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Weltrekord auf 122 GHz, Erfahrungen und Gerätetechnik
[2014] Ein Bericht
von OE5VRL und OE4WOG - Beginn Etwa 2006/7 wurden in DL Aktivitäten auf dem 122 GHz Band durch Walter Iller, DH6FAE und Karl Ochs, DJ6BU, sowie durch Philip Prinz, DL2AM und Jürgen Dahms, DC0DA gesetzt. In OE wurde das das Erst QSO auf 122 GHz im Jahre 2009 von OE3WRA und OE3WOG über eine Strecke von 1,5 Km durchgeführt. Sukzessive wurde dann die Streckenlänge auf 22 km erweitert. Bedingt durch die erste bzw. zweite Geräte-Generation von Transverter, CW Sender und der damals zur Verfügung stehenden Antennen-Lösung war das erstmals das Ende der Fahnenstange. Parallel zu den Aktivitäten in DL und OE wurden auch Tests und Versuche in OK durch OK1AIY und OK1UFL durchgeführt [Pavel und Milan haben am 15. Juni 2006 ihren ersten Kontakt mit 122 GHz aufgenommen.].
#01 - Blockschaltbild Transverter / CW Bakensender für den mm Frequenzbereich
Im #01 Bild der klassische Aufbau eines Transverters für typ. >100 GHz ohne Spiegelfrequenzfilter im RX. Anfangs wurden noch OCXO und feste Vervielfacher, (x 96 / x128) eingesetzt. Der OCXO wird heute durch die PLL von OE2JOM ersetzt. Die Merkmale: keine aktiven Elemente zwischen Mischer und Antenne, Das Vervielfachungskonzept: die erste Vervielfachungsstufe, ausgehend von
einer Referenzfrequenz (OCXO oder PLL ) von ca. 90 bis 141 MHz. #02 - Ausführung der Vervielfachung für 38 / 40 GHz
Entweder mit fester Vervielfachung (x 96 oder 128fach) mit den Vervielfachern der MKU Serie von DB6NT, (neue Generation mit einer PLL ausgerüstet) oder mit Verwendung eines DRO der eine flexible LO Referenz aus einem OCXO oder PLL Baustein erlaubt. Bei einer festen Vervielfachung von z.B. 96 benötigt man eine Referenzfrequenz von ca.141 MHz für 122 GHz. Nachteil: der Quarz läuft im 5ten Oberton, damit höheres Phasenrauschen, thermisch schwierig. Alternativ: die Verwendung eines DRO`s (Dielectric Resonator Oscillator). Dieser besteht aus einem keramischen Resonator (Puck), einem Kammgenerator, Sweeper und einer PLL. Das Phasenrauschen eines DRO liegt in derselben Größenordnung wie das von konventionellen Vervielfacherstufen. Die flexible Wahl des Vervielfachungs-Faktors erlaubt niedrigere Referenzfrequenzen im Bereich von z.B. 90 bis 105 MHz. #03 - 13,4 GHz DRO von CTI
Im #03 Bild ein 13,4 GHz DRO von CTI mit externen Referenzeingang. DRO´s finden sich in Satelliten LNA`s, Bei kommerziellen Richtfunkgeräten ist der DRO Stand der Technik für die LO Aufbereitung. Der Abstimmbereich beträgt einige 100 MHz, der DRO-PLL Fangbereich ca. 10 bis 15 MHz. Eine typ. Referenzfrequenz zum „locken“ eines DRO sind z.B. 101,00995 MHz, der DRO rastet dann auf der 134ten Oberwelle ein. (13.535,33333 MHz x 9 = 121.818 +432 = 122,250 GHz).
#04 - Innenleben eines 12,575 GHz DRO mit eingebauten Referenz Oszillator Im surplus finden sich DRO`s mit eingebauter Referenz, diese werden adaptiert.
