Filter, Weichen

Der Weg vom Sender zur Antenne
und von der Antenne zum Empfänger

Hier finden Sie detaillierte Informationen und Bilder zu

Filter 2m-Relais

Filter 70cm-Relais

 

Entkopplung von Sender und Empfänger

Wesentlich für die Qualität einer Relaisfunkstelle entscheidend ist die Trennung von Sende- und Empfangsweg. Während der Sender etwa 10 Watt Hochfrequenz abgibt, was etwa 23 Volt an 50 Ohm entspricht oder + 40 dBm, soll der Empfänger gleichzeitig Eingangsspannungen bis herab zu 150 nV (Nannovolt!) – entsprechend einem Pegel von etwa -125 dBm – an 50 Ohm ungestört verarbeiten können.

Um diese Differenz von 165 dB sicher zu beherrschen, ist eine gute HF-dichte Abschirmung von Sender und Empfänger unbedingte Voraussetzung. Dies ist mittels bekannte und bewährter Technik ohne nennenswerte Schwierigkeiten realisierbar. Nicht ganz so trivial ist die Entkopplung der Antennenwege.

 

Blocking und Desensibilisierung

Blocking ist gegeben, wenn die Verstärkung der Empfänger-Eingangsstufe(n) durch ein starkes neben dem Empfangskanal liegendes Signal (zum Beispiel das Signal des Relaissenders in 600 kHz Abstand) zurück geht. Dies lässt sich beispielsweise durch die Beobachtung des S-Meters feststellen, dessen Anzeigewert zurück geht oder – bei schwachen Signalen – dass das Signal ganz einfach verschwindet.

Mancher Relaisbauer hat dies schon beobachtet: Bei ausgeschaltetem Relaissender ist die Station einwandfrei hörbar; sobald jedoch der Relaissender eingeschaltet ist, geht die S-Meter-Anzeige gegen Null zurück und die Station ist nur noch schlecht oder gar nicht mehr hörbar. Ursache hierfür ist unzureichende Entkopplung zwischen Relaissender und -empfänger.

 

Blocking-Bereich Empfänger

Ermittlung der empfängerseitig bedingten Mindestentkopplung

 

Abhilfe ist nur möglich, indem man die Blocking verursachenden starken Signale von den beeinflussten Verstärkerstufen fern hält; es geht also darum, den Empfänger gegen starke Störsignale außerhalb der Empfängerbandbreite immun zu machen.

Desensibilisierung liegt hingegen vor, wenn aufgrund eines Störsignals das
NF-Rauschen am Empfängerausgang ansteigt. Dabei geht nicht die Verstärkung der der Empfängereingangsstufen zurück.
Für diese Rauschzunahme kann es mehrere Ursachen geben:

  • Der Störsender (z. B. der Relaissender) weist starke Rauschseitenbänder auf, von denen ein Teil in den Empfangskanal fällt.
  • Der Empfängeroszillator hat starke Rauschseitenbänder. Dabei mischt der Sender einen Teil dieses Rauschens in den Empfangskanal des Empfängers.
  • Die Weitabselektion des ZF-Filters reicht nicht aus, um das in der Mischstufe ebenfalls in den ZF-Bereich gemischte Sendersignal auszufiltern.

Bei einer Relaisfunkstelle sind Maßnahmen gegen Blocking und Desensibilisierung erforderlich. Dies wird mit Hilfe von wirksamen Filtern realisiert, und zwar zur:

  • Vermeidung von Blocking
    Filter vor dem Empfängereingang (vor der ersten aktiven Verstärkerstufe), mit möglichst geringer Dämpfung auf der Empfangsfrequenz und möglichst hoher Dämpfung im Bereich der Frequenz des Relaissenders.
  • Vermeidung von Desensibilisierung
    Filter nach dem Senderausgang, mit möglichst geringer Dämpfung auf der Sendefrequenz und möglichst hoher Dämpfung im Bereich der Frequenz des Relaisempängers.

