Home - Techniek - Electronica - Radiotechniek - Radio amateur bladen - UKW-Berichte - Der leiterplatten-integrierte Koaxialkreis
Mit der hier vorgestellten Methode soll die Lücke der Selektionsmittel zwischen Streifenleitungskreisen und Hohlraum-Resonatoren im Höchstfrequenzbereich geschlossen werden. Die Anwendung der von mir erdachten "integrierten Koaxialkreise" dürfte in vielen Konstruktionen eine wesentliche Vereinfachung und auch Verkleinerung von Schaltungen im Mikrowellengebiet mit sich bringen.
Da das Prinzip nicht auf eine bestimmte Frequenz beschränkt ist, bleibt es den Lesern dieses Beitrags vorbehalten, die Grenzen dieser Technik festzustellen. Ich habe Versuchsaufbauten zwischen 2 und 10 GHz erstellt. Als Beispiel soll ein Vorverstärker dienen, der je nach verwendeter Abstimmspindel im 12-, 9- oder 6-cm-Band arbeitet.
1. Das Prinzip
Der erwähnte rauscharme, selektive Vorverstärker ist als Mischung aus Schaltbild und Bauskizze in Bild 1 zu sehen. Für das 12-cm-Band wurden folgende Daten festgestellt: V > 10 dB; B < 20 MHz; F ≈ 2 - 3 dB. Dabei betrug der Drainstrom 10 mA, wobei kein Strom durch die Z-Diode fließt (Sicherheits-Bauelement). Das Besondere sind die beiden leiterplatten-integrierten Koaxialkreise. Um sie zu verstehen, betrachten wir zuerst einmal die Stromverteilung in einem Rohr- und einem Topfkreis (Bild 2).
Bild 1: Rauscharmer, selektiver Vorverstärker für das 12-, 9- oder 6-cm-Band.
Bild 2:
a) stark ungleichförmige Stromverteilung im realen Koaxialkreis
b) gleichförmige Stromverteilung im idealisierten Koaxialkreis
c) im Hohlraumresonator fließt der größte Strom auf der größten Fläche
Die Stromverteilung im gezeigten Topfkreis-Resonator macht sehr deutlich, wodurch die hohe Güte dieser Kreise entsteht. Die Stichwörter sind: Verringerung der Skin-Effekt-Verluste durch große, gut leitende Oberflächen, Lind Vermeiden von verlustreichem Dielektrikum (GlasfaserEpoxy-Material!), besonders am "heißen" .Ende von Schwingkreisen. Streifenleitungs-Schwingkreise müßten also einen breiten Strombauch haben und zum heißen, kapazitiven Ende hin verjüngt werden, oder am besten dort nur noch Luft oder ein anderes höchstwertiges Dielektrikum haben. Aber auch damit ist noch nicht ein weiterer Nachteil von Stripline-Kreisen behoben, nämlich die Abstrahlung von HF-Energie von der Leiterplatte in den Raum, was weitere Verluste bedeutet.
Bei kleinen Wellenlängen steht also eigentlich nichts dagegen, den heißen Teil eines Schwingkreises nicht mehr auf der Leiterplatte zu belassen, sondern in koaxialer Form in ein Abschirmgehäuse zu stecken. So entsteht der integrierte Koaxialkreis, der die beschriebenen Nachteile der Streifenleitungskreise vermeidet, aber etwas Mechanik mit sich bringt.
2. Die Ausführung
Wie die Bilder 3 und 4 andeuten, wird der den meisten Strom führende Teil des Schwingkreises als exponentialförmige Streifenleitung geätzt, wogegen der heiße Teil koaxial aus einer 4-mm-Spindel mit einer 5-mm-Fassung in einer 11-mmHülse aufgebaut wird. Diese Gestaltung eröffnet ganz neue Möglichkeiten, da der Leiterplattenschaltung mit diesen Kreisen nicht nur höchstwertige Selektion gegeben werden kann, sondern außer der Kompensation von Blindwerten auch eine Transformation der Ein- und Ausgangs-Impedanzen möglich wird.