#05 - Surplus
Tripler
Module von 13 auf 39 GHz Die zweite Vervielfacherstufe besteht aus dem sogenannten Tripler Modul, diese sind jedoch lineare Endverstärker für 100mW HF Ausgangsleistung und mit 50dB gain für den Frequenzbereich 38 bis 39 GHz. (Richtfunk Access für Mobilfunk) Die Vervielfachung auf ca. 40 GHz hat den Vorteil dass diese für 76 GHz (subharmonic mixer x2) und für 122 GHz (harmonic mixer x3) eingesetzt werden kann. Die unterschiedlichen im surplus verfügbaren Modelle wurden von DL2AM mehrfach beschrieben. Input SMA Buchse, Output als WR28 HL.
#06 - 60 GHz
LO Aufbereitung für einen 122 GHz subharmonic Mischer Alternativ ist es möglich ein 60 GHz LO Konzept für subharmonic mixer für 122 GHz herzustellen. Walter Iller, DH6FAE, Karl Ochs DJ6BU und Jürgen Dahms DC0DA haben für 122 GHz dieses LO Konzept vorgeschlagen und realisiert. Diese LO Aufbereitung ist jedoch dreistufig und verdoppelt von 15 GHz ausgehend zuerst auf 30 GHz und danach auf 60 GHz. Auf 122 GHz wird ein Subharmonic Mischer mit antiparalleler Diode eingesetzt. Nachteil: bedingt durch den geringen Output auf 60 GHz ist nur der RX Betrieb möglich. Diese 60 GHz LO Aufbereitung wurde von Jürgen Dahms, DC0DA im Dorsten GHZ Tagungsband 2009 beschrieben, Titel: „Neuer Empfangsmischer für 122 GHz“.
#07 - Printplatten von DB6NT für 122 GHz Mischer
/ CW Sender Für den Aufbau des Mischers sind von Kuhne electronic Leiterplatten erhältlich, die unterschiedliche Ankoppelungen in den WR28 HL ermöglichen.
Das #08 Bild zeigt oben einen Subharmonic Mischer mit antiparalleler Diode. Je nach Diodentype gibt es Unterschiede in der ZF Anschaltung und für die Einstellung des Arbeitspunktes. Bei der single Diode benötigt man eine Drossel als DC return. Unten: Der ZF Verstärker nach DB6NT und die RX/TX Umschaltung mit PCB Nr. 26, der Nachsetzer liefert die positive Schaltspannung für die RX/TX Umschaltung. In TX Richtung wird das ZF Signal über einen Pegelsteller geführt, (ca. 50 bis max. 100mW) Es empfiehlt sich eine Möglichkeit vorzusehen um die LO Eingangsleistung bei RX abzusenken und damit gegebenenfalls eine niedrigere Rauschzahl zu erreichen dies ist abhängig von der Diode und dem LO HF Pegel. Auch ein Dioden Vorstrom kann u.U. Vorteile bringen. Beim CW Bakensender entfällt die ZF Stufe und der Nachsetzer. Bei Varaktor oder Single Schottky Diode wird die 0,22µH Drossel (DC return) durch ein Trimmpotentiometer ersetzt um den Arbeitspunkt einstellen zu können. Varaktor Dioden benötigen einen Arbeitswiderstand von 5 bis 10k Ohm, für Single Schottky Dioden genügen geringere Werte.
#09 - GaAs Flip Chip Diodengehäuse
Beim 122 GHz CW Bakensender wird die Single Schottky Diode MAE1310, bzw. MAE1317 eingesetzt ( Verdreifachung ). Während man bei 76 GHz bei Einsatz einer Varaktordiode ca. 10mWatt HF Ausgangsleistung erreicht, ist die HF Ausgangsleistung auf 122 GHz um 10db geringer. (1mW) Für Subharmonic Empfangs Mischer werden antiparallele Dioden, für Harmonic Mischer, Single Dioden (MAE1317 oder MAE1310) eingesetzt. Alle Dioden haben die gleiche Gehäusegröße. Im Bild die Flipchip Single Diode MAE1317 von M/A Com. Die mechanischen Abmessungen sind: 0,66 x 0,33 x 0,19mm.
#10 - Dioden einkleben Egal ob Schottky oder Varactor Dioden, die Bauteile werden mit den vergoldeten Anschlussflächen (0,2 x 0,17mm) auf die stripline der Leiterplatte mittels Silberleitkleber aufgeklebt.
