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Um der mittlerweile beachtlichen Anzahl von Schaltungsbeschreibungen über 2-m-Eingangsteile eine weitere hinzuzufügen, wurde dieser Aufsatz nicht geschrieben. Es sollte vielmehr versucht werden, eine Baugruppe zu entwickeln, die auch vom Nicht-Profi (= Amateur) mit bescheidenen Meßmöglichkeiten sicher nachbaubar ist und (trotzdem) ihre technischen Daten nicht zu verstecken braucht.
Die gesamte Schaltung wurde auf zwei Baugruppen aufgeteilt (I: Vorverstärker, II: Mischer mit Oszillator-Treiber), um größtmögliche Freiheit beim Kombinieren z.B. mit UHF/SHF-Konvertern zu erlauben. Außerdem kann dadurch - wenn ein besonders langes Antennenkabel notwendig ist - der Vorverstärkerteil in Antennennähe installiert werden. Das Mischteil ist zwar speziell für den Betrieb zusammen mit dem in (1) beschriebenen PLL-VL-Oszilllator gedacht, jedoch läßt sich auch jede andere Signalquelle anschließen, wenn sie einen Pegel von ca. 1 mW abgeben kann.
1. Zum Konzept
Das Blockschaltbild des VHF-Eingangsteils ist in Bild 1 dargestellt. Ein Helixkreis dient zur Vorselektion und zur Transformation der Antennenimpedanz auf den optimalen Eingangswiderstand der Vorstufe (ca. 800 Ω). Diese ist mit einem GaAs-MESFET bestückt, womit das Eingangsteil eine Gesamt-Rauschzahl von etwa 1 dB erreicht. Auf ein zweikreisiges Helixfilter folgt ein variabler PIN-Dioden-Abschwächer. Mit seiner Hilfe kann die Vorverstärkung an den momentanen "Bandzustand" angepaßt werden, d.h. wenn keine starken Stationen zugange sind, wird man mit höherer Verstärkung arbeiten und schwache Signale mit besserem Rauschabstand aufnehmen können. Die zweite Verstärkerstufe ist mit einem Hochstrom-Sperrschicht-FET aufgebaut; von ihrem Ausgang wird das verstärkte Empfangssignal über eine 50-Ω-Leitung der Mischerbaugruppe zugeführt.
Bild 1: Blockschaltung und Pegelplan des 2-m-Empfangsmischers.
Man wird sich an dieser Stelle fragen, weshalb als Vorverstärker nicht das von DJ7VY in (2) vorgestellte Konzept mit gegengekoppelten Transistoren verwendet wurde. Zugegeben, die dort zitierten Daten sprechen für sich und sie sind auch beim Nachbau reproduzierbar, zumindest auf dem Labortisch mit breitbandigen 50-Ω-Abschlüssen an Ein- und Ausgang. Zusammen mit Schwingkreisen hoher Güte (Helixfilter) ergaben sich jedoch bei mir Probleme mit wilden Schwingungen (z. T. über 1 GHz), die sich nicht vollständig beseitigen ließen. Im Hinblick auf Nachbausicherheit wurde somit auf die Super-IP-Werte verzichtet.
Auf ein weiteres zweikreisiges Helixfilter folgt der Schottky-Ringmischer vom high-level-Typ. Die benötigte Oszillatorleistung von +17 dBm (= 50 mW) liefert ein zweistufiger Verstärker (1.Stufe: MOSFET, 2.Stufe: Hochstrom-FET); das Dreikreis-Bandfilter am Oszillatoreingang unterdrückt Nebenwellen (1/2 fo, 3/2 fo), die noch im Ausgangssignal der Baugruppe DK1 OF 047 enthalten sind. Am Ausgang des Mischers ist das ZF-Teil angeschlossen, dieses sollte den Mischer breitbandig mit 50 Ω reell abschließen (siehe hierzu auch (3) und (4)) und eine Rauschzahl von 6 dB oder weniger haben.
