Universeller Empfangsmischer für Es’hail-2/AMSAT Phase-4A

Universeller Empfangsmischer für Es’hail-2/AMSAT Phase-4A

September 13, 2018 Aus Von Peter Gülzow

Während wir in der Vergangenheit auf AO-40 Erfahrungen mit dem Betrieb auf 13 cm machen konnten wird für die meisten von uns der 10 GHz Empfang Neuland sein. Kommerzielle TV-Sat Hardware ist ohne Modifikationen mit einem herkömmlichen SSB Transceiver nicht zu gebrauchen. In diesem Artikel wird ein Abwärtsmischer vorgestellt, welcher diese Lücke schliessen kann.

 

Situation

Durch die weite Verbreitung kommerzieller Empfänger für das Satellitenfernsehen sind Antennenanlagen für 10-11 GHz mit entsprechenden Low Noise Blocks (LNBs) sehr günstig im Handel zu bekommen. LNBs sind ganz allgemein formuliert Vorverstärker mit Abwärtsmischern, welche das Ku-Band zwischen 10.7-12.75 GHz auf die von TV-Receivern verwendete ZF von 950-2150 MHz umsetzt. Üblicherweise werden hierzu zwei getrennte LO Frequenzen verwendet (9750 MHz bzw. 10600 MHz), welche mit einem 22 kHz Signal auf der Koaxialleitung umgeschaltet werden. Die Umschaltung zwischen den beiden linearen Polarisationsebenen (vertikal/horizontal) wird mit der Betriebsspannung gemacht (14V bzw. 18V). Für die von Phase-4A verwendeten Downlinkfrequenzen von 10489 MHz (Schmalband/NB, 250 kHz) und 10495 MHz (Breitband/WB, 8 MHz) ist nur die LO Frequenz von 9750 MHz sinnvoll. Dies resultiert in Zwischenfrequenzen von 739 MHz (NB) und 745 MHz (WB). Leider sind diese Frequenzen weder von herkömmlichen SSB Transceivern noch von Satellitenreceivern erreichbar. Hier wäre ein SDR-Stick nötig was aber von vielen OMs nicht gewünscht ist.

Lösungsansätze

Eine der ersten Ideen war die Modifikation von kommerziellen LNBs. In der Vergangenheit waren die Lokaloszillatoren von LNBs sogenannte dielektrische Resonanzoszillatoren (DRO): kleine keramische Pillen auf der LNB Platine, welche durch Auflegen von weiteren Keramikscheibchen in der Frequenz nach unten verschoben werden konnten. Nicht nur war diese Methode relativ ungenau: die DROs sind von der Phasenstabilität für Fernsehsignale zwar ausreichend, für SSB oder gar CW Signale aber komplett unbrauchbar. Moderne LNBs haben einen spannungsgesteuerten Oszillator, welcher mittels einer Phasenregelschleife (phased locked loop, PLL) an einen Referenzoszillator (üblicherweise ein Quarz, ca. 25-27 MHz) gelockt werden. Diese PLL LNBs sind im Phasenrauschen deutlich besser und für Schmalbandsignale geeignet. Die erforderliche Modifikation bedeutet nur noch den Austausch des Quarzoszillators. Erfahrungsgemäss ist jedoch die Arbeit mit SMD Bauteilen und die Selektion des passenden Quarzes nicht jedermanns Sache und so gibt es mittlerweile diverse OMs welche modifizierte LNBs anbieten.

Neuer Ansatz: nachfolgender Mischer

David Bowman G0MRF publizierte in den OSCAR NEWS (September 2016) einen Abwärtsmischer, welcher basierend auf einem SI590 Oszillator auf 595 MHz das Schmalbandsignal in das 2m-Band herabmischt. Unabhängig von diesem Entwurf (den wir Anfangs nicht kannten) waren wir innerhalb der AMSAT-DL ebenfalls der Meinung, dass eine Lösung geschaffen werden musste um mit möglichst viel kommerzieller Technik dem Funkamateur einen einfachen Zugang zu Phase-4A zu ermöglichen. Auch wir entschieden uns für einen Abwärtsmischer mit 594 MHz, resultierend in einer ZF von 145 MHz. Gleichzeitig sollte unser Mischer aber den LO auch zum Mischen des WB Signals verwenden. Dieses ursprünglich auf 745 MHz liegende Signal wäre nach einer Aufwärtsmischung bei 1339 MHz, passend zu herkömmlichen Satellitenreceivern. Um die Nutzung dieser Baugruppe weiter zu vereinfachen sollen die koaxialen Eingänge direkt mit einem LNB kompatibel sein, also F Standard und 75 Ohm. Auch die notwendigen Versorgungsspannungen von 14/18V sollten lokal generiert werden. Das war in etwa unsere Wunschliste, welche am Rande der EME Versuche Anfangs Juni 2017 erstellt wurde. Ziel war an der Hamradio in Friedrichshafen (Mitte Juli!) einen Prototypen vorstellen zu können…

