47 GHz Transverter - fast auf dem Küchentisch gebaut


(Als Vortrag auf der 30. GHz-Tagung in Dorsten am 24. Februar 2007 vorgestellt; Veröffentlichung im Funkamateur Heft 11/2007 S. 1208 )

Im Artikel wird das Funktionsprinzip von Mikrowellentransvertern beschrieben. Weiterhin wird gezeigt, wie mit einem Flohmarkt-Oszillator und relativ einfachen Amateurmitteln man auf 47GHz QRV werden kann.

1. Grundkonzeption

Der vorgestellte 47GHz-Transverter entspricht in Grundzügen der von DB6NT vorgestellten Konzeption [1][2]. Vom Prinzip besteht der Transverter aus einem 23-GHz-Oszillator, einem Mischkopf, einer ZF-Schaltung und einem Strahler mit Spiegel (Bild1).

bild 1 blockbild

Bild 1

Die 23 GHz – Oszillatoren sind gegenwärtig relativ preiswert auf Funkflohmärkten erhältlich. Die ZF-Platine besteht aus unkritischen HF-Komponenten und für den Mischkopf sind neben einem Frästeil nur eine Spezialdiode und eine Drossel erforderlich.

Deshalb erschien mir der Aufbau des Transverters mit einfachen Amateurmitteln ein realisierbares Projekt zu sein.

Die Mischung erfolgt über ein antiparalleles Diodenpaar. Funktionsbedingt wird die doppelte Oszillatorfrequenz mit der Eingangsfrequenz gemischt. Somit ist ein Oszillator mit einer Frequenz um 23 GHz erforderlich. Im Empfangsfall wird im ZF-Baustein das Mischprodukt verstärkt, im Sendefall entsprechend abgeschwächt. Der Mischkopf arbeitet in beide Richtungen ohne Relais, eine Umschaltung erfolgt nur im ZF- Modul.

2. Oszillator

Auf Flohmärkten werden für 30 bis 50 Euro ausgemusterte 23 GHz Funkstationen angeboten, die geeignete Oszillatoren enthalten. Um diese Oszillatoren ohne Umbau verwenden zu können, sind einige Betrachtungen zur ZF vorzunehmen.

Auf der ZF muss der nachgeschaltete Transceiver empfangen und senden können. Ich verwende hierfür einen FT817, der im Sendefrequenzbereich erweitert wurde. Einige Firmen erledigen Erweiterungen beim Kauf des TRX kostenfrei, ohne dass die Garantieansprüche erlöschen [3]. Nach Erweiterung ist bei den meisten Geräten ein Frequenzbereich von 130 MHz- 480 MHz für den Transverterbetrieb nutzbar.

Bei der Mischung kann die Oszillatorfrequenz unter- oder oberhalb der Eingangsfrequenz liegen (siehe Formel 1 und 2).

Qszillatorfrequenz = (47088 MHz – ZF)/ 2 (1)
Qszillatorfrequenz = (47088 MHz + ZF)/ 2 (2)

In Anhang 1 ist eine Übersicht zu finden, welche Quarzfrequenz auf welche Frequenz umsetzt. Wenn ein entsprechender Oszillator gefunden wird, kann ohne Quarzbeschaffung gearbeitet werden. Wer im Amateurfunkband ohne erweiterten Transceiver arbeiten möchte, wird sicher einen entsprechenden Quarz fertigen lassen müssen [4]. Ich hatte dahingehend Glück, dass durch die Umstellung des SSB-Bereiches im 24 GHz-Band ein geeigneter Quarz für mich „abfiel".

 bild 2 oszillator

Bild 2 - Oszillator

Die Oszillatoren wie im Bild 2 benötigen eine Betriebsspannung von + 8,4 V und – 5,0 Volt. Der Oszillator hat mit reichlich 500 mA einen für Portabelgeräte recht hohen Stromverbrauch.