 

Nebenwellenempfang durch Intermodulation

Das »Störsignal« des Relaissenders sollte man auch aus Gründen der Intermodulation und damit möglichem Nebenwellenempfang im Auge behalten. Zwar sollen heute in Relaisfunkstellen verwendete Empfänger möglichst hohe Intermodulationsfestigkeit aufweisen (der 2m-Empfänger von DBØUA hat einen IP3 Wert von +17 dBm), aber es ist immer eine Frage der Pegel, bis eben doch Intermodulationsprodukte auftreten.
Aber auch diese Problematik lässt sich durch gute Filter beherrschen.

 

Rauschseitenbänder des Senders
Ein Teil des außerhalb des TX Träger f
TX erzeugten Rauschleistung (»Rauschglocke«) fällt in den Empfangskanal fRX
Folge:
Desensibilisierung des Empfängers.

Mit nachstehendem Diagramm kann die erforderliche senderseitige Entkopplung ermittelt werden. Dabei wird das Verhältnis Senderrauschzahl (fTX) zu Empfängerrauschzahl (fRX) für eine bestimmte zulässige Verschlechterung der Empfängerrauschzahl zugrunde gelegt.

Dabei gilt:
Je geringer das Eigenrauschen des Empfängers ist, um so höher ist die erforderliche Entkopplung.

 

Für DBØUA wurde eine Entkopplung von 90 dB (rote Linie) festgelegt. Dieser Wert ist zwar hoch, dafür ist aber beim Empfänger des 2m-Relais von DBØUA keine Beeinflussung durch den Sender hörbar bzw. messbar.

 

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Realisierung der Entkopplung

Zur optimalen Nutzung der Empfindlichkeit des Empfängers sowie der Leistung des Senders müssen folgende Voraussetzungen erfüllt sein:

  • Richtung Antenne zum Empfänger
    Geringstmögliche Durchgangsdämpfung für die Empfangsfrequenz,
    höchstmögliche Sperrdämpfung für die Sendefrequenz.
    Jede Dämpfung auf der Empfangsfrequenz verschlechtert die Empfängerrauschzahl, was durch nichts mehr gut zu machen ist.
  • Richtung Sender zur Antenne
    Geringstmögliche Durchgangsdämpfung für die Sendefrequenz,
    höchstmögliche Sperrdämpfung für die Empfangsfrequenz

Das folgende Bild zeigt die Antennenanlage von DBØUA. An der Mastspitze befindet sich die Sendeantenne und fünf Meter tiefer die Empfangsantenne.

 

Diese beiden Antennen weisen eine Entkopplung von ca. 35 dB auf.
Dieser Wert geht in den vorhin festgelegten Wert der Entkopplung (90 dB) ein, so dass für die Filter nur noch ein Dämpfungswert von 55 dB erforderlich ist.

 

Filtertechnik

Der erforderliche Filteraufwand ist abhängig

  • von der geforderten Entkopplung,
     
  • vom Verhältnis Sperrdämpfung zu Durchlassdämpfung,
     
  • vom Frequenzabstand Empfänger – Sender sowie
     
  • vom Temperaturgang.

Mit einfachen LC-Kreisen lassen sich Filter mit den geforderten Eigenschaften schon aufgrund der damit erzielbaren Kreisgüte nicht realisieren. Mitunter in Relaisempfängern im Eingang verwendete Quarzfilter scheiden schon wegen der Verluste im Durchlassbereich aus. Abgesehen von der unzureichenden Weitabselektion.

Erforderlich sind Topfkreise entsprechender Kreisgüte an, wobei sich anbieten:

  • Unversteilerter Bandpass
     
  • Versteilerter Bandpass
     
  • Bandsperre

Dabei zu berücksichtigen ist allerdings, dass mit Werkzeugen aus dem Heimwerker-Gerätepark allenfalls Filter mit Kreisgüten um Q = 5000 herstellbar sind.

