BBT Bayerischer Bergtag

Tipps und Tricks beim Selbstbau

Frequenzverdoppler 12 nach 24 GHz
Autor: Jürgen Dahms - DC0DA

Der Frequenzverdoppler ist einer der meist gebräuchlichen Bausteine in der heutigen Mikrowellentechnik, sei es um einen Bakensender für das 24, 47, 76 GHz-Band oder noch höher zu bauen oder um ihn als Signalgenerator für Empfangsbaustein-Optimierungen zu nutzen oder aber um einen CW-Sender für einem BBT-Transverter zu bauen. Ich baue ihn gerade für einen CW-Sender im neuen 122 GHz-Band.
Dieser Doppler gehört aber auch zu den schwierigsten Baugruppen, da er unbedingt in zwei Schritten aufgebaut und abgeglichen werden muss. Er nimmt daher viel Zeit in Anspruch!

	Beide Platinen mit Skalpell zuschneiden und an Gehäuse anpassen, dabei auf Sitz der Koppelstifte achten (Koppelstifte aus abgemanteltem dünnen Semirigidkabel UT 085 / 2,25 mm Ø). Die Bohrungen im Gehäuse für die M2-Befestigungsschrauben werden in einem Gang durch die jeweilige Platine hindurch gebohrt, ebenfalls die Führungslöcher für die Koppelstifte mit einem 0,6mm Ø Schaftbohrer. Es können normale SMA-Armaturen mit 1,3 mm Ø Anschlussstift verwendet werden, wenn dafür in der Gehäuse-Seitenwand 3mm Ø Bohrungen eingebracht werden (damit bleibt man in etwa im 50 Ohm System). Gehäuse und Platinen z.B. mit Azeton säubern, Koppelstifte in die aufgebohrten 1,7 mm Ø Bohrungen im Gehäuse einstecken und beide Platinen zur Kontrolle einlegen und verschrauben. Bild 1
	Platinen mit dünner Kupferfolie an den entsprechenden Stellen durchkontaktieren, dies muss mit äußerster Sorgfalt geschehen, Kupferfolie mit flacher Schraubendreherspitze fest auf Platine andrücken, danach mit Platine äußerst sparsam verlöten, Lötbuckel sauber mit Entlötlitze entfernen. (Unschwer ist zu erkennen, ich bin ein Freund von Schrauben, um mir das viele Durchkontaktieren zu ersparen, obwohl Gewindelöcher viel mehr Arbeit bedeuten. Hier sollte man sich besser an die notwendigen Durchkontaktierungen in den Bestückungsplänen von DB6NT halten, diese müssen allerdings eingehalten werden). Bild 2
	Platinen wieder in Gehäuse einlegen bei vorher eingesetzten Koppelstiften, diese jetzt mit Platine verlöten, überstehende Seelenspitze so kurz wie möglich abkneifen (wir wollen keine λ/4-Antennen erzeugen!). Platinen herausnehmen, das Teflonstückchen des Einkoppelstiftes etwas von der Platinenunterseite hochziehen und mit Hilfe eines Zahnstochers etwas Sekundenkleber an die freiliegende Seele rundherum auftragen, danach sofort Teflonteil wieder herunterdrücken, es bildet sich jetzt ein kleiner Wulst um den Koppelstift, dieser verhindert, dass sich beim späteren Einkleben Silberleitkleber an die Kabelseele kommt und einen Kurzschluss verursacht.(Dies ist der häufigste Fehler, der beim Einkleben von Platinen passiert). Bild 3
