Filter, Dämpfungsglied, Vorverstärker, Preselektor oder geht´s auch ohne?

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.
 

Radiohörer erweitern ihre Stationsausrüstung mit Vorliebe um allerlei Zubehör. Für Kurzwellenempfänger  und VHF/UHF-Scanner gibt es eine große Auswahl von Zusatzgeräten, angefangen bei Antennen über Filter, Bandpässe, Dämpfungsglieder, Vorverstärker und Preselektoren. Wenn man all die Werbung für diese Produkte liest, dann möchte man fast an die Geschichte mit dem Sprit-Sparen bei Autos glauben. Denn wenn man all die Dinge glaubt, mit denen man für sparsame Autos wirbt, müsste man alle 100km anhalten, um den Tank zu entleeren, bevor er überläuft. Und wenn all die Diät-Mittelchen wie versprochen wirken, dann müsste eine übergewichtige Person bei dessen Einnahme innerhalb von zwei Wochen spindeldürr sein. Aber so geht es in der Wirklichkeit halt nicht zu. Jedes Radiozubehör hat für seinen bestimmten Zweck seine Berechtigung, aber darüber hinaus kann es kein Allheilmittel sein. In der Tat, in vielen Situationen kann kein Zubehör helfen. Schauen wir einmal auf die verschiedenen Zusatzgeräte, um zu sehen, wann, wobei und ob sie benötigt werden. Doch zunächst schauen wir auf die Grundfunktion eines Kurzwellenempfängers.
 

Die Funktion eines Kurzwellenempfängers

Ein Radioempfänger ist ein elektronisches Gerät, das zu dem Zweck gebaut wurde, gewünschte Radiofrequenzen aufzunehmen, zu demodulieren und gleichzeitig alle anderen zu unterdrücken. Alle drei Funktionen sind entscheidend für die Zufriedenheit mit dem Empfänger.

Das Front-End (Eingangsteil) des Empfängers ist für die Selektion der Frequenz verantwortlich, auf die abgestimmt wird, also auch für die Unterdrückung aller nicht gewünschten Signale. Das Front-End besteht aus einem Oszillator und einem Mischer, um die Hochfrequenz (HF) in eine Zwischenfrequenz (ZF) umzuwandeln sowie aus dem einen oder anderen Filter, um das Frequenzspektrum zu begrenzen, bevor es auf den Mischer trifft. Manche Empfänger besitzen außerdem einen HF-Verstärker, der sich zwischen dem Eingangsfilter und dem Mischer befindet, um die Empfindlichkeit zu erhöhen.

Der Grund, weshalb ein Eingangsfilter notwendig ist, ist der begrenzte Dynamikumfang des Verstärkers und des Mischers. Der Dynamikbereich ist das Maß dafür, wie viel HF-Energie die Schaltung verarbeiten kann, bevor er übersteuert wird. Wenn die Schaltung übersteuert ist, nimmt die Empfangsleistung um einiges ab. Auf stark belegten Bändern oder auf Bändern, auf denen ein oder mehrere starke, lokale Sender sind, kann der Dynamikbereich eines Empfängers schnell überschritten werden.

Filter begrenzen die Frequenzen, welche dem Empfänger zugeführt werden. Dadurch wird er von Signalen außerhalb des gewünschten Bandes befreit, was ihm ermöglich, die gewünschten Signale mit höherem Dynamikumfang zu verarbeiten. Zwei Arten von Filter gibt es:

1.Direkt, also variabel abstimmbare Tuner und
2.Bandpassfilter.

Die erste Kategorie erfordert üblicherweise einen Drehregler auf der Frontplatte des Empfängers mit der Aufschrift ?Antenne?, ?HF? oder etwas Ähnliches, um den Eingangskreis in Resonanz zu bringen. Die Bandpass-Methode benötigt spezielle Bandpassfilter für jedes Band, das je nach Frequenzwahl geschaltet werden muss.
Zusatzfilter

Filter sind frequenzselektierende Einrichtungen, die entweder bestimmte Frequenzen passieren lassen oder abschwächen. Typische Konfigurationen sind:

1.Tiefpass-Filter: 
Sie lassen alle Frequenzen unterhalb einer Grenzfrequenz passieren und dämpfen alle Frequenzen darüber.

2.Hochpassfilter:
Sie lassen alle Frequenzen oberhalb einer Grenzfrequenz passieren und dämpfen alle Frequenzen darunter. Hochpass- und Tiefpassfilter sind in ihrer Wirkung etwa spiegelbildlich.

3.Bandpassfilter:
Diese Filter lassen alle Frequenzen passieren, die über einer unteren Grenzfrequenz und unter einer oberen Grenzfrequenz liegen.

4.Bandsperrfilter:
Ein Bandsperrfilter stellt das Spiegelbild eines Bandpassfilters dar. Es sperrt alle Frequenzen über der unteren Grenzfrequenz und alle Frequenzen unter der oberen Grenzfrequenz. Das Kerbfilter (Notchfilter) ist ein schmalbandiges Sperrfilter. Sperrfilter werden üblicherweise auch Frequenzfalle genannt, doch dazu unten mehr.

Erläuterung:
Der Grund für den Einsatz eines Zusatzfilters vor dem Antenneneingang des Empfängers ist es, den Frequenzbereich, der den Empfänger erreichen soll, einzuschränken. Diese Maßnahme dient der Verhütung vor Überlastung des Eingangskreises.

