Home - Techniek - Electronica - Radiotechniek - Radio amateur bladen - UKW-Berichte - Ein 10-GHz-FM-Transceiver mit dielektrisch stabilisiertem Oszillator
Der im vorhergehenden Artikel(1) beschriebene GaAs-FET-Dopplermodul FO-DP12 oder FO-DP13 eignet sich hervorragend zum Aufbau eines kleinen 10-GHzTransceivers für Breitband-FM. Die gegenüber einem Gunn-Oszillator mit Durchblasemischer um den Faktor 3 bis 4 kleinere Leistungsaufnahme des dielektrisch stabilisierten Oszillators erleichtert den Batteriebetrieb im Portabel-Einsatz.
Tabelle 1 zeigt die Daten des Transceivers:
| Mikrowellenmodul | FO-DP12 oder FO-DP13 |
| Frequenzbereich | 10,25-10,45 GHz |
| Betriebsart | Breitband-FM, Versatz 105 MHz bzw. 30 MHz, je nach ZF-Auslegung |
| Sendeleistung | 4-5 mW |
| Rauschzahl | ca. 12-15 dB (vergleichbar mit Gunnplexer) |
| Betriebsspannung | 12 V, 150 mA |
Das so klein wie möglich gebaute Mustergerät (Bild 1) hat eine Größe von 150 × 120 × 55 mm, ein Gewicht von 800 g und enthält einen Akku mit 225 mAh für etwa eine Stunde Betrieb ohne externe Stromquellen.
Bild 1: Der 10-GHz-FM-Transceiver des Verfassers.
Der Transceiver besteht aus folgenden Baugruppen: einem modifizierten Dopplermodul FO-DP12KF oder FO-DP13KF, einer ZF/NF-Baugruppe, dem Spannungsregler für den FET-Oszillator und einem Modulationsverstärker mit Piepser.
1. Der Dopplermodul
Wie bereits beschrieben, enthält dieser einen auf 10,525 GHz abgestimmten FET-Oszillator mit dielektrischer Stabilisierung und je nach Ausführung 1 oder 2 Misehdioden als Durchblasemischer. Für den Amateureinsatz muß die Frequenz in das Amateurband gezogen, und die fixierte Abstimmung variabel gemacht werden. Dazu wird das Modul wie folgt modifiziert:
Nach vorsichtigem Aufbiegen der Laschen kann man den Deckel mit der Abstimmschraube abheben; das Keramiksubstrat mit der Mikrowellenschaltung sollte man nicht berühren! Nun kann die Abstimmschraube durch ein Miniatur-Mikrometer oder eine M5Feingewindeschraube mit passender Buchse ersetzt werden.
Wie bei einem Gunn-Oszillator ist auf einen spielfreien Aufbau zu achten. Der Deckel wird wieder eingesetzt und mit einem großen Lötkolben rundherum mit dem Gehäuse verlötet (Bild 2). Nun kann die Abstimmung mit einem Absorptionswellenmesser geeicht werden (Bild 3).
Bild 2: Spannungsregler für den Oszillator und Modulator sind im Mustergerät auf Lochrasterplatten verdrahtet.
Bild 3: Die auf das Gerät geklebte Eichkurve.
Zum Schluß noch ein Hinweis: Da FETs und Mischdioden gegen statische Aufladung empfindlich sind, sollte man alle Anschlüsse des Moduls mit dem Gehäuse verbinden, solange es nicht eingebaut ist.
2. ZF-Verstärker
Es wurden schon etliche Versionen von ZF-Teilen für 10-GHz-Transceiver veröffentlicht, die aber alle noch Zusatzbaugruppen wie Vorverstärker, Rauschsperren, AFC-Bausteine erforderten. Das im folgenden vorgestellte ZF-Teil benötigt außer den Bedienelementen keine externen Baugruppen, und ist mit 72 mm × 145 mm trotzdem handlich. Durch Bestückungsänderungen ist die Baugruppe auch als 2-m-FM-Empfänger verwendbar.