	Die 1,7 mm Ø Bohrungen müssen daher zur Platinenseite ganz leicht per Hand mit einem z.B. 3 mm Ø Bohrer angesenkt werden, sonst steht die Platine an dieser Stelle hoch. Beide Platinen werden nun außerhalb des Gehäuses bestückt, dies gilt grundsätzlich für alle Mikrowellen-Aufbauten (außer für das Einkleben von Beam Lead Dioden). Hierzu werden die Platinen auf eine passende Weichholzleiste mittels Schrauben festgeklemmt, das Einspannen der Holzleiste in einen kleinen Maschinenschraubstock gibt dann eine feste Lage der Platinen beim Bestückungsvorgang. Bild 4
	Die Unterseite der Dopplerplatine wird mit Silberleitkleber bestrichen (nicht zu viel aber auch nicht zu wenig), es sollte später beim Festschrauben der Platine seitlich keine Paste herausquetschen. Unter den eigentlichen HF-Leiterbahnen sollte etwas großzügiger mit dem Auftragen des Klebers umgegangen werden. Sollte der Kleber zu flüssig sein, kann man ihn ruhig einen Tag offen im Zimmer bei Raumtemperatur stehen lassen, er sollte zäh aber noch streichfähig sein. Vorsichtiges Einschrauben der Dopplerplatine in das Gehäuse und ab damit in den Backofen zum Aushärten (vorher der "besseren Hälfte" unbedingt Bescheid geben!). Der Doppler wird extern mit einer Spannung zwischen 5 u. 6V zwecks Abgleich betrieben. Bild 5
	Für den Abgleich habe ich mir ein kleines planes Messingblech, welches den ausgefrästen Hochpass gut abdeckt, mit einer aufgelöteten SMA-Buchse angefertigt und zur Befestigung die schon im Gehäuse vorhandenen Gewindelöcher benutzt (bei mir kommt so ein Aufbau halt öfter vor und ich verwende es seit Jahren). Der Doppler wird mit einer LO-Leistung von ca. 25mW angesteuert. Der Abgleich (Optimierung auf höchste Ausgangsleistung) erfolgt nun durch Hin- u. Herschieben von zugeschnittenen dünnen Kupferfolieplättchen auf den Leiterbahnen mittels Zahnstocher. Ist der richtige Sitz sowie die richtige Größe ermittelt, wird das Plättchen mit einem isolierten Stift, z.B. Schraubendreher mit Keramikspitze, in dieser Position festgedrückt, die Versorgungsspannung ausgeschaltet, und mittels Lötzinn (Führung mit dem Mund (ich weiß, aber ich lebe noch!) sowie mit feiner Lötspitze mit der Leiterbahn verlötet. Bei diesem Vorgang fehlt in der Tat die berühmte dritte Hand; hier hat jeder Mikrowellenfreak seine eigene Methode entwickelt, z.B. mit Vorverzinnen der Leiterbahn, aber meistens trifft man garantiert nicht mehr exakt die gleich Stelle, dann muss wieder abgelötet werden und so weiter, bis man dann endlich den richtigen Sitz gefunden hat. Für den Abgleich muss man sich unbedingt sehr viel Zeit nehmen! Jetzt ist der Abgleich aber noch nicht beendet! Durch Einbringen von Styropor (auf richtige Dicke achten) und Auflegen von Kupferfolie (richtige Größe und Lage wieder durch Probieren) und Abdeckung mit Antistatikschaumstoff, danach provisorisches Aufschrauben der Gehäuseschalenabdeckung, wird der Doppler weiter optimiert (Hilfsmittel sind auf Bild 6 unterhalb des Schraubstockes zu erkennen).

