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Die folgende Beschreibung des praktischen Aufbaus eines schmalbandigen 9-MHz-Quarzfilters für Kohärent-Telegrafie (CCW) ist als 2. Teil des von Bernd Neubig, DK1AG, verfassten Artikels "Optimale ZF-Selektion bei Kohärent-Telegrafie (CCW)"(1) zu betrachten.
Das beschriebene Filter ist für pulsmodulierte Signale geringer Bandbreite gedacht und soll bei mir in einem RTTY-Empfänger bei einer Übertragungsrate von 50 Baud verwendet werden. Es kann jedoch auch in dem von mir in Heft 2/1982 der UKW-Berichte beschriebenen ZF-Teil unmittelbar an Stelle der Quarzfilterbaugruppe DJ 3 RV 001 eingesetzt werden.
Ein Filter für eine gute Pulsübertragung soll ein Einschwing- und ein Auskling-Verhalten ohne Überschwingen haben. Gleichzeitig auch noch eine gute Selektivität mit großer Sperrdämpfung außerhalb des Durchlaßbereichs ist nur mit speziellen Filtertypen möglich.
Da solche Filter nur als Sonderanfertigung zu erhalten sind, wurde in dem oben genannten Artikel(1) von B. Neubig ein Quarzfilter berechnet, und in Form zweier hintereinander geschalteter gleichartiger 4-Pol-Filter vom UIbrich/PilotyTyp zum Selbstbau vorgeschlagen.
Dieses Schaltungsprinzip mit zwei in Reihe geschalteten 4-Pol-Quarzfiltern, die durch eine Verstärkerstufe getrennt sind, wurde mit großsignalfesten und rückwirkungsarmen Verstärkern aufgebaut. Den Musteraufbau zeigt das Foto in Bild 1.
Bild 1: Musteraufbau des CCW-Quarzfilters zum Einsatz als Baugruppe im ZF-Teil von DJ3RV (Heft 2/1981 der UKW-Berichte).
Durch den rückwirkungsarmen Verstärker sind die Filter entkoppelt, und gleichzeitig mit der notwendigen Abschluß- und Quell-Impedanz angepaßt. Damit wird eine hinreichend gute Selektionskurve und ein gutes Impulsverhalten erzielt.
1. Vierpol-Quarzfilter
Das von B. Neubig berechnete 4-Pol-Quarzfilter ist aus zwei Halbbrücken aufgebaut (Bild 2), und für eine Eingangs- und Ausgangsimpedanz von 50 Ω ausgelegt. Als Solldaten für das Filter wurde vorgegeben:
Mittenfrequenz f0 = 9 MHz
Δf = ±75 Hz (-3 dB) und ±325 Hz (-60 dB)
Bild 2: Vierpol-Quarzfilter nach DK1AG (1).
Daraus ergeben sich die folgenden Werte für die Bauelemente:
L1 = L2 = 2,82 µH
C1 = C3 = 270pF
C2 = 833 pF
Die Serienresonanzfrequenz der Quarze ist:
f1 = 8999,757 kHz
f2 = 9000,051 kHz
f3 = 8999,840 kHz
f4 = 8999,964 kHz
bei den folgenden Quarz-Ersatzdaten:
C = 9fF +10%
(L = 34,7 mH ± 10%)
R = max. 13 Ω
(Q > 150000)
C0 = max. 3 pF
Um den Streubereich des Filters, und den durch die Toleranzen der Bauteile bedingten Abgleichaufwand möglichst klein zu halten, wurden Quarze mit einer Abgleichtoleranz von ±3 × 10-6 und einem Temperaturkoeffizienten der Frequenz TKf = ±3 × 10-6 zwischen 0°C und 50°C gefordert.
Die theoretische Selektionskurve zeigt Bild 3 (Bild 5a aus (1)), in das nun auch die Meßwerte des Musteraufbaus eingezeichnet wurden. Die Abweichung der Meßwerte ist durch eine um 17 Hz niedrigere Mittenfrequenz - das sind weniger als 2 × 10-6 bei 9 MHz - und die geringere Weitabselektion gegeben. Letzteres ist aufbaubedingt, und läßt sich durch Abschirmwände zwischen den Stufen verbessern.