Die Erfahrung zeigt, dass beim Portabelbetrieb der Akku oft bis an die untere Grenze ausgenutzt wird. Deshalb sollte die Betriebsspannung von 8,4 V entweder mit einem Low-Drop-Linearregler (z.B. LM1084-Adj) oder einem Schaltregler erzeugt werden. Übliche 7808 - Linearregler (8V) sind bei einer Eingangspannung unter 11Volt schnell unstabil. Auch sollte für die Verpoldiode wegen der geringeren Schwellspannung eine Schottkydiode verwendet werden.

Die negative Betriebsspannung –5,0 V wird mit einem DC-DC-Converter 7660 aus 8,4 V erzeugt und mit einem 79L05 stabilisiert.

bild 3 stromversorgung

Bild 3 – Stromversorgung Oszillator

Da die Oszillatorfrequenz aus dem 240-fachen Wert der Quarzfrequenz abgeleitet wird, verbessert ein PTC- Heizer (Quelle [5]) oder ein präziser Halbleiterheizer (Quelle [6]) auf dem Quarz die Frequenzstabilität wesentlich.

Auf der Platine im Inneren befindet sich eine Anzeige, ob die PLL eingerastet ist. In Unwissenheit um diese Schaltung habe ich mit einem Fensterkomperator (Bild 4) die Detektorspannung am Oszillator ausgewertet. Zwischen 9,5 und 10,5 Volt zeigt die LED den eingerasteten Zustand an.

bild 4 fensterkomperator

Bild 4 - Schaltung Fensterkomperator

Stabilisierung und Fensterkomperator wurden auf ein Stück Lochplatine aufgebaut und am Oszillator befestigt.

3. Mischkopf

Die Beschaffung der Doppeldiode (HSCH-9251 o.ä.) und deren Einkleben, ist aus meiner Sicht das einzig echte Problem bei dem Projekt. Hier sollte man sich mit 47GHz-Funkfreunden aus der Umgebung austauschen, wie sie die Beschaffung und das Einkleben der Diode realisiert haben. Mit einem Blick in eine 47 GHz-Contestliste erfährt man schnell, wer in der Umgebung entsprechende Technik nutzt.

bild5 mischer schaltplan

Bild 5 – Schaltung Mischkopf

bild6 mischkopf

Bild 6 - Leiterplatte Mischkopf

In der Leiterplatte für den Mischkopf (Quelle: [6]) werden die 2,5mm Befestigungsbohrungen eingebracht. Wie am Anfang beschrieben, ist das Einkleben der Diode unter amateurmäßigen Bedingungen recht problematisch. Wie bei DB6NT [1] beschrieben, wurden mit einem Zahn-stocher zwei winzige Punkte Silberleitkleber H20S auf die Leiterplatte aufgebracht. Mit einem angefeuchteten Zahnstocher wurde anschließend die salzkorngroße Diode (!) unter einem Stereomikroskop passgerecht in den Kleber gedrückt. Für Fehlschläge sollte eine kleine saubere Glasschüssel mit Spiritus bereitstehen. Dank gilt hier DG2DWL, der diesen Part für mich übernahm.

Für das Gehäuse wird ein Aluminiumfrästeil benötigt. Der Alublock von ca. 40 x 35 x 30 mm ist durch die geänderte Schaltungskonzeption soweit vereinfacht, dass dies von einem Lehrling als einfaches Übungsobjekt gefräst werden konnte. Aus dem Block wird für die Leiterplatte ein rechteckiges Fenster von 30 x 25 mm mit ca. 25 mm Tiefe ausgefräst. Öffnung für Hohlleiter und SMA-Buchse wurden mit einer üblichen Ständerbohrmaschine gebohrt. Das Gleiche gilt für die Befestigungsschrauben M 2,5 (Quelle [7]).

bild7 frästeil

Bild 7 - Frästeil

Anschließend wird aus einer Aluminiumplatte ein ca. 60x 55 x 4 mm großer der Deckel gefertigt, welcher das Frästeil plan abschließt. Auch die Montageplatte mit der Abstimmschraube wird aus einem Stück Aluminium gefeilt. Mangels feinmechanischer Ausrüstung wurde eine M5 Messingschraube mit Normalgewinde verwendet. Der Abgleich benötigt dann wesentlich mehr Fingerspitzengefühl als bei Feingewinde. Zum Befestigen der Leiterplatte, des Deckels und der SMA-Buchsen werden 2,5 mm Gewindebohrungen eingebracht.

