HF Zweitongenerator 14 MHz
von Christian, DL9NL
:: 5 kHz oder 20 kHz Signalabstand wählbar
:: intermodulationsfreier Bereich > 85 dB
Für die Ermittlung des IP3 (Intercept Point der Intermodulationsprodukte 3. Ordnung) wird ein Zweitongenerator benötigt, der zwei gleichgroße Signale mit geringem Frequenzabstand bereitstellt. Üblicherweise wird hierbei in vielen Messeinrichtungen ein Signalabstand von 20 kHz verwendet. In der Realität liegen aber die Signale der Funkstationen viel näher nebeneinander, deren unerwünschte Intermodulationsprodukte (IMP) in die Filterbandbreite fallen. Um die Messbedingungen entsprechend anpassen zu können, lässt sich der Zweitongenerator auf 5 kHz Signalabstand umschalten.
Der Begriff IP3 findet sich oft in technischen Unterlagen von Funkgeräten, den Datenblättern von elektronischen Bauteilen und ist aus manchen leidenschaftlichen Gesprächen deutlich herauszuhören. Als Funkamateur ohne technischen Hintergrund habe ich versucht, mir im Zusammenhang mit dem Bau des Zweitongenerators über den IP3 etwas Klarheit zu verschaffen.
Was ist der IP3 ?
An nichtlinearen Bauteilen entstehen durch die Mischung von zwei Signalen unterhalb und oberhalb ihrer Frequenz zahlreiche Mischprodukte unterschiedlicher Frequenz und Amplitude (Intermodulationsprodukte).
Dabei liegen die Intermodulationsprodukte dritter Ordnung (IMP3) unglücklicherweise in allernächster Nähe zu den beiden Signalen mit den Frequenzen F1 und F2 – und zwar lediglich in einem Abstand von diesen, der ihrer Frequenzdifferenz entspricht (F1_IP3 = F1+(F1-F2) und F2_IP3= F2+(F2-F1) für F2>F1).
Auf Grund dieser engen Nachbarschaft lassen sich die Intermodulationsprodukte IMP3 bei Signalen mit geringem Frequenzabstand nicht mehr durch Filter beseitigen und addieren sich als Störsignale.
Da die Amplituden der IMP3 bei steigender Ausgangsleistung nicht linear mit den Hauptsignalen zunehmen, sondern in 3. Potenz, würden sie bei einer bestimmten Ausgangsleistung die Größe der Hauptsignale erreichen. Diese fiktive Ausgangsleistung wird als OIP3 (O:Output) bezeichnet. Zur Veranschaulichung wird der IP3 oft in einer Grafik dargestellt.
IIP3: Eingangs-IP3
OIP3: Ausgangs-IP3
DRim: intermodulationsfreier Dynamikbereich
DRlin: linearer Dynamikbereich
MDS: minimal detektierbares Signal
In dieser Grafik bildet sich in einem logarithmischen Koordinatensystem zwischen Eingangs- und Ausgangsleistung der IP3 als Schnittpunkt der Geraden von Hauptsignal und Intermodulationsprodukt ab. Der Anstieg der IMP3 in 3. Potenz bezogen auf das Hauptsignal stellt sich in einem logarithmischen Koordinatensystem (Leistungsangaben in dBm auf einer linearen Skala entsprechen einer logarithmischen Darstellung!) als Unterschied der Anstiegssteilheit ihrer Geraden im Verhältnis 1:3 dar (siehe Grafik).
Der fiktive Schnittpunkt entspricht dem IP3 (Interzeptionspunkt = Schnittpunkt 3. Ordnung). In der Praxis geht jedoch ein Verstärker ab einer bestimmten Ausgangsleistung zunehmend in die Sättigung, so dass sich nicht nur die Verstärkungskurve, sondern mit ihr auch die Kurve der Intermodulationsprodukte zunehmend abflacht. Infolgedessen schneiden sich die beiden Kurven nie – entsprechend wird auch der IP3 niemals erreicht und ist deshalb auch nicht messbar. Er muss aus Messwerten auf beiden Geraden berechnet werden. Da jedoch das Steigungsverhältnis der Geraden mit 1:3 bekannt ist, genügt zur Berechnung ein Messwertepaar.
Im realen Betrieb mischen sich viele Signale mit wechselnder Größe und Frequenz. Um überhaupt vergleichbare Aussagen über das Intermodulationsverhalten von elektronischen Modulen machen zu können, ist deshalb eine überschaubare standardisierte Testmethode mit nur zwei Signalen erforderlich. Diese stellt der Zweitongenerator mit gleicher Amplitude und definiertem Frequenzabstand zur Verfügung. Aus der gemessenen Verstärkerausgangsleistung und der IMP3 kann der OIP3 berechnet werden (OIP3: fiktive Ausgangsleistung, bei der die Intermodulationsprodukte 3.Ordnung die gleiche Größe erreichen). Der IP3 ist somit ein fiktiver Wert zur Charakterisierung des Intermodulationsverhaltens unter Standardtestbedingungen – nicht mehr und nicht weniger.
