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Durchblasemischer für 24 GHz

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Wer schon im 10-GHz-Band in Breitband-Technik Erfahrungen gesammelt hat, verspürt vielleicht gelegentlich den Wunsch, seine Aktivitäten auf das derzeit bei uns höchstfrequente aktive Amateurband zu erweitern. Die anzuwendende Technik im 24-GHz-Band ähnelt, außer in den Abmessungen, der von 10 GHz her bekannten. Die befürchteten Zusatzdämpfungen bei Nebel und Regen haben sich bei Versuchen über 50 bis 120 km als unproblematisch erwiesen. Die Freiraumdämpfung beträgt bei 24 GHz zwar generell 7,6 dB mehr als bei 10 GHz, das kann aber mit gleichen Antennengrößen ausgeglichen werden. Allerdings verkleinert sich dabei der Öffnungswinkel.

Auf dem Gebrauchtgeräte-Markt sind kaum 24-GHz-Komponenten erhältlich und eine Baugruppe entsprechend dem 10-GHz-Gunnplexer von Microwave Associates existiert nicht, jedenfalls nicht zu erschwinglichem Preis. Oszillatoren kann man selbst bauen oder auch für ca. 300 DM bei verschiedenen Herstellern erstehen. Zirkulatoren für das K-Band sind sehr teuer. Deshalb empfiehlt sich für einen "Normal-Amateure eine Anlage aus Oszillator und Durchblasemischer.

1. Prinzip

Der Durchblasemischer wird in Hohlleiterrohr R220 (erhältlich z.B. bei Fa. Spinner/München) mit zwei zugehörigen Flanschen (Fa. Spinner, BN 00 378 0) eingebaut. Er wird dann einerseits an einen Oszillator mit Iris und andererseits an eine Antenne angeflanscht (Bild 1).

Bild 1
Bild 1: Der ganze 24-GHz-Transceiver (Gunn-Oszillator, Durchblasemischer, Hornantenne) ist nur 86 mm hoch.

Der Mischer ist für Oszillatoren mit ca. 10 mW Output konzipiert. Der Leistungsverlust im Sendezweig liegt bei ca. 3 dB. Die Mischdiode soll sich λg/4 (kg = Hohlleiterwellenlänge) von der Iris entfernt befinden. Da λg/4 in die Zone des Flanschrandes gerät, wurde als Abstand 3λg/4 gewählt. Wird ein Oszillator ohne Iris verwendet, so müssen die folgenden Maße entsprechend verändert werden. In diesem Fall muß die Mischdiode λg/4 bzw. kg/4 plus eine beliebige Anzahl λg/2 vom Gunn-Element entfernt sein. Der Mischer kann mit 3 Abstimmschrauben M2 im λg/4 Abstand untereinander ausgerüstet werden, die Position gegenüber der Mischdiode ist unkritisch (Bild 2). Der Verfasser hat jedoch auf die Abstimmschrauben verzichtet, da sie bei seinem Aufbau eine Empfindlichkeitsverbesserung von lediglich rund 1 dB brachten.

Bild 2
Bild 2: Prinzipieller Aufbau des Durchblasemischers, einmal mit und einmal ohne Anpaßschrauben.

Die Hohlleiterwellenlänge λg errechnet man aus:

Eq 1

λ = Wellenlänge in Luft ergibt für 24,150 GHz: 12,42 mm
a = Innenmaß der Breitseite des Hohlleiters, bei R220: a = 10,67 mm

Daraus folgt λg = 15,22 mm, λg/4 = 3,82 mm und 3λg/4 = 11,45 mm.

Die Mischdiode hat die Gehäuseform 100 oder 119 (Bild 3).

Bild 3
Bild 3: Das Diodengehäuse Nr.119 und seine Maße in Zoll und mm.