2. Schaltungseinzelheiten
2.1. Vorverstärker
Bild 2 zeigt das ausführliche Schaltbild des Eingangsverstärkers. Die auf den Eingangskreis L1/C1 folgende erste Verstärkerstufe mit dem GaAs-FET T1 wird mit einem Drainstrom von 14 mA betrieben, so daß sie hinreichend aussteuerbar ist (für geringstes Rauschen würde man einen Strom von ca. 8 mA wählen). Source und Gate 2 sind doppelt abgeblockt, um schädliche Induktivitäten klein zu halten. Die Drossel L2 (Ferritperle) am Gate 1 ist nicht unbedingt notwendig; bei den Musteraufbauten war auch ohne sie keine Schwingneigung feststellbar. Der Saugkreis L3/C2 wird auf die Spiegelfrequenz abgestimmt (ca. 125 MHz) und erzeugt dort einen Dämpfungspol. Über den Anschluß Pt 5 kann eine Regelspannung zur automatischen Verstärkerregelung zugeführt werden; dies ist jedoch nur in Ausnahmefällen zu empfehlen (z. B. wenn der Regelumfang des ZF-Verstärkers nicht ausreicht), denn diese Art der Verstärkereinstellung verschlechtert das Großsignalverhalten der Vorstufe (ohne Regelung Pt5 an +15V legen).
Bild 2: Schaltung des Vorverstärkers.
Das folgende Zweikreis-Helixfilter (L5/C3 und L6/C4) ist schwach überkritisch gekoppelt (Satteltiefe etwa 1,5 dB), damit die notwendige Bandbreite von 2 MHz erreicht wird. Für reine SSB/CW-Geräte kann man CK auf ca. 6 - 8 pF vergrößern und erhält damit bei etwas unterkritischer Kopplung eine Bandbreite von etwa 600 kHz.
Zur Verstärkungseinstellung wird die PIN-Diode D2 benutzt, wofür ihr über Pt7 ein entsprechender Gleichstrom zugeführt wird. Damit das Helix-filter unabhängig davon immer denselben Lastwiderstand "sieht" (sonst würde sich die Durchlaßkurve verändern), ist eine zweite PIN-Diode (D1) vorgesehen, die einen passend gewählten Vorstrom über Pt6 erhält. Die zweite Verstärker-stufe mit dem Hochstrom-FET T2 arbeitet in Gate-Schaltung; damit sie hinreichend über-steuerungsfest bleibt, ist eine Gleichstromleistung von fast einem Watt zu investieren. Über ein Pi-Filter (C5/L9/C6) und den Anschluß Pt2 wird das verstärkte Empfangssignal der Mischerbaugruppe zugeführt. Bild 3 zeigt, wie man auf einfache Weise die erwähnten Gleichströme für den PIN-Abschwächer erzeugen kann.
Bild 3: Ansteuerung des PIN-Dioden-Abschwächers
| Schalter- stellung | Dämpfung | Gesamt- Vorverstärkung |
|---|---|---|
| 1 | -2 dB | +27 dB |
| 2 | -12 dB | +17 dB |
| 3 | -22 dB | +7 dB |
2.2. Mischteil
Die Schaltung des Mischteils ist in Bild 4 zu sehen. Das vom Vorverstärker gelieferte VHF-Signal wird über Pt8 dem zweiten Helixfilter (L11/C7 und L12/C8) zugeführt. Dieses ist etwa kritisch gekoppelt; auch hier ist eine Beeinflussung der Bandbreite durch Variieren des Koppelkondensators CL möglich. Der folgende Ringmischer erhält das Empfangssignal an Pin 1 gespeist, die entstehende Zwischenfrequenz wird an den Anschlüssen 3 und 4 abgenommen und über Pt9 dem ZF-Teil zugeführt.
Bild 4: Schaltung der Mischerbaugruppe.