Der OIP3 berechnet sich aus der gemessenen Ausgangsleistung und Leistung des Intermodulationsproduktes 3.Ordnung am Ausgang nach der Formel: OIP3 = Pout +0,5*IMA3. Aus der vorherigen Grafik lässt sich diese Berechnung ableiten. Zur verständlicheren Darstellung werden die geometrischen Verhältnisse in einer eigenen Darstellung abgebildet. Der Beweis o.a. Formel erfolgt über die Ähnlichkeit des blauen und grünen Dreiecks.
Zur Vereinfachung der Berechnung des IP3 wurde ein kleiner IP3-Rechner in Excel erstellt. Lediglich die gemessene Ausgangsleistung und die Größe des Intermodulationsproduktes 3.Ordnung sind einzugeben, wobei negative dBm-Werte mit einem Minuszeichen zu versehen sind. Wenn ein Dämpfungsglied zwischen Verstärkerausgang und Eingang des Spektrumanalysers eingefügt wurde, wird dessen Dämpfung ebenfalls als negativer Wert eingegeben. Zur Bestimmung des IIP3 ist der Verstärkungsfaktor des Messobjekts erforderlich.
Schaltungsbeschreibung:
Für die Generierung der Zweitonsignale im Abstand von 5 kHz und 20 kHz arbeiten die Oszillatoren auf den Frequenzen 14,310 MHz, 14,325 MHz und 14,330 MHz in Mitte des KW-Bereichs. In Anbetracht der relativ kostenintensiven Einzelanfertigung von Schwingquarzen werden die Frequenzen durch Ziehen der Quarzoszillatoren unter der Verwendung von 14,318 MHz Billig-Quarzen erzeugt. Über einen 3dB Leistungsaddierer (Combiner) werden die Signale vereinigt. Am Ausgang steht ein Zweitonsignal mit einer Ausgangsleistung von jeweils -10 dBm/Signal zur Verfügung.
Die Schaltung des Zweitongenerators wurde mit dem Ziel einer geringen Eigenintermodulation entworfen, um auch hohe IP3-Werte bestimmen zu können. Dazu tragen neben einer möglichst hohen Entkoppelung der Signale auch ein geringes Rauschen der Oszillatoren bei.
Das Oszillatorrauschen ließ sich durch den Einsatz von rauscharmen NF-Transistoren gegenüber HF-
Transistoren (z.B. BF199) bei gleicher Ausgangsleistung merklich vermindern. Ein nachfolgendes Quarzfilter reduziert zusätzlich das Phasenrauschen. Für die Spannungsversorgung der Oszillatoren wurden Low-drop Linearregler mit geringem Eigenrauschen verwendet.
Die Entkopplung der Oszillatoren wird maßgeblich durch die Qualität des Combiners bestimmt. Für den Übertrager wurde ein Doppellochkern BN43-2402 mit 2 × 12 Windungen bifiliar CuL 0,15 mm gewickelt. Der Wellenwiderstand der Zweidrahtleitung wurde über ihren Verdrillungsgrad sorgfältig auf 50 Ohm abgestimmt. Dämpfungsglieder von 6dB an den Eingängen des Combiners führen zur einer weiteren Entkopplung. Zusätzlich wurden Mantelwellensperren eingefügt, die mit Koaxkabel RG178 auf einem Ringkern mit hoher Permeabilität gewickelt wurden. Am Ausgang vermindert ein 3dB Dämpfungsglied eine eventuelle Fehlanpassung durch das Messobjekt. Die Umschaltung der Oszillatorsignale erfolgt mit einem reflexionsarmen HF-tauglichen Relais. Die eigene Spannungsversorgung der Oszillatoren ist ein weiterer Faktor für einen hohen Entkopplungsgrad.
Mechanischer Aufbau
Die drei Oszillatormodule und der Leistungsaddierer wurden jeweils in ein eigenes Weißblechgehäuse eingebaut, wobei die Oszillatorgehäuse mit einem Deckel verschlossen wurden. Die Platinen wurden beidseitig lückenlos mit dem Gehäuse verlötet und die großflächigere Combiner-Platine zusätzlich an wichtigen Stellen durchkontaktiert. Zur Verringerung von Streukapazitäten und -induktivitäten wurde der Transformator in einem Abstand von ca. 3 mm über der Platine auf kupferlosem Platinenbasismaterial mit wenig Heißkleber fest fixiert. Alle Module wurden schließlich zusammen in ein Weißblechgehäuse mit den Abmessungen 160 × 100 × 25 mm montiert.