bild8 einstellschraube

Bild 8 - Maße der Abgleichplatte

Der Durchmesser für Rundhohlleiter bei 47 GHz beträgt 4 mm. Dadurch ist der Übergang vom Mischkopf auf den Strahler relativ einfach realisierbar. Messingrohr mit 4 mm Innendurchmesser ist auf Baumärkten Lagerware (5 x 0,5 mm Rohr). Als Flansch wird eine SMA-Buchse zweckentfremdet genutzt. Beim Herausschlagen von Mittelstift und Isolierung fällt auf, dass nur das Vorderteil aufgeweitet ist. Dieser Buchsenteil wird plan abgefeilt und das Messingrohr mit 4 mm Innendurchmesser stumpf aufgelötet. Zur Zentrierung wird das Hinterteil eines 4 mm Bohrers verwendet.

bild9 sma mit 4mm bohrer

Bild 9 – SMA-Buchse als Hohlleiterflansch

Bei der abschließenden Montage wird die Leiterplatte mit Silberleitkleber (Quelle [7]) in das Gehäuse geklebt und geschraubt. Der Kleber ist äußerst sparsam einzusetzen, da sich breitgequetschte Kleberreste bei Oszillator- und Hohlleiteröffnung nicht mehr korrigieren lassen.

bild 10 mischer offen

Bild 10 - Mischkopf

4. ZF- Umschaltung

bild 11 zf schaltung

Bild 11 – Schaltung ZF

Die Schaltung benötigt das bei der Transvertersteuerung im GHz-Bereich übliche PTT-Signal (Spannung beim Senden) über die Antennenleitung. Hierzu ist ggf. der Transceiver umzurüsten [8]. Die Leiterplatte ist wie die Mischerplatine bei [6] erhältlich und arbeitet auch noch auf einer ZF von 432 MHz zufriedenstellend mit den angegebenen Bauelementen. In der  Originalveröffentlichung erfolgte noch eine Pegelanpassung des Oszillators. Da dieser Schaltungsteil entfallen ist, werden die in dem Bestückungsplan dargestellten Bauelemente (z.B. 7808) auch nicht benötigt.

bild 12 zf leiterplatte

Bild 12 - Leiterplatte ZF

5. Abgleich Mischkopf

Für die Inbetriebnahme und den Abgleich der drei Baugruppen ist ein Leistungsmesser hilfreich – aber mindestens ein zweiter Transverter erforderlich. Der Oszillator gibt ein Ausgangssignal 15mW ab und liegt damit in der Größenordnung der bei [1] beschriebenen Leistung.

Nach dem Zusammenschalten der Baugruppen wird mit der Abstimmschraube im Sendefall die Leistungsabgabe optimiert. Am Ausgang des Mischkopfes wurden hierbei 237 µW gemessen. Da bei der Messung am Thermomesskopf sowohl Signal als auch Spiegelfrequenz anliegen, kann von einer Ausgangsleistung von 120 µW ausgegangen werden.

Ein zweiter Weg des Abgleichens ist es, provisorisch ein kleines Horn aufzubauen (Maße unkritisch) und mit Hilfe einer zweiten Funkstation die Einstellungen am Kopf zu optimieren (S-Meter-Ausschlag).

In der Originalschaltung von DB6NT wird der Oszillatorpegel zwischen Sende- und Empfangsfall geändert. Durch meine Vereinfachung der Schaltung müssen hier sicher Empfind-lichkeitsverluste hingenommen werden.

bild 13 mischerkopf

Bild 13 – Mischkopf mit provisorischem Horn

6. Spiegel

Nachdem ich mit einem provisorisch aufgebauten Horn das erste QSO quer durch zwei Zimmer gefahren habe, entstand die Frage, welche Antenne ich wähle.

Nach einem Vergleich von Gewinn, Baugröße und Abstrahlwinkel fiel die Wahl zwischen Hornantenne und Spiegel auf letzteren.

