Home - Techniek - Electronica - Radiotechniek - Radio amateur bladen - UKW-Berichte - 6-cm-Vorverstärker mit dem MGF 1400 und Gegentaktmischer für Senden und Empfang
Seit Jahren schon wollte ich etwas für das 6-cm-Band tun, ein für Funkamateure noch recht unbekanntes Band, das mich reizt. Daß es lange nicht dazu kam, lag daran, daß ich für diese Frequenz, nämlich 5,7 GHz, keinerlei Meßgeräte zur Verfügung hatte. Doch kürzlich kam ich - wenn auch nur für kurze Zeit - in meiner Firma mit einer Abteilung in Berührung, die alle nötigen Meßgeräte für Frequenzen zwischen 1 und 20 GHz hat. Diese Gelegenheit habe ich natürlich nicht ungenutzt gelassen.
1. Der Vorverstärker
Reproduzierbare Ergebnisse erhält man eigentlich nur mit Mikrostreifenleitungs-Ausführungen. Deshalb wurde die Schaltung mit den S-Parametern des GaAs-FETs MGF 1400 auf einem geliehenen TI59-Taschenrechner mit dem dazu erforderlichen Programm berechnet. Wie dies gemacht wird, findet man beispielsweise in (1).
Die Verwirklichung der Platine war über die Computer-Grafiken und Tabellen, sowie die erforderliche Klebe- und Fotografier-Arbeit nur noch eine Sache von Stunden. Alle Berechnungen wurden für 0,79 mm dickes PTFE(Teflon-) Material mit εr = 2,55 durchgeführt.
1.1. Aufbau
An den Längsseiten der in Bild 1 gezeigten Leiterplatte werden Ober- und Unterseite durch einen Streifen Kupferfolie miteinander verbunden, wobei man das Lötzinn nur sparsam verwendet.
Bild 1: Beidseitig kaschierte RT/duroid-Leiterplatte für einen MGF-1400-Vorverstärker für das 6-cm-Band.
Da eine PTFE-Platine der benutzten Dicke nur wenig mechanische Stabilität aufweist, wird sie auf ein 0,5 mm dickes Messingblech mit gleichen Abmessungen gelötet. Dies geht sehr gut auf einem umgedrehten Bügeleisen. Anschließend machen wir die Löcher für die Source-Abklatschkondensatoren so, daß sie möglichst kurz nach Masse verbunden werden können. Das maßgerechte Ausführen dieser Löcher geht am besten mit einem Zahnarztfräser oder auch mit einer kleinen Schlüsselfeile. Bild 2 gibt dazu Anregungen.
In einen 25 mm breiten Streifen aus 1,5-mm-Messingblech bohren wir erst die Löcher für die HF-Buchsen und den Durchführungskondensator, biegen ihn dann und löten ihn rings um die Leiterplatte. Es ist wichtig, daß die Bohrungen für die Mittelstifte der Buchsen präzise 2,3 mal den Durchmesser der Stifte selbst haben, damit auch an diesen Übergängen das 50-Ω-System erhalten bleibt. Die Buchsen werden nun angebracht, und ihre Mittelstifte gelötet. Anschließend lötet man die Source-Klatschkondensatoren so an Masse fest, daß ihre andere Seite mit der Oberseite der Platine auf gleiche Höhe kommt. Dabei darf der Abstand zum Gehäuse des MGF-1400 maximal 0,5 mm groß werden. Auch dies ist in Bild 2 verdeutlicht.
Bild 2: Kritische Einbau-Details um den Vorverstärker-Transistor herum.
An einen der Source-Klatschkondensatoren löten wir jetzt den Source-Widerstand; sein anderes Ende an Masse. Hiernach bringen wir die beiden Drain-Entkoppelkondensatoren an, und zwar direkt nach dem Übergang der λ/4-150-Ω-Leitung auf eine breitere Leitung.
Jetzt löten wir den Durchführungskondensator für die Betriebsspannung ein, und schließlich die nach Bild 3 hergestellte Versorgungsplatine auf der Unterseite gegen das Messingblech. Jetzt brauchen wir nur noch eine Verbindung zwischen Versorgungsplatine und Drain-Anschlußpunkt zu machen, wonach wir T1 einlöten. Ein Messing- oder Weißblechdeckel komplettiert den Vorverstärker.
Bild 3: Die kleine Versorgungsplatine kann man nach jedem beliebigen Verfahren einfach herstellen.
