Vorwort: Ein weiterer Bericht aus unserer Joe Carr Tech Notes Serie. Diese Serie richtet sich hauptsächlich an Hobbyneulinge und Einsteiger und befasst sich mit einigen Grundlagenthemen. Sie wurde uns freundlicherweise von Fred Ostermann zur Übersetzung zur Verfügung gestellt und ist im englischen Original auf http://www.dxing.com nachzulesen.
Wer in der Nähe eines AM-Rundfunksenders wohnt, hat möglicherweise ernste Empfangsprobleme, sogar mit einem hochwertigen Kurzwellenempfänger. Auch wenn ein hoher Preis für einen guten Empfänger meist eine Investition zu Gunsten des Schutzes vor Übersteuerung darstellt, kann ein Lokalsender auch seine Abwehrkräfte übertrumphen.
In den USA steht für den Mittelwellenrundfunk der Frequenzbereich 530 ? 1700kHz zur Verfügung. Die meisten Stationen haben eine Sendeleistung von 1 ? 10kW (viele lokale Füllsender auch 250 ? 500W). Darüber hinaus gibt es die als ?clear Channel? bezeichneten Stationen, die mit 50kW Sendeleistung rund um die Uhr arbeiten. Diese Stationen (z.B. WSM Nashville, 650kHz) arbeiten auf Frequenzen, die für andere Sender im Umkreis von, so schätze ich, 2400km, tabu sind.
Wohnt man in einer Entfernung von wenigen hundert Metern zu solch einer Station, ist es nicht unwahrscheinlich, am Antennenausgang etwa 1 Volt HF-Spannung zu messen (in einem Fall wurden 4 Volt gemessen!). Unter diesen Bedingungen sieht sich der Empfänger Signalen gegenüber, die dutzendfach höher sind als die Mikrovolt-Pegel, für die er ausgelegt ist.
Das Problem
Also, worin besteht das Problem? Der Empfänger, ganz gleich, auf welcher Frequenz er empfängt, ist in seiner Eingangsstufe für ein bestimmtes Maß an HF-Energie ausgelegt. Steht mehr Energie an, entstehen ein oder mehrere Folgen der Übersteuerung. Zum einen kann die Ursache eine zu hohe Signalstärke des gewünschten Senders sein. Zum anderen könnte auch eine zu große Anzahl von Stationen innerhalb eines Bandes die Ursache sein, die von der Eingangsstufe zu verarbeiten sind. In noch anderen Fällen ist es sogar ein sehr starkes Signal außerhalb des Bandes. Bild 1 zeigt verschiedene Bedingungen, mit denen ein Empfänger zu recht zu kommen hat. Aus diesen Ursachen der Übersteuerung resultieren die unterschiedlichen Empfangsprobleme, die sich alle in Intermodulation und/oder Kreuzmodulation äußern.
Kurbelt man einmal über die Kurzwellenbänder, vorallem unterhalb 10 ? 12MHz, und beobachtet dabei eine Station, die eine Breite von hunderten kHz zu haben scheint, dann ist man Zeuge einer solchen Übersteuerung. Wird der Mischer oder Verstärker des Empfängers aus seinem Arbeitsbereich herrausgetrieben, äußert sich das eben in einer Anzahl von unechten Signalen und einer sehr großen Bandbreite.
Der Empfänger kann nur eine bestimmte Menge von HF-Energie in seiner Eingangsstufe verkraften. Dieser Pegel ist die obere Grenze des Dynymikbereiches und bestimmt auch den ICP3 (Intercept Punkt 3. Ordnung). Ein starkes Signal außerhalb des Bandes kostet dem Dynamikbereich des Empfängers soviel, dass nur noch ein kleiner Betrag seiner Verarbeitungskapazität für das gewünschte Signal zur Verfügung steht. Der Pegel des gewünschten Signals reduziert sich damit. In einigen Fällen ist die Übersteuerung derart stark, dass das gewünschte Signal unhörbar wird. Filtert oder dämpft man das starke Signal, wird der Hintergrund wieder hörbar. Somit hat der Empfänger wieder ausreichend Kapazität, um beide Signale, also das unerwünschte wie das erwünschte, zu verarbeiten.
