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Oszillator-Baugruppe für das 2-Meter-Band
In (1) stellte Michael Martin, DJ7VY, einen UKW-Oszillator mit überzeugenden Eigenschaften bezüglich Rauscharmut und Kurzzeitstabilität vor. Der im Folgenden beschriebene Oszillator für 2-m-Empfänger oder -Transceiver (Einfachsuper mit 10,7 bzw. 9 MHz ZF) verwendet dieselbe Schwingschaltung mit rauscharmem Verdoppler; zum Erreichen der notwendigen Langzeitstabilität wird jedoch das PLL-Prinzip mit Verzögerungsleitung(2),(3) benutzt. Auf diese Weise kann man die nicht ganz unkritische DAFC, sowie sämtliche Maßnahmen zur Temperaturkompensation des VFO umgehen.
5. Eine Oszillatorbaugruppe für das Zwei-Meter-Band
5.1. Der Schwingkreis
Da dies der wichtigste und kritischste Teil jeder Oszillatorschaltung ist, wurden zunächst einige Gütefaktormessungen an der auch in (1) verwendeten Stettner-Keramikspule durchgeführt, über die nun kurz berichtet werden soll.
Als Meßgerät wurde (wie bei DJ7VY) ein VectorImpedance-Meter HP 4815 A verwendet, die Bestimmung der Kreisgüte erfolgte auf zweierlei Art:
a) Messung des Resonanzwiderstandes R0: Q = R0 / ωL
b) Messung der 45°-Frequenzen f1, f2: Q = f / (f2-f1)
Beim Anlöten der Spule wurde darauf geachtet, die Silberbahn der Wicklung nur so wenig wie möglich zu verzinnen, die Lötstellen wurden mit Trichloräthylen von Kolophoniumresten gereinigt. Der Schwingkreiskondensator war eine keramische Scheibe mit 12 pF, was zusammen mit der Eingangskapazität des Tastkopfes eine Resonanzfrequenz zwischen 65 und 70 MHz ergab.
Ergebnisse (Meßwerte nach b) in Klammern):
- Spule ohne Abschirmung, ohne Abstimmdioden: Q = 633 (613)
- Spule in Gehäuse aus Leiterplattenmaterial, Innenmaße 45 mm × 45 mm × 30 mm, ohne Abstimmdioden: Q < 700 (922)
- wie vor, mit 2 × BB209 (Anzapf bei 1 Wdg, UD = 15 V): Q = 611 (709)
- wie vor, UD = 7,5 V: Q = 570 (648)
- wie vor, UD = 5 V: Q = 500 (517)
- 1 Gehäusedeckel aus Weißblech, ohne Dioden: Q = 421 (482)
- beide Deckel aus Weißblech, ohne Dioden: Q = 284 (305)
Wie man sieht, läßt sich die Spulengüte durch Einbau in ein Abschirmgehäuse (ohne Eisenblech!) sogar verbessern, es werden dadurch Abstrahlverluste vermieden. Der Einfluß der Abstimmdioden ist zwar deutlich, doch durchaus tolerierbar, wenn die Abstimmspannung größer als 5 V bleibt. Bei UD = 0 ergab sich ein Q-Faktor von nur 120.
5.2. Schaltungsbeschreibung
Bild 26 zeigt zunächst ein Blockschaltbild des VHF-Oszillators. Der VCO schwingt mit der halben benötigten Frequenz, sein Signal durchläuft die Trennstufe T 2 und gelangt einerseits über einen Frequenzverdoppler mit nachgeschaltetem Filter zum Ausgang, andererseits über eine weitere Trennstufe (T3) zum Mischer. Diesem wird außerdem die Quarzfrequenz fQ zugeführt, so daß die Differenzfrequenz fφ = f0 / 2 - fQ entsteht. Diese führt man der in (3) beschriebenen Baugruppe mit Verzögerungsleitung, Phasenschieber und Phasenvergleich zu, die hier gewonnene Abstimmspannung steuert den VCO. Der Trennstufe T2 kann eine externe Spannung zur automatischen Pegelregelung zugeführt werden.
Bild 26: Blockschaltung des VHF-Oszillators.