Das ZF-Teil ist für eine Frequenz von 105 MHz ausgelegt, kann aber auch für 30 MHz dimensioniert werden. Dann ist jedoch mit einer um 1 bis 2 dB schlechteren Systemrauschzahl zu rechnen, weil ein Teil der Rauschseitenbänder des Mikrowellen-Oszillators in die ZF-Ebene zurückgemischt wird. Angesichts der großen Anzahl von 30-MHz-Systemen mit Gunn-Oszillatoren scheint das nicht allgemein bekannt zu sein.
2.1. Zum Konzept
Die Baugruppe verarbeitet eine Zwischenfrequenz von 105 MHz, die elektronisch um ±1 MHz verstimmt werden kann. Der Eingang ist zum direkten Anschluß einer üblichen Mischdiode (ZF-Impedanz um 300 Ω) ausgelegt. Die Rauschzahl des ZF-Teils ist besser als 2 dB. Zur weiteren Erhöhung der ausnutzbaren Empfänger-Empfindlichkeit wurde die ZF-Bandbreite auf 100 kHz verringert und im NF-Verstärker ein Tiefpaßfilter mit 3 kHz Grenzfrequenz und 18 dB/Oktave Flankensteilheit eingesetzt.
Die automatische Feinabstimmung wirkt auf die Zwischenfrequenz von 105 MHz. Dadurch entfallen alle Komplikationen mit der Laufrichtungsumschaltung der AFC, die bei Regelung des Mikrowellen-Oszillators erforderlich ist.
Der Nachziehbereich von max. 1 MHz reicht bei einigermaßen stabilen Gunn-Oszillatoren gut aus. Die Schaltung wird durch eine Rauschsperre nach dem üblichen 8-kHzVerfahren und einen leistungsstarken NF-Verstärker vervollständigt (Bild 4).
Bild 4: Schaltbild des kompletten HF-/ZF-/NF-Verstärkers DB1NV 001.
2.2. Schaltungsbeschreibung
Die Mischdiode des Mikrowellenteils wird über ein kurzes Stück Koaxkabel (max. 10 cm) mit dem Eingang des ZF-Verstärkers verbunden. Das einstellbare Netzwerk, bestehend aus L1 und den beiden Trimmern C1 und C2 transformiert die Impedanz der Diode von ca. 300 Ω auf die Eingangsimpedanz des Vorstufentransistors T1, einem BFT66; der Realteil der Eingangsimpedanz liegt bei ca. 80 Ω. An Punkt 2 kann ein Instrument zur Diodenstrom-Kontrolle angeschlossen werden. Ansonsten ist Punkt 2 mit Masse zu verbinden. Der Arbeitspunkt des BFT66 ist mit einer Z-Diode auf UCE = 6 V/IC = 3 mA stabilisiert.
Auf die Vorstufe folgt ein zweikreisiges, fuß-punktgekoppeltes Bandfilter. Die Bandbreite des Filters liegt bei 2 MHz, die Kopplung ist leicht überkritisch. Die nachfolgende Mischstufe, bestückt mit einem DG-MOS-FET BF905 setzt das rauscharm verstärkte 105 ±1-MHz-Signal auf die zweite Zwischenfrequenz von 10,7 MHz um. Der Überlagerungsoszillator, bestückt mit einem BF199, schwingt mit 115,7 ±1 MHz und wird über eine Kapazitätsdiode BB505 abgestimmt. Für den vollen Durchstimmbereich ist an Punkt 3 eine Spannung von 1 bis 8 Volt nötig. HF-Vorstufe, Mischer und Oszillator werden mit einer stabilisierten Spannung von 8 V, erzeugt mit einem 78L08, versorgt. Diese Spannung ißt an Stift 12 für weitere Schaltungsteile (z.B. Sender-modulator) herausgeführt.