Wichtig ist die Frage, was geschieht, wenn Signale empfangen werden, die viel stärker sind als die jenigen, die für das Abflachen der ?Eingangs-zu-Ausgangs-Kurve? verantwortlich sind. Ein unglücklicher Umstand ist die Erzeugung von Harmonischen, die im Original-Signal nicht vorhanden sind. Harmonische sind ganze Vielfache der Eingangssignal-Frequenz, die damit bei der Einstellung höherer Frequenzen wieder erscheinen. Die Harmonischen erscheinen mitunter innerhalb eines abgestimmten Bandes und sind deshalb als im Empfänger selbst erzeugte Signale zu betrachten.
Starke Intermodulationsprodukte entstehen, wenn sich zwei Signale überlagern, also mischen. Diese ?Mischung? entsteht, weil die Empfängereingangsstufe an diesem Punkt nicht linear ist. Die von zwei bestimmten Eingangsfrequenzen F1 und F2 erzeugte und resultierende Frequenz kann als mF1 ` nF2 beschrieben werden, wobei m und n ganzzahlig sind. Wie man sieht, hängt es von der Anzahl der Frequenzen und deren Stärke ab, welche Anzahl von falschen Signalen vom Empfängereingang selbst erzeugt werden.
Wozu sind eigendlich die Zwischenfrequenzfilter da? Man hat, je nach Empfänger, Filter mit Breiten von 270Hz bis 8kHz, also warum können diese nicht diese tückischen, unerwünschten Signale fernhalten? Das Problem ist, dass die Misere bereits in der Eingangsstufe geschieht, bevor die Signale die Zwischenfrequenzfilter erreichen.
Das Problem, aus dem alle anderen entstehen ist der übersteuerte HF-Verstärker, Mischer oder beides. Realistisch betrachtet ist die einzige Lösung die, den Pegel der eingehenden Signale zu reduzieren. In diesem Bericht werden wir uns mit Dämpfungsgliedern, dem Gebrauch von Hochpassfiltern und ?Frequenzfallen?, den sog. Wavetraps befassen.
Die Wahl des Dämpfungsgliedes
Einige moderne Empfänger sind mit einem oder mehreren schaltbaren Dämpfungsgliedern in der Eingangsstufe ausgestattet. Einige besitzen auch einen HF-Regler, der manchmal auf gleiche Weise funktioniert. Manche SWL´s benutzen auch externe, in die Antennenleitung geschaltete und fest oder schaltbar ausgeführte Dämpfer für den gleichen Zweck. Immer ist die Idee bei der Benutzung eines Dämpfungsgliedes, die HF-Energie und damit alle Signale schon vor der Eingangsstufe des Empfängers soweit zu reduzieren, dass sie unter dem Pegel eintreffen, der in der Lage wäre, Übersteuerung und Intermodulation zu erzeugen. Der Dämpfer reduziert die gewünschten und unerwünschten Signale gleichermaßen. Und dessen Verhältnis bessert sich spürbar, wenn die Eingangsstufe entlastet wird unter einen Punkt, ab dem üblicherweise eine Desensibilisierung des Empfängers auftritt oder Intermodulation und Harmonische erscheinen.
Die Antennenwahl
Auch die Antenne kann bei AM-Rundfunksendern verschiedene Probleme verursachen. Generell kann eine resonante Antenne, deren Enden (also mit deren Nullstellen) auf die störende Station gerichtet sind, bessere Leistung bieten als eine auf ?zufällige? Länge geschnittene Drahtantenne, wie sie wohl bei SWL´s am weitesten verbreitet ist.
Und so ist allgemein bekannt, dass vertikale Antennen empfindlicher gegenüber starken Sendern reagieren, da sie das elektrisches Feld ihrer Bodenwellen besser aufnimmt
Die Filterwahl
Eine der besten Maßnahmen ist es, die störenden Signale auszufiltern, bevor sie die Eingangsstufen des Empfängers erreichen, wärend das gewünschte Signal möglichst wenig gehindert wird. Das ist jedoch nicht mit einem Dämpfungsglied möglich, das alle Signale gleichermaßen abschwächt. Ein Signal, das außerhalb des Bandbereichs eines Frequenzfilters liegt, wird hingegen gesondert abgeschwächt. Wenn auch nicht vollständig, so ist die Dämpfung je nach nach Konstruktion beträchtlich.