Die Wahl der Differenzfrequenz ist nicht kritisch, sie muß jedoch im Durchlaßbereich der Verzögerungsleitung (3 bis 7 MHz) liegen. Es ist sinnvoll, die Subharmonischen der Zwischenfrequenz zu meiden, damit keine Pfeifstellen auftreten können. Ein Musteraufbau des Verfassers hat folgenden Frequenzplan:
ZF: 10,7 MHz, Ausgangsfrequenz: 133,3 bis 135,3 MHz, Quarzfrequenz: 62,9 MHz, fq = 3,75 bis 4,75 MHz. Für eine ZF von 9 MHz benötigt man stattdessen ein Oszillatorsignal von 135 bis 137 MHz; wählt man eine Quarzfrequenz von 62,5 MHz, so liegt fq zwischen 5 und 6 MHz, was ebenfalls keine ZF-Störungen erwarten läßt.
Das ausführliche Schaltbild der Oszillatorbaugruppe ist in Bild 27 dargestellt. Der Schaltungsteil mit T1 (VCO), T2 (Trennstufe) und D4/D5 (Verdoppler) wurde bereits ausführlich in (1) behandelt, so daß hier nur auf einige Besonderheiten eingegangen werden soll. Der VCO erhält seine besonders sorgfältig gesiebte Versorgungsspannung über Pt3 zugeführt; es wird empfohlen, hierfür einen separaten Spannungsregler (z.B. 7815, 0,2 A) mit nachfolgendem RC-Siebglied (100 Ω/1000 µF) einzusetzen. Die bei Pt4 angelegte Regelspannung beeinflußt über den kapazitiven Spannungsteiler C10/D3 die Aussteuerung von T2 und damit den Eingangspegel des Verdopplers, so daß hierdurch die Ausgangsleistung variiert werden kann. Dieselbe Schaltung wurde auch am Eingang der Trennstufe T3 vorgesehen (C18/D6); hier läßt sich durch eine Vorspannung an Pt7 die Aussteuerung des Ringmischers M1 und damit die Größe des an Pt10 abgegebenen Differenzfrequenz-Signals einstellen.
Bild 27: Schaltung des VHF-Oszillators.
Der Quarzoszillator ist mit einem SperrschichtFET (T4) aufgebaut. Bei der hier verwendeten relativ niedrigen Frequenz von ca. 60 MHz kann auf eine Kompensation der statischen Quarzkapazität mittels Paralleldrossel verzichtet werden, auch dann schwingt der Quarz exakt mit seiner Nennfrequenz.
Die im Ringmischer entstehende Differenzfrequenz wird - bevor sie zum Ausgang Pt10 gelangt - über einen Tiefpaß C40/L7/C41 geleitet, um unerwünschte höherfrequente Mischprodukte zu unterdrücken. Der 10-dB-Abschwächer (R20, R21, R22) sorgt für breitbandigen 50-Ω-Abschluß des Mischers. Zwischen Pt11 und Pt12 steht eine Gleichspannung an, deren Höhe ein Maß für die über Pt10 ausgekoppelte Signalamplitude ist. Dies ist für Abgleich- und Prüfzwecke von Bedeutung.
5.3. Hinweise zum Aufbau
Um einen Nachbau zu erleichtern, wurde eine beidseitig geätzte, durchkontaktierte Leiterplatte entworfen. Diese ist 110 mm × 72,5 mm groß und trägt die Bezeichnung DK1 OF 047. Der VCO wurde nicht "gedruckt" ausgeführt, um kürzeste Verbindungen sicherzustellen und die Zahl der Lötstellen auf ein Minimum zu beschränken (Schwingkreisgüte!).
Bei den mechanischen Arbeiten empfiehlt sich folgende Reihenfolge:
- Platine auf ihr genaues Maß zurechtfeilen;
- Ausschnitt für den VCO vorsehen;
- Umlaufende Abschirmung (30 mm hoch) zuschneiden und bohren (Durchführungskondensatoren für P13,4,5,7,8,9,11,12; Lötdurchführungen für P11,2,10; Mini-Koax-Buchse oder Lötdurchführung für Pt6), dann mit Platine verlöten (oben und unten);
- Abschirmbleche auf Platinenoberseite (2 Stück, 20 mm hoch, keine Bohrungen) zuschneiden und mit Platine verlöten;
- VCO-Abschirmkammer vervollständigen (Bohrungen für 1 Durchführungskondensator und 1 Lötdurchführung nicht vergessen). Zumindest für die VCO-Kammer kein Eisenblech (Weißblech) verwenden, sondern am besten 0,5 mm Messing, eventuell versilbert (wegen der Schönheit). Kupferblech läßt sich wegen der hohen Wärmeabfuhr schlecht löten. Auch Leiter-plattenmaterial ist verwendbar.