Die Hauptselektion des Geräts bildet ein auf den Mischer folgendes LC-Filter. Dieses unterkritisch gekoppelte Dreikreisfilter hat eine Bandbreite von etwa 100 kHz, was der idealen Bandbreite für ein FM-Signal mit einem Frequenzhub von 40 bis 50 kHz bei einer maximalen Modulationsfrequenz von 3 kHz entspricht. Die Leiterplatte ist so ausgelegt, daß anstelle von L6 und L7 und der zu-ehörigen Kondensatoren auch ein 10,7-MHz-Quarzfilter (z.B. QF 10,7-30) eingebaut werden kann. Damit wird die Baugruppe auch für Schmalband-FM-Systeme und als 2-m-Empfänger verwendbar.
Der Anpaßverstärker mit T4 (BF245) und T5 (BF199) hebt den 10,7-MHz-Pegel über das im FM-Demodulator erzeugte Breitbandrauschen an. Zur FM-Demodulation, Regelspannungs- und Nachstimmspannungs-Erzeugung dient die IS TDA1047. Die interne Rauschsperre dieser integrierten Schaltung, die auf Rundfunk-Störabstände ausgelegt ist und bei Amateuranwendungen erst bei S9-Signalen öffnet, wurde durch Verbinden von Pin 13 mit Masse abgeschaltet. Auch die interne AFC-Abschaltung wird nicht ausgenutzt (Pin 2 unbeschaltet). Der Phasenschieberkreis für den Quadraturdemodulator wird mit L9 abgestimmt. An Punkt 4 kann das S-Meter mit einem Anzeige-Umfang von 50 dB angeschlossen werden. Der AFC-Ausgang des TDA1047, Pin 5, ist eine Gegentakt-Stromquelle, die maximal 150 µA liefern oder aufnehmen kann. Dadurch kann der AFC-Kreis einfach mit der normalen AbstimmSpannung parallelgeschaltet werden; solange keine Frequenzabweichung vorliegt "schwimmt` der AFC-Ausgang mit der Abstimmungsspannung mit. Den maximalen Haltebereich der AFC legt der Innenwiderstand der Abstimmspannungsquelle fest. In der hier vorliegenden Schaltung gelangt der AFC-Strom über das Mitten-Instrument (±50 µA) entweder an die Abstimmdiode des Oszillators, oder bei abgeschalteter AFC auf einen Spannungsteiler, der für den richtigen Arbeitspunkt der Mittenanzeige sorgt. Da viele 10-GHz-Geräte nur ein Anzeige-Instrument, umschaltbar auf S-Meter und Mittenanzeige besitzen, sind auf der Platine zwei antiparallele Dioden zwischen Punkt 5 und Punkt 6 geschaltet; sie schließen den AFC-Stromweg bei abgeschaltetem Mitteninstrument.
Das von Pin 7 des TDA1047 kommende demodulierte Signal passiert einen Tiefpaß (fg = 12 kHz) gegen ZF-Reste, und gelangt einerseits über 33 kΩ an das aktive NF-Filter, andererseits über einen Hochpaß (fg = 6 kHz) an den Rauschverstärker T6, bestückt mit einem BC237. Nach Gleichrichtung des Rauschens wird in üblicher Weise über einen Schalttransistor (T7) der NF-Schalter T8 (BC237) gesteuert. Eine Mitkopplung vom Kollektor des Schalttransistors auf das Rauschsperren-Potentiometer erzeugt die für eindeutige Schaltzustände nötige Hysterese.
Der Operationsverstärker I2 (LM741) und der NF-Leistungsverstärker I3, (TDA2002) bilden mit ihren Schaltelementen einen ButterworthTiefpaß mit 3 kHz Grenzfrequenz und 18 dB/Oktave Flankensteilheit. Am Lautsprecherausgang kann jeder beliebige Lautsprecher mit mindestens 2 Ω Impedanz angeschlossen werden.
