Home - Techniek - Electronica - Radiotechniek - Radio amateur bladen - UKW-Berichte - Meßhilfsmittel und Oberwellenfilter für den 100 W Verstärker mit V MOS Transistoren für das 2-m-Band
Wie am Schluß des Artikels ,W MOS Transistoren in Leistungsverstärkern für das 2-m-Band in Ausgabe 2/1983 der UKW-Berichte angekündigt, folgen hier die Beschreibungen eines 30-dB-Kopplers, eines Meß-Detektors und eines für 100 W geeigneten Oberwellen-filters. Sie lassen sich mit billigen Bauteilen selbst herstellen, und ermöglichen sauberen Abgleich und Betrieb dieser zukunftsträchtigen Verstärker.
6. Meßhilsmittel - selbst gebaut
Wer leichten Zugang zu Meßgeräten hat und sich auch nicht meßtechnisch selbständig machen möchte, kann dieses Kapitel überspringen, und beim Oberwellenfilter weiterlesen.
6.1. 30-dB-Koppler
Im Gegensatz zum Richtkoppler, der einigen Aufwand bei Aufbau und Abgleich braucht, wird hier ein einfacher Koppler beschrieben, der 1/1000stel der Leistung richtungsunabhängig und weitgehend frequenzunabhängig abzweigt.Bild 20 zeigt das einfache Schaltbild. Die 4 Widerstände haben folgende Werte:
1 x 1,5 kΩ, 1/2W (0309)
2 x 4,7 kΩ, 1/4W (0207)
1 x 56 Ω, 1/4 W (0207)
Man kann die normalen Kohleschicht-Widerstände mit 5% Toleranz (goldener Ring) verwenden. Bei 100 W werden sie zusammen mit etwa 4-5W belastet, was im Wobbelbetrieb für längere Zeit zulässig ist.
Bild 20: Schaltbild/Aufbauhinweis für einen 30-dB-Koppler.
Bild 21 gibt einen Vorschlag für den mechanischen Aufbau des Kopplers aus Weißblech. Er besteht aus zwei Kammern mit einer Bohrung in der Trennwand, durch die die drei hochohmigen Widerstände von der durchgehenden 50-Ω-Leitung in die 2. Kammer ragen.
Bild 21: Perspektivische Darstellung und die beiden Blechzuschnitte für ein Gehäuse des 30-dB-Kopplers. Es wird zum Schluß durch einen aufgelöteten Deckel HF-dicht verschlossen.
Bild 22 zeigt den Musteraufbau des 30-dB-Kopplers, während Tabelle 3 die daran gemessenen Dämpfungswerte enthält.
Bild 22: Prototyp des 30-dB-Kopplers - primitiv aber wirksam!
| f MHz | Dämpfung | Rückflußdämpfung an I. II + III mit 50 Ω abgeschlossen | |
|---|---|---|---|
| I/II | I/III | ||
| 100 | 0,2 dB | 31 dB | 25 dB |
| 200 | 0,2 dB | 30,5 dB | 19 dB |
| 300 | 0,3 dB | 29,8 dB | 21 dB |
| 400 | 0,3 dB | 29 dB | 17 dB |
| 500 | 0,2 dB | 28,5 dB | 20 dB |
6.2. Meß-Detektor
Wie Bild 23 zeigt, folgen auf einen 50-Ω-Abschluß ein Spannungsverdoppler-Gleichrichter und eine breitbandige HF-Abblockung und Verdrosselung. Aus einem Meßsender gespeist, ergeben sich die in Bild 24 dargestellten Meßkurven. Man baut die Schaltung freitragend in ein kleines Abschirmgehäuse ein - Bild 25 zeigt den Musteraufbau. Innen sind die beiden 100-Ω-Widerstände unmittelbar vom Mittelstift der Eingangsbuchse nach rechts und links an das Gehäuse gelötet, und zur Kopplung mit den Schottky-Dioden dient ein Scheiben- oder Trapez-Kondensator. Zwei keramische Lötstützpunkte tragen die darauf folgenden Bauelemente-Verbindungen. Dies alles ist ebenso unkritisch wie die Bauelemente-Werte selbst, da sowieso eine Eichung erforderlich ist, wenn man den Detektor für exakte Messungen einsetzen will.
Bild 23: Ein Breitband-Meßdetektor.
Bild 24: Die beiden Meßkurven lassen vermuten, daß der Detektor über einen wesentlich größeren Frequenzbereich brauchbar ist.
Bild 25: Der Detektor wurde in ein gerade vorhandenes Gehäuse eingebaut. Die beiden Bohrungen haben nichts zu bedeuten.
Zum Wobbelabgleich der in Teil 1 beschriebenen Leistungsverstärker ist keine Eichung nötig. Wie die Geräte zusammenzuschalten sind, ist in Bild 26 dargestellt. Dabei ist wichtig, daß der Detektor so HF-dicht ist, daß er nur aus dem 30-dB-Koppler angesteuert wird.