1.2. Zur Schaltung
Das Schaltbild ist in Bild 4 gezeichnet. Die Schaltung erzeugt sich ihre Vorspannung selbst, so daß lediglich die Werte von R1 und R2 durch Versuch zu ermitteln sind. R1 wird so ausgesucht, daß der Drainstrom 10 mA wird; R2 bestimmt VDS: diese Spannung soll 2,5 bis 3 V betragen. Anhaltswerte für diese beiden Widerstände sind in Abschnitt 1.3. angegeben.
Bild 4: Schaltbild des 5,7-GHz-Vorverstärkers.
1.3. Bauteile
| T1 | MGF1400 (Mitsubishi) |
| D1 | 1N4001 (versch. Hersteller) |
| I1 | 78L05 (versch. Hersteller) |
| L1 - L4 | geätzt auf der Platine |
| C1 - C4 | geätzt auf der Platine |
| C5 - C9 | 150pF Multilayer-Kond. (Valvo Typ 2222 851 13151) |
| C10 | 2,2 µF/25 V Tantal-Kond. |
| C11, C12 | 1 µF/25 V Tantal-Kond. |
| C13 | 1 nF lötbarer DF-Kond. |
| R1 | ca. 100 Ω (s. Text) |
| R2 | ca. 120 Ω (s. Text) |
1.4. Abgleich und Betrieb
HF-mäßig braucht nichts abgeglichen zu werden. Die Einstellung von Strom und Spannung wurde bereits beschrieben.
Der Verstärker kann sowohl als Empfangsverstärker vor dem später beschriebenen Mischer, wie auch als Sendeverstärker hinter dem Mischer betrieben werden. Es ist wohl bekannt, daß er als Empfangsvorverstärker so dicht wie möglich an der Antenne angeschlossen werden muß.
Sendeseitig kann man vorteilhaft zwei solche Verstärker hintereinander schalten, wobei dann der Drainstrom des zweiten Exemplars auf 30 mA bei VDS = 3 V erhöht werden kann.
Die Ausgangsleistung wird dann rund 20 mW. Sie errechnet sich so:
| Maximale ZF-Eingangsleistung: | 0 | dBm |
| Mischverluste: | -7 | dB |
| Verstärkung von 2 Stufen: | +20 | dB |
| --------- | ||
| Sendeleistung max. | 13 | dBm |
Das ist eine schöne Leistung für diese Frequenz, obwohl es heute schon möglich ist, hier mit einem einzigen GaAs-FET 3,5 W zu erzeugen! MSC stellt solche Transistoren her, aber über 2000 DM (Juni 1982) sind mir einfach zuviel für nur einen Transistor! Ein billigerer Verstärker ist sicherlich die Antenne, und eine verhältnismäßig kleine Parabol-Antenne erzielt bei diesen Frequenzen doch minimal 20 dB, so daß wir auf eine effektiv abgestrahlte Leistung von 2 W kommen. Damit lassen sich schon sehr schöne Funkverbindungen machen.
1.5. Meßwerte
Den Frequenzgang der Verstärkung zeigt Bild 5; sie beträgt für die gewünschte Frequenz gute 10 dB. Gleichzeitig wurde die Reflexionsdämpfung aufgenommen; sie beträgt an Ein-und Ausgang mehr als 15 dB (VSWR < 1,4).
Bild 5: Die Verstärkung beträgt im 6-cm-Amateurband rund 10 dB.
Die Rauschzahl beträgt 4 dB.
2. Der Mischer
Der wahrscheinlich meistbenutzte Mischer für das 6-cm-Band ist eine 1-Dioden-Anordnung im Hohlleiter. Der im Folgenden beschriebene Mischer weicht in drei Punkten ziemlich stark davon ab:
- wird hier ein Gegentaktmischer eingesetzt;
- wird der Mischer auf einer PTFE-Platine von 0,79 mm Dicke mit εr = 2,55 realisiert, was die mechanischen Probleme auf ein Minimum reduziert;
- ist der Mischer sowohl für Empfangswie auch für Sende-Betrieb in allen Modulationsarten geeignet.
2.1. Prinzip des Mischers
Das benutzte Prinzip ist von gleichartigen Ausführungen für das 23-cm- und 13-cm-Band bekannt. Es ist durch einen 3-dB-Koppler gekennzeichnet, über den die Dioden mit den zu mischenden Frequenzen (HF- bzw. Oszillator-Signal) angesteuert werden.