Geeignet sind spezielle Mischdioden, z.B. BAT14, aber auch Detektordioden bringen ausreichend gute Empfindlichkeitswerte. Der Verfasser verwendet die K-Band Detektordiode MA40277 von Microwave Associates. Die bekannte 1N26 eignet sich nach Ansicht des Verfassers aufgrund ihrer Bauform sehr schlecht für Aufbauten von Durchblasemischern.

Die Mischdiode muß seitlich im Hohlleiter sitzen, da sonst der Mischstrom viel zu groß würde.. Der Strom soll möglichst nicht unter 400 bis 500 µA und nicht wesentlich über 4 mA liegen.

2. Aufbauhinweise

Zum Aufbau sollte man einiges mechanisches Geschick mitbringen und möglichst Zugang zu einer Drehbank haben (oder jemanden kennen, der beides hat).

Zuerst wird ein Hohlleiterstück mit 1 bis 2 mm Überlänge abgesägt (Bild 4). Die Flansche laufen im allgemeinen sehr locker auf dem Hohlleiter, deshalb empfiehlt es sich, in der Nähe des Innenloches einige Körnerpunkte aufzuschlagen bis sie etwas strammer auf dem Hohlleiter sitzen.

Bild 4
Bild 4: Die Hauptmaße des Durchblasemischers.

Wenn Hohlleiter und Flansche bereitliegen, wird Teil A (Bild 5) auf die Außenmaße vorbearbeitet und mit einer zentrischen 1,7-mmBohrung versehen. Als Ausgangsmaterial nimmt man vorzugsweise ein 10er 4-Kant-Messingprofil. Die Nase am unteren Ende, die lediglich einen Anschlag zum Fixieren vor dem Löten darstellt, kann entfallen. Man kann Teil A auch aus Rundmaterial herstellen.

Bild 5
Bild 5: Die vier Teile der Diodenhalterung.

Teil B wird auf einer Drehbank hergestellt. Die durch Körnen stramm auf dem Hohlleiter sitzenden Flansche werden auf die richtigen Positionen geschoben, Teil A mit einer kleinen Schraubzwinge fixiert und alle Teile gemeinsam auf den Hohlleiter gelötet. Mit Feile oder Fräse werden die überstehenden Hohlleiter-stücke bis auf Flanschebene planbearbeitet und zum Schluß noch mit feinem Schmirgelleinen abgezogen.

Es ist auch ein Etappenlöten möglich, wobei man für die ersten Lötungen normales Lötzinn verwendet und für die späteren niedrig schmelzendes Lötzinn (mit Wismutgehalt). Bei vorsichtigem Vorgehen kann man so vermeiden, daß die ersten Lötstellen wieder weich werden.

Teil A verdeckt je ein Loch in beiden Flanschen. Im allgemeinen stört das nicht, da es genügt, die Flansche jeweils mit nur 3 Schrauben anzuschrauben. Wer unbedingt alle 4 Schrauben einsetzen will, kann in Teil A vor der Montage eine seitliche Kerbe einfräsen oder feilen, die den Weg für längere Schrauben freigibt.

Nun wird die 1,7-mm-Bohrung in Teil A durch beide Hohlleiterwände weitergeführt, dadurch sitzt automatisch die Haltebohrung der Diode im Hohlleiter richtig. Danach kann das Loch in Teil A gemeinsam mit der angelöteten Hohlleiterwand auf 4,5 mm ø erweitert werden. Die übrigen Teile werden nach Bild 5 angefertigt und entsprechend Bild 6 montiert. Dabei kann Teil D aus einer M6-Schraube (muß nicht unbedingt Messing sein) herausgearbeitet werden.

Bild 6
Bild 6: Querschnitt im Bereich der Diodenhalterung.

Bild 7
Bild 7: Der fertige 24-GHz-Durchblasemischer.

3. Inbetriebnahme

Diode vorsichtig einbauen, Oszillator anflanschen. Antenne anschließen oder auch den offenen Flansch strahlen lassen. Mit Ampèremeter bei eingeschaltetem Oszillator Diodenstrom gegen Masse messen, er soll zwischen 0,5 und 4 mA liegen.