Signale, die innerhalb des Bandfilters liegen, bleiben durch das Filter nicht gänzlich unbeeinflusst. Allerdings sind die Verluste für Signale innerhalb des Bandes wesentlich geringer als die, denen die Signale außerhalb des Bandes unterliegen. Die ?In-Band-Verluste?, korrekt als Durchgangsverluste bezeichnet, sind in der Regel recht klein und liegen bei ?1 bis ?2dB, im Gegensatz zu den ?Außer-Band-Verlusten?, die der gewünschten Dämpfung entsprechen und viele dB´s betragen sollen.
Besonder Filtertypen werden zur Reduzierung von Interferenzen verwendet. Ein Hochpass-Filter lässt alle Signale oberhalb einer bestimmten Grenzfrequenz (FG) durch. Das Tiefpass-Filter lässt alle Signale unterhalb dieser Grenzfrequenz passieren. Diese Filter entsprechen denen, die Amateurfunker zwischen Sender und Antenne schalten, um der Aussendung von Harmonischen und damit Interferenzen in Fernsehempfängern vorzubeugen.
Ein Bandpassfilter lässt Frequenzen zwischen einer unteren (FU) und einer oberen (FO) Grenzfrequenz durch. Ein Sperrfilter stellt im Grunde das Gegenteil eine Bandpass-Filters dar. Es unterdrückt die Frequenzen zwischen den Grenzfrequenzen FU und FO, wärend alle anderen passieren können. Ein Notch-Filter, im Deutschen als Kerbfilter und im Englischen als Wavetrap (Frequenzfalle) bezeichnet, unterdrückt einen sehr schmalen Frequenzbereich, also einen bedeutend schmaleren als ein Bandpass-Filter. Wie auch immer, all diese Filter dämpfen bestimmte Frequenzen überproportional, wären andere durchgelassen werden. Und das mehr oder weniger.
Wo ein Filter in eine Antennensystem eingesetzt wird, zeigt Bild 1 weiter unten. Der ideale Platz ist so nahe wie möglich an dem Antenneneingang des Empfängers. In der Praxis ist es am sinnvollsten, sofern man den Platz hat, das Filter direkt über eine Kupplung (beidseitig Stift) an den Empfängereingang anzuschließen.
Ansonsten kann die Verbindung über ein möglichst kurzes Stück Koaxkabel hergestellt werden. Man sollte in jedem Fall Empfänger und Filter über die Erdanschlüsse geerdet haben (sofern vorhanden). Notfalls stellt man den Erdkontakt über den Schraubring der Stecker her.
Verschiedene Formen von Filtern
Sperrfilter
Ein Sperrfilter (hier die o.g. Wavetrap) ist ein Schaltkreis, der speziell zur Unterdrückung einer Frequenz konstruiert ist. Zwei Varianten finden Verwendung: Die Serienschaltung (Bild 2A) und die Parallelschaltung (Bild 2B).
Die Serienschaltung liegt quer zum Signalweg (s. Bild 2A) und funktioniert in der Form, dass sie bei ihrer Resonanzfrequenz eine sehr niedrige Impedanz und jenseits der Resonanzfrequenz eine sehr hohe Impedanz aufweist. Im Resultat bedeutet das für ein interferierendes Signal (für das das Filter dimensioniert ist) einen Kurzschluss, im Gegensatz zu allen anderen Frequenzen. Die Parallelschaltung liegt in Reihe zum Signalweg (s. Bild 2B). Sie erzeugt eine hohe Impedanz auf ihrer Resonanzfrequenz, wodurch das störende Signal blockiert wird, bevor es den Empfänger erreicht. Dem entsprechend erzeugt sie eine niedrige Impedanz für Frequenzen jenseits der Resonanz.
Wavetrap´s sind nützlich in Situationen, in denen einzelne Stationen für Probleme sorgen und man nur diese beseitigen will. So z.B., wenn man in der Nähe eines starken Rundfunksenders wohnt und deshalb nicht auf das ganze Band (z.B. LW, MW) verzichten möchte. Vorallem Mittelwellen-DXer setzen oft Wavetrap´s gegen Lokalsender ein, entweder zur Erhöhung des Dynamikbereiches oder Beseitung anderer Störungen.