Das zum Betrieb des Mischteils notwendige Oszillatorsignal führt man der Baugruppe über Pt11 zu; das folgende dreikreisige Bandfilter (L16/C11, L17/C12, L19/C13 und L 18 als Koppelglied) sorgt für ein nebenwellenfreies Injektionssignal. Der Oszillatorverstärker ist zweistufig aufgebaut mit T3 als Treiber und T4 als Endstufe. Diese arbeitet im Klasse-A-Betrieb, was zwar gegenüber B- oder C-Verstärkern mehr Gleichstromleistung erfordert; dafür erhält man ein sauberes, rauscharmes Überlagerungssignal. Über den Duplexer C9-L13-C10-L14 (diese Schaltung wurde ausführlich in (4) beschrieben) wird die Oszillatorleistung dem Mischer an Pin 8 zugeführt; ein Teil davon (ca. -20 dBm) kann an Pt 10 ausgekoppelt und z.B. einem Sendemischer oder Frequenzzähler zugeführt werden. Die Dioden D3 und D4 erzeugen eine dem Oszillatorpegel proportionale Gleichspannung, die über den Regelverstärker I1 (FET-Operationsverstärker) und Anschluß Pt13 der Oszillatorbaugruppe DK1OF 047 (Pt4) als Regelspannung angeboten wird. Auf diese Weise erhält man eine automatische Pegelregelung, die dafür sorgt, daß der Mischer unabhängig von Alterung, Temperatur und Empfangsfrequenz immer seine optimale Steuerleistung erhält. Die Höhe des Pegels ist mit P1 einstellbar; über Pt14 wird der Regelverstärker versorgt, die Betriebsspannung für die VHF-Stufen liegt an Pt12.
3. Hinweise zum Nachbau
Für die vorstehend beschriebenen Schaltungen wurden beidseitig kaschierte, durchkontaktierte Leiterplatten entworfen. Wie bereits in (1) geschildert, ist Eisenblech als Abschirmung für VHF-Kreise hoher Güte schlecht geeignet; es bestand also keine Veranlassung, die Platinen-maße für Standard-Weißblechgehäuse auszulegen. Man besorgt sich stattdessen Blechstreifen aus 0,5 Messing mit 30 mm Breite (auch Leiter-plattenmaterial ist verwendbar), die in Form eines Rahmens um die Platinen gelötet werden. Der lichte Abstand zwischen Platinen-Unterseite und Unterkante Abschirmung soll etwa 8 mm betragen.
In den Bildern 5 und 6 sind die Maß- und Bestükkungszeichnungen für die beiden Baugruppen dargestellt, Bild 7 und Bild 8 sind Fotos von einem Musteraufbau. Hierzu noch einige Feinheiten: Die Gate-1-Anschlüsse der Transistoren T1 und T3 werden durch Bohrungen in den Abschimwänden knapp oberhalb der Leiterplatten geführt (die FETs also auf der Bauteilseite einlöten), während die (möglichst kurzen!) Anschlüsse zu den Anzapfungen der Helixkreise L5, L6 und L12 durch Bohrungen knapp unterhalb der Platinen verlaufen. Für die Verbindung Pt2 - Pt8 kann man dünnes Koaxialkabel (RG174) entweder direkt anlöten (bei Pt2 auf der Unterseite der Platte) oder man verwendet MiniKoaxbuchsen (z.B. SMC). Die Länge des Kabels ist unkritisch. Der GaAs-FET T1 wird als letztes Teil dieser Baugruppe eingelötet, damit die Gefahr seines vorzeitigen Todes durch statische Aufladungen am geringsten ist. Die Transistoren vom Typ P8002 haben ungewöhnlich lange Kühlfahnen, die über die Oberkante der Abschirmungen hinausragen würden. Man kann sie um etwa 5 mm kürzen, rechtwinklig abbiegen und mit dem benachbarten Abschirmblech verlöten (möglichst rasch und mit gut heißem Kolben), was im Betrieb eine ausreichende Wärmeabfuhr sicherstellt.
Bild 5: Aufbau bzw. Bestückung der Vorverstärker-Baugruppe DK1OF 048.
Bild 6: Bestückungsplan der Mischerbaugruppe DK1OF 049.
Bild 7: Musteraufbau der Vorverstärker-Baugruppe DK1OF 048.
Bild 8: Musteraufbau der Mischerbaugruppe DK1OF 049.