 

 

Unversteilerter Bandpass

Auf dem Diagramm links sind die Selektionskurven für die Kreisgüten Q von 1000, 3000 und 10000 dargestellt, bei Durchlasssdämpfungen von 0,5 dB, 1,5 dB und 2,8 dB.
Auf dem Diagramm rechts sind die Selektionskurven für die Kreisgüten Q von 1000, 3000 und 10000 dargestellt, bei Durchlasssdämpfungen von 1,5 dB und mehr

Dies lässt erkennen, dass eine nennenswerte Sperrdämpfung in 600 kHz Abstand erst bei relativ hoher Durchlassdämpfung (bei Q=1000 ca. 15 dB) erreicht wird.
Für 60 dB Sperrdämpfung wären drei bis vier Topfkreise erforderlich, die zusammen eine Durchlassdämpfung von wenigstens 6 bis 9 dB zur Folge hätten.
Derartige Filter sind also für unseren Zweck nicht geeignet.

 

Versteilerter Bandpass

Der oben rechts dargestellte versteilerte Tiefpass weist ein günstigeres Verhältnis zwischen Durchlass- und Sperrdämpfung auf. Dargestellt sind die Durchlasskurven für die Kreisgüten Q von 1000, 3000 und 10000 bei 0,5 dB Durchlassdämpfung.

Die 30db-Sperrtiefe bei Q=10000 und die 20dB-Sperrtiefe bei Q=3000 sind etwa 200 kHz breit.
 

Das nächste Bild links zeigt das Ersatzschaltbild eines zweikreisigen versteilerten Bandpasses mit induktiver Überkopplung der Güte Q = 1000. Darüber dargestellt sind die entsprechenden Durchlasskurven bei drei unterschiedlichen Koppelinduktivitäten (LK) von 5 nH, 2,5 nH und 1nH.

Erkennbar ist, dass bezüglich des Verhältnisses minimale Durchlassdämpfung zu maximale Sperrdämpfung nur der Wert 2,5 nH (die mittlere Kurve) optimal ist.

 

Auf der rechten Seite sind die Durchlasskurven eines einkreisigen versteilerten Bandpasses mit induktiver Überkopplung dargestellt.

Die durchgezogenen Linien (1...3) gelten für Q = 316, 1000 sowie 3000 bei einem Abstand zwischen Durchlass- und Sperrdämpfung von etwa 1,5 MHz.

Die gestrichelten Linien (4...6) gelten für Q = 1000, 3000 und 10000, bei einem Abstand zwischen Durchlass- und Sperrdämpfung von etwa 600 kHz. Die ist auch Grundlage für die bei DBØUA eingesetzten Filtern.
 

Noch eine Bemerkung zu den Überkopplungen:

  • Induktive Überkopplung ergibt einen versteilerten Bandpass mit Pol rechts
    Sperrdämpfung oberhalb Durchlassbereich (Verwendung bei DBØUA Empfänger)
     
  • Kapazitive Überkopplung ergibt einen versteilerten Bandpass mit Pol links
    Sperrdämpfung unterhalb Durchlassbereich (Verwendung bei DBØUA Sender)

 

 

 

Diplexer 145 - 435 MHz

Der Sender und der Empfänger des 70cm-Relais sowie der Sender des 2m-Relais werden an einer gemeinsamen Antenne betrieben. Die Auftrennung der beiden Pfade
(2 m und 70 cm) erfolgt über einen so genannten Diplexer.

Dieser Diplexer besteht aus einem Tiefpass (für 2 m) und einem Hochpass (für 70 cm).

Der Tiefpass hat eine Einfügungsdämpfung von 0,15 dB und ist kombiniert mit einem Notchfilter, das auf 435 MHz wirksam ist. Die Sperrdämpfung im 70cm-Band beträgt mehr als 90 dB.

Der Hochpass hat eine Einfügungsdämpfung von 0,2 dB und ist kombiniert mit einem Notchfilter, das auf 145 MHz wirksam ist. Die Sperrdämpfung im 2m-Band beträgt mehr als 90 dB.

 

Zusätzlich ist hier noch ein Überspannungsableiter integriert, um in der Antennenanlage induzierte Spannungsspitzen gegen Erdpotenzial abzuleiten.

 

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Filter 2m-Relais

Filter 70cm-Relais

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