Die Daten bei der benutzten LO-Frequenz sind als Beispiel zu werten!

Pin auf 12,225 GHz = 23mW
Pout auf 24,450 GHz = 18mW bei einer Stromaufnahme von 84mA (bei 5V)
Stromaufnahme (bei 5V) ohne Ansteuerung = 137mA
Mit Ansteuerrung:
T1 = 36mA bei UDr. 3,3V
T2 = 48mA bei UDr. 3,4V
Danach errechnet sich bei Verwendung eines später fest eingebautem 8V-IC ein Vorwiderstand von ca. 33 Ohm.

Zur Messung der Ausgangsleistung wird von mir ein Thermischer Leistungsmesser (Selbstbau von Hellmuth Fischer, DF7VX) und ein Selbstbaudiodenmesskopf (ebenfalls von DF7VX) mit kommerziellem 10dB-Dämpfungsglied (DC bis 12 GHz) verwendet. Das Gerät arbeitet bis auf 10 GHz genau, für 24 GHz wurde der Korrekturfaktor bei Michael Kuhne, DB6NT ermittelt.
Zum Korrekturfaktor noch Folgendes, was sehr wichtig ist.
Dieser Faktor muss nicht nur bei kommerziellen Geräten von Zeit zu Zeit überprüft werden, das gilt natürlich für Selbstbaugeräte erst recht.
Ich habe mir vor Jahren extra dafür ein kleines PA-Modul mit MGF 1303 für 24 GHz aufgebaut und einen selektiven Signalgenerator (kleiner Bakensender).
Die Sättigungsleistung des Verstärkers wurde labormäßig (d.h. mit kommerziellen Messgeräten) bei DB6NT gemessen. Der Verstärker wird ausschließlich nur für Eichzwecke benutzt. Vor fast jeder Messung wird damit mein Bolometer überprüft, ob der Korrekturfaktor gleich geblieben ist (im Laufe von über 20 Jahren musste er 3× korrigiert werden). Diese Korrektor sollte man immer bei der gleichen Raumtemperatur und durch aufgeschraubten Kühlkörper gut gekühltem Verstärkermodul vornehmen. Außerdem steht mir für sehr empfindliche Messungen ein Milliwattmeter MCW 3000 von der Firma PROCOM mit Messkopf von 100KHz bis 18 GHz zur Verfügung. (Damit lassen sich sogar noch Optimierungsarbeiten bei Baussteinen im 122 GHz-Bereich durchführen).

Damit ist nun der erste Schritt vollzogen und es geht zügig mit dem zweiten Schritt weiter.

Jetzt wird die PA-Platine bestückt und anschließend in das Gehäuse eingeklebt. Die einzelnen Vorgänge sind analog der Vorgehensweise wie beim Doppler.

Zur Bestückung: Der Richtkoppler am Ausgang wird für den vorgesehenen Zweck nicht bestückt. Die Abschlusswiderstände an den beiden 3dB-Ringkopplern sollten die Baugröße 0603, maximal die Baugröße 0805 haben und mit der glasierten Seite (wo auch der Wert aufgedruckt ist) zur Platine hin eingelötet werden, direkt unter der Glasur ist nämlich die Widerstandsschicht aufgetragen (so ergibt sich ein möglichst induktivarmer Einbau).
Jetzt ein Wort zu den GaAs-FETs: Um eine möglichst hohe Ausgangsleistung zu erreichen, müssen die FETs vorher in einer Testschaltung nach größter Stromaufnahme selektiert werden. Die mit möglichst gleich hoher Stromaufnahme kommen in die Endstufe, der mit etwas geringerer Stromaufnahme in die Treiberstufe und der mit der geringsten in die Vorstufe (1. Stufe am Eingang der Verstärkerplatine).
Hierfür fertigt man sich aus einseitig kaschiertem Epoxy eine kleine Testplatine an (ca. 25×25 mm), die man immer wieder benutzen kann. Es wird einfach in der Mitte von Seite zu Seite ein ca. 2mm breiter Steg eingefräst, beide Seiten an den Enden mit 1nF Chipkondensatoren (zur Schwingunterdrückung) kapazitätsmäßig wieder verbunden. Die linke Seite bekommt nun einen Anschlussdraht für die Minusklemme am auf 5V eingestellten regelbaren Netzteil, dessen Strombegrenzung auf ca. 100mA eingestellt wird. Die rechte Platinenseite wird über einen normalen 27 Ohm Vorwiderstand und einem Milliampermeter an die Plusklemme des Netzgerätes angeschlossen. Die linke Platinenseite wird mit den Symbolen für Source und Gate, die rechte Seite mit Drain beschriftet, fertig! Der GaAs-FET wird aus der Verpackung genommen (bei den heutigen Typen sind am Gate Schutzdioden eingebaut, es kann so leicht also nichts mehr passieren) und entsprechend den Bezeichnungen auf der Platine fest aufgedrückt und der sich jetzt einstellende Strom gemessen.