4. Einige Tips

4.1. Umgang mit Mischdioden

Die Misch- oder Detektordioden sind durch Entladungen statischer Elektrizität sehr gefährdet. Deshalb größte Sorgfalt walten lassen, wie das früher bei MOSFETS ohne interne Schutzbeschaltung üblich war. Nach Einbau der Diode den Anschlußstift immer irgendwie galvanisch mit Masse verbinden (beispielsweise über eine 6-Loch-Kern-Drossel). Hat eine Diode einen "Schuß" bekommen, merkt man das oft nicht gleich, da sie immer noch ein wenig "Diode", ist, das heißt Durchlaß- und Sperr-Strom sind noch verschieden, jedoch nicht mehr im ursprünglichen Verhältnis. Das kann man leicht mit einem Ohmmeter nachprüfen. Ein Mischer mit einer angeknacksten Diode ist meist 10 bis 20 dB unempfindlicher als ein einwandfreier.

4.2. Hohlleitertyp

Für andere Hohlleiter müßte man, um einen gut funktionierenden Mischer zu bauen, lediglich die Hohlleiterwellenlänge errechnen und die Diode dann ebenso in 3λg/4 Abstand von der Iris einbauen. Der Verfasser empfiehlt jedoch R220 zu verwenden, da dies der gebräuchliche Typ für das K-Band ist. Meßgeräte, Dämpfungsglieder, externe Mischer von Spektrum-Analysatoren, Richtkoppler und anderes Gerät sind in dieser Norm ausgeführt. Sollte man irgendwann, wenn das auch für manchen Amateur unmöglich erscheint, Zugang zu Meßmitteln bekommen oder sie sogar kaufen können, wird man sich "totärgern" nicht die industriell übliche Norm gewählt zu haben.

4.3. Oszillatoren

Beim Aufbau von Gunn-Oszillatoren ist allgemein zu berücksichtigen, daß verschiedentlich ein Oszillator in einem falschen Mode schwingt. Die Frequenz liegt dabei um ein paar GHz zu hoch und läßt sich durch Abstimmschrauben kaum verändern. Ein angeflanschter Mischer zeigt dabei keinen oder nur sehr geringen Mischstrom, obwohl die Strom- und Spannungsdaten am Gunn-Oszillator stimmen. Meist hat sich in solchen Fällen das Gunn-Element seinen λ/2-Resonator vom Einbauort zu den seitlichen Hohlleiter-wänden gesucht. Durch sauberen Aufbau des Oszillators, vor allem der Diodenhalterung, läßt sich das oft verhindern. Eine weitere Maßnahme ist die, für den Oszillator einen Hohlleitertyp, der für die Nutzfrequenz am unteren Ende liegt, zu benutzen. Dadurch wird die Strecke Hohlleitermitte (wo das Gunn-Element meist sitzt) zur seitlichen Wand so kurz, daß die daraus resultierende λ/2-Strecke eine Frequenz ergibt, bei der das Gunn-Element nicht mehr schwingen kann. Bei 24 GHz ergäbe das einen Oszillator mit Iris in R320, mit den nachfolgenden Baugruppen in R220.

Bei der Iris eines Gunn-Oszillators ist darauf zu achten, daß sie nicht zu klein gerät, da man sonst leicht 10 dB Sendeleistung verschenkt. Wenn man irgendwie die Leistung messen kann, und sei es auch nur relativ, empfiehlt es sich, die Iris nach und nach zu vergrößern, bis man an die Grenze kommt, wo der Ausgangspegel kaum noch zunimmt. Man kann jetzt die Iris so belassen, oder eine neue mit geringfügig kleinerem Lochdurchmesser herstellen. Die etwas größere Unstabilität des Oszillators gegenüber äußeren Einflüssen läßt sich mit einer gut funktionierenden AFC leicht meistern.

DJ7FJ, Josef Fehrenbach.