Die Verarbeitung und Installation von Flip Chip Dioden wird in den Beschreibungen von Kuhne electronic und DL2AM erklärt. Man benötigt diverse Utensilien und Hilfsmittel, bewährt haben sich Stichel, Nadeln, Zahnstocher, etc.
Seit Beginn der Aktivität auf dem 122 GHz Band wurde eine Vielzahl an HF Gehäusen für die Aufnahme der Mischer PCB`s entwickelt. Im Bild ein 3teiliges Gehäuse von OE5VRL, bei dieser Anordnung erreicht man ein kompaktes und schlankes Profil.
Im Bild ein 122 GHz Transverter der Generation I von OE5VRL für die Befestigung des Transverters im Brennpunkt der Antenne.
Im Bild ein 122 GHz Transverter von OE3WOG Generation II, mit 13,5 GHz DRO, Antennenhalterung auch mit 20mm Halterung jedoch noch mit einer 70cm KEPS Antenne und Referenz aus einem externen OCXO.
Im Bild der 122 GHz Transverter von WA1ZMS und W4WWQ (W2SZ). Mit diesen Anlagen wurde der Weltrekord im Jahr 2005 durchgeführt.
Im Bild die 122 GHz Anlagen von OK1UFL und OK1AIY (rechts im Bild). Der bewegliche Stativkopf trägt ein längliches Gehäuse in dem der Transverter und der CW Bakensender parallel eingebaut sind. Jedes Gerät hat eine eigene Antenne, z.B. Parabolantenne und/oder Rechteckhorn. Die Anlagen laufen gleichzeitig, kritisch ist die exakt parallele Ausrichtung der Antennenachsen.
Der Messaufwand in den mm Frequenzbändern reduziert sich im Wesentlichen auf: Leistungsmessung, Rauschzahlmessung, Frequenzmessung, Großsignalfestigkeit, Nebenempfangseigenschaften und unerwünschte Nebenaussendungen spielen eine untergeordnete Rolle. Mit Verwendung einer PLL nach OE2JOM als Referenz ist die Frequenzmessung praktisch obsolet geworden. Die Leistungs-und Rauschzahlmessung ist jedoch schwieriger zu bewerkstelligen. Hier hilft die Teilnahme an Mikrowellenstammtischen und Events bei denen oft kommerzielle Messgeräte zur Verfügung gestellt werden. (Hohenbachern, München, Dorsten, Heelweg, etc.) siehe Bilder : Heelweg und Hohenbachern.
Sonst behilft man sich mit dem gleichzeitigen Aufbau eines CW Senders und eines Transverters, mit beidseitigen Abgleich werden die Geräte gegenseitig optimiert. z.B. HF Pegel mittels Spektrum-analyzer in der ZF Ebene messen. In OE treffen wir uns regelmäßig zu Funkfeldtests zwecks benchmarking und Erfahrungsaustausch.
Im Bild der 122 GHz CW Sender mit 1mW Pout von OE3WOG mit DRO und PLL (Version 2013) Das nächste Bild zeigt den 122 GHz Transverter und CW Sender von OE5VRL.
Sämtliche derzeit auf den mm Bändern in OE verwendeten Parabolantennen sind aus massivem Aluminium und mittels CNC Maschine gefertigt worden. Auch die 121cm Antenne (35kg) besteht aus Vollaluminium stammt jedoch aus einer kommerziellen Fertigung. Entsprechende Vorkehrungen waren daher zum Einstellen der 121 cm Antenne notwendig, siehe Bild. Wesentlich für den Erfolg auf den mm Bändern ist ein regelmäßiges Treffen der mm Enthusiasten mit Erfahrungsaustausch und mit Geräte und Feldtests.
Die Bedingungen für den Streckenrekord auf 122 GHz: im Bild der Geländeschnitt Plöckenstein zum Untersberg, die Strecke ist LOS, inkl. freier Fresnelzone.
Auf den mm Frequenzbändern kommt zusätzlich zur Frequenz und Entfernung abhängigen Funkfelddämpfung die sogenannte Atmosphärische Zusatzdämpfung hinzu.