Die Werte der Bauteile, gezeigt in Bild 2A und 2B, sind für den Mittelwellenbereich ausgelegt, können aber auch für den Langwellenbereich dimensioniert werden. Eine gute Ausgangsposition stellt ein Drehkondensator von 365pF sowie eine Spule von 200 bis 220µH dar. Beide Komponenten sollten variabel ausgeführt sein, um das Abgleichen zu vereinfachen. Wie auch immer, Bauteile mit Festwerten erfüllen ihre Aufgabe ansonsten genau so gut.
Wenn zwei Stationen gleichzeitig für Interferenzen sorgen, können auch zwei Wavetrap´s hinter einander eingesetzt werden, verbunden durch ein kurzes Stück Koax-Kabel. In diesem Fall verwendet man ein Serienfilter für die eine und ein Parallelfilter für die andere Frequenz ein. Andernfalls könnten sich die beiden Schaltungen gegenseitig beeinflussen und für Probleme sorgen.
Hochpass-Filter
Das klassische Hochpass-Filter hat eine Grenzfrequenz von 1700 bis 3000kHz. Es lässt die Kurzwellenbereiche passieren, wärend es besonders die Signale des Mittel-und Langwellenbereiches unterdrückt. Dadurch wird die Empfangsleistung im Kurzwellenbereich verbessert. Bild 3 zeigt eine sehr bewährte Schaltung. Sie ist leicht hergestellt, da die Kapazitäten von 0,001µF und 0,002µF (durch Parallelschalten von zwei 0,001µF-Kondensatoren) alle mit einem Wert, nämlich 0,001µF hergestellt werden können.
Die Spulen haben beide 3,3µH und können mit Ringkernen gefertigt werden. Wenn dazu der T-50-2 ROT (Anm. von MATI: Diese Bezeichnung bezieht sich auf Ringkerne des amerik. Herstellers AMIDON) mit dem AL-Wert von 49 eingesetzt werden soll, dann sind 26 Windungen Kupferlackdraht von geringem Durchmesser erforderlich. Bei dem Typ T-50-15 ROT/WEISS mit dem AL-Wert von 135 sind es 15 Windungen. Die Schaltung in Bild 3 liefert ordendliche Resultate bei geringem Aufwand. Viele Leser erzählten mir, wie begeistert sie von der Schaltung waren, nachdem sie damals veröffentlicht wurden, eine Reaktion, die mich befriedigte. Aber es geht auch noch besser…
Absorptions-Filter
Das Absorptions-Filter (Orr 1996 und Weinreich/Carroll 1998) umgeht ein Problem der direkten Hochpass-Filter-Methode und bietet generell bessere Resultate auf Kosten einer höheren Komlexität. Dieses Filter (Bild 4) besteht aus einem Hochpass-Filter (C4-C6 / L4-L6) zwischen dem Antenneneingang (J1) und dem Empfängerausgang (J2). Es lässt Signale oberhalb 3MHz passieren und unterdrückt diejenigen darunter. Es besteht außerdem aus einem Tiefpass-Filter (C1-C3 / L1-L3), das Signale unterhalb 3MHz passieren lässt. Das Besondere an diesem Filter ist, daher auch der Name, dass das Tiefpass-Filter mit 50 Ohm abgeschlossen wird. Diese Schaltung funktioniert etwas besser als ein direktes Hochpass-Filter, weil es Energie vom unterdrückten Band absorbiert und zudem die Effekte von unpassenden Filterabschlüssen, d.h. Impedanzen, reduziert (wenn auch immer noch nicht entfernt).
Einige Kapazitätswerte sind nicht Standard, können aber mit üblichen Keramik-Scheiben-Kondensatoren oder mica-Kondensatoren durch Kombination erreicht werden.
Die anderen Kapazitätswerte sind Standard.
Die Spulendimensionierung gestaltet sich etwas schwieriger. Obwohl es möglich ist, kommerziell gefertigte (z.B. von Toko) oder selbstgemachte Festinduktivitäten in Zylinderform zu verwenden, ist dies nicht empfehlenswert. Soll erst einmal das Filter auf seinen gewünschten Wert abgestimmt werden, und das ohne Frequenzgenerator, dann stellt man fest, wie frustrierend sich der Versuch gestaltet, die einzelnen Sektionen voneinander zu entkoppeln. Der bessere Weg ist die Verwendung von selbst gefertigten Ringkernspulen. Sie reduzieren die gegenseitige Beeinflussung durch die Magnetfelder der Spulen, was die Konstruktion wesentlich vereinfacht. Einige Dimensionierungen der Spulen sind in der folgenden Tabelle 2 aufgeführt:
Für alle Spulen wird Kupferlackdraht #24 bis #30 AWG verwendet (Anm. von MATI: 0,5 bis 0,25mm Durchmesser).