Bild 3: Theoretischer Dämpfungsverlauf des CCW-Filters, und als x eingezeichnete Meßwerte des Selbstbau-Fllters.
Läßt man solch geringe Abweichung der Mittenfrequenz des DurchlaBbereiches von der Sollfrequenz zu, so ist kein Abgleich der Quarze und der Brückensymmetrie erforderlich. Bei ausgemessenen Kondensatoren mit einem TK = NP0 ist der Filterabgleich nur mit den Induktivitäten hinreichend genau und stabil möglich. Für den Eingangs- und Ausgangs-Transformator werden daher Filterbausätze mit Zylinderkern anstelle der sonst üblichen Ferrit-Ringkerne verwendet.
2. Schaltungsbeschreibung
Die Schaltung der gesamten Filterbaugruppe zeigt Bild 4. Die zwei 4-Pol-Filter sind durch den Trennverstärker und je einen Eingangs-und Ausgangsverstärker ergänzt, welche die Dämpfung von 6 dB je Filter ausgleichen. Für diese Verstärker wurden bewährte Schaltungen aus dem von mir in (2) beschriebenen ZFTeil verwendet. Damit ist eine Eingangs- und Ausgangs-Impedanz von 50 Ω an der Baugruppe gegeben, die den Abgleich und die meßtechnische Überprüfung erleichtert. Gleichzeitig ist dabei auch die Einsetzbarkeit des CCW-Filters im ZF-Teil anstelle der Baugruppe DJ3RV 001 gewährleistet.
Bild 4: Schaltung der gesamten CCW-Filter-Baugruppe.
Die Schaltung soll hier nur kurz erklärt werden. Eine ausführliche Beschreibung und Berechnung der Schaltungen kann in (2) nachgelesen werden.
Nach einem Eingangsbandpaß nach (3) folgen ein Transformator Tr für die Anpassung, und ein übersteuerungsfester Verstärker mit zwei parallelgeschalteten Leistungs-FETs. Diese Stufe bestimmt den Intercept-Punkt der Baugruppe mit IP3 = 29 dBm, da der Intercept-Punkt des Filters mit den verwendeten Spulenkörpern bei 42 dBm liegt.
Wie in (2) gezeigt, stellt der Lastwiderstand der FETs einen Kompromiß zwischen Verstärkung und Intercept-Punkt dar, und ist durch den Eingangswiderstand des Filters und die zur Anpassung notwendige Quellimpedanz gegeben. Der 470-Ω-Widerstand bildet diese Quellimpedanz, auf die L1 die für 50 Ω berechnete Quarzfilter-lmpedanz transformiert. Der Eingangsverstärker hat damit eine Leistungsverstärkung von 6,5 dB.
Der nach dem 1. Quarzfilter folgende Trennverstärker mit dem FET P8002 in Gate-Schaltung ist hinreichend rückwirkungsarm, um die beiden Filter zu entkoppeln. Außerdem hat der Transistor mit seiner Steilheit von 20 mS in Gate-Schaltung einen Eingangswiderstand von 50 Ω, so daß das 1. Filter richtig abgeschlossen ist. Mit dem gewählten Drain-widerstand von 470 Ω hat die Stufe eine Leistungsverstärkung von 3,5 dB, und die Anpassung an das zweite 4-Pol-Filter erfolgt mit L3 wie beim 1. Filter.
Da die Filter-Lastimpedanz 50 Ω beträgt, könnte die Auskopplung direkt erfolgen. Die Durchlaßdämpfung der Filter ist jedoch durch die beiden Verstärker noch nicht vollständig aufgehoben, so daß eine weitere Stufe mit dem rauscharmen BFQ69 folgt. Mit der verwendeten Strom- und Spannungs-Gegenkopplung hat der Transistor bei einer Lastimpedanz von 50 Ω eine Eingangsimpedanz von 50 Ω, womit das 2. Filter ebenfalls abgeschlossen ist.
