Home - Techniek - Electronica - Radiotechniek - Radio amateur bladen - UKW-Berichte - Das Rauschverhalten von Verstärkern
Der Artikel beschreibt einige Versuche und Ergebnisse zum Thema Rauschen und Rauschanpassung von Antennenvorverstärkern.
Aus der Übertragungstechnik ist der Zusammenhang Ri, = Ra = ZL für optimale Leistungsübertragung bekannt. Man bezeichnet diesen Zustand als Anpassung; das heißt, der Generator/Lastwiderstand (z.B. Antenne) entspricht dem Wellenwiderstand des Antennenkabels und gleichzeitig der Eingangs- bzw. Ausgangsimpedanz der Empfänger/Senderstufe.
Leider läßt sich unter Einhaltung der Anpassungsbedingung an der Eingangsstufe eines Empfängers in der Regel nicht der maximal mögliche Signal-Rausch-Abstand erzielen. Für minimales Rauschen müssen die Eingangskreise der ersten Stufe gegenüber dem Punkt der maximalen Verstärkung verstimmt werden. Das bedeutet jedoch eine von der Anpassungsbedingung abweichende Eingangsimpedanz des Verstärkers. Bild 1 verdeutlicht diesen Zusammenhang. Die Funktionswerte zu Bild 1 wurden an der in Bild 2 gezeigten Verstärkerstufe für das 70-cm-Band aufgenommen. Die Toleranz des Meßsystems beträgt ±0,25 dB. Werte deutlich unter 1 dB sind mit diesem verhältnismäßig geringen Aufwand (Bild 3) zu erreichen.
Bild 1: Meßwerte eines 70-cm-Vorverstärkers mit 3SK97 bei Abgleich auf min. Rauschen.
Verstärkung: V
Rückflußdämpfung: ar
Rauschmaß: F
Meßgeräte: Wobbelsender SWOB 5 und Rauschmeßplatz hp8970A
Linker Pfeil: Einbuchtung vermutlich durch Regelungs-Effekte des Rauschmeßplatzes (V > 20 dB)
Rechter Pfeil: Rauschanpassung bei 432 MHz.
Bild 2: Der als Meßobjekt verwendete 70-cm-Vorverstärker Durch Verändern des Source-Widerstandes ist ein Einstellen auf minimales Rauschen möglich.
Bild 3: Aufbauskizze des 70-cm-Vorverstärkers.
Alle Maße = Innenmaße.
Der gleiche Verstärker wurde nochmals mit hochwertigen Eingangstrimmern (Johanson und Glasrohr) in einem Messinggehäuse aufgebaut. Eine wesentliche Verbesserung war jedoch nicht zu erzielen. Ein eindeutiges Rauschminimum ließ sich bei beiden Verstärkern durch Verändern des Drainstromes einstellen.
Um den Zusammenhang Rauschanpassung/Leistungsanpassung nochmals herauszustellen, wurde die selbe Verstärkerstufe auf maximale Eingangsrückflußdämpfung ar (Anpassung) und auf maximale Verstärkung V abgeglichen. Das Rauschmaß verschlechterte sich bei 432 MHz von 0,6 dB auf 1,2 dB (Bild 4). Minimales Rauschen wird jetzt bei 450 MHz erzielt.
Bild 4: Meßwerte des 70-cm-Vorverstärkers bei Abgleich auf max. Rückflußdämpfung Meßgeräte und Abkürzungen wie bei Bild 1.
Die Bilder 1 und 4 zeigen, daß das Rauschminimum einer Verstärkerstufe nicht bei Anpassung zu erzielen ist. Weicht die Eingangsimpedanz jedoch vom Wellenwiderstand des Systems (z.B. 50 Ω) ab, so wird diese Eingangsimpedanz über jedes angeschlossene Leitungsstück in Abhängigkeit von der Leitungslänge transformiert. Die Leitungstheorie liefert das entsprechende Ergebnis:
Die Eingangsimpedanz einer Leitung in Abhängigkeit von der Leitungslänge, dem Reflexionsfaktor am Ende der Leitung und dem Wellenwiderstand ergibt eine Funktion, die einen spiralförmigen Verlauf der Ortskurve der Eingangsimpedanz in Abhängigkeit von der Leitungslänge zeigt.
Das bedeutet, daß lediglich durch die Wahl eines entsprechenden Leitungsstückes vor dem Verstärker die Impedanz auf nahezu beliebige Werte transformiert werden kann. Eine totale Fehlanpassung mit den entsprechenden Verlusten ist möglich; genausogut ist durch die entsprechende Wahl der Kabellänge zwischen Verstärker und Generator (Antenne) eine optimale Rauschanpassung zu erreichen.
Im folgenden Abschnitt wird ein Meßverfahren beschrieben, bei dem die Rauschzahl und die Verstärkung einer Vorstufe in Abhängigkeit von der Leitungslänge zwischen Verstärker und Generator dargestellt werden. Hierzu ist eine in der Länge veränderliche Leitung (Posaunenleitung) notwendig (Bild 5). Die mathematische Funktion der komplexen Eingangsimpedanz einer Leitung zeigt eine Periodizität im Abstand von λ/2. Die Leitungslänge sollte deshalb mindestens über den Bereich von λ/2 hinaus variabel sein.