Entwurf

Das Blockschaltbild des Hochfrequenzteils war relativ schnell gezeichnet. Firmen wie Analog Devices oder auch Mini-Circuits bieten diverse Baugruppen im GHz Bereich an, die alle intern bereits auf 50 Ohm angepasst sind und mit minimalem Aufwand betrieben werden können. Nicht ganz unerwartet war die Erzeugung der LNB Versorgungsspannungen etwas aufwändiger. Etwas überraschend fanden wir aber schnell hochintegrierte Schaltregler-ICs, welche direkt aus der Fernsehtechnik kommen und speziell zur Speisung solcher LNBs ausgelegt sind. Zwei weitere Schaltregler erzeugen die weiteren Spannungen aus 12V: 3.3V für den Lokaloszillator (bei uns ein ADF4360-7) und dem zum Initialisieren benötigten Mikrokontroller und 8V für die HF-Verstärker. Der Frequenzsynthesizer benötigt natürlich noch eine Referenz, welche mit einem 10 MHz TCXO realisiert wurde. Für die meisten Nutzer wird dies bei weitem stabil genug sein, da die thermische Drift des Oszillators im LNB die gesamte Frequenz(in)stabilität dominieren wird. Sollte jemand aber einen phasengelockten LNB verwenden, ist auf dem Mischer die Möglichkeit vorgesehen eine externe 10 MHz Referenz anzuschliessen um das gesamte Empfangssystem zu stabilisieren.

Realisierung

Als Formfaktor wurde ein Weissblechgehäuse mit den Dimensionen 111mm x 74mm gewählt. Wie bereits erwähnt sind alle 75 Ohm Steckverbinder als F-Buchse ausgeführt. Lediglich der Anschluss für die 2m ZF ist eine BNC Buchse. Der optional bestückbare Referenzeingang ist für eine SMA Buchse ausgelegt. Um die 75 Ohm Verbindungen intern an 50 Ohm anzupassen wurde ein breitbandiges und damit aber auch verlustbehaftetes Widerstandsnetzwerk gewählt. Die Rauschzahl der gesamten Baugruppe ist somit nicht sehr niedrig (NF ca. 10 dB), Das ist aber auch nicht wirklich kritisch, da vom LNB genug Verstärkung zur Verfügung gestellt wird und somit die Rauschzahl des Mischers nicht schwer wiegt.

Zur Programmierung des ADF4360-7 Synthesizers wird ein Microchip Kontroller (PIC18F2520) verwendet. Da hier ausschliesslich das I2C Interface für den LNB-Schaltregler und ein paar digitale Pins zur Programmierung des Oszillators verwendet werden hätte es sicher auch ein einfacherer Kontroller getan (‚used because available‘). Das 594 MHz Signal wird mittels einem resistiven Teiler zwei MMIC Verstärkern zugeführt, welche den Pegel auf die vom nachfolgenden Mischer benötigten +7 dBm anheben.

Auf der NB Seite wird das 739 MHz Signal nach einem Hochpassfilter bei 660 MHz verstärkt und dem Mischer zugeführt. Das Filter ist für die Unterdrückung der Spiegelfrequenz nötig und verhindert auch, dass der LO Richtung LNB geführt wird. Nach dem Mischer wird das Signal abermals verstärkt und das unerwünschte Mischprodukt mit einem Tiefpassfilter unterdrückt. Zur Sicherheit gegen versehentliche Sendeleistung auf dem 2m Ausgang befindet sich hier noch ein 10dB Abschwächer gefolgt von zwei antiparallel geschalteten Dioden. Auf der WB Seite befindet sich ebenfalls ein Hochpassfilter gefolgt von einem Verstärker und dem eigentlichen Mischer. Nach einer weiteren Verstärkung folgt hier aber ein Hochpassfilter, welches das WB Nutzsignal isoliert.