Pro:
Ein Zusatzfilter kann einigen Problemen vorbeugen, besonders wenn es um starke Lokalsender geht oder der Eingangskreis des Empfängers schlicht unzureichend ist (wie bei vielen billigen Empfängern). Zwar kann kein Filter die Signale außerhalb eines Bandes 100% ausschalten (einige werden immer durchkommen), aber das Maß der Dämpfung kann schon beachtlich sein.

Kontra:
Alle Filter bringen Signalverluste mit sich, schwächen also auch die Signale innerhalb des Bandes. Dieser Effekt muss nicht, kann aber zum Problem werden, wenn das Verhältnis von gewünschten zu unerwünschten Signalen zu klein ist.

Kontra:
Der Gebrauch eines Filters ist hinderlich bei Bandwechseln, wenn nicht alle gewünschten Bänder innerhalb der Bandbreite des Filters liegen. Dieses Problem kann durch die Verwendung von schaltbaren Filtern umgangen werden oder durch die Auswahl verschiedener (einzelner) Filter mittels Koax-Schalter.

Kontra:
Die meisten Filter sind getrimmt auf bestimmte Eingangs- und Ausgangsimpedanzen. Je nach Bestimmung sind das oft 50, 75 oder 300 Ohm. Die 50 Ohm-Version findet meistens bei Funktechnik und Radios Anwendung, 75 Ohm bei Fernsehempfängern (ältere auch noch mit 300 Ohm). Stimmt die Impedanz von Ein- und Ausgang nicht überein, hat das unvorhersagbare Auswirkungen auf das Empfangsergebnis und außerdem gibt es dann Probleme mit den internen Eingangsfiltern des Empfängers.
Zusammenfassung:
Benutze ein Zusatzfilter, wenn es wirklich ein Übersteuerungsproblem mit dem Empfänger gibt. Die Übersteuerung kann eine Folge von überbelegten Bändern oder von wenigen lokalen, starken Sendern sein. Das äußert sich mit Empfindlichkeitsverlust, Intermodulationsstörungen, Erzeugung von Harmonischen (man hört Stationen auf Frequenzen, auf denen sie nicht sendet) und Übersprechen von Sendern der Nachbarfrequenzen.

Man sollte also ein Filter wählen, das sorgfältigst angepasst ist. Wenn man beispielsweise Interferenzen im Mittelwellenbereich feststellt, dann hilft ein Hochpass-Filter mit der Grenzfrequenz von 1700 bis 2500 kHz.Bei Interferenzen im VHF/UHF-Bereich sollte ein Filter für das Band eingesetzt werden, was von Interesse ist:

a)Sind alle gewünschten Frequenzen oberhalb von 108 MHz, dann käme ein Hochpass mit der Grenzfrequenz um oder etwas über 108 MHz zum Einsatz;
b)Liegen alle gewünschten Frequenzen unterhalb von 88 MHz, wäre es ein Tiefpass mit der Grenzfrequenz um oder etwas unter 88 MHz;
c)Sind die gewünschten Frequenzen über- und unterhalb von 108 MHz und 88 MHz, dann hilft ein Sperrfilter, das für den UKW-Bereich dimensioniert ist.
d)Ist man allerdings nur an einem schmalen Frequenzbereich interessiert, ist der Bandpass die richtige Wahl. Beispiele für solche Fälle sind die Amateurfunkbänder, der Empfang der Jupitersignale (18 bis 25 MHz), Beobachtung der Wettersatelliten zwischen 120 und 144 MHZ und so weiter.
 

Wavetraps

Wavetraps (Anm. von MATI: diese Sperrfilter sollen aufgrund ihrer auch hier üblich gewordenen Bezeichnung im Folgenden ?Trap? heißen) ist eine spezielle Art von Sperrfilter. Wie zu vermuten sperren auch sie eine bestimmte Frequenz und lassen alle anderen durch. In Serie geschaltete Traps in der Antennenleitung haben eine geringe Impedanz bei Resonanz und schließen die unerwünschte Frequenz kurz, wärend alle anderen durchgelassen werden. Bei der parallelen Variante sorgt die hohe Impedanz, die sich bei Resonanz einstellt, für ein Blockieren von unerwünschten Frequenzen.

Einige Trap-Schaltungen nutzen die Serien- und Parallelschaltung gemeinsam. Wenn zwei Traps auf die gleiche Frequenz abgestimmt sind, steigt die Dämpfung. Werden sie dagegen auf zwei verschiedene Frequenzen abgestimmt, arbeiten sie unabhängig voneinander mit minimaler, gegenseitiger Beeinflussung.

Pro:
Der Trap hat die gleichen Vorteile wie andere Filter (s. Besprechung oben). Er hat ferner die Eigenschaft, einzelne, starke Signale, die für Probleme sorgen, zu beseitigen. Es lohnt sich, verschiedene Varianten aus zu probieren, die für Frequenzen einer ganz bestimmten Station, z.B. ein naher Rundfunksender, dimensioniert ist. Ein Trap, der gezielt einen störenden Sender ausblendet, wirkt Wunder auf den Empfang anderer Frequenzen.

Kontra:
Traps haben aber auch einen gravierenden Nachteil gegenüber anderen Filtern. Kurz gesagt, man muss sie auf die Frequenz des unerwünschten Signals fest abstimmen. 

Zusammenfassung:
Sinnvoll ist ