nicht mehr so viel Leistung, so daß mehr für Sendezwecke zur Verfügung steht. Es ist dabei nur darauf zu achten, daß die Mischdiode noch genügend Oszillatorinjektion für den Empfang erhält, um die Eingangsempfindlichkeit nicht zu vernachlässigen. Es ist also für jede Oszillatorleistung ein Kompromiß zwischen Sendeleistung und Diodenstrom (ca. 0,5 bis 3 mA) zu finden.
Mit der nachstehend beschriebenen Konstruktion scheint dies gelungen zu sein. Mit einem 12-mW-Gunn-Element stehen beim Senden immer noch 4 bis 5 mW zur Verfügung. Bei Versuchen des Verfassers mit DBM-Aufbauten, bei denen die Diode in der Mitte des Hohlleiters, also an der Stelle des kräftigsten E-Feldes montiert war, wurde zwar ein hoher Mischstrom erzeugt, aber es standen dann nur mehr Sendeleistungen in der Größenordnung von 100 bis 200 µW zur Verfügung. Selbst mit diesen kleinen Sendeleistungen waren allerdings noch Funkverbindungen bis zu ca.30 km Entfernung (Sicht), wenn auch mit schwachen Signalen, möglich.
Aufbau
Bild 3 zeigt den 24-GHz-DBM im Schnitt, wobei die Schnittzeichnung nicht ganz korrekt ist, aber den Aufbau am einfachsten erklärt. Das Ende des Hohlleiters ist mit einem Kurzschlußschieber abgeschlossen. Der Schieber wird mit einer Lage Tesafilm umwickelt, um Wackelkontakte im Hohlleiter zu vermeiden. Mit ihm wird die maximale HF-Ausbeute des Oszillators eingestellt.
Bild 3: Schnittzeichnung, Ansichten von unten und von oben, sowie Detailskizzen des 24-GHzDurchblasemischers.
Abstimmung
Zwischen dem Gunn-Element und der den Resonatorraum abschließenden Iris taucht ein Abstimmstift aus PTFE (Teflon), mit einer Mikrometerschraube bewegt, ein. Der stählerne Stift dieses Tiefenmikrometers (Lieferanten-Adresse im Anhang) wird enthärtet und angebohrt, um den Abstimmstift einzukitten. Zur Aufnahme der Mikrometerschraube ist auf den Hohlleiter ein Messingklotz gelötet, der mit einer entsprechenden Bohrung versehen ist. Mit seitlichen 3-mm-Schrauben wird das Mikrometer festgeklemmt.
Iris
Die Iris mit einer Öffnung von 3,5 mm Durchmesser wird in diesem Fall wegen Platzmangel für Hohlleiterflansche, gleich in den Hohlleiter gelötet. Dazu werden in die Breitseiten Schlitze gesägt, in welche die Iris gesteckt und verlötet wird. Der Schlitz darf nur so breit sein, wie das Blech der Iris dick ist. Normale Metallsägeblätter ergeben eine Schnittbreite von ca. 1 mm, so daß die Iris ebenso dick sein kann. Ist sie nicht stramm einzustecken, so wird sie auf Schmirgelleinen zurechtgeschliffen. Beim Verlöten ist darauf zu achten, daß kein Lötzinn in den Hohlleiter einfließt.
Statt einer Iris mit einem runden Loch, ist es auch möglich, einen rechteckigen Schlitz vorzusehen. Dazu wird dann in die Schmalseiten des Hohlleiters je ein Schlitz gesägt und auf beiden Seiten ein Blechplättchen eingelötet. Der Abstand der beiden Plättchen sollte im Hohlleiter 3 mm betragen.
Resonatorlänge
Der Abstand zwischen Mitte des Gunn-Elements und der Iris wird etwas kleiner gewählt als λg/2. Die Wellenlänge k9 im Hohlleiter R 220 (WG 20) beträgt für die Bandmitte bei 24,1 GHz 15,25 mm; das ergibt dann für 0,5 × λg den theoretischen Wert von 7,625 mm. Um aber für die Abstimmung mit dem Teflonstift noch einen Frequenzspielraum zu bekommen, werden 7 mm als Abstand gewählt. In der Zeichnung ergibt der Abstand von GunnElement zum Teflonstift 4 mm und von diesem zur Iris 3 mm, also zusammen 7 mm. Dieses Maß ist kritisch, weil davon der zu erzielende Frequenzbereich abhängt.Mischdiode
Die Mischdiode ist von der Iris 3/4 λg, also 11,4 mm entfernt und sitzt wie erwähnt nicht in der Mitte des Hohlleiters. Der Abstand von der Innenseite des Hohlleiters zur Mitte der Diode beträgt 2,5 mm.
Vor der Mischdiode sind 3 Anpaßschrauben vorgesehen, mit denen sich der Diodenstrom des Mischers einstellen läßt. Der Verfasser verwendet als Mischdiode den Typ BAT 14121 von der Fa. Siemens (Bild 4), die bei einem Mischerstrom von ca. 200 µA eine gute Empfangsempfindlichkeit ergab. Am Meßplatz zeigte sich bei einer Eingangsleistung von - 100 dBm noch ein gutes, am S-Meter sichtbares Signal.
Bild 4: Abmessungen der Mischdiode BAT 14-121, die für den Frequenzbereich zwischen 26,5 und 40 MHz vorgesehen ist. Optimale Rauschzahl bei einer Oszillatorleistung von 2 mW.
Abklatsch-Kondensatoren
Die HF-mäßige Abklatschung der Gunn-Spannung, sowie der an der Mischdiode abzunehmenden Zwischenfrequenz von 30 MHz, erfolgt mit Messingplättchen, die durch Glimmerscheiben vom Hohlleiter isoliert befestigt sind.
Auf der Unterseite des Hohlleiters ist eine Montageplatte vorgesehen, die auf den Hohlleiter aufgelötet wird. In diese Platte werden vorher schon 3-mm-Gewindelöcher gebohrt, die zur Halterung der Abklatschkondensatoren benötigt werden. Die eingesetzten Isoliertüllen werden sonst zur isolierten Montage von Leistungstransistoren angewendet.
Weitere Hinweise
Wie Bild 3 erkennen läßt, werden die Schrauben zur Halterung des Gunn-Elements und der Mischdiode auf der Stirnseite angebohrt.
Als Gunn-Element stand dem Verfasser ein Exemplar des Typs MA 49628 von Microwave Associates zur Verfügung. Ihre Kurzdaten bei 22 GHz sind: Pmin. = 10 mW / Uop = 5,0V (typ.) bzw. 8,0 V (max.)/Iop = 200 mA (max.); Bauform: siehe Bild 5.
Bild 5: Abmessungen des Gunn-Elements MA-49628.
Der Punkt markiert die Kathodenseite, die Wärme muß von der Anodenseite abgeführt werden.
Wie im Bild 6 ersichtlich, ist auf der Unterseite der Montageplatte eine Lötleiste für alle Anschlüsse vorgesehen. Aus dem Blockschema im Bild 7 geht die Verdrahtung des Transceivers für 24 GHz hervor und Bild 8 zeigt schließlich den Innenaufbau des Geräts.
Bild 6: Auf der Anschlußplatte sind die Klatschkondensatoren für Gunn-Oszillator (links) und Mischdiode (Mitte unten), sowie die Lötleiste zu erkennen.
Bild 7: Mit den genannten käuflichen Baugruppen ergibt sich die hier gezeigte Gesamtschaltung des 24-GHz-Transceivers.
Bild 8: Die Innenansicht zeigt links oben den DBM, rechts oben die Platine mit Spannungsstabilisierung, Modulator, Tongenerator, und unten die ZF-Teil-Platine. Der Lautsprecher ist auf der abgenommenen Seitenplatte montiert.
Für den praktischen Betrieb sind Antennen wie Hornstrahler oder Parabolspiegel brauchbar. In (2) beschrieb der Verfasser Parabolantennen, die für 10 GHz und auch für das 24GHz-Band geeignet sind.
Zu erwähnen wäre noch, daß bei dem Versorgungsbaustein GKM-10 der Fa. HAEL, der für das 10-GHz-Band konzipiert ist, zur Erzeugung der Gunn-Betriebsspannung von 4,8 V die eingebaute Z-Diode gegen eine mit 3,9 V ausgewechselt werden muß. Gunn-Elemente für höhere HF-Leistungen, z.B. 25 mW haben dagegen meistens eine höhere Betriebsspannung.
Literatur
- Reithofer, S., DL6MH: Sende-Empfänger für das 10-GHz-Band, UKW-Berichte 19 (1979) Heft 2, Seite 88-95
- Reithofer, S., DL6MH: Parabolspiegel für Mikrowellen im Eigenbau, UKW-Berichte 20 (1980) Heft 2, Seite 106-112.
Adressen von Lieferanten
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Firma Hoffmann |
Werkzeuge, wie Mikrometerschrauben |
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Firma Sahlberg |
Kunststoffe, wie Teflonmaterial |
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Firma Max Cochius |
Metallhalbfabrikate, wie Hohlleiter |
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Firma HAEL - Werner Hanschke |
Elektronische Geräte, wie Bausteine für 10 GHz |
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Firma Microwave Associates GmbH |
Halbleiter, wie Gunn-Elemente |
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Firma Siemens AG in den verschiedenen Geschäftsstellen |
Halbleiter, wie Mischdioden |
DL6MH, Sepp Reithofer.
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