2.3. Meßergebnisse
| Speisespannungsbereich | 10-16 V |
| Betriebsstrom | ca. 80 mA |
| HF-Bandbreite | 2 MHz |
| ZF-Bandbreite | ca. 100 kHz |
| Rauschzahl | < 2 dB |
| NF-Ausgang (übertemperatur- und kurzschlußfest) | max. 5 W |
2.4. Bauelemente
| T1 | BFT66 (Siemens) evtl. BFT97 (Gehäuseform beachten!) |
| T2, T5 | BF199, BF241 |
| T3 | BF900, BF905 (Texas Instr.) |
| T4 | BF245A (Texas, Siemens) |
| T6...T8 | BC237, BC413, BC550, o.ä. |
| D1 | ZPD4,7 oder C4V7 o.ä. Z-Diode |
| D2 | BB105, BB505 |
| D3 ... D6 | 1N4148 o.ä. |
| I1 | TDA1047 (Siemens) |
| I2 | 741, DIP 8 |
| I3 | TDA2002 (SGS, Telefunken) |
| I4 | LM78L08 (National), evtl. 7808 |
| L1 | 4,5 Wdg. versilb. Draht 1 mm ø auf 5-mm-Dorn gewickelt, freitragend eingelötet |
| L2 ... L4 | 4,5 Wdg. Kupfer-Lack-Draht 0,5 mm ø in Neosid-Spulenbausatz, 10 × 10, 15 hoch; Kern gelb |
| L5 ... L7 | 20 Wdg. Kupfer-Lack-Draht 0,25 mm ø in Neosid-Spulenbausatz, 10 × 10, 15 hoch; Kern gelb oder blau |
| L8 | 20 Wdg. + 6 Wdg., sonst wie L5 |
| L9 | 9 Wdg., sonst wie L5 2 Miniaturdrosseln 1 µH |
| C1 | 30-pF-Folientrimmer 7,5 ø (Valvo: rot) |
| C2 | 90-pF-Folientrimmer 10 ø (Valvo: rot) |
| Kleine Kapazitätswerte: keram. Kondensatoren, min. 5 mm RM | |
| Ausnahmen: 5 Folienkondensat. 1,2 nF, RM 7,5 je 1 Folienkond. 0,15 µF und 0,33 µF; RM 7,5 | |
| Sonstige Abblockkondensatoren (22 nF, 0µ1): keram. Flachrohr (z. B. Sibatit 50000) oder Vielschicht-Kond. (z. B. MKM) | |
| Kleine Elkos: Tantaltropfen oder stehende Alumin. Miniatur; Lautsprecherkoppel-Elko und Abblock-Elko für Betriebsspannung: Al-Elkos, liegend, 16 V, RM 22,5 bzw. 30 | |
| Alle Widerstände in Bauform 0207, RM 10 | |
2.5. Aufbau und Abgleich
Der Aufbau erfolgt auf einer beidseitig kaschierten Leiterplatte nach Bild 5 mit den Abmessungen 72 mm × 144 mm. Die Leiterplatte mit der Bezeichnung DB1NV 001 paßt in ein Weißblechgehäuse der Größe 72 × 145 × 25. Die Oberseite der Platine dient als Massefläche, und die Bestückungslöcher, die keine Masseverbindung haben sollen, werden in der üblichen Art freigebohrt. Beim Aufbau ist die Fertigungsstreuung des FETs T4 (BF245) zu beachten. Am Emitter des BF199 (T5) sollten ca. 0,7 bis 1,5 V stehen, andernfalls ist ein anderer FET zu probieren.
Bild 5: Die einseitig kaschierte Platine für die Schaltung in Bild 4.
Bild 5a:
Mit • markierte Stellen auf Ober- und Unterseite verlöten!