Bild 3: Seitenansicht des leiterplatten-integrierten Koaxialkreises:
a) Hülse ausgespart, durch Platine gestecktMassefläche hat entlang des Schlitzes innen keinen Hülsenkontakt
b) Kupferfolie im Schlitz, Hülse auf Platine gelötet
Bild 4: Leiterplatten-integrierte Koaxialkreise in der Draufsicht.
a) Leiterbahnführung ohne,
b) mit Abwärtstransformation
Ein Anschluß am Fußpunkt der Trimmerspindel stellt einen Anzapf nahe dem kalten Ende des Koaxkreises dar, was den teilweise recht niedrigen Impedanzwerten von Transistoren entgegenkommt.
Will man den Kreis mehr zum heißen Ende hin anzapfen, wird einfach der Fuß des Kreises verbreitert (die dielektrischen Verluste steigen), oder die Spindel wird mit einer Dachkapazität belastet, wodurch sich das UC-Verhältnis ändert. Hierdurch werden die beiden einer Teil-Induktivität entsprechenden Bodenteile des "Koax-Topfes' stärker in die Gesamt-Induktivität einbezogen. HF-Ein- beziehungsweise Auskopplungen in den Kreis sind im 90°-Winkel zum Feld vorzunehmen (Bild 4a und b: richtig, 4c: falsch); Zuleitungen von Betriebsspannungen parallel zum Bodenrand (Bild 4d).
Das mechanische Prinzip der Abstimmteile zeigt Bild 5, während die Abmessungen aller Teile in Bild 6 angegeben sind. Die Länge der Abstimmteile ist natürlich der Betriebs-Wellenlänge anzupassen: Tabelle 1 enthält die Werte für drei Amateurbänder.
Bild 5: Mechanisches Prinzip der Abstimmteile.
Bild 6: Einzelteile; Als Hülse kann ein Stück eines ausgedienten Antennenteleskops herhalten. Länge der Teile siehe Tabelle 1.
| Band | 12 cm | 9 cm | 6 cm |
|---|---|---|---|
| Spindel | 33 mm | 21 mm | 12 mm |
| Fassung | 20 mm | 20 mm | 10 mm |
3. Ein Beispiel
Zu dem einleitend vorgestellten Vorverstärker zeigt Bild 7 nun Leiterplatte und Bestückungsplan. Die Abmessungen betragen 60 mm x 27 mm; die beidseitig kaschierte Platine besteht aus glasfaserverstärktem Epoxy. Der Einsatz dieses im Mikrowellenbereich sehr verlustreichen Materials wurde möglich, weil die verbindenden Leiterbahnen zwischen Bauelementen (oder Stufen!) im Bereich niedriger Impedanz bleiben (die hochohmigen, heißen Teile der Resonatoren sind ja im integrierten Koaxkreis), und weil außerdem die Entfernung der miteinander zu verbindenden Bauelemente dank der nicht strahlenden Koaxial-kreise sehr gering werden kann.
Bild 7: Leiterplatte und Bestückungsplan für den Verstärker nach Bild 1.
Bild 8 zeigt eine von DB2IZ gemessene Durchlaßkurve mit Frequenzmarken bei 2120, 2320 (Mitte) und 2520 MHz. Die 10-dB-Bandbreite beträgt etwa 34 MHz.
Bild 8: Durchlaßkurve des 13-cm-Verstärkers nach Bild 1 und Bild 7: (Mitte = 2320 MHz; B_10dB = 34 MHz.
Abschließend zeigt Bild 9 noch einen Vorschlag zum versenkten Einbau der Abklatschkondensatoren für den Source-Anschluß.
Bild 9: Erdung der Source-Anschlüsse von GaAs-FETs durch in die Leiterplatte versenkte Chip-Kondensatoren.
DK2LR, Gerd Körner.