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Linear-Sende-Umsetzer für das 13-cm-Band

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Es wird ein volltransistorisierter 2320-MHz-Sende-Umsetzer beschrieben, der folgende, vom Entwickler selbst gestellte Anforderungen erfüllt:

Nach mehreren Versuchen mit verschiedenen Sendemischern, vor allem Leistungsmischern, kehrte der Verfasser reumütig zur konventionellen Art zurück, und entwickelte einen Transverter in "Blechkammer-Bauweise". Hier wird zunächst der in Bild 1 gezeigte Sende-Umsetzer beschrieben, da geeignete Oszillatoraufbereitungen für 2160 beziehungsweise 2176 MHz und Empfangskonverter bereits von anderen Autoren veröffentlicht wurden.(1),(2),(4),(5),(7) Um jungen Funkamateuren den Einstieg in dieses interessante Amateurfunkband zu erleichtern, sind Bau- und Abgleich-Anleitung sowie die Literaturhinweise besonders ausführlich gehalten.

Bild 1
Bild 1: Der Sende-Umsetzer ist mit ein paar Lötösen auf eine Grundplatte aus Leiterplattenmaterial gelötet.

1. Zum Konzept

Aus Bild 2, dem Blockschaltbild, ist ersichtlich, daß die aus einer externen Baugruppe stammende Oszillatorleistung bei 2176 MHz zunächst auf 50 bis 60 mW verstärkt wird. Es folgt die Mischstufe mit der Schottky-Diode D1. Das 144-MHz-Signal wird der Mischdiode über einen 2-m-Schwingkreis zugeführt. Es folgen drei selektive Verstärkerstufen für die Nutzfrequenz zwischen 2320 und 2322 MHz. Am Ausgang stehen etwa 100 bis 200 mW HF im 13-cm-Band zur Verfügung.

Bild 2
Bild 2: Blockschaltbild mit den Nennwerten für Frequenzen und Leistungen.

2. Schaltungseinzelheiten

Wie Bild 3 zeigt, arbeiten alle 4 Transistoren mit direkt geerdetem Emitter und einer einstellbaren positiven Vorspannung (6). Damit läßt sich der jeweils optimale Arbeitspunkt individuell einstellen.

Bild 3
Bild 3: Schaltbild des 13-cm-Sende-Umsetzers.

Die Mischdiode D1 erhält ihr Injektionssignal von L2 über die Koppel-Induktivität LK2. Das 2-m-Steuersignal wird in einem Schwingkreis aus L9 und einem 13-pF-Trimmer hochtransformiert und über eine SHF-Drossel der KoppelInduktivität LK3 zugeführt. Ein keramischer Scheibenkondensator ohne Anschlußdrähte von ca. 8 pF schließt LK3 für SHF ab, für 144 MHz stellt diese Kapazität nur eine geringe Belastung dar. Der Gleichstromweg für die Mischdiode schließt sich über einen Fest- und einen Trimmwiderstand; über einen Drosselwiderstand von 1 kΩ läßt sich der Mischdiodenstrom als Spannung an einem kleinen Instrument ablesen und überwachen.

Auf die Mischstufe folgen drei Linearverstärkerstufen. Zwei Bandfilter und zwei Einzelkreise in koaxialer Kammerbauweise sorgen für gute Selektion.