Bild 26: Meßaufbau für einen Wobbelabgleich: Der 50-4-Abschluß muß die volle Ausgangsleistung des jeweiligen Verstärkers aufnehmen können.
7. Oberwellenfilter für Leistungsverstärker
Transistorleistungsverstärker haben meist nur etwa 30 bis höchstens 45 dB Oberwellen-Unterdrückung. Dies ist nicht nur nach den Vorschriften der Deutschen Bundespost viel zu wenig. Es wird deshalb ein Filter beschrieben, das mit verhältnismäßig wenig Aufwand die 2. und die 3. Harmonische zusätzlich um mindestens 60 dB absenkt.
Das einfachste zu realisierende Filter zum Dämpfen von Oberwellen ist ein Tiefpaßfilter. Einfache Tiefpaßfilter haben jedoch bei den unerwünschten Oberwellen nicht genügend Dämpfung; man "versteilert" sie deshalb.
Baut man versteilerte TP-Filter in herkömmlicher Technik auf, so benötigt man Bauteile mit hoher Spannungsfestigkeit, weil durch die Resonanzüberhöhung Spannungen von mehreren kV auftreten können. Bei den Induktivitäten kann man Spannungsfestigkeit konstruktiv leicht erreichen, bei den Kondensatoren jedoch muß man meistens auf teure Glimmerausführungen zurückgreifen. Außerdem benötigt man zum Ab-gleich eines solchen Filters verhältnismäßig umfangreiche Meßmittel.
Diese Probleme vermeidet das im Folgenden beschriebene Filter, indem die Versteilerung des TP-Filters mit Koaxialleitungen vorgenommen wird, die für die Oberwellen λ/4 lang sind und leerlaufen. Im Durchlaßbereich ist die Kapazität der Leitungsstücke in die Querkapazitäten des TP-Filters einbezogen. Dadurch erreicht man eine hohe Absenkung der Oberwellen, eine niedrige Durchgangsdämpfung im Durchlaßbereich und eine hohe Nachbausicherheit.
7.1. Berechnung des Filters
Zuerst wird mit Hilfe des Tabellenbuches "Tiefpässe"(1) ein 5-poliges Tschebyscheff-TP-Filter berechnet. Dann werden an die Stelle der Querkapazitäten leerlaufende λ/4-Leitungen bei der 2. und 3. Harmonischen gesetzt. Da diese Leitungen bei der Grundfrequenz (145 MHz) noch zu wenig Kapazität darstellen, werden - ebenfalls in Form von Kabelstücken - Zusatzkapazitäten hinzugefügt.
7.1.1. Das Grundfilter
Es wurde ein Tiefpaß des Typs T5/21 dB ausgewählt, das ist ein 5-poliger Tschebyscheff-Tiefpaß mit einer Reflexionsdämpfung von 21 dB (≡ VSWR = 1,2). Als (obere) Grenzfrequenz wurden 150 MHz, als Bezugswiderstand 50 Ω eingesetzt. Dem Tabellenbuch entnimmt man dann die Tiefpaß-Koeffizienten:
a1 = a5 = 0,932714
a2 = a4 = 1,366557
a3 = 1,762498
Damit werden Bezugs-Induktivität und -Kapazität berechnet und man erhält:
LB = 53,05 nH
CB = 21,22 pF
Die Bauelemente-Werte des Filters (Bild 27) berechnen sich aus den Koeffizienten und den Bezugswerten:
L1 = LB × a1 = 53,05 nH × 0,932714 = 49,5 nH
L3 = LB × a5 = L1 = 49,5 nH
L2 = LB × a3 = 53,05 nH × 1,762498 = 93,5 nH
C1 = C2 = CB × a2 bzw. a4 = 29 pF
Bild 27: Zur Berechnung des Tiefpaßfilters.
Das so errechnete Grundfilter dämpft die 2. Harmonie bei 290 MHz um 30 dB und die 3. Harmonische bei 435 MHz um 48 dB.
7.1.2. Versteilerung
Anstelle der Querkapazitäten C1 und C2 werden leerlaufende Leitungen eingesetzt, die λ/4 bei 290 MHz beziehungsweise bei 435 MHz lang sind. Sie stellen somit für diese beiden Harmonischen Kurzschlüsse dar, was die Dämpfung beträchtlich erhöht.
Bei der Grundfrequenz stellen sie Kapazitäten dar, die kleiner sind als die in Kapitel 7.1.1. errechneten erforderlichen 29 pF. Die fehlenden "Zusatzkapazitäten" werden ebenfalls mit Kabelstücken realisiert (Bild 28).
Bild 28: Verwirklichung des versteilerten Tiefpaßfilters.
C1 wird durch eine λ/4 lange Leitung für 290 MHz ersetzt. Für 145 MHz ist sie λ/8 lang und hat einen Widerstand von -j50 Ω ≡ 21,95 pF. Zu den erforderlichen 29 pF fehlen also 7,05 pF. Das dafür verwendete Kabelstück muß einen Eingangswiderstand von -j155,76 Ω haben, woraus sich eine elektrische Länge von 0,04944 λ errechnet.