Hierbei muß darauf hingewiesen werden, daß die Eingangsimpedanz eines spannungsgegengekoppelten Transistors stark von der Lastimpedanz abhängt. Für einen guten Filterabschluß ist also eine Lastimpedanz von möglichst genau 50 S2 am Ausgang der Baugruppe erforderlich.
Die Verstärkung des BFQ69 ist auf 12 dB eingestellt, so daß sich für die Baugruppe eine Gesamtverstärkung von 10 dB ergibt.
3. Aufbau- und Abgleich-Hinweise
Beim Aufbau der Schaltung ist auf eine gute Entkopplung der einzelnen Stufen untereinander zu achten. Die erforderliche Weitab-Selektion ist sonst nicht gewährleistet. Bei dem in Bild 1 gezeigten Musteraufbau wird ohne Abschirmwände eine Dämpfung von 96 dB bei ±1 kHz von der Mittenfrequenz erreicht. Bei einem anderen Aufbau mit Trennwänden, wie sie in (2) an der Baugruppe DJ3RV 001 gezeigt sind, wurde eine Dämpfung von mehr als 110 dB bei ±2 kHz von der Mittenfrequenz erreicht.
Bei Beachtung der üblichen Sorgfalt funktioniert die Schaltung problemlos. Nur der BFQ69 neigte zum Schwingen, wenn als EmitterGegenkopplungswiderstand ein Kohleschicht-Widerstand mit vermutlich zu hohem induktiven Anteil eingesetzt war. Bei Verwendung von Metallschicht-Widerständen trat dieser Effekt nicht auf.
Für die abstimmbaren Spulen wurde im Musteraufbau der Filterbausatz Vogt D412165, orange (neue Bezeichnung 10x12-514 0500000) verwendet, und die gemessenen Werte mit folgenden Wickeldaten erreicht:
L1, L3: 2 x 7 Wdg.; ca. 0,2 ø Kupfer-Lack-Draht (CuL); 2,8µH. 21 Wdg. ca. 0,2 ø CuL
L2, L4: 2 x 7 Wdg.; ca. 0,2 ø CuL; 2,8 µH.
2,5-µH-Spule: 15 Wdg.; ca. 0,2 ø CuL
0,3-µH-Spule: 5 Wdg.; ca. 0,35 ø CuL
Tr: 3 x 12 Wdg.; ca. 0,35 ø CuL; Ringkern Siemens R10N30
Wichtig ist, daß die 2 µ 7 Windungen in L1 bis L4 bifilar (= zweidrähtig) und gleichmäßig als unterste Lage gewickelt werden, und auch beim Beschalten auf gute Symmetrie geachtet wird. Fehler wirken sich stark auf die Weitab-Selektion des Filters aus, das heißt die Sperrdämpfung wird gering.
Daß die Wertangabe der Source-Widerstände R1 und R2 nur für den Musteraufbau gilt, soll nur der Vollständigkeit halber erwähnt werden. Diese müssen so gewählt werden, daß der Transistor in einem Arbeitspunkt liegt, bei dem die Eingangsimpedanz Anpassung ergibt. Das Vermessen der Transistoren ist ebenfalls in (2) beschrieben.
Da das Schaltungskonzept so ausgelegt ist, daß die einzelnen Stufen getrennt vermessen werden können, ist der Abgleich relativ problemlos.
Probleme wird eher die Beschaffung geeigneter Meßgeräte bereiten. Notwendig sind ein frequenzstabiler und in der Amplitude pulsmodulierbarer Generator, sowie eine Anzeige-Einrichtung mit linearer und möglichst auch logarithmischer Darstellung; das heißt ein Meßsender, ein Oszillograf und - wie von mir verwendet - ein Spektrum-Analysator.