Der erste Weg führte zum Katalog mit PROCOM-Spiegeln und Strahlern [9]. Ein Blick auf den Preis (218,00 Euro) veranlasste mich, nach Alternativen zu suchen.

Bei den üblichen Verdächtigen wie eBay, Funkbörse oder Anzeigeteil der CQ-DL wurde ich nicht fündig. Zur Verwendung von Sat-Spiegeln gibt es bei 47 GHz hinsichtlich der Genauigkeit unterschiedliche Meinungen. DJ6BU hat bis 76 GHz gezeigt, dass man mit Satellitenoffsetspiegeln erfolgreich funken kann. Allerdings setzt die Verwendung von Offsetspiegeln einige mechanische Besonderheiten voraus, die mir nicht gefallen haben. Letztendlich überlegte ich mir, den Spiegel wie zu den Anfangszeiten der TV-Satellitentechnik aus GFK zu fertigen. Hierbei wird mit Hilfe einer Schablone ein rotationssymmetrischer Formkörper aus Gips gefertigt. Anschließend wird der Gipskörper mit Glasseide und angemischtem Polyesterharz bestrichen.

Zwar ist man hier bei der Wahl von Durchmesser und Brennweite frei, aber letztendlich habe ich mich an üblichen Maßen orientiert. Das f/D-Verhältnis (Brennweite zu Durchmesser) der handelsüblichen Spiegel beträgt oft 0,4. Bei einem 25 cm Spiegel beträgt somit die Brennweite 10 cm.

Über die Formel y = x² / (4*f) lässt sich das Maß des Spiegels und damit auch der Schablone ermitteln (Angaben in mm).

Abstand vom Mittelpunkt: 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 125
Spiegelmaß: 0 0,25 1 2,25 4 6,25 9 12,3 16 20,3 25 30,3 36,0 39,1
Schablonenmaß: 39,1 38,8 38,1 36,8 35,1 32,8 30,1 26,8 23,1 18,8 14,1 8,8 3,1 0

Für die Schablone habe ich ein Stück doppelseitige Leiterplatte verwendet. Nach dem Aussägen und Feilen der Parabel wurde ein kurzes Stück Messingrohr als Lager für die Rotationsachse angelötet. (Rohrradius bei der Schablonenherstellung beachten!).

Die Gipsform wird in mehreren Schichten hergestellt und mit der Schablone abgezogen. Wenn der Gips vernünftig abbinden soll, ist das Gipspulver in das Wasser zu rühren. Als letzte Lage verwendete ich einen Fugenfüller (Uniflott o. ä.) aus dem Trockenbau, welcher wesentlich langsamer als Gips erhärtet. Anschließend wurde die Oberfläche verschliffen.

Problematischer als gedacht erwies sich die Trennung von Gips und fertiger Schüssel. Modellbauer meinten, Gips ist als Modellform schlecht geeignet. Die raue Oberfläche würde eine Trennung verhindern. Ein Versuch, die fertige Schüssel von der mit Lack und Trennwachs behandelten Gipsform zu trennen schlug fehl und ich musste die Form zerschlagen.

Im Modellbauforum [10] wurde mir dann der Tipp gegeben, die Gipsoberfläche mit Tiefengrund (z.B. G1) zu behandeln. Dieser dient als Verfestiger der Oberfläche und gleichzeitig als Porenfüller. Anschließend sei die Form mit Lack, Wachstrennmittel und Folientrennmittel zu beschichten.

Bild 14 - Gipsform Spiegel

Bild 14 – Herstellung der Gipsform

Die fertige Gipsform wird mit Polyesterharz (Quelle: Autoabteilung Baumarkt) bestrichen. Damit später der Rundhohlleiter in der Schüssel eine Ausrichtung und Stabilisierung erfährt, wird auf die Rotationsachse ein Stück Rohr mit 5mm Innendurchmesser (6 x 0,5 mm) gesteckt und mit einem Stabilisierungsflansch aus Leiterplattenmaterial verlötet. Nach dem Austrocknen der Grundschicht werden auf dieser in mehreren Lagen Glasfaserstreifen mit Polyesterharz laminiert.

bild 15 flansch und strahler

Bild 15 – Führungsrohr mit Flansch und Pfennigstrahler

Damit die Schüssel sich später nicht verwindet, kann z. B. ein Metallring (D=26cm) mit eingegossen werden. Wie unten beschrieben, habe ich durch einen quadratischen Holzrahmen den Rand vorgegeben und die Form stabilisiert.