Die kleinen Platinen wurden in einem Rapid Prototyping-Verfahren hergestellt. Ein Laserausdruck des Layouts wurde mit der Thermotransfermethode übertragen und dann die Felder mit einer kleinen Handfräse freigestellt. Die Platine ermöglicht verschiedene Schaltungsvariationen zum Ziehen der Quarze.
Tipp zum Wickeln des Transformators:
Ein ca. 1 m langer Draht 0,20 mm CuL wurde in der Mitte gefaltet und mit einer Akku-Bohrmaschine langsam unter gleichmäßiger Spannung verdrillt. Dazu wurde die Umschlagstelle wurde in eine Hakenschraube eingehängt und die beiden freien Enden fest eingespannt. Die Verdrillung wurde bei ca. 3 Umschlägen/cm beendet, die beiden Enden mit etwas ungleichmäßiger Verdrillung abgeschnitten, an das eine Ende eine BNC-Buchse an gelötet, an das andere Ende ein kleines 100 Ohm Poti. Mit dem FA-NWT und dem VNWA wurde der Wellenwiderstand der Zweidrahtleitung bestimmt und durch weitere Verdrillung bzw. Entdrillung auf 50 Ohm justiert. Dabei zeigte sich, dass der fertig gewickelte Transformator am Ein- und Ausgang einem Wellenwiderstand von 52 Ohm aufwies. Erst mit einer stärker verdrillten 48 Ohm 2-Drahtleitung erreichte der Transformator genau 50 Ohm. Vermutlich kommt es bei der Bewicklung des Transformators zu einer geringen Entdrillung der Zweidrahtleitung. Die Isolationsdämpfung des Combiners konnte dadurch von -43 dB auf über -60 dB gesteigert werden.
Der Effekt des Quarzfilters – Verminderung des Phasenrauschens
Oszillator-Ausgangsspektrum, gemessen mit einem hochohmigen HF-FET-Messkopf am FA-NWT vor und nach dem Quarzfilter. Die schlankeren Ausgangssignale entsprechen einem geringeren Phasenrauschen.
Oszillatorsignal 14.330 MHz ohne Quarzfilter (blau) und mit Quarzfilter (rot). Die Überlagerungsgrafik zeigt eine deutlich schmälere Rauschglocke und einen abgesenkten Rauschflur nach Verwendung eines Quarzfilters.
Anmerkungen – Diskussionspunkte:
Um die Ausgangsleistung der Oszillatoren zur Messung höherer IP3-Werte zu steigern, Rückwirkungseffekte zu verringern und eventuell die Entkopplung weiter zu verbessern, wäre eine zusätzliche Pufferstufe wahrscheinlich sinnvoll.
Für verschiedene Frequenzbereiche ist ein modulares System erforderlich, bei dem einzelne Oszillatormodule an ein Combinermodul gekoppelt werden. Eine freie Frequenzwahl wäre mit einer 2-Kanal DDS möglich. Der Vorteil des jetzigen Aufbaus ist seine Kompaktheit, die einen einfachen und schnellen Messaufbau ermöglicht.
Das Rauschen der Spannungsversorgung könnte u.a. durch eine spezielle Schaltungstechnik weiter reduziert werden [Finesse Voltage Regulator Noise!].
Die Mantelwellensperren am Eingang- und Ausgang des Combiners wurden in verschiedenen Schaltungen gesehen. Ihre Wirksamkeit wurde in diesem Aufbau bislang nicht untersucht.
An breitbandigen Verstärkerschaltungen fanden sich zwischen den Einstellungen 5 kHz und 20 kHz bislang keine markanten Unterschiede der IP 3-Werte. Ob ein Signalabstand von 5 kHz sinnvoll ist, sollen spätere Messungen an selektiven Empfängerschaltungen zeigen.
Bei einem zuletzt gemessenen Intermodulationsabstand von mehr als 85 dB für 5 kHz und 20 kHz Signalabstand wurde keine weitere Optimierung mehr angestrebt. Der Generator soll zunächst an verschiedenen Objekten getestet werden.
Für die zahlreichen Anregungen und große Geduld habe ich Lothar DL1DXL und Dieter DL1DRC zu danken. Ihre Unterstützung hat mir dieses Projekt erst ermöglicht.
Christian, DL9NL
Der Zweitongenerator wurde in Kombination mit dem Spektrumanalyse-Vorsatz (SAV) des FA-NWT (Funkamateur-Netzwerktesters) und einem Spektrumanalyser HP8566B vermessen. Wer sich für die Messergebnisse interessiert, kommt hier zu den Messergebnissen:
Downloadbereich
Links zum Thema Zweitongenerator und IP3-Messung
IP2 und IP3-Messokatz von OE3HKL