Entfernt man die beiden Koppelkondensatoren CK, so lassen sich die drei Schaltungsteile bei jeweils 50 Ω Ein- und Ausgangsimpedanz getrennt vermessen.
Der Abgleich der Filter erfolgt mit einem pulsmodulierten Signal auf bestes Impulsverhalten, wobei die Trägerfrequenz um ±500 Hz verändert werden sollte, damit gleichartiges Verhalten auf beiden Filterflanken erreicht wird. Damit ergibt sich automatisch eine gute Selektionskurve, wenn die Filterbrücken symmetrisch aufgebaut sind.
Die am Musteraufbau erreichten Ergebnisse zeigen die folgenden Fotos. Bild 5a zeigt den Eingangspuls und den über die gesamte Baugruppe gemessenen Ausgangspuls im linearen Maßstab bei einer Pulsdauer τ = 12,5 ms und einer Pulsfolgefrequenz von 25 Hz. Der Zeitmaßstab ist 2,5 ms pro Teilstrich, so daß sich die Gruppenlaufzeit mit t = 6,7 ms gut ablesen läßt.
Bild 5a: Impulsverhalten der CCW-Filter-Baugruppe mit Eingangs- und Ausgangs puls in linearer Darstellung. Pulsdauer: 12,5 ms; Zeitmaßstab: 2,5 ms/Teilstrich.
Bild 5b zeigt die Ausgangspulsfolge in logarithmischer Darstellung. Die Amplitude fällt in 12 ms von -6 dB bis auf -70 dB ab, mehr läßt sich wegen der Rauschgrenze des Geräts nicht aussagen. Das Bild zeigt aber, daß das Filter auch noch höhere Pulsfolgefrequenzen verarbeitet.
Bild 5b: Ausgangsimpuls der CCW-Filter-Baugruppe in logarithmischer Darstellung der Amplitude. Pulsdauer: 12,5 ms; Pulsfolgefrequenz: 25 Hz; Amplitude: 10 dB/Teilstrich1 Zeitmaßstab: 5 ms/Teilstrich.
Zum Vergleich wurde das Pulsverhalten eines Filters mit Tschebyscheff-Charakteristik untersucht. Die Bilder 6a und 6b zeigen die an der Baugruppe DJ3RV 001a mit einem Filter XF-9NB gemessenen Werte. Das Filter ist auf eine gute Selektionskurve abgeglichen, ohne das Impulsverhalten zu berücksichtigen.
Bild 6a: Impulsverhalten eines Filters mit Tschebyscheff-Charakteristik (XF-9NB). Eingangs- und Ausgangsimpuls in linearer Darstellung. Maßstäbe wie in Bild 5a.
Bild 6b: Ausgangsimpuls eines Filters XF-9NB in log. Darstellung der Amplitude. Pulsdauer: 12,5 ms; Pulsfolgefrequenz: 25 Hz; Maßstäbe wie in Bild 5b.
Die Ergebnisse zeigen, daß bei geeigneter Abgleichmöglichkeit ein Selbstbau von schmalbandigen CCW-Filtern möglich ist. Nicht verschweigen möchte ich, daß die Ergebnisse nur mit der Unterstützung von Bernd Neubig, DK1AG, erreicht wurden, wofür ich mich herzlich bedanke.
Mein Dank gilt auch der Firma KVG für die Bereitschaft, mir die sehr eng tolerierten Quarze als Sonderanfertigung herzustellen.
4. Literatur
- Neubig, B.: Optimale ZF-Selektion für Kohärent-Telegrafie (CCW), UKW-Berichte 22 (1982) Heft 1, S. 35-43
- Krug, F.: Vielseitig einsetzbares ZF-Teil für 2-m-Empfänger und Nachsetzer, UKW-Berichte 21 (1981) Heft 4, S. 239-251 und 22 (1982) Heft 2, S. 110-123
- Kestler, J.: Anpaß-Schaltung für Dioden-Ringmischer, UKW-Berichte 15 (1975) Heft 4, S. 218-223
DJ3RV, Friedrich Krug.