Der Abschlusswiderstand am Ausgang des Tiefpass-Filters (R1 in Bild 4) kann aus einem 51-Ohm Kohle-oder Metallschicht-Widerstand bestehen, ebenso aus zwei parallel geschalteten 100 Ohm-Widerständen. Zur Not tut es auch ein 47-Ohm-Widerstand, aber das wäre schon ein Kompromiss. In jedem Fall sollten es Widerstände sein, die keine Eigeninduktivität besitzen, wie eben diese Kohle-oder Metallschicht-Widerstände in der Größenordnung von ¼ bis 2 Watt.
Sollen an dem Absorptionsfilter Experimente für andere Grenzfrequenzen als 3MHz durchgeführt werden, helfen die Blindwiderstandswerte in der Tabelle 3, die Werte der einzelnen Bauteile zu berechnen.
Die exakten Bauteilwerte können mit der Gleichung für induktive und kapazitive Blindwiderstände gefunden werden:
L = XL / 2 p f für Induktivität und
C = 1 / 2 p f XC für Kapazität
Die Dimensionen sind: f in Hz, X in Ohm, L in Henry und C in Farad
Die errechneten Bauteilwerte mögen nicht Standardwerten entsprechen, können aber durch die Anzahl von Windungen (bei Spulen) oder der Kombination von Kapazitäten in Serie bzw. parallel bei Kondensatoren erlangt werden.
Abschirmung
Die Abschirmung ist ein unverzichtbarer Bestandteil von Filtern, die der Störreduktion dienen sollen. Ansonsten werden Signale das Filter umgehen und direkt an dessen Ausgang gelangen, ohne von diesem gefiltert zu werden. Verwende dazu ein Aluminiumgehäuse mit abschirmender Wirkung von der Sorte, bei der sich die Ober- und Unterseite mindestens mit 5-6mm überlappen. Ich verwende gelötete Blechgehäuse für die hier gebauten Filter-Prototypen.
Erwartete Ergebnisse
Sind die korrekten Bauteile ausgesucht und ein gutes Schaltungslayout gelungen (was bedeutet, dass der Ein- und der Ausgang sich an den Enden gegenüber liegen, also räumlich möglichst voneinander getrennt sind), dann dürfte ein Absorbtionsfilter Dämpfungswerte von ?20dB / Oktave über Fc, -40dB bei zwei und ?60dB bei drei Oktaven aufweisen. Für ein 3MHz-Signal bedeutet eine Oktave 6MHz, zwei Oktaven 12MHz und drei Oktaven 24MHz. Mein Ergebnis lag etwas unter den hier genannten Werten, weil einige Komponenten nicht ganz korrekt dimensioniert waren (z.B. habe ich vorabgestimmte, kommerziell gefertigte Spulen anstatt selbst dimensionierter Ringkernspulen eingesetzt).
Eine geeignete Schaltung für US-Fernseh-Bänder ist von Weinreich/Carroll (1968) entwickelt worden. Aus der selben Feder stammen auch weitere Filter-Schaltungen, die Amateurfunker und SWL´s gerne zu Experimenten heran ziehen. SWL´s, die sich deren Schaltungen bedienen müssen nur berücksichtigen, dass die Rollen von Empfänger und Dummy-Load für die Filter darin vertauscht sind.
Fazit
Das Problem von MW/LW-Rundfunk-Interferenzen in Kurzwellenempfängern durch starke Signalpegel kann wirklich zur Verzweiflung führen. Gerade mal sehr hochwertige KW-Empfänger können diesen Energieschleudern Paroli bieten. Sonst erfüllen entweder Traps, Hoch-Pass- oder Absorptions-Filter in den meisten Fällen ihren Zweck. Ich habe selbst gesehen, dass ein Filter innerhalb des Sendehauses einer AM-Station mit einer Sendeleistung von 5.000 Watt seinen Zweck erfüllte (dem diensthabende Ingenieur, auch ein Amateurfunker, verging das Lachen!).