Der Abgleich dieses Verstärkers erfordert sehr viel Geduld und ist auch für mich immer wieder sehr zeitraubend, aber im Endeffekt bin ich immer auf die zu erwartende Ausgangsleistung gekommen. Ich akzeptiere keine Sätze wie z.B. in einer englischen Veröffentlichung: It seems from corresponding with locally active 24Ghz stations that I was not alone in finding it difficult to achieve the full output power from this amplifier. Übersetzt von mir: Nach Rücksprache mit benachbarten aktiven 24 GHz Stationen scheine ich nicht der einzige zu sein, der es schwierig findet, die volle Ausgangsleistung bei dieser Endstufe zu ereichen. Gemeint war hier ein selbst aufgebautes 24 GHz-Endstufenmodul nach DB6NTmit MGF 1303 bestückt und einer von Michael bezogenen Platine, hier tut man ihm bewiesenermaßen großes Unrecht und verbrämt mit derartigen Aussagen nur andere OM. Hier hat es an der nötigen Sorgfalt beim Aufbau und der nötigen Geduld beim Abgleich gefehlt!

Daten des Verstärkers

Die Daten sind wieder natürlich nur als Beispiel bei der vorgegebenen Arbeitsfrequenz zu sehen!

Pin auf 24,450 GHz = die zuvor gemessene Leistung des Dopplers von ca. 18mW
Pout auf 24,450 GHz = 103mW bei UPA = 7V
Stromaufnahme der FETs:
T1 = 40mA bei UDR. 5,1V
T2 = 39mA bei UDR. 5,7V
T3/4 =97mA bei UDR. 5,4V

Gesamte Stromaufnahme des Dopplerbausteines von 12 nach 24 GHz:
274 mA mit Ansteuerung von 23mW auf 12,225 GHz (ohne Ansteuerung 332mA),
dies bei einer Versorgungsspannung von 12,5V.

Der LO-Baustein wird inklusiv dem Verbindungskabel zum Dopplermodul abgeschraubt und das Milliwattmeter bzw. des Bolometer auf den kleinsten Messbereich heruntergeschaltet. Wird jetzt die Versorgungsspannung angelegt, darf plötzlich keine Ausgangsleistung angezeigt werden, auch nicht, wenn man ein Stückchen Draht in die Eingangsbuchse steckt, sonst schwingt das Modul und es muss von Schritt zu Schritt der Fehler gesucht werden. Dies kann einen manchmal schier zur Verzweifelung bringen, ja ich weiß!
Dann am besten ausschalten und fernsehen o. Ä. (z.B. die Lebenspartnerin in den Arm nehmen) und eine Nacht darüber schlafen. Am nächsten Tag sieht die Welt schon anders aus und man findet garantiert den Fehler. Meistens hilft an den richtigen Gehäusestellen etwas Ferritmaterial. Bei hoch verstärkenden Stufen sollte das auf das Styropor aufgelegte Kupferfoliestück nicht durchgehend von der ersten bis zur letzten Stufe reichen, leicht kann es hier zur Überkopplung vom Eingang zum Ausgang kommen und man hat dadurch allein schon Selbsterregung.

So, nun viel Erfolg!

Veröffentlichung mit Text, Schaltbild und Bestückungsplan sowie Gehäuseskizze: Michael Kuhne, DB6NT z.B. DUBUS 1-2.92, DUBUS 4.96

Gehäuse: Hubert Krause, Micro-mechanik; micro-mechanik.dg1kbf(at)t-online.de

Platinen: Kuhne electronic GmbH; http://www.db6nt.de, kuhne.db6nt(at)t-online.de, PCB 12/24 GHz Doppler, PCB 24 GHz PA Amp. HL in- koax out Bake

Fertigbaustein: Kuhne electronic GmbH; http://www.db6nt.de, kuhne.db6nt(at)t-online.de; MKU 1224

Silberleitkleber: EPOXY Produkte GmbH & Co. Vertriebs KG; Fon 06253 / 4546, HelgaSpeerEpoxy(at)aol.com, E- Solder 3025 A+ B Silberleitkleber 30g

Lötzinn: electronic COMPONENTS, super solder wire, Size: 60%, Dia: 0,56 mm

Entlötlitze: Fa. Birklin, SODER- WICK ROSIN SD, SIZE "3" 80- 3- 10, Birklin-Nr.: 10L7542

Bauteile:

Eisch-Kafka-Electronic GmbH; http://www.EISCH-ELECTRONIC.com, eisch-electronic(at)t-online.de

MIRA-ELECTRONIC K. u. G. Sauerbeck GdbR, Tel. 0911 / 555919

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