Der Koppler hat in Gegensatz zu der bekannteren viereckigen Ausführung eine runde Form; Die viereckige Form zeigte deutliche Anpassungsprobleme, die nicht oder nur sehr schwer zu beseitigen waren. Die runde Ausführung dagegen hat diese Probleme nicht.
Ein Punkt, der bei diesem Mischer-Typ nicht übersehen werden darf, ist die Phase, welche das HF-Signal gegenüber dem Oszillatorsignal an den beiden Dioden besitzen muß. Das Oszillatorsignal muß hier nämlich 180° Phasenverschiebung besitzen, und das HF-Signal 0°. Wie dies durch eine extra Phasenverschiebung von 90° zwischen Koppler-Ausgang und Gleichspannungs-Abblockung verwirklicht wird, zeigt Bild 6.
Bild 6: Gegentaktmischer in Microstrip-Technik für das 6-cm-Band.
2.2. Bau-Hinweise
Bild 7 zeigt die Leiterplatte für den Mischer im Maßstab 1:1. Allgemein gilt für den Mischer das Gleiche wie für den Vorverstärker. So werden auch hier die Längsseiten der Platinen-Ober- und Unterseite durch einen Streifen aus Kupferfolie durchkontaktiert. Da der Masse-streifen auf der Oberseite dieser Platine ziemlich schmal ist, biegen wir die Kupferfolie hier nicht um, sondern lassen sie gerade, und führen die Verbindung zwischen Platinenmasse und Folie mit wenig Lötzinn aus.
Bild 7: RT/duroid-Platine für den Mischer nach Bild 6 mit den angegebenen Dioden.
Nun können wir die Platine auf einen Messingträger löten. und danach -wie beim Verstärker beschrieben - einen Rahmen aus Messingblech und die drei Buchsen anbringen.
2.2.1. Montage der Dioden
Die beiden Beam-lead-Dioden vom Typ HP5082-2767 (Hewlett-Packard) oder BAS22 (Valvo) werden leider leicht durch Entladung statischer Elektrizität zerstört. Um das zu vermeiden, gehen wir wie folgt vor:
- Bevor wir die Dioden einlöten, schließen wir HF- und ZF-Port mit einem Stück Draht kurz.
- Wir plazieren jede Diode mit Hilfe eines in Wasser angefeuchteten hölzernen Cocktail-Stickers, an dem die Diode nach leichtern Antippen kleben bleibt. Das Plazieren beobachten wir mit einer Lupe, die möglichst 10fach vergrößert.
- Wir führen das Löten mit der wirklich niedrigsten möglichen Temperatur in möglichst kurzer Zeit aus. Dazu eignet sich ein 6-WMini-Lötkolben.
- Als Verbindungsmaterial benutzen wir Indium-Lot, das eine Schmelztemperatur von ca. 140 °C hat. Eventuelle FlußmittelReste beseitigen wir anschließend mit einem in Äthyl-Acetat getränkten Watte-Tip.
2.3. Abgleich
Wenn man die im vorhergehenden Abschnitt angegebenen Dioden beschaffen kann, und die Leiterplatte nach Bild 7 benutzt, ist keinerlei Abgleich erforderlich. Sollen andere Diodentypen eingesetzt werden, dann benutzt man die Leiterplatte nach Bild 8 und führt den im Folgenden beschriebenen Abgleich durch.
Bild 8: Anfangs-Platine (vor dem Abgleich) für andere als die angegebenen Dioden.
Nachdem wir hier durchweg im 50-Ω-System arbeiten, müssen auch die Dioden auf 50 Ω transformiert werden. Dies ist ziemlich einfach, kann aber mehrere dB in der Mischdämpfung ausmachen. Für den. Abgleich schneiden wir uns verschiedene Stückchen Kupferfolie in den Maßen 2 × 1,5; 3 × 2; 4 × 2 und 5 mm × 2 mm zurecht. Während wir nun ein Testsignal empfangen, legen wir eines dieser Folienstückchen auf die 50-Ω-Streifenleitung zwischen Gleichspannungs-Abblockung und Dioden-Anschlußpunkt. Mit Hilfe eines hölzernen Cocktail-Stickers drücken wir das Stückchen Kupferfolie auf die Streifenleitung, und schieben es vorsichtig hin und her, bis wir auf der ZF-Seite ein optimales Signal bekommen. Ist dies der Fall, dann versuchen wir ein größeres oder kleineres Stückchen Folie, und schieben auch dieses vorsichtig hin und her zwischen DC-Abblockung und DiodenAnschlußpunkt. Das Folienstück mit dem besten Resultat löten wir schließlich an der betreffenden Stelle mit möglichst wenig Lötzinn fest.