In einem ersten Versuch wollte ich Aluminiumfolie auf der Schüsselinnenseite aufkaschieren. Haftspray aus dem Künstlerbedarf erzeugte zwar die nötige Bindung, aber die Oberfläche entsprach von der Qualität her nicht meinen Ansprüchen bei 47 GHz.

Bild 16 - Alufolienkasschierung

Bild 16 – Spiegelmitte mit Alufolienkaschierung

Von DL2AM erhielt ich den Tipp, es mit Aluminiumspray zu versuchen. In der Kfz-Abteilung von Farbgeschäften und Baumärkten ist (hitzebeständiger) Aluminiumspray erhältlich, der nach Herstellerangaben > 98% Aluminium enthält. Das Aufsprühen stellte sich auch als unproblematisch heraus.

7. Strahler

Wie oben beschrieben, besteht der Rundhohlleiter aus 5 x 0,5 mm Messingrohr. Der Hohlleiter ragt ca. 92 mm in die Schüssel. Etwa 6 mm vom Hohlleiterende befindet sich eine runde Reflektorscheibe, welche den Spiegel ausleuchtet.

Bild 17 - Pfennigstrahler fixiert

Bild 17 - Pfennigstrahler

Im vorliegenden Fall habe ich die 22 mm große Scheibe aus doppelseitigem Leiterplattenmaterial gefertigt. Ein Messingrohr mit 5mm Innendurchmesser und etwas Kupferdraht dienen als Befestigung für die Scheibe auf dem Hohlleiter. Eine Bohrmaschine mit einem 5 mm Bohrer hilft bei der Zentrierung und Ausrichtung der Scheibe.

8. Mechanischer Aufbau

Bei der Suche nach mechanischen Lösungen stellte ich fest, dass das relativ kleine Gehäuse und der leichte aber recht sperrige Spiegel ein gewisses Transportproblem darstellen. Bei ersten Überlegungen wurde der Gedanke geboren, eine Sperrholzkiste zum Transport zu bauen. Später entstand der Gedanke, Spiegel und Elektronik gleich in dem Transportkarton geschützt dauerhaft unterzubringen.

Sperrholzplatten ließ ich auf dem Baumarkt millimetergenau zurechtsägen und mit Leisten in den Ecken und etwas Holzleim erhält man die ausreichende Steifigkeit. Wie oben beschrieben, wurde beim Laminieren der Schüssel ein quadratischer Holzrahmen als Abschluss und Versteifung genutzt. Durch die Rahmenmaße und Hohlleiterlänge ergeben sich die Gehäuse-abmessungen. Eine Sperrholzplatte auf der Vorderseite schützt auch den Strahler beim Transport.

Bild 18 - Transverter

Bild 18 – Spiegel mit „Transportkiste"

Bei der Suche nach mechanischen Lösungen fiel mir bei den Fotos im Netz auch auf, dass die meisten Stationen mit Zielfernrohr arbeiten. Auf Anfrage meinten Funkfreunde, dass solche Zusatzeinrichtung wegen der sehr ausgeprägten Richtwirkung sehr vorteilhaft sei. Bei eBay ersteigerte ich ein geeignetes Zielfernrohr, das nicht zu lang ist. Dies sei deshalb erwähnt, da üblicherweise Jagdfernrohre eine Länge von weit über 20 cm aufweisen.

bild 19 zieleinrichtung

Bild 19 - Zieleinrichtung

9. Abgleich Strahler

Vor der Montage des Rundhohlleiters in das Führungsrohr des Spiegels und des Führungsroh-res des Strahlers wurden über den Hohlleiter kurze Stücke Schrumpfschlauch übergestülpt.

Mit einem geeigneten Empfänger mit S-Meter, oder besser einem selektiven Mikrovoltmeter und einem zweiten Sender lassen sich die optimalen Strahlerabmessungen ermitteln. Hierbei wird der Abstand zwischen Rundhohlleiter und Pfennigstrahler sowie die Länge des Hohllei-ters im Spiegel variiert.