4. Spezielle Bauteile
| T1 | GaAs-MESFET S 3030 oder S 3000 (älterer Typ) Hersteller: Texas Instruments |
| T2,T4 | P 8000 oder P 8002 (Texas Instruments) |
| T3 | BF900 (TI) oder BF961, BF963 (Siemens) |
| I1 | LF356N (DIP) oder LF356H (f0-99), versch. Hersteller |
| D1,D2 | PIN-Dioden BA379 (Siemens) |
| D3,D4 | AA118 oder andere Ge-Dioden |
| M1 | Schottky-Ringmischer SRA-1 H oder SRA-3H oder TAK-1WH (Mini-Circuits) |
| C1,C3,C4,C7,C8 | ker. Rohrtrimmer 3 mm ø, 6 pF |
| C2,11,12,13,14,15 | Folientrimmer 7,5 mm ø, 13 pF (gelb) |
| C5 | Folientrimmer 7,5 mm ø, 20 pF (grün) |
| Elko 22 µF | 16 V, Raster 5 mm |
| alle übrigen Kondensatoren | ker. Scheiben oder Vielschichttypen |
| P1 | Trimmpoti 100 kΩ, liegend, Raster 10/5 mm |
5. Spulendaten
| L1 | 7,5 Wdg. 1 mm Cu versilb., 13 mm Innen-ø, 20 mm lang Anzapf f. Pt1 bei 1 Wdg. vom kalten Ende Anzapf f. FET bei 4,5 Wdg. vom kalten Ende |
| L2 | Ferritperle oder Doppellochkern (Siemens B62152-A8-X17) über Gate-l-Anschluß von T1 geschoben (bei Bedarf) |
| L3 | 12 Wdg. 1 mm Cu versilb., 6 mm Innen-ø, 20 mm lang |
| L4,L7,L8,L10 | Ferritdrosseln 3,3 µH RM 10 mm (Siemens u.a.) |
| L5 | 7 Wdg. 1 mm Cu versilb., 13 mm Innen-ø, 15 mm lang Anzapf bei 1,5 Wdg. vom kalten Ende |
| L6 | wie L 5, Anzapf bei 0,5 Wdg. vom kalten Ende |
| L9 | 5 Wdg. 1 mm Cu versilb., 6 mm Innen-ø, 11 mm lang |
| L11,L12 | wie L 5, Anzapf bei 0,75 Wdg. vom kalten Ende |
| L13 | 6 Wdg. 1 mm Cu versilb., 6 mm Innen-ø, 12,5 mm lang |
| L14 | 1,5 Wdg. 1 mm Cu versilb., 6 mm Innen-ø, 5 mm lang |
| L15,L21,L22 | Ferritdrosseln 1,5µH RM 10 mm (Siemens u.a.) |
| L16 | 8 Wdg. 1 mm Cu versilb., 6 mm Innen-ø, 15 mm lang Anzapf bei 0,75 Wdg. vom kalten Ende |
| L17 | wie L16, kein Anzapf |
| L18 | 0,5 Wdg. 0,5 mm Schaltdraht, 5 mm Innen-ø |
| L19 | wie L16, Anzapf in der Mitte |
| L20 | 7 Wdg. 1 mm Cu versilb., 6 mm Innen-ø, 12,5 mm lang |
| L23 | 6 Wdg. 1 mm Cu versilb., 6 mm Innen-ø, 10 mm lang |
Der Drehsinn der Spulen (d.h. Links- oder Rechtsgewinde) ist den Fotos zu entnehmen. Er ist immer so gewählt, daß sich möglichst kurze Verbindungen zu den Anzapfpunkten ergeben.
6. Inbetriebnahme und Abgleich
Nach dem Anlegen der Versorgungsspannung von +15V an die Anschlußpunkte Pt3, Pt4, Pt5 und Pt12 überprüft man zunächst die Arbeitspunkte der Transistoren. Bei T1 und T3 geschieht dies durch Messen der Spannung zwischen Source und Masse (T1: US = 8 V ± 0,5 V, T3: US = 2,7 V/+0,5 V/-1,0 V; bei größeren Abweichungen sind mit großer Wahrscheinlichkeit die Halbleiter defekt); bei T2 mißt man die Stromaufnahme an Pt4 und bei T4 den Spannungsabfall an R 3. Durch geeignete Wahl der Sourcewiderstände R1 und R2 (Richtwert: 10 n) werden Drainströme von je 60 mA (Toleranz ± 10 mA) eingestellt; erreicht man mit RS = 0 einen Strom von weniger als 50 mA, so ist der betreffende FET durch ein anderes Exemplar zu ersetzen.