Das ganze Verfahren wiederholt sich natürlich für die 2. Diode. Wenn dies erledigt ist, kann die Platine beispielsweise so aussehen wie in Bild 9.
Bild 9: Mischer-Leiterplatte für andere Dioden-typen nach einem Abgleich.
Da die Dioden-Impedanz auch von der Oszillatorleistung abhängt, muß diese während des Abgleichs konstant bleiben, und sie sollte beim späteren Betrieb nicht wesentlich davon abweichen. Ein Richtwert für die Oszillatorleistung ist 5 bis 10 mW.
2.3.1. HF-Kurzschluß
Wenn wir die eine Seite der Dioden nach 50 Ω transformieren wollen geht dies nur dann, wenn die andere Seite für die gewünschte Frequenz einen Kurzschluß nach Masse besitzt. Dieser HF-Kurzschluß läßt sich sehr einfach durch eine am Ende offene λ/4-Leitung realisieren, die den Widerstand "unendlich" an ihrem offenen Ende in den Widerstand "null" am anderen Ende transformiert.
Jetzt bleibt nur noch übrig, das ZF-Signal auszukoppeln, ohne den HF-Kurzschluß zu zerstören. Dies kann man durch einen aufgetrennten 1-λ-Ring bewerkstelligen, wobei der Auskoppelpunkt auf der einen Seite ¼ λ und auf der anderen Seite ¾ λ für die HF sieht, und somit den HF-Kurzschluß nicht beeinflußt.
2.4. Wahl der ZF
Für die Zwischenfrequenz kommt aus verschiedenen Gründen leider nur das 70-cm-Band in Frage.
Der Mischer ist zwar ziemlich breitbandig, doch das nächst höhere Amateurband (23cm-Band) ist frequenzmäßig bereits soweit entfernt, daß das Oszillatorsignal außerhalb des Durchlaßbereiches des Kopplers gerät. Die Dämpfung für die Oszillatorfrequenz wird dann so hoch, daß wir eine wesentlich höhere Leistung benötigen würden.
Eine tiefere Frequenz, wie zum Beispiel das 2m-Band, als ZF würde zu hohe Forderungen an das Eingangsfilter stellen, das zum Unterdrücken der Spiegelfrequenz erforderlich ist.
Die Herstellung eines guten Eingangs- beziehungsweise im Sendebetrieb Ausgangs-Filters wurde von DC8EC in (4) beschrieben. Es muß nur noch für das 6-cm-Band umgerechnet werden.
2.5. Meßwerte
Die Mischverluste zeigt Bild 10. Die Reflektionsdämpfung an allen drei Anschlüssen ist besser als 18 dB, und die Isolation zwischen HF- und Oszillator-Port ist besser als 25 dB.
Bild 10: Mischdämpfung in Abhängigkeit von der Frequenz, bei opt. Oszillatorleistung von 7 mW.
3. Verwendete Meßgeräte
HP8690B Sweep Oscillator
HP8693B Einschub 4 - 8 GHz
HP11692D Doppel-Richtkoppler
HP11664A Detektor
HP8755A Swept amplitude analyzer
HP8750A Storage normalizer
HP8555A Spectrum analyzer
Magnetic AB Modell 117 Noise-test set-up
Magnetic AB Modell 125 B Rauschquelle
Zum Schluß
Die realisierten Baugruppen zeigt Bild 11. Ich verdanke sie größtenteils den vielen Gesprächen mit den Herren P. Rutjes und J. Wijn. Sie waren für mich eine Quelle der Information und Inspiration.
Bild 11a: Ein fertiger Verstärker.
Bild 11b: Ein fertiger Mischer.
4. Literatur
- Grimm, J., DJ6PI: Zweistufige, rauscharme Vorverstärker für die Bänder von 24 cm bis 12 cm, UKW-Berichte 19 (1979) Heft 3, S.130-141
- D.V.Morgan, M.J.Howes: Microwaves solid-state devices and applications Published by Peter Peregrinus Ltd.
- Microwave engineer's handbook Vol. 1 + 2 Theodore S. Saad
- Schmehr, F., DC8EC: Gekoppelte Microstrip-Leitungen als Filter, UKW-Berichte 21 (1981) Heft 1, S. 20-23.
PA2HWG, Hans Wessels.