Bevor die VCO-Spule eingebaut wird (Messing oder Polyamidschraube M3 verwenden, Pappscheibe beilegen), sollte man die Abstimmdioden anlöten (Silberbahn möglichst wenig verzinnen) und zwar bei 1 Windung vom masseseitigen Ende! Es folgen die übrigen Bauteile des VCO, die freitragend zwischen Spule, Lötdurchführungen (Pt1, Pt2), Durchführungskondensator und Masse (Abschirmung) angeordnet werden, wie die Großaufnahme dieses Schaltungsteils, Bild 28, erkennen läßt. Anschließend kann die Leiterplatte mit den restlichen Bauteilen versehen werden; der Bestückungsplan ist in Bild 29 dargestellt. Ein Foto der fertigen Baugruppe zeigt Bild 30. Nach den Lötarbeiten entfernt man alle Flußmittelreste von den Lötstellen mit Lösungsmittel (aber nicht die ganze Platine baden, dies mögen einige Bauteile nicht). Das hat nichts mit Sauberkeitswahn zu tun, sondern soll verhindern, daß die Kolophoniumreste mit der Zeit Wasser aufnehmen und Feinschlüsse oder Kriechstrecken bilden.
Bild 28:Die Keramikspule mit C1 (links) und der freitragenden Oszillatorschaltung (rechts).
Bild 29: Die durchkontaktierte Platine ist 110 mm × 72,5 mm groß.
Bild 30: Die fertige Baugruppe DK1OF 047.
5.4. Spezielle Bauteile
| T1 | U310 (Siliconix) |
| T2,T3 | 40673 oder 40841 (RCA) |
| T4 | BF246 B, P8000 oder P8002 (Texas Instr.) |
| D1,D2 | BB209 |
| D3,D6 | KV1236 (Componex, Düsseldorf) |
| D4,D5 | BAS70 (Siemens) oder HP2800 |
| D7,D8 | AA118 oder ähnliche Ge-Dioden |
| M1 | IE-500, SRA-1 oder SRA-3 (Mini-Circuits) |
| Q | ZF = 10,7 MHz: 62,9 MHz; ZF = 9 MHz: 62,5 MHz Serienresonanz, 3.Oberton, Halter HC-18/U oder HC-6/U, z.B. XS6204 (KVG) |
| L1 | Keramikspule Typ 87-6228 (Stettner), Anzapf für Dioden bei 1 Windung vom Masse-Ende Anzapf für Trimmer in Wicklungsmitte |
| L2,L5 | 13 Wdg. 0,15 mm Kupfer-Lack-(Seide)Draht auf Vogt-Bausatz 514 04 |
| L3 | 8 Wdg. 0,8 mm versilberter Draht, freitragend, 5,5 mm Innen-Durchmesser |
| L4,L7 | Ferrit-Drosseln 1,5 µH (Siemens, Jahre) |
| L6 | wie L2, zusätzlich eine Koppelwindung aus isol. Schaltdraht am masseseitigen Ende |
| C1 | ker. Rohrtrimmer 6 pF, 3 mm ø |
| C2,C3 | ker. Scheiben 10 pF; keine braunen Exemplare verwenden ("S"-Keramik hat hohe Verluste) |
| C4,C5 | ker. (Vielschicht-)Kondensatoren 100 pF |
| C11 | Tantal-Elko 22 µF/40 V, Raster 10 mm |
| C27 | Tantal-Elko 22 µF/16 V, Raster 5 mm |
| C33 | Tantal-Elko 100 µF/16 V, Raster 5 mm |
| Cx | Durchführungskondensatoren 2,2 nF/30 V, lötbar |
| C20,C22 | Folientrimmer 20 pF, 7,5 mm ø (Valvo: grün) |
| Tr | 4 + 2 × 4 Wdg. 0,1 mm CuL in Doppellochkern B62152-A8-X17 (Siemens) |
| Alle übrigen Kondensatoren | ker. Scheiben, 30 V, Raster 5 mm |
Bild 31: Die Abstimmkurve des VCO.