Der integrierte NF-Verstärker ist wegen internem Kurzschluß-, Überlast- und Übertemperaturschutz, sowie der geringen Außenschaltung zwar vorteilhaft, er zeigt aber ebenfalls starke Fertigungsstreuungen im Ruhestrom. Man sollte sich eventuell ein Exemplar mit möglichst kleiner Stromaufnahme aussuchen. Falls der NF-Verstärker wild schwingt, ist das Boucherot-Glied (3,3 Ω/0,15 µF) probeweise zu ändern.
Bei den im Amateurfunk üblichen NF-Ausgangsleistungen braucht der TDA 2002 nicht gekühlt zu werden.
Zum Abgleich sind ein Vielfachmeßgerät, ein Frequenzmesser und eine Signalquelle für 105 und 10,7 MHz erforderlich.
Nach dem Einschalten kontrolliert man die Spannung an Punkt 12 (+ V), am Emitter von T5 (+0,7 bis 1,5 V) und am Kollektor von T1 (+ 6 V).
Man verbindet Punkt 4 mit einem geeigneten S-Meter (z. B. 100 µA Vollausschlag) und speist ein 10,7-MHz-Signal in das Gate von T4 ein. Man gleicht L8 und L9 auf maximale S-Meter-Anzeige ab (der Demodulatorkreis mit L9 beeinflußt das S-Meter stark).
Das 10,7-MHz-Signal kommt nun an das Gate 1 von T3; man gleicht L5, L6, L7 auf Maximum ab.
Nun kann zwischen Punkt 5 und 7 ein Mitten-instrument angeschlossen, und mit L9 der Nulldurchgang eingestellt werden.
Als nächstes ist der Oszillator mit L4 auf 115,7 MHz Mittenfrequenz einzustellen. Der Abstimmbereich sollte etwa 2 MHz betragen, wenn man die Spannung an Punkt 3 von 1 bis 8 V variiert.
Nun verbindet man den Ausgang der 105-MHz-Signalquelle mit dem Eingang über 270 Ω. Der Signalgenerator ist mit 68 Ω abzuschließen. Man gleicht L2, L3, C1, C2 auf maximale S-Meter-Anzeige ab. Die Trimmer C1 und C2 sind später noch auf bestes Signal/Rauschverhältnis des 10-GHz-Signals nachzuziehen. Wer einen Wobbler hat, kann abschließend das Filter L2/L3 auf symmetrische Durchlaßkurve abstimmen.
Das NF-Teil erfordert keinen Abgleich und sollte auf Anhieb arbeiten. Die fertige Platine ist in Bild 6 zu sehen.
Bild 6: Die bestückte und eingebaute Platine DB1NV 001.
2.6. Erweiterungen
Wenn die Baugruppe DB1NV 001 mit einer niedrigeren Eingangsfrequenz als 105 MHz betrieben werden soll, reicht der Variationsbereich der Trimmer C1 und C2 im Eingangs-Pi-Filter nicht aus. Auf der Platine ist deshalb Platz für zwei Parallelkondensatoren (im Bestückungsplan mit Cx und Cy gekennzeichnet) vorgesehen.
Vom Kollektor von T1 kann bei Schwingneigung der Eingangsstufe ein Kondensator (Cz im Bestückungsplan) nach Masse geschaltet werden. Der Wert - wenige pF - ist auszuprobieren.
Weiterhin kann man das aus L6 und L7 gebildete ZF-Filter durch ein Quarzfilter im Normgehäuse (beispielsweise QF 10,7-30) ersetzen, wenn man die Baugruppe für Schmalband-FM einsetzen möchte. Die Schaltung ist dann etwas zu ändern:
Der Drainkreis des Mischers, L5, transformiert die Ausgangs-Impedanz des DG-FET auf den Eingangswiderstand des Quarzfilters von ca. 2,2 kΩ. Ausgangsseitig wird das Quarzfilter mit 2,2 kΩ und 30 pF abgeschlossen. Wer die Durchlaßkurve wobbeln kann, sollte anstelle des 22-pF-Kondensators einen 30-pF-Trimmer einsetzen und auf minimale Welligkeit im Durchlaßbereich abgleichen. Bild 7 zeigt die notwendigen Änderungen für ein Quarzfilter.
