Home - Techniek - Electronica - Radiotechniek - Radio amateur bladen - UKW-Berichte - Ein Rauschgenerator mit definierter Rauschleistung für Anwendungen bis in den Mikrowellenbereich
In den letzten Jahren sind mehrere Baubeschreibungen für Rauschgeneratoren(1),(2),(3), für einen Rauschmeßplatz(4), sowie Hinweise zur Meßtechnik(5),(6) in Amateurzeitschriften erschienen.
Die in (1) und (2) beschriebenen Halbleiter-Rauschgeneratoren arbeiten mit der in Sperrrichtung betriebenen Basis-Emitter-Diode eines Hochfrequenztransistors. Der für breitbandiges Rauschen notwendige Lawineneffekt ist bei den geringen Durchbruchsspannungen der HF-Transistoren BFR34a und BFR96 von < 5 V wenig ausgeprägt. Hier tritt vorwiegend ein Tunneleffekt auf, so daß das Rauschspektrum zu höheren Frequenzen (>1 GHz) merklich abnimmt(7).
Der hier vorgestellte Rauschgenerator arbeitet mit einer Silizium-AvalancheDiode vom Typ BAT 31 (Silizium-LawinenDiode), die ein breitbandiges Rauschspektrum von < 10 Hz bis > 18 GHz bei einer typischen Rauschleistung (ENR = ExcessNoise-Ratio) von > 34 dB liefert. Dadurch werden manuelle oder automatische Rauschmessungen bis in das Satelliten-TV-Band (12,4 GHz) mit ausreichender Genauigkeit auch für Amateure möglich.
Der nachfolgende Artikel beschreibt nun den Aufbau der Quelle, liefert die technischen Daten der Rauschdiode, zeigt den Aufbau eines Netzgerätes mit Schaltverstärker zum Anschluß an einen automatischen Rauschmeßplatz und gibt Betriebserfahrungen an.
1. Rauschdiode
Die verwendete Rauschdiode BAT31 wird vom Hersteller Philips/Mullard in einem Mikrowellengehäuse vom Typ SO86 (Bild 1) geliefert. Es ist von Varaktor- und Gunn-Dioden her bekannt.
Bild 1: Gehäuse und Abmessungen der Rauschdiode BAT31.
Ihre Rauschleistung über der Frequenz für ein 50-Ω-System zeigt Bild 2. Die Schwankungen der ENR in den Amateurbändern oberhalb 1 GHz betragen ±0,5 dB, also absolut 1 dB, bezogen auf 35 dB Rauschleistung; ein geringer Wert im Hinblick auf den großen Frequenzbereich.
Bild 2: Die Rauschleistung in Abhängigkeit von der Frequenz bei Einbau in ein 50-Ω-System.
Bild 3 gibt die ENR in Abhängigkeit vom Diodenstrom und von der Frequenz wieder. Hier sieht man nun deutlich, daß für Breitbandbetrieb eine Stromstärke von 13-17 mA erforderlich ist. Die Durchbruchsspannung liegt zwischen 17 und 22 V.
Bild 3: Die Rauschleistung in Abhängigkeit vom Avalanche-Strom, mit der Frequenz als Parameter, bei Einbau in ein 50-Ω-System.
2. Schaltung
Für den Einsatz als Rauschquelle im Schalterbetrieb (manuell oder automatisch) muß das Bauteil zu jeder Zeit 50 Ω Quellenwiderstand aufweisen.
Hierzu wird die Diode in ein 50-Ω-Koax- oder Stripline-System eingebaut, und mit einem Breitband-Dämpfungsglied > 14 dB, VSWR < 1,2 abgeschlossen (Bild 4). Die Höhe der Rückflußdämpfung hat entscheidenden Einfluß auf die Qualität der Messung (siehe Kap. 5). Sie wird in dieser Anordnung ausschließlich vom Dämpfungsglied bestimmt. Ein Wert von 20 dB mit VSWR 1,15 bis 4 GHz und VSWR 1,25 von 4-12,4 GHz hat sich als ausreichend herausgestellt (Weinschel, HP, Radiall oder Greenpar). Eigenbau ist hier nicht zu empfehlen! Mit 20 dB Dämpfung beträgt die ENR etwa 15 dB, ihre frequenzabhängigen Schwankungen werden jetzt von Diode und Dämpfungsglied bestimmt. Gute Koaxabschwächer haben eine Toleranz von ±0,5 dB.