5.5. Inbetriebnahme und Abgleich
Nach dem Anlegen der Versorgungsspannung an Pt3, Pt5, Pt8 und Pt9 überprüft man zunächst die Drainströme der vier Transistoren durch Messen der Spannungsabfälle an den Source-Widerständen. Werte um 10 mA je Stufe sind optimal, Streuungen zwischen 6 und 15 mA tolerierbar. Bei größeren Abweichungen sollte der entsprechende FET durch ein anderes Exemplar ersetzt werden. Für die beiden Oszillator-Transistoren (T1 und T4) gilt der Drainstrom-Richtwert im nichtschwingenden Zustand (T1: Gate über 100 Ω nach Masse legen, T4: Quarz oder C35 herausnehmen).
Anschließend verbindet man Pt1 probeweise mit einer einstellbaren Vorspannung, die man über ein Potentiometer (ca. 10 kΩ) der Versorgungsspannung entnehmen kann; Pt4 wird direkt an +15 V gelegt. Nachdem man die VCO-Kammer (einstweilen provisorisch) mit Abschirmdeckeln versehen hat, kann man die Abstimmkurve aufnehmen, die in Bild 31 für einen Musteraufbau dargestellt ist. Der Trimmer C1 wird so eingestellt, daß die obere Bandgrenze bei einer Abstimmspannung von etwa 12 V erreicht wird. Ist dabei C1 z.B. ganz ausgedreht, so ersetzt man C2 oder C3 durch einen kleineren Wert (z.B. 8,2 pF); umgekehrt gilt Entsprechendes. Den für diese Justage notwendigen Frequenzzähler kann man entweder über ein Stück Koaxialkabel parallel zu C17 anschließen oder induktiv (1 Koppelwindung) an L2 koppeln (Abschirmbecher entfernen). Es ist wohl überflüssig, darauf hinzuweisen, daß wegen der nachfolgenden Verdopplung die halbe Oszillatorfrequenz angezeigt wird.
Die untere Bandgrenze sollte bei einer Abstimmspannung von etwa 8 V (6 bis 9 V sind zulässig) erreicht sein; ist das sich ergebende AbstimmIntervall wesentlich größer oder kleiner (was z.B. bei Verwendung anderer Abstimmdioden der Fall sein kann), dann muß der Anzapfpunkt für die Dioden an L1 verschoben werden.
Als nächstes wird der Quarzoszillator überprüft; den Frequenzzähler kann man auch hier entweder induktiv an L6 koppeln oder mit einem Stück Kabel an Stift 8 des Ringmischers anschließen. Der Abgleich beschränkt sich darauf, mit dem Kern von L6 genau die Nennfrequenz des Quarzes einzustellen. Sollte der Oszillator nicht schwingen (z.B. bei alten oder "müden" Quarzen), so kann zur Abhilfe C34 auf 27 oder 22 pF verkleinert werden.
Das an Pt10 abgegebene Differenzfrequenz-signal kann man am einfachsten mit einem Oszilloskop überprüfen (Grenzfrequenz ≥ 10 MHz, Eingang mit 50 Ω abschließen). Nachdem man das Trimmpotentiometer Rx an Pt7 ganz aufgedreht hat, gleicht man L2 und L5 auf maximale Amplitude an Pt10 ab, der VCO soll dabei etwa in Bandmitte schwingen (provisorische Vorspannung an Pti etwa +10 V). Es sollten 100 mV effektiv (ca. 300 mV Spitze-Spitze) erreicht werden, die abschließend mit Rx auf 20 mV eff (60 mVss) zu reduzieren sind. Ein zwischen Pt11 und Pt12 angeschlossenes hochohmiges Voltmeter (Ri 100 kΩ) muß dann eine Gleichspannung von 0,1 V anzeigen.