Bild 5: Meßaufbau zum Feststellen der Abhängigkeit der Rauschzahl und der Verstärkung einer Vorstufe von der Leitungslänge zwischen Verstärker und Generator.
Es stand eine koaxiale Posaunenleitung mit einer Längenvariation von nur 120 mm zur Verfügung. Die im vorigen Abschnitt beschriebene 70-cmVorstufe ist aus diesem Grund für die Untersuchung nicht geeignet. Die Meßreihen wurden an einem MGF1412-Verstärker im 23-cm-Band durchgeführt (Bild 6). Die wichtigsten Angaben zu dieser Stufe:
| L1 | versilberter Messingstreifen (25 × 10 × 0,5) mm |
| L2 | ebenso, aber 21 mm lang |
| Dr1 | 9 Windungen 0,3-mm-Kupfer-Lack-Draht auf 3-mm-Dorn |
| Dr2 | 2 Wdg. versilberter Draht 1 mm 0, auf 5-mm-Dorn |
| Alle Trimmkondensatoren: Johanson 6 pF | |
| Alle mit * gekennzeichenten Kondensatoren: keramische Scheiben. | |
Bild 6: Ein rauscharmer 23-cm-Vorverstärker mit GaAs-FET für weitere Versuche.
Bei dem Rauschmeßplatz hp8970A handelt es sich um ein direkt anzeigendes Meßgerät. Die Verstärkung und das Rauschmaß der untersuchten Stufe lassen sich unmittelbar in Dezibel ablesen. Zur Vorbereitung der Messung wurde der Vorverstärker mit der Rauschquelle verbunden und bei 1296 MHz auf Rauschminimum abgeglichen.
Folgende Werte ließen sich erzielen:
V = 16,3 dB
F = 0,25 dB
(Toleranz des Meßsystems = ± 0,25 dB)
Eine am Rande bemerkenswerte Tatsache zeigte 'der Prototyp dieses MGF1412-Verstärkers. Die Transformationsglieder wurden zunächst mit Standard-Rohrtrimmern aufgebaut. Das geringstmögliche Rauschmaß lag bei 1,2 dB. Nur durch Austausch der beiden Eingangstrimmer gegen Johanson-Trimmer ließ sich der oben genannte Wert erreichen !
Bild 7 zeigt die Abhängigkeit der Verstärkung und des Rauschmaßes von der Leitungslänge zwischen Rauschquelle und Verstärkereingang. Deutlich ist die Periodizität (Wiederkehr der einzelnen Minima und Maxima im Abstand von λ/2) zu erkennen.
Bild 7: Meßwerte des Verstärkers nach Bild 6 zeigen, daß durch geeignete Länge des Verbindungskabels zwischen Generator (Antenne) und Verbraucher (Vorverstärker) die minimale Rauschzahl auch an der Antenne realisiert werden kann.
Das Minimum der Rauschzahl weicht geringfügig von dem unmittelbar an der Rauschquelle erzielten Wert ab; hier zeigt sich die Grunddämpfung der Posaunenleitung. Nicht berücksichtigt wurde die Änderung der Dämpfung der Posaunenleitung in Abhängigkeit von der Leitungslänge. Der Fehler dürfte jedoch so gering sein, daß er in diesem Fall vernachlässigt werden kann.
Das Schwanken des Rauschmaßes zwischen ungefähr 0,35 dB und 1,5 dB durch Variieren der Leitungslänge um ca. 60 mm (Μ/4 für 1296 MHz = 57,8 mm) ist bemerkenswert.
Die Änderung des Rauschmaßes in Abhängigkeit von der Leitungslänge hängt von dem Verhältnis Wellenwiderstand des Meßsystems zur Impedanz bei Rauschanpassung des betreffenden Halbleiters ab. Verschiedene neuere Halbleiter (bipolare Transistoren z.B. BFQ69) zeigen ein Rauschminimum bei annähernd 50 (70) Ω. Untersuchungen solcher Verstärker sind für die nächste Zeit vorgesehen.
Sollen die am Rauschmeßplatz optimierten Daten eines Vorverstärkers praktisch genutzt werden, so ist ein Abgleich am Antennensystem unerläßlich.
Diese Untersuchungen haben gezeigt, daß eine Leitungslänge von λ/2 bzw. einem Vielfachen von λ/2 zwischen Antenne und Vorverstärker die Impedanz des Vorverstärkers ohne Veränderung an der Antenne erscheinen läßt. Eine optimale Rauschanpassung des Verstärkers an das Antennensystem ist demnach durch das Einfügen einer mindestens um die Länge λ/4 veränderbaren Posaunenleitung möglich.
Die gesamte Strecke von der Antenneneinspeisung, ggf. über das Koaxrelais und die Posaunenleitung, kann so beispielsweise mit Hilfe des Sonnenrauschens oder eines schwachen Baken-signals auf optimalen Signal-/Rausch-Abstand abgeglichen werden.
Literaturhinweise
- UHF-Unterlage DJ9HO
- Radio Communication April 1982
DF7KB, Wolfram Püschner.