Bild 4: Blockschaltbild der Rauschquelle und ihres Netzteils mit Schaltverstärker.
Die meisten Rauschmeßplätze sind auf ein Excess-noise-ratio (ENR) von 15,2 dB kalibriert. Von dieser Seite her ist die Quelle somit weitgehend kompatibel.
Im Mustergerät arbeitet die Diode in einem 50-Ω-Stripline-System, wie die Bilder 5 und 7 zeigen. Die Schalt- bzw. Betriebsspannung wird der Stripline über 3 in Reihe geschaltete 150-Ω-Metallfilm-Chip-Widerstände zugeführt. Lage, Größe und Qualität der Widerstände haben Einfluß auf die Breitbandigkeit der Entkopplung.
Bild 5: 50-Ω-Streifenleitungssystem mit Gleichspannungstrennung zur Ausgangsbuchse und Breitband-Verdrosselung der Stromzuführung.
Bild 7: Layout auf 0,79-mm-RT/Duroid.
Der Diodenstrom wird über eine FET-Konstantstromquelle eingestellt, und damit die Rauschleistung festgelegt. Zwei parallelgeschaltete ATC-100 Chip-Kondensatoren entkoppeln die Schaltspannung vom Dämpfungsglied. Die Schaltspannung sollte mindestens 33 V betragen und wird am besten mit einem separaten Netzteil erzeugt. Bild 6 zeigt die Schaltung des Netzteils mit Schaltverstärker und Stromquelle. Wird der Verstärkereingang mit einem Modulatorpuls von beispielsweise 9 V, 500 Hz Rechteckspannung angesteuert, dann steht am Ausgang ein stromund spannungsregelbarer Puls gleicher Frequenz mit ausreichender Leistung zur Verfügung. Damit ist die Quelle an dem in (4) beschriebenen oder an älteren Rauschmeßplätzen (z. B. GM551A) zu betreiben.
Bild 6: Netzteil mit Schaltverstärker und Stromquelle.
3. Aufbau
Der Diodenkopf besteht im wesentlichen aus einer beidseitig kaschierten Teflonplatine (RT-Duroid 0,79 mm), auf die eine 50-Ω-Leitung aufgebracht ist. Die Kopplung der Diode an die Leitung muß äußerst präzise durchgeführt werden, denn sie bestimmt die Höhe der verfügbaren Rauschleistung an der oberen Frequenzgrenze.
Einzelheiten hierzu zeigt Bild 8. Die Halterung besteht aus einer vergoldeten M4-Schraube, mit der die Diode von der Masseseite der Platine über eine aufgelötete M4-Mutter an die Streifenleitung angekoppelt wird. Hierzu wird die Leitung unmittelbar am Ende zunächst mit einer 1,5-mm-Bohrung versehen, die dann vorsichtig auf 2 mm aufgeweitet wird. Die zentrische Lage der aufzulötenden Mutter stellt man durch eine Vormontage mit einem Dummy anstelle der Rauschdiode sicher (Dummy = defekte Varaktor- oder Gunn-Diode). Danach wird ein vorbereitetes Goldplättchen mit 2,3 mm Breite, zirka 3 mm Länge und einer 1,6-mm-Bohrung über den Dummy gesteckt und an der Stripline festgelötet. Das Goldplättchen gewinnt man von der Anschlußfahne eines Leistungstransistors. Nun wird der Dummy entfernt und die Bohrung von der Rückseite her durch die M4-Mutter vorsichtig mit einem 2,1-mm-Bohrer vergrößert, so .daß sichergestellt ist, daß die Diode mit dem unteren Katodenanschluß über das Goldblech an die Streifenleitung gekoppelt ist. Bei sorgsamer Ausführung erreicht man einen guten Stripline-Koax- Übergang.
Bild 8: Einbau-Details der Rauschdiode.
Danach wir die Platine in ein vorbereitetes Gehäuse eingelötet. Die Zuführung der Gleich/Schaltspannung geschieht über eine BNC-Buchse, die Stripline muß nahezu stoß-stellenfrei auf eine SMA- oder N-Buchse (besser N-Steckerbuchse) auskoppeln. Bitte nur Präzisions-N verwenden (sauberes Gewinde, Goldstift, ggf. kleiner Flansch). Wer reproduzierbare Meßergebnisse erwartet, darf an keiner Stelle wacklige Koaxverbindungen einbauen. BNC scheidet deshalb ganz aus!
Zum Schluß werden die Chip-Kondensatoren, Chip-Widerstände und auf der Masseseite der Platine die Drossel mit dem Meßwiderstand und den beiden Scheibenkondensatoren eingebaut.
Beim Einsetzen der Diode auf richtige Polung achten (Sperrbetrieb, Ohm-Meter verwenden). Bild 9 zeigt den Musteraufbau von beiden Seiten.
Bild 9: Auf der Oberseite der Rauschquelle (ohne Dämpfungsglied) erkennt man die Trennkondensatoren, die 3 Chip-Widerstände, und die eingebaute Diode. Auf der Unterseite sieht man die Diodenhalterung, und den zwischen Scheibenkondensatoren eingelöteten Meßwiderstand.
Das Netzgerät mit Schaltverstärker und Konstant-Stromquelle kann auf der in Bild 10 gezeigten Epoxydharzplatine aufgebaut werden. Für ausschließlich manuellen Betrieb benötigt man den Schaltverstärker nicht, er wird in diesem Fall auf der Platine nicht bestückt.
Bild 10: Bestückungsplan der Netzteil-/Schaltverstärker-Platine DC8UG 006.
4. Inbetriebnahme
Das Netzgerät wird vor dem Anschluß an die Rauschquelle überprüft. Hierzu bildet man die Rauschdiode durch eine 20-V-Zenerdiode nach und schließt sie über einen Vorwiderstand von 470 an das Netzgerät an. Bei 36 V Ausgangsspannung am Regler L200 muß sich die Stromstärke mit dem Trimmpoti der Stromquelle auf 15 mA einstellen lassen. Achtung: T2 muß sperren!
Ferner wird der Schaltverstärker mit dem Modulatorimpuls des Rauschmeßplatzes angesteuert und die Kurvenform am Ausgang mit einem Oszillografen kontrolliert.
Ist alles soweit in Ordnung, wird die Quelle mit dem Netzgerät verbunden. Die Stromstärke stellt man wieder am Trimmer der Stromquelle ein. Hierzu mißt man den Spannungsabfall am Meßwiderstand Rm = 100 Ω. Für eine erste Orientierung genügt es, den Strom auf 15 mA = 1,5 V Spannungsabfall einzustellen. Bei gepulster Diode mißt man am besten mit einem Effektivwert-Voltmeter oder einem Oszillografen.
Für relative Rauschmessungen oder bei Vergleichsmessungen zum Optimieren der Empfindlichkeit von Verstärkern kommt man ohne die genaue Kenntnis der ENR aus. Für absolute Messungen muß die Quelle samt Dämpfungsglied mit einer kalibrierten Rauschquelle im interessierenden Frequenzbereich verglichen werden.
5. Betriebserfahrungen
Der Verfasser betreibt seit 3 Jahren mit großem Erfolg eine BAT31-Rauschquelle. Anfangs im manuellen Betrieb zur Y-FaktorMessung, mittlerweile in Verbindung mit einem Rauschmeßplatz von General Microwave, Typ 551A.
Für Absolut-Messungen ist die Kenntnis der ENR für die Amateurfunkbänder erforderlich. Vergleiche mit AIL-Rauschmeßplätzen mit HP-Quelle ergaben für die hier beschriebene Quelle in Kombination mit einem 20-dBDämpfungsglied folgende ENR-Werte:
| 144 | 432 | 1296 | 2320 | 3456 | 5760 | 10368 | MHz |
| 15.8 | 15.4 | 15.2 | 15.2 | 15.0 | 16.9 | 14.0 | dB |
Im Kurzwellenbereich steht ebenfalls noch Rauschleistung zur Verfügung. Sogar im 80-m-Band kann noch ein Empfindlichkeitsabgleich vorgenommen werden. Genaue Rauschleistungswerte wurden nicht ermittelt.
Zum Prinzip der Rauschmessung selbst soll an dieser Stelle nichts gesagt werden, denn es gibt genug einschlägige Literatur hierzu(1),(2),(6).
Zur Meßgenauigkeit, vor allem von automatischen Rauschmeßplätzen, besteht Anlaß zu einigen Hinweisen.