2.1. Bauteile-Hinweise

T1 - T3BFR34A, oder BFR90, BFR91
T4BFR96, BFR96S
D1HP5082-2800 oder andere Schottky-Diode
L1 ... L8λ/4-Resonanzkreise aus Messing- oder Kupferrohr 3 mm ø; Zu den in Bild 4 angegebenen Längen sind etwa 4 mm zuzugeben (s. Kap. 3)
L95 Wdg. versilb. Draht 1 mm ø auf 6-mm-Dorn gewickelt, auf 10 mm Länge auseinander gezogen, freitragend eingelötet. Anzapf für 1-nF-Kondensator: 1,5 Wdg., An-zapf zur Drossel: 2,5 Wdg. v.k.E.
LK1, LK6Ein- bzw. Auskoppelleitung, versilb. Draht 1 mm ø, Abstand zu L1 bzw. L8: jeweils 1 mm wie LK 1, Länge 13 mm
LK13wie LK1, aber Länge 26 mm (davon ragen 6 mm aus der Kammer); Abstand von L3: 4 mm
LK4, LK5wie LK1, gebogen nach Bild 4, Abstand zu L3, L4 bzw. L5, L6: jeweils 1,5 mm
CKKoppelfähnchen aus Kupferfolie, 4 mm x 8 mm, bei 3 mm Länge abgewinkelt
DrBBasisdrosseln (4 Stück), 3 Wdg. versilb. Draht ca. 0,8 mm ø, auf 3-mm-Dorn gewickelt, auf 5 mm Länge auseinandergezogen, freitragend eingelötet
DrCKollektordrosscln (4 Stück), ein Anschlußdraht von ca. 25 mm Länge des Kollektorwiderstandes wird auf einen 3-mm-Dorn gewickelt, die so fabrizierten 2,5 Wdg. werden etwas auseinander-gezogen
DrDDiodendrossel, 4 Wdg. versilb. Draht ca. 0,5 mm ø auf 3-mm-Dorn gewickelt, auf 5 mm Länge auseinandergezogen, freitragend eingelötet
Trimmer an L9Folientrimmer 13 pF (Valvo: gelb) oder ähnl.
Abklatschkondensator für LK3keram. Scheibenkondensator ohne Anschlußdrähte etwa 8-10 pF (vorzugsweise die dickere Ausführung verwenden)
Kondensatoren C8 keram. Durchführungskondensatoren, ca. 1 nF, lötbar, kleine Ausführung (8 lang, 3 ø)
Abstimm-Kondensatoren8 Messingschrauben M3; 5 Stück 10 mm lang, 3 Stück 20 mm lang, mit je 2 Muttern

Bild 4
Bild 4: Aufbau und Verdrahtung mit einigen wichtigen Maßen.

3. Aufbau-Anleitung

Zum Aufbau der ersten 4 Prototypen dieses Sende-Umsetzers verwendete der Verfasser 0,3 bis 0,4 mm dickes Weißblech. In einer Blechschlosserei oder einem Dachdeckerbetrieb läßt man sich einige Streifen von 30 mm und 25 mm Breite an der Schlagschere abschneiden. Weißblech ist billig und läßt sich sehr leicht bearbeiten - vor allem löten. Größere Metallwaren-Handlungen führen Platten von etwa 50 cm × 60 cm zu Preisen zwischen 5 und 10 DM.

Selbstverständlich läßt sich auch etwa 0,5 mm dickes Messingblech oder dünnes, beidseitig kupferkaschiertes Leiterplattenmaterial verwenden. Von Kupferblech wird jedoch abgeraten, da es sich wegen seiner hohen Wärmeleitfähigkeit schlecht löten läßt.

Die Blechstreifen werden mit einer kräftigen Blechschere auf die in Bild 5 angegebenen Abmessungen gebracht. Die in den stirnseitigen Wänden und Trennwänden erforderlichen Bohrungen körnt man zunächst leicht an und führt sie dann mit einem 3,5- bzw. 3-mm-Bohrer aus. Die Durchbrüche für die Transistoren in den Trennwänden 2, 5, 7 und 8 werden mit einem 3-mm-Bohrer gebohrt und dann mit einer Schlüsselfeile auf das angegebene Maß erweitert.

Bild 5
Bild 5: Maßzeichnungen der Blechteile. Material: Weißblech 0,3 bis 0,4 mm dick.

Sodann wird Teil 10, die Rückseite mit den Löchern für die Abstimmschrauben, gebohrt. Dazu legt man dieses Teil auf Teil 11, und klebt es mit zwei Klebestreifen an den Rändern deckungsgleich fest. Anhand der vorhandenen Bohrungen in der Rückwand (Teil 10) nimmt man nun die Bohrungen für die Leitungskreise L1 bis L8 vor. Hiermit wird erreicht, daß nach dem Zusammenbau die heißen Enden der λ/4-Leitungskreise genau vor den Abstimmschrauben stehen.