Der LNB Schaltregler erzeugt auf seinen zwei Kanälen sowohl 14 V als auch 18 V. Normalerweise wird die Umschaltung über das I2C Interface vom Mikrokontroller gemacht. Im Interesse der Nutzerfreundlichkeit wird hier aber darauf verzichtet und die Auswahl mittels üblicher 2.54 mm Kurzschlussbrücken realisiert. Zwei weitere Schaltregler erzeugen 3.3 V für den Synthesizer und den Kontroller sowie 8 V für die Verstärkerstufen.

Erste Ergebnisse

Nach dem Bestücken (was nur mit einem Mikroskop gelingt, dazu später mehr) ging es an die ersten Spannungsmessungen an den Reglern. Wie nicht anders zu erwarten lieft hier sofort alles wie geplant. Das nachfolgende Entwickeln der Kontroller-Firmware wurde durch frühere Projekte und entsprechend vorhandenen Code-Segmenten deutlich erleichtert und auch hier konnte innerhalb weniger Stunden sowohl der LNB Regler als auch der Synthesizer erfolgreich in Betrieb genommen werden. Schliesslich ging der Mischer an den Messplatz wo mittels Signalgenerator und Spektrumanalyzer die Funktionsweise verifiziert wurde. „Erstaunlicherweise“ funktionierte der Mischer auf Anhieb, was angesichts der kurzen Entwicklungszeit alles andere als selbstverständlich war. Der NB Pfad ist sogar soweit innerhalb der geplanten Performance dass hier keinerlei Änderungen nötig sind. Leider sind auf dem WB Pfad sowohl die doppelte LO Frequenz (1188 MHz) als auch die dreifache LO Frequenz (1782 MHz) sehr prominent. Diese werden im Mischer aufgrund seiner nichtlinearen Kennlinie zwingend erzeugt und durch das folgende Hochpassfilter bei 1000 MHz nicht eliminiert. Hier besteht jedoch die Gefahr, dass die Eingangsstufe des folgenden Satellitenreceivers durch diese beiden starken Signale, welche in seinem Empfangsbereich liegen, übersteuert würde. In einem Versuch wurde dieses Hochpassfilter testweise durch ein Oberflächenwellenfilter (SAW, surface acoustic wave) ersetzt, welches bei 1330 MHz eine Bandbreite von 80 MHz hat. Die störenden Signale konnten hiermit ausreichend reduziert werden, so dass in der nächsten Version ein SAW-Filter zum Einsatz kommen wird.

Wie geht es weiter?

Auf der HAMRADIO in Friedrichshafen wurden zu der Baugruppe eigentlich nur zwei Fragen gestellt: „Gibt es das als Bausatz?“ und „Wo liegt der Preis?“. Die Bausatzfrage können wir mit einem klaren ‚jein‘ beantworten. Fertiggeräte müssen gewisse Normen und Deklarationen erhalten (selbst im Amateurfunk) und diesen Aufwand kann und will die AMSAT-DL nicht betreiben. Ein Bausatz im klassischen Sinne verbietet sich jedoch aufgrund der Baugrösse einiger Komponenten (0402 Spulen und 0.5 mm Pitch der ICs) sowie dem QFN Gehäuse einiger Halbleiter (gar keine Beinchen mehr..). Auch sind die Kosten einer maschinellen Bestückung in Relation zum nötigen Support zu setzen, welchen die AMSAT-DL gegenüber den Käufern eines Bausatzes leisten müsste. Der mögliche Zwischenweg besteht hier in der maschinellen Bestückung aller SMD Bauteile wobei dem Endnutzer dann die verbliebenden bedrahteten Bauteile überlassen werden, z.B. die Koaxialbuchsen und Steckbrücken. Was den möglichen Preis angeht sind wir in Abklärungen mit entsprechenden Firmen. Hier stellt sich die Frage nach der benötigten Stückzahl. Üblicherweise greifen Skaleneffekte ab ca. 100 Baugruppen, so dass dies für einen vernünftigen Preis als minimale Losgrösse angesehen werden sollte. Nach ersten Gesprächen sind wir zuversichtlich, dass bei solchen Stückzahlen ein Preis von unter 150 Euro möglich sein sollte. Ob die Gemeinschaft der Satellitenfunker ausreichend Interesse an dieser Baugruppe zeigt wird sich in den nächsten Monaten herausstellen, spätestens aber noch erfolgtem Start und Inbetriebnahme der Phase-4A Transponders in 2018.

Achim Vollhardt, DH2VA

veröffentlicht im AMSAT-DL Journal Nr. 3 Jg. 44, September 2017

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