Bild 20 - Strahler in Spiegel

Bild 20 – Pfennigstrahler fixiert mit Schrumpfschlauch

Nach dem Erwärmen des Schrumpfschlauches mittels Heißluftpistole oder brennendem Streichholz ändern sich die ermittelten Werte auch beim Transport nicht mehr.

10. Besonderheiten beim Funkbetrieb

Beim Funkbetrieb in diesem Frequenzbereich sind immer drei Dinge ein besonderes Problem:
1. Auf welcher Frequenz befinde ich mich und wo ist die Gegenstation?
2. In welcher Richtung befindet sich die Gegenstation?
3. Sendet die Gegenstation zur gleichen Zeit, wenn ich Frequenz und Richtung suche?

Baken, um Richtung und Frequenz zu eichen sind auf 47 GHz rar. Mit vereinbarten Verbin-dungen lassen sich diese Probleme minimieren.

Wenn der Oszillator, wie bei mir, oberhalb des Bandes arbeitet, kommt es zu einem zusätzli-chen Problem durch die Spiegelung der Verhältnisse (Kehrlage). So wird bei mir der Bandan-fang von 47088,0 MHz auf 432,0 MHz umgesetzt. Für eine Verbindung auf 47088,100 MHz ergibt sich eine Frequenz von 431,900 MHz. Statt des oberen Seitenbandes (USB) ist das Untere (LSB) am Transceiver einzustellen. Und der Hinweise „Gehen wir mal 20 kHz höher" bedeutet im praktischen Funkbetrieb eine Verringerung der Frequenz am Empfänger.

Auffallend ist, dass der Strahler sich ausgesprochen richtscharf verhält, was natürlich einen entsprechend hohe Anforderung an Stabilität von Stativ und Visiereinrichtung erfordert.

11. Schlussbemerkung

Mit dem vorgestellten Projekt sollten Anregungen gegeben werden, wie mit üblichen amateurmäßigen Methoden und Surplus-Artikeln ein 47 GHz Transverter einfach und kostengünstig aufzubauen geht. Ich hoffe, auch für andere Projekte Anregungen zum Aufbau gegeben zu haben. Da mir Messmittel fehlten, möchte ich mich noch bei DG0VO und DL4DTU für die Hilfe beim Abgleich bedanken.

Bild 21 - Transverter-rueck

Bild 21 – DJ5AM im QSO

12. Literatur, Bezugsquellen

[1] Kuhne, Michael; DB6NT; 47GHz Transverter; Dubus Heft 1/1994; S 49; Dubus-Verlag
[2] Kuhne, Michael; DB6NT; 47GHz Transverter; Dubus Technik Band IV, S 359, Dubus-Verlag
[3] Funktechnik Dathe, Gartenstraße 2c, 04651 Bad Lausick; www.funktechnik-dathe.de
[4] Andy Fleischer, Paschenburgstr.22, 28211 Bremen, www.andyquarz.de
[5] Eisch-Kafka-Electronic GmbH, Abt-Ulrich-Str. 16, 89079 Ulm; www.eisch-electronic.com
[6] Kuhne Electronic GmbH, Scheibenacker 3, 95180 Berg; www.db6nt.de
[7] Conrad Electronic SE, Klaus-Conrad-Str. 1, 92240 Hirschau; www.conrad.de
[8] FT-817 Umbau auf BBT-Seite
[9] UKW-Berichte, Jahnstr. 7, D-91083 Baiersdorf, www.ukw-berichte.de
[10] http://www.r-g.de
[11] Reichelt Elektronik e.Kfr., Elektronikring 1, 26452 Sande, www.reichelt.de
[12]
[13] siehe auch Anlage Tabelle 1
[14] Hubert Krause, micro-mechanik, micro-mechanik.de

13. Anlagen
1. Tabelle Oszillatorfrequenzen und Umsetzung

anlage 1 oszillatorfrequenzen

2. Zeichnung Spiegel

anlage 2 zeichnung erreger