Laut obiger Tabelle lag das empfangene Signal ca. 5 db über der Hörbarkeitsgrenze unserer Empfänger, wobei wir aus verschiedenen Tests im Vorfeld wussten, dass das verwendete Equipment nicht aufs db gleich war. Der CW Sender von OE5VRL hatte um etwa 3 db weniger HF Ausgangsleistung (-3 dbm) dafür war auf der Seite von OE3WOG der RX Mischer empfindlicher damit haben sich die Unterschiede wieder aufgehoben. Wir hatten die Geräte so aufgeteilt, dass die Voraussetzungen für ein mögliches Gelingen etwa gleich waren. Wäre die zusätzliche Dämpfung um nur 0,05 db/km höher gewesen (6,6db/132/km) so hätte das QSO nicht geklappt. Betreffend die Verwendung von Parabolantennen im mm Bereich ist festzuhalten dass nur noch mit wirklich präzisen Antennen Erfolge machbar sind. Bei einem Test im Jahr 2010 haben wir festgestellt, dass ein 65 cm Spiegel aus der Fernsehempfangstechnik gerade mal 1 db mehr Gewinn aufwies, als ein präzise hergestellter Spiegel mit nur 10 cm Durchmesser.
Seit dem Beginn unserer Aktivität auf dem Bändern 76 und 122 GHz verwenden wir das System mit den 20 mm Feed Halterungen. Genau vor dem Brennpunkt befindet sich eine auf einem Dreibein montierte Hülse mit einer 20 H7 Bohrung. In dieser Bohrung wird der Strahler mitsamt dem Transverter bzw. CW Sender von vorne eingeschoben und mechanisch gehalten. Damit ist es auch möglich in kurzer Zeit das Equipment zu tauschen. Es ist sinnvoll bei Tests auf den Mikrowellenbändern, zuerst auf einer niedrigeren Frequenz (10, 24, 47, 76 GHz) die Antenne auszurichten und dann auf das nächst höhere Band zu wechseln. Dabei wird die Antenne immer wieder nachjustiert. (je höher die Frequenz desto kleiner der Öffnungswinkel). Zum Ausleuchten des Spiegels verwenden wir passende offene Rundhohlleiter für alle Frequenzbänder ab 10 GHz. Die Mechanik ist so ausgelegt, dass man den Transverter bis zum Anschlag in die Halterung einschiebt, damit befindet sich der Strahler genau im Brennpunkt. Unsere Eigenbauspiegel aber auch der kommerzielle 121 cm Spiegel haben ein F/D von 0,4. Da wir alle das gleich Montageprinzip für den Feed verwenden sind wir kompatibel was den Vergleich der Geräte leichter macht. Wir verwenden Eigenbau Spiegel (auf CNC Drehmaschine gefertigt) mit Durchmesser 10cm, 40cm, 47cm, und ein professionellen Spiegel (Alu Druckguss) mit Durchmesser 121 cm.
Um bei diesen kleinen Öffnungswinkeln die Antenne genau Positionieren zu können ist eine stabile Mechanik nötig. Zum Feinjustieren eignen sich Gewindespindeln hervorragend. Natürlich muss auch das Stativ robust ausgeführt sein, um eine stabile und Windfeste Plattform bereitzustellen.
Beispiele welcher Aufwand beidseitig nötig ist um verschiedene Funkstrecken zu bewältigen.
YouTube Videos die das Thema 122 GHz ansprechen:
http://www.youtube.com/watch?v=JlgoepVF43E
http://www.youtube.com/watch?v=cynX4VD2n6Q
http://www.youtube.com/watch?v=E6LP6hBSeIY
http://www.youtube.com/watch?v=SHrMtOXnf98
http://www.youtube.com/watch?v=OMronFbILRY
Zukünftige Projekte:
60 GHz LO für 122 GHz Subharmonix mixer
Phasenrauschen
T9 CW Note auch auf 122 GHz
Ausleuchtung der Antennen
134 GHz ( was sonst ? )
? TNX OE4WOG & OE5VRL for permition to put their presentation at OK2KKW web - edited by OK1TEH |
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