Nachdem man die in Bild 3 skizzierte Schaltung zur Versorgung des PIN-Abschwächers an Pt 6 und Pt7 angeschlossen hat, schaltet man die Vorverstärker-Baugruppe vor einen vorhandenen 2-m-Empfänger und gleicht C3, C4 und C5 zunächst grob auf maximales Rauschen ab; C1 wird mit einem (nicht zu starken) Signal etwa in Bandmitte auf maximalen S-Meter-Ausschlag eingestellt. Steht ein Prüfgenerator für die Spiegelfrequenz (127 MHz bei 9 MHz ZF, 123,6 MHz bei 10,7 MHz) zur Verfügung, so kann C2 auf maximale Dämpfung eingestellt werden; falls nicht, so verbleibt C2 etwa halb eingedreht.
Zum Abgleich des Mischteils verbindet man Pt 11 mit dem Ausgang der Oszillatorbaugruppe und schaltet ein Gleichspannungs-Voltmeter (z.B. Vielfach-Meßinstrument, R > 20 kΩ/V) an den Ausgang des Gleichrichters D3/D4 (Pluspol an Katode D3, Minuspol an Anode D4). Nachdem die Betriebsspannung an Pt12 gelegt und der Oszillator in Bandmitte in Betrieb gesetzt wurde (Pt4 von DK1OF 047 ebenfalls mit +15 V verbinden), stimmt man C11, C12, C13, C14 und C15 der Reihe nach in mehreren Durchgängen auf maximale Anzeige ab. Es sollte eine Spannung von wenigstens 4 V erreicht werden. Nun kann man die Pegelregelung in Betrieb setzen, indem man auch Pt14 an die Versorgung anschließt und die Verbindung Pt13-Pt4/047 herstellt. Mit P1 wird die oben erwähnte Gleichspannung auf einen Wert von 2,8 V eingestellt (die Oszillatorleistung beträgt dann +17 dBm 50 mW); dieser Wert muß konstant bleiben, wenn man den VFO über das gesamte Band abstimmt. Die an Pt13 abgegebene Regelspannung durchläuft in Bandmitte ein flaches Minimum von etwa 3 V und darf an den Bandgrenzen auf ca. 6 V ansteigen. Dieser Spannungsverlauf ist in gewissen Grenzen durch Feinabgleich des Dreikreisfilters (C11, C12, C13 sowie Abstand L16-L17) beeinflußbar.
Nachdem man Vorverstärker und ZF-Teil an den Mischerbaustein angeschlossen hat, kann das zweite Helixfilter (mit C7 und C8) auf maximales Signal justiert werden. Damit ist das Empfangsteil betriebsbereit; ein Endabgleich der VHF-Kreise erfolgt im fertig aufgebauten Gerät mit aufgesetzten Deckeln. Zur Einstellung einer konstanten Verstärkung innerhalb des Bandes (wofür im wesentlichen die Abstimmung der Helixfilter verantwortlich ist) kann ein "Eichspektrum-Generator" (= oberwellenreicher 100-kHz-Quarzoszillator) benutzt werden; die Justierung des Vorkreises L1/C1 erfolgt am besten mit Hilfe eines schwachen Empfangssignals (z.B. Bake) auf bestes Signal/Rausch-Verhältnis.
7. Meßwerte
7.1. Rauschzahl
Verwendete Messgeräte: Noise Figure Meter HP8970A, Noise Source HP346A.
Vorverstärker allein: F = 0,75 dB (gemessen bei voller Verstärkung, d.h. Schalter (Bild 3) in Stellung 1).