C2 wird durch 2 leerlaufende Leitungen von λ/4 Länge für 435 MHz ersetzt. Für 145 MHz haben sie eine elektrische Länge von λ/12, was einem Eingangswiderstand von -j86,6 Ω ≡ 12,67 pF entspricht. Da hier zwei Leitungen eingesetzt sind, ergibt sich eine Gesamtkapazität von 25,34 pF, und zu den erforderlichen 29 pF fehlen noch 3,66 pF. Das dafür verwendete Kabelstückchen muß einen Eingangswiderstand von -j300 Ω aufweisen, wozu es bei 145 MHz elektrisch 0,02625 λ lang sein muß.
Zum Bau benötigt man nun noch die mechanischen Längen der Kabel. Verwendet man RG-188/U mit einem Verkürzungsfaktor von VF = 0,71, so ergeben sich folgende Längen:
λ/4 bei 290 MHz:
λ/4 bei 435 MHz:
l2 = 0,122 m = 122 mm
Zusatzkapazitäten zu l1:
lz1 = 0,04944 x λ144 × VF = 0,0726 m = 72,6 mm
Zusatzkapazität zu l2:
lz2 = 0,02625 × λ144 × VF = 0,03855 m 38,6 mm
7.1.3. Induktivitäten
Die Spulen werden nach folgender Formel berechnet:
L in nH
D in cm
I in cm
Mit I = 4 cm und D = 1,6 cm ergeben sich folgende Wickeldaten für die Luftspulen:
L1 = L3 = 49,5 nH N = 3,02 (Windungen)
L2 = 93,5 nH N = 4,15 (Windungen)
7.2. Bauhinweise
Bild 29 zeigt eine Skizze des ganzen Oberwellenfilters, ein Musteraufbau ist in Bild 30 zu sehen. Ein Weißblechgehäuse mit zwei Trennwänden baut man nach Bild 31, die drei Spulen kann man direkt nach Bild 32 anfertigen, und die 5 Kabelstücke bereitet man nach Bild 33 vor. Die Zusatzkapazitäten schneidet man zunächst etwas länger zu und kürzt sie später beim Abgleich auf minimale Filterdämpfung bei 144 MHz.
Bild 29: Aufbau des versteilerten Tiefpaßfilters.
Bild 30: Das ausgeführte Filter wird für den Betrieb mit einem aufgelöteten Deckel HF-dicht verschlossen.
Bild 31: Da die Gehäusemaße unkritisch sind, sind sie nicht in allen Einzelheiten dargestellt. Als Material dient 0,7 mm dickes Weißblech.
Bild 32: L1 = L3 = 3 Windungen
L2 = 4 Windungen versilb. Draht 2 mm ø auf 14-mm-Dorn gewickelt freitragend eingelötet.
Bild 33: Alle Kabel RG-188/U (50 Ω). Die oberen beiden zwischen L1 und L2, die unteren 3 Kabel zwischen L2 und L3 anlöten.
Schraffierte Stücke: Außenisolierung entfernen, Geflecht nach Einbau festlöten.
Die Koaxkabel werden durch Bohrungen von außen in die Kammern gefädelt, an den Trennwänden entlanggeführt, und an den Glasdurchführungen festgelötet. Wie in Bild 29 durch schwarze Punkte angedeutet, lötet man das Außengeflecht der Kabel mehrfach am Weißblech fest. Da es sich um PTFE- (TEFLON-) Kabel handelt, ist das kein Problem.
7.3. Ergebnisse
Das Filter wurde an einer Röhrenendstufe mit 500 W Dauerstrichleistung erprobt. Es traten keine Spannungsüberschläge auf, die Spulen wurden handwarm. Den Frequenzgang zwischen 50 und 550 MHz zeigt Bild 34. Deutlich erkennt man die zusätzliche Dämpfung durch die λ/4-Kabel bei 288 MHz und 435 MHz, ebenso wie einen Überschwinger bei etwa 420 MHz. Dieser stört nicht, weil ein Sender für das 2-m-Amateurband bei dieser Frequenz keine Oberwellen abgibt.
Bild 34: Frequenzgang mit Marken alle 50 MHz (bei der Grenzfrequenz: 150 MHz). Vert.: 10 dB/Linie (bei der Grenzfrequenz: ca. 0 dB).
Die Rückflußdämpfung ist im 2-m-Amateurband größer als 20 dB, die Durchgangsdämpfung kleiner als 0,3 dB.
8. Literatur
- Pfitzenmaier, G.: Tabellenbuch Tiefpässe Siemens AG, München
- Rose, G.: Große Elektronik-Formelsammlung Franzis Verlag, München
- Kammerloher, J.: Hochfrequenztechnik I C. F. Winter'sche Verlagshandlung, Prien
Teil 1 - Teil 2
DL1GBH, Harald Braubach.