Die beiden Trimmer (C20, C22) des Bandfilters nach dem Verdoppler werden auf maximale Ausgangsleistung an Pt6 abgeglichen, und zwar wechselseitig in mehreren Durchgängen. Wenn kein Pegelmesser zur Verfügung steht, kann man sich mit einer provisorischen Prüfschaltung behelfen (50-Ω-Widerstand mit Ge-Diode, 1-nF-Ladekondensator und Vielfach-Meßinstrument).
Nach beendetem Abgleich können die Deckel mit der VCO-Kammer verlötet werden. Anschließend sollte man die Abstimmkurve nochmals überprüfen und - wenn nötig - mit C1 korrigieren.
Wie die beschriebene Baugruppe mit dem PLL-Teil DK1OF 046 zusammenzuschalten ist, wurde bereits in Bild 26 skizziert. Der VCO des PLLTeils wird nicht benötigt; er kann jedoch dazu verwendet werden, die Einheit 046 für sich allein zu testen. Für die Verbindung Pt23-Pt1 sollte man abgeschirmtes Kabel benutzen, um Störeinstrahlungen auf den VCO zu vermeiden. Diese Abstimmleitung ist bei dem hier diskutierten Konzept nicht allzu kritisch, denn sie ist - im Gegensatz zu (1) - relativ niederohmig (R 55 = 100 Ω, siehe Bild 19, Teil 2), außerdem werden niederfrequente Störungen (Netzbrumm) von der Phasen-Regelschleife ausgeregelt. Für die Versorgung sollte selbstverständlich eine gut gesiebte und stabilisierte Betriebsspannung verwendet werden.
5.6. Meßwerte
In der folgenden Tabelle sind die technischen Daten zusammengestellt, die an einem Musteraufbau gemessen wurden. Als Geräte standen hierfür zur Verfügung:
- Vector Analyzer (Pegelmesser) ZPV (Rohde & Schwarz)
- Spektrumanalysator 141T (HP) mit Einschüben 8552 und 8554
- Frequenzzähler (Eigenbau) 8-stellig, DCF77synchronisiert
| Frequenzbereich | 133,3 -135,3 MHz (ZF = 10,7 MHz) bzw. 135,0 - 137,0 MHz (ZF = 9 MHz) |
| Ausgangsleistung | +4 dBm in Bandmitte +3 dBm an den Bandgrenzen |
| Nebenwellen 1/2 f0, 3/2 f0 | < -30 dBm |
| Oberwellen 2f0, 4f0 | < -40 dBm |
| Oberwellen 3f0, 5f0 | < -60 dBm |
| Einlaufdrift | < 200 Hz *) |
| Langzeitdrift | < 20 Hz/Stunde *) |
| Empfindlichkeit auf Spannungsschwankungen | < 1 kHz/V *) |
| Stromversorgung | +15 V/40 mA |
*) zusammen mit PLL-VL-Baugruppe DK1OF 046
Natürlich wären nun auch Angaben über das Seitenbandrauschen fällig, was jedoch im Augenblick mangels geeigneter Meßausrüstung nicht möglich ist. Im nächsten Heft der UKW-Berichte wird ein zu diesem Oszillator passendes Eingangsteil beschrieben; dort soll selbstverständlich auch auf das Großsignalverhalten des gesamten Empfangsteils eingegangen werden.
Bild 32: Blockschaltung eines 70-cm-Einfachsupers.
5.7. Eine 70-cm-Version
Wer seine ersten "Gehversuche" auf einem höherfrequenten Band unternehmen will, tut gut daran, zuerst einen Konverter zu bauen und diesen vor einen vorhandenen Empfänger zu schalten. Dieser Weg führt im allgemeinen ohne großen Zeit- und Geldaufwand zum Erfolg und man bekommt Erfahrung im Umgang mit höheren Frequenzen bzw. mit bisher ungewohnten Bauelementen oder Schaltungen. Die nach dem heutigen Stand der Technik mögliche Übersteuerungs- und ZF-Einstreufestigkeit wird man auf diese Weise aber nicht erreichen können; eine optimale Lösung ist das Konzept mit (schmalbandiger) fester Zwischenfrequenz. Dieser Trend ist auch für das 435-MHz-Amateurband zu beobachten, auf 2m ist der Einfachsuper inzwischen wohl zur Selbstverständlichkeit geworden.
Bild 32 zeigt, wie die beschriebene Oszillatorbaugruppe für einen 70-cm-Empfänger (oder -Transceiver) verwendet werden kann. Der VCO schwingt bei 103 MHz, seine Frequenz wird zweimal verdoppelt, bevor sie zur Mischstufe gelangt. Es wurde eine ZF von 21,4 MHz vorgeschlagen (für diese Frequenz gibt es auch SSB-Quarzfilter), was jedoch nicht bindend ist; mit etwas erhöhtem Aufwand an Vorselektion lassen sich auch mit 10,7 oder 9 MHz Zwischenfrequenz ausreichende Werte bezüglich Spiegelunterdrükkung erreichen. Im übrigen sind Spiegelfrequenzstörungen nicht so unangenehm wie Übersteuerungseffekte, weil nur eine einzelne Frequenz in Mitleidenschaft gezogen wird. Bei mangelnder Großsignalfestigkeit wird jedoch das ganze Band unbrauchbar.
Von Interesse war natürlich die Frage, ob die bereits mehrfach erwähnte Stettner-Keramikspule auch für einen 103-MHz-VCO geeignet sei. Messungen wie die unter 5.1. beschriebenen ergaben eine Kreisgüte Q = 460 (C = 6 pF, Spule in Abschirmgehäuse, Diodenspannung 10 V), also nicht viel weniger als bei 67 MHz.
Die folgende Tabelle gibt an, welche Bauteile in Bild 27 zu ändern sind:
| D1 | BB505 |
| D2 | entfällt |
| Q | ZF = 21,4 MHz: 98,0 MHz; ZF = 10,7 MHz: 101,0 MHz Serienresonanz, 5.Oberton, Halter HC-18/U oder HC-6/U, z.B. XS 6306 (KVG) |
| L2,L5 | 8 Wdg. 0,25 mm isolierter (versilberter) Kupferdraht auf Vogt-Bausatz 514-04 |
| L3 | 7 Wdg. 0,8 mm versilb. Draht, freitragend, 5,5 mm Innen-ø |
| L6 | wie L2, zusätzlich 1 Koppelwindung |
| C1 | ker. Rohrtrimmer 3 pF, 3 mm ø |
| C2 | ker. Scheibe 4,7 pF |
| C3 | entfällt |
| C4,C5 | ker. Scheiben 39 pF |
| C17,C31 | ker. Scheiben 10 pF |
| C20,C22 | Folientrimmer 10 pF |
| alle übrigen Bauteile wie unter 5.4. aufgeführt. | |
Aufbau und Inbetriebnahme sind wie unter 5.3. bzw. 5.5. geschildert vorzunehmen; auch bei dieser Version war eine Kompensation der Quarzkapazität durch Paralleldrossel nicht notwendig. Die Ausgangsleistung an Pt6 war etwas geringer als bei der 2-m-Ausführung (1 mW - 0 dBm in Bandmitte, 2 dB Abfall an den Grenzen), für die übrigen technischen Daten ergaben sich keine nennenswerten Veränderungen gegenüber den in 5.6. genannten Werten.
Wegen der nachfolgenden weiteren Frequenzverdopplung sind natürlich auch die angegebenen Driftraten zu verdoppeln; pro Knopfumdrehung des Phasenschiebers wird nun ein Frequenzintervall von 4 × 15.625 kHz = 62,5 kHz überstrichen.
Ein zu diesem Oszillatorbaustein passendes 70-cm-Empfangsteil (ZF = 10,7 MHz) befindet sich derzeit in Arbeit; wenn die damit erzielten Ergebnisse den Erwartungen entsprechen, ist eine spätere Veröffentlichung in dieser Zeitschrift vorgesehen.
Literatur
- Martin, M.: Rauscharmer UKW-Oszillator mit Diodenabstimmung, UKW-Berichte 20 (1980) Heft 4 S.194 - 209
- Kestler, J.: PLL-Oszillatoren mit Verzögerungsleitung 1, UKW-Berichte 24 (1984) Heft 3 S. 130 -139
- Kestler, J.: PLL-Oszillatoren mit Verzögerungsleitung 2, UKW-Berichte 24 (1984) Heft 4 S. 195 - 203
Teil 1 - Teil 2 - Teil 3 - Teil 4 - Teil 5
DK1OF, Joachim Kestler.