Unter Fachleuten besteht kein Zweifel, daß die automatische Rauschmessung besonders im Bereich unter 3 dB mit erheblicher Meßunsicherheit behaftet ist. Zu den Schwankungen der Quellen-ENR über der Frequenz kommen an jedem Meßplatz folgende Fehler hinzu:
- Genauigkeit des Anzeigegeräts z.B. AIL7514 ±0,15 dB, GM551A ±0,25 dB HP340A ±0,50 dB jeweils im kleinsten Bereich.
- Temperaturfehler ±0,1 dB bei ±10 Grad Abweichung von 290 Kelvin.
- Spiegelrauschleistung bis zu +3 dB, läßt sich schaltungstechnisch verhindern.
- Fehlanpassung Quelle - Meßobjekt Diesem Fehler wird gerade bei Messungen von Rauschwerten unter 3 dB viel zu wenig Beachtung geschenkt. Bild 11 zeigt deshalb diesen Einfluß anhand einer Grafik.
Bild 11: Max. Meßfehler in Abhängigkeit von der gemessenen Rauschzahl sowie von den SWR-Werten der Rauschquelle und des Meßobjekts (UUT). (Hewlett-Packard).
Beispiel: Bei einer ermittelten Rauschzahl von 2 dB, einem Quellen-SWR von 1,2 und einem Meßobjekt-SWR = 2,0 liegt die Meßunsicherheit bei ±0,5 dB!
Wie die Grafik weiter zeigt, kann demnach die Rückflußdämpfung der Rauschquelle garnicht groß genug sein, um unterhalb von 2 dB einigermaßen gesicherte Aussagen machen zu können, besonders wenn die Meßobjekte ein hohes Stehwellenverhältnis aufweisen.
Addiert man diese Fehler vorzeichenrichtig, dann kommt man in Toleranzbereiche, die Zehntel-dB-Angaben unsinnig erscheinen lassen. Auch wenn man einräumt, daß die Fehler mit entgegengesetztem Vorzeichen auftreten können, und daß die tatsächliche Genauigkeit des Meßplatzes größer ist als die Toleranzangabe, so bleibt doch der Hinweis, daß Unterschiede von 0,5 dB bei ein und demselben Vorverstärker zu unterschiedlichen Zeiten mit unterschiedlichen Meßaufbauten am selben Meßgerätetyp gemessen, unerheblich sind.
Hieran erkennt man, wie fragwürdig Rauschzahlangaben unter 1 dB sind, wenn sie nicht mit einem exakt kalibrierten Heiß-/Kalt-Standard, sondern automatisch gemessen wurden, und daß Zehntel-dB-Angaben höchstens rein zufällig stimmen.
Zusammenfassend läßt sich sagen, daß die Möglichkeit Vergleichsmessungen im SHF-Bereich durchführen zu können für den Selbstbauer und den kritischen "Konsumenten-Amateur" eine wichtige Orientierungshilfe ist, besonders im Hinblick auf die zunehmenden Aktivitäten. Absolutangaben sollten für den Amateur zweitrangig sein, denn jede Empfangsanlage muß mit der Antenne optimiert werden, und das geht am besten über Sonnenrauschen(8).
Die beschriebene Rauschquelle kann als Fertiggerät bei DB3UU, Karl Himmler, Scheffelweg 2, 6805 Heddesheim erworben werden.
6. Literatur
- Ulbricht, M.: Ein Rauschgenerator für VHF und UHF, UKW-Berichte 21 (1981) Heft 3, S. 148-153
- Dr. Waxweiler, R.: Rauschgenerator mit definierter Rauschleistung, cq-DL 12/1981, S. 585-587
- Fleckner, H.: Noise Generator with BAT31, Dubus Info 3/1983, S. 188-189
- Dohlus, M.: Automatisches Rauschmeßgerät für den Eigenbau, UKW-Berichte 22 (1982) Heft 2, S. 67-76 und Heft 3, S. 131-148
- Gannaway/Holmes: Fußangeln bei Rauschzahl-Messungen, UKW-Berichte 22 (1982) Heft 3, S. 77-81
- Stein, B.: Automatic Noise-Figure Measurements - Fact and Fancy, Ham Radio Magazine 1978, August, S. 40-54
- Unger/Schultz: Elektronische Bauelemente und Netzwerke 1, Vieweg-Verlag Braunschweig, ISBN 3-5281-3505-0
- Hoch, G.: Bestimmung der Empfindlichkeit von Empfangsanlagen mittels Sonnenrauschen, UKW-Berichte 10 (1979) Heft 4, S. 194-200
DC8UG, Harald Fleckner.