Teil 10 wird nun von Teil 11 wieder entfernt, und man bohrt die restlichen Löcher in Teil 11 für die Durchführungskondensatoren und die Mischdioden-Koppelleitung.

Das Bodenstück, Teil 12, bleibt ohne Bohrungen.

Vor dem Zusammenlöten sollte man mit einem Faserschreiber "permanent" (wasserfest) auf der Innenseite von Teil 10 oder 11 Markierungen anbringen, wo die Trennwände einzulöten sind.

Sämtliche Wände und Trennwände werden nun mit wenig Lot dicht verlötet. Auf Teil 10 lötet man die Führungsmuttern (M3, Messing) auf. Dann werden in die korrespondierenden Bohrungen in Teil 11 die Koaxial-Innenleiter L1 bis L8 eingelötet, und zwar so, daß die Enden außen noch etwa 3 mm vorstehen. Damit hat man etwas Reserve für den Fall, daß sich die Leitungen beim Ab-gleich als zu kurz erweisen sollten.

Als nächstes stellt man die Koppelleitungen nach den Angaben in Abschnitt 2.1. her und lötet sie ein. Dann sind die Durchführungskondensatoren und schließlich die Transistoren an der Reihe. Vor dem Einbau sind die Anschlüsse aller Transistoren auf 2 mm Länge zu kürzen. Man sollte sich nun Mühe geben die Emitteranschlüsse so kurz wie möglich mit den Trennwänden zu verlöten.

Nun sind die Mischdiode (Anschlüsse beidseitig äuf 3 mm kürzen) und die Koppelfähnchen ein-zulöten, und schließlich die 2-m-Ansteuerseite und die Vorspannungsversorgung. Die masseseitigen Anschlüsse der 5 Trimmpotentiometer lötet man mit kurzen, dickeren Drahtstücken an die Außenseite von Teil 11. Die restliche Verdrahtung deutet Bild 4 an.

4. Abgleich

Zunächst dreht man alle Trimmpotentiometer für die Basisvorspannungen nach Masse. Transistor T1 erhält über den Vorwiderstand von 100 Ω seine Betriebsspannung zwischen 12 und 14 V. Den Ruhestrom von T1 stellt man auf 5 mA ein.

Nun wird die Oszillatorbaugruppe an Punkt "A" angeschlossen und in Betrieb genommen. Bei ausreichender Ausgangsleistung des Oszillatorteils bei 2176 MHz ergibt sich für T1 nach Resonanzabstimmung von L1 ein Kollektorstrom von 15 bis 20 mA. Sollte der Kollektorstrom von T1 nur auf 8 bis 10 mA ansteigen, so reicht die Ausgangsleistung des vorhandenen Oszillatorteils nicht aus, und man wird nicht die möglichen 100 bis 200 mW HF-Leistung des Umsetzers erzielen.

Am Meßpunkt "MP" für die Mischdiode wird nun ein hochohmiges Vielfachinstrument angeschlossen, und die Abstimmschraube für L2 auf Resonanz bei 2176 MHz abgestimmt. Bei optimaler Leistung des Oszillatorteils und bei auf höchsten Wert eingestelltem 2-kΩ-Trimmpotentiometer für die Mischdiode stellen sich hier maximal 2,5 V ein.

Nachdem man nun die drei Verstärkertransistoren an die Betriebsspannung angeschlossen hat, stellt man ihre Ruheströme einzeln auf etwa 5 mA ein. Dies ist ein Wert, bei dem man recht gut kleine Änderungen des gewünschten Signals bei 2320 MHz erkennt - für die erstmalige Abstimmung eine große Hilfe.

Der Eingang "B" erhält nun 2-m-Steuerleistung, und zwar maximal 300 mW. Der Verfasser verwendet als Steuergerät ein IC-202 mit etwa 3 W Ausgangsleistung. Es ist deshalb ein Dämpfungsglied von 10 dB erforderlich. Für die Versuche ist es nützlich, wenn die Dämpfung etwas variiert werden kann. Vor dem Einschalten des Steuersenders stimmt man die Kreise mit L3 und L4 erst einmal auf die Oszillatorfrequenz von 2176 MHz ab, was man am Ansteigen des Kollektorstromes von T2 auf etwa 8 bis 10 mA erkennt. Die Abstimmschrauben sind dann nur etwa 0,3 mm von den heißen Enden der Kreise entfernt.

Nun schaltet man den Steuersender ein und dreht die Abstimmschrauben für L3 und L4langsam heraus. Schnell findet man dabei die Stellung der Schrauben, wo der Strom von T2 auf 7 bis 8 mA ansteigt. Durch Ausschalten des 2-m-Geräts vergewissert man sich, daß man tatsächlich auf 2320 MHz abgestimmt hat - der Strom von T2 muß wieder auf 5 mA zurückgehen.

Die nachfolgenden Kreise werden nun ebenfalls auf 2320 MHz abgestimmt, am Ausgang werden bereits einige mW HF-Leistung meßbar sein. Nun kann man die Ruheströme der Transistoren bei ausgeschaltetem Steuersender auf ihre endgültigen Werte einstellen: T2 und T3 etwa 20 mA, und T4 ca. 30 mA. Der Endabgleich erfolgt durch vorsichtiges wechselweises Verbiegen der Koppelfähnchen und Nachstimmen der Abstimmschrauben. Die Koppelfahnen zur Basis haben etwa 0,8 bis 1 mm Abstand zu den Leitungskreisen, wogegen die Fähnchen zum Kollektor den Leitungskreisen bis auf etwa 0,5 mm genähert werden können. Biegt man die Koppelfahnen näher an die Innenleiter, so wird der Schwingkreis stärker kapazitiv belastet, und die Resonanzfrequenz verschiebt sich nach unten - die Abstimmschrauben sind weiter herauszudrehen. Im Extremfall kann es erforderlich werden die Leitungskreise zu kürzen. Dies läßt sich mit Lötkolben und Zange problemlos durchführen. Wenn der Abgleich fertig ist, kontert man die Abstimmschrauben mit M3-Muttern.

Der erste Abgleich auf die Sollfrequenz von 2320 MHz läßt sich natürlich leichter durchführen, wenn bereits ein unabhängiger Konverter zur Verfügung steht, so daß man den Sende-Umsetzer abhören kann. Der Verfasser hat jedoch auch ohne diese Hilfe bisher immer auf Anhieb die 2320 MHz "gefunden". Eine Kontrolle der erzeugten Endfrequenz empfiehlt sich aber mit einem einfachen Absorptionsfrequenzmesser nach (3).

4.1. Meßwerte

Nach dem Aufbau der ersten Prototypen standen dem Verfasser erfreulicherweise bei Funkfreunden professionelle Meßgeräte zur Verfügung, so daß von gesicherten Ergebnissen ausgegangen werden kann.

Ausgangsleistungje nach Steuerleistung bei 2176 MHz und Transistorstreuungen: 100-200 mW
Gesamt-Betriebsstromohne Ansteuerung etwa 80 mA mit Ansteuerung etwa 100 mA
Unterdrückung aller unerwünschten Mischproduktebesser als 40 dB
Unterdrückung der Oszillatorfrequenzbesser als 40 dB
Unterdrückung der Spiegelfrequenzbesser als 60 dB

5. Erfahrungen bei Aufbau und Abgleich

Der beschriebene Sende-Umsetzer wurde bis jetzt vier mal gebaut und zwar jeweils mit Weißblech. Für die Leitungskreise wurde einmal versilbertes Messingrohr verwendet, einmal Kupferrohr, und in zwei Fällen blankes Messingrohr. In der Unterdrückung der unerwünschten Mischprodukte konnten keine Unterschiede festgestellt werden, und auch Oszillator- und Spiegelfrequenz-Unterdrückung lagen bei gleichen Werten.

Ein Abdeckblech kann zwar über die Kammern gelötet oder geschraubt werden, ist aber bei dem verwendeten Kammeraufbau nicht nötig. Meßreihen zeigten, daß die Unterdrückung der unerwünschten Frequenzen mit und ohne Deckel - natürlich nach jeweiligem Abgleich - praktisch gleich war.

Bezüglich der Transistorbestückung und der Auswahl der Mischdiode führte der Verfasser ausgedehnte Versuche durch. Als optimal hat sich die Bestückung mit 3 × BFR34A, und in der letzten Stufe mit BFR96 herausgestellt. Es sollte allerdings darauf geachtet werden, daß nur Markenhalbleiter zum Einsatz kommen.

Als Mischdiode probierte der Verfasser ungefähr 10 verschiedene Typen aus. Als problemlos erwies sich die - zudem recht billige - Schottky-Diode HP5082-2800. Bei zu geringer Injektionsleistung kann die HP5082-2817 eine gewisse Verbesserung bringen. Billige Schaltdioden wie die 1N4148 waren auch geeignet, erbrachten jedoch nie die maximal mögliche Ausgangsleistung.

Alle Transistoren können mittels etwas Wärmeleitpaste mit den Trennwänden verbunden und dadurch die thermische Stabilität verbessert werden.

Der beschriebene Umsetzer reicht aus, um eine nachgeschaltete Treiberstufe mit einer 2C39BA und eine Endstufe mit derselben Röhre auf etwa 25W HF auszusteuern.

Abschließend bedankt sich der Verfasser bei seinen Funkfreunden DK4GD und DJ7FJ für die Unterstützung bei den diversen Messungen.

5.1. Version für 9 cm

Ausgehend von den guten Erfahrungen bei 2320 MHz wurde für 3456 MHz ein Sende-Umsetzer nach dem selben Prinzip gebaut. Die Transistorbestückung ist identisch, als Mischdiode ist die HP5082-2817 eingesetzt. Da die verwendeten - billigen - Transistoren bei 3456 MHz in der Nähe ihrer Grenzfrequenz arbeiten müssen, ist die Verstärkung naturgemäß nicht so hoch wie bei 2320 MHz. Bei zwei Musteraufbauten wurden Ausgangsleistungen zwischen 20 und 30 mW erreicht.

Die mechanischen Abmessungen der λ/4-Kreise ändern sich wie folgt:

L1 bis L6, sowie L8 werden je 13 mm lang, L7 = 10 mm, jeweils in der Kammer gemessen.

Die Maße der Trennwände ändern sich auf eine Breite von 20 mm; die Höhe von 25 mm bleibt erhalten.

6. Literatur

  1. Hupfer, K.: Empfangsmischer mit Vorstufe für das 13-cm-Band, UKW-Berichte 14 (1974) Heft 2, S. 66-73
  2. Hupfer, K.: 2160-MHz-Frequenzaufbereitung, UKW-Berichte 14 (1974) Heft 3, S. 183-184
  3. Hupfer, K.: Ein Frequenzmesser für SHF zum Selbstbau, UKW-Berichte 14 (1974) Heft 4, S. 194-196
  4. Schädlich, A.: Ein Empfangskonverter mit Diodenmischung für das 13-cm-Band, UKW-Berichte 14 (1974) Heft 4, S. 197-202
  5. Dahms, J.: Konverter für das 13-cm-Band mit 2 Vorstufen und aktivem Mischer, UKW-Berichte 16 (1976) Heft 3, S. 130-142
  6. Schmitzer, E.: Arbeitspunkt-Stabilisierung von Transistoren mit direkt geerdetem Emitter, UKW-Berichte 16 (1976) Heft 4, S. 230-233
  7. Dahms, J.: Fingerfilter-Konverter für die Amateurbänder im GHz-Bereich, UKW-Berichte 17 (1977) Heft 4, S. 206-220
  8. Heidemann, R.: Sendemischer für die SHF-Bereiche; Teil 1: 13-cm-Band, UKW-Berichte 18 (1978) Heft 2, S. 105-115
  9. Heidemann, R.: Linearer 1-W-Verstärker für das 13-cm-Band, UKW-Berichte 21 (1981) Heft 2, 101-103

DJ5AP, Gerhard Schmitt.