Gesamtes Eingangsteil:
Schalterstellung 1: F = 1.1 dB
Schalterstellung 2: F = 2.5 dB
Schalterstellung 3: F = 6.5 dB
(gemessen mit Nachsetzer: F = 3.5 dB)
7.2. Durchgangsverstärkung
Meßgeräte: Synthesizer SMS, Vector Analyzer ZPV (beide R&S)
| Schalter- stellung | Vorverstärker allein | Gesamtes Eingangsteil |
|---|---|---|
| 1 | +27 dB | +18dB |
| 2 | +17 dB | + 8dB |
| 3 | +7 dB | -2 dB |
7.3. Selektion
Meßgeräte: Spectrum-Analyzer HP141T mit Einschüben 8554B (VHF/UHF) und 8552B (ZF) sowie Tracking Generator HP8444A bzw. SMS + ZPV für Werte < -80 dB.
1-dB-Bandbreite: 2 MHz
3-dB-Bandbreite: 3,5 MHz
20-dB-Bandbreite: 10 MHz
60-dB-Bandbreite: 26 MHz
Spiegelselektion: 105 dB
Selektion bei f = 432 MHz: > 120 dB
Die angegebenen Werte gelten für das gesamte Eingangsteil; siehe hierzu auch Bild 9.
Bild 9: Die VHF-Selektionskurve des Eingangsteils.
Oszillator-Störleistung an der Antennenbuchse: - 94 dBm (gemessen mit aufgesetzten Deckeln, Baugruppen im Gehäuse)
7.4. Intermodulation
Meßgeräte: 2 Synthesizer SMS, Power Combiner ZSC2-1 (MCL), Spectrum Analyzer HP141T mit 8553B (HF) und 8552B (ZF), Stufenabschwächer Typ 3023 (Weinschel)
Generatorfrequenzen: 144,2 und 144,3 MHz, je -10 dBm.
Mischteil mit Oszillator DK1OF 046/047 allein, ohne Vorverstärker: Interception Point 3.Ordnung (IP) = +23 dBm.
Gesamtes Eingangsteil:
Schalterstellung 1: IP = - 2 dBm
Schalterstellung 2: IP = + 1 dBm
Schalterstellung 3: IP = + 2 dBm
Ausführliche Diskussion und Meßtechnik hierzu in (5).
7.5. Zustopfen (Desensibilisierung)
Betriebsart: FM, Bandbreite: 15 kHz, Testaufbau nach Bild 10, Schalterstellung 1.
Bild 10: Meßaufbau für Zustopfen.
Der Rauschabstand eines empfangenen Signals wird von 10 dB auf 0 dB vermindert, wenn ein Störträger in 100 kHz Abstand einen Pegel von 11 dBm erreicht. Damit läßt sich der Dynamikbereich des gesamten Empfängers wie folgt errechnen:
Kleinstes Nutzsignal eines Empfängers mit F = 0 dB und B = 1 Hz: -174dBm
Nutzsignal eines Empfängers mit F = 1 dB und B = 15 kHz: -131 dBm
Nutzsignal dieses Empfängers bei 10 dB Störabstand: - 121 dBm
Störsignal für 10 dB Desensibilisierung: -11 dBm
Somit Dynamikbereich für diesen Empfänger: D = 110 dB
7.6. Stromversorgung
Zur Versorgung des beschriebenen Empfangsteils ist eine stabilisierte Spannung von +15 V erforderlich. Die gesamte Stromaufnahme beträgt ca. 210 mA.
8. Literatur
- J. Kestler, DK1OF: PLL-Oszillatoren mit Verzögerungsleitung, Teil 3; UKW-Berichte 25 (1985) Heft 1, S.13 - 21
- M. Martin, DJ7VY: Neuartiger Vorverstärker für 145- und 432-MHz-Empfänger; UKW-Berichte 17 (1977) Heft 4, S.194 - 200
- M. Martin, DJ7VY: Modernes Eingangsteil für 2-m-Empfänger; UKW-Berichte 18 (1978) Heft 2, S.116 -127
- J. Kestler, DK1OF: Anpaß-Schaltungen für Dioden-Ringmischer; UKW-Berichte 15 (1975) Heft 4, S. 218 - 223
- M. Martin, DJ7VY: Empfängereingangsteil mit großem Dynamikbereich; CQ-DL 1975 Heft 6, S. 326 - 336
DK1OF, Joachim Kestler.