Bild 7: Schaltungsauszug: Quarzfilter in der 10,7-MHz-ZF; die beiden mit * gekennzeichneten Bauteile werden auf der Platinen-Unterseite freitragend eingelötet.
Mit dem erwähnten 30-kHz-Quarzfilter in der ZF ist die Baugruppe DB1NV 001 nach Ändern der Eingangskreise auf 145 MHz als Kleinempfänger für das 2-m-Band zu verwenden. Wer schließlich noch die NF-Ausbeute bei Schmalband-FM erhöhen möchte, kann den Demodulatorkreis des TDA1047, L9, nach (2) modifizieren.
3. Restliche Transceiver-Baugruppen
3.1. Spannungsregler für den Oszillator
Der FET-Oszillator stellt keine großen Anforderungen an die Speisespannungsquelle. Es läßt sich jede Regelschaltung verwenden, die 6 V bei 50 mA liefern kann. Am einfachsten nimmt man einen Festspannungsregler 7806 oder 78L06.
3.2. Der Modulator
Die bei Gunn-Oszillatoren übliche Frequenz-modulation über die Betriebsspannung liefert bei FET-Oszillatoren keine reproduzierbaren Ergebnisse, außerdem ist der AM-Anteil recht hoch. Eine bessere Lösung ist, den extern eingeprägten Mischdiodenvorstrom (0,5-1 mA) zu modulieren; man erreicht damit einen maximalen Frequenzhub von 200 kHz bei vernachlässigbarem AM-Anteil. Als Modulationsverstärker eignet sich jede Schaltung, die 1 VSS an 200 Ω liefern kann. Der Verfasser verwendete aus Platzgründen einen einfachen zweistufigen NF-Verstärker mit Diodenklipper, und einen CMOS-Oszillator als getasteten Sinusoszillator (Piepser).
Ebensogut kann man die Baugruppe DL6MH 003 verwenden. Der auf der Platine vorhandene Spannungsregler wird dann auf 6 V eingestellt und liefert die Speisespannung für den FET. Man sollte von Pin 1 und Pin 3 des 7805 je einen 0,22-pF-Kondensator nach Masse schalten, um wilde Schwingungen des integrierten Spannungsreglers zu verhindern.
4. Zusammenschalten der Baugruppen
Die Bausteine sind nach Bild 8 zusammenzuschalten. Dabei ist folgendes zu beachten: Das ZF-Kabel vom Mikrowellenmodul zum ZF-Verstärker sollte so kurz wie möglich sein (max. 5 cm), sonst läßt sich die Mischdiode nicht mehr anpassen. Beim Modul FO-DP12 KF mit zwei Mischdioden nimmt man die Diode, die mehr ZF-Pegel liefert und läßt die andere Diode offen. Können am Ausgang des NF-Verstärkers beim Ein- oder Ausschalten des Geräts Spannungsspitzen auftreten, sind die im Schaltbild eingezeichneten Schutzdioden nötig. Sie begrenzen die an der Mischdiode auftretenden Spannungen auf ungefährliche Werte.
Bild 8: Blockschaltung des ganzen Tranceivers für 10 GHz.
Nach dem Zusammenbau ist zunächst die FET-Speisespannung auf 6 V einzustellen. Mit einem schwachen 10-GHz-Signal kann dann die Mischdioden-Anpassung optimiert werden. Damit ist der Transceiver einsatzfertig.
5. Literatur
- Jirmann/Krug: Der dielektrische Resonator; ein Miniatur-Bauelement für frequenzstabile Mikrowellenoszillatoren und Mikrowellenfilter, UKW-Berichte 23 (1983) Heft 3, S. 162-169
- A. Meier, DC7MA: Koinzidenz-Demodulatoren, UKW-Berichte 19 (1979) Heft 1, Seite 20-23
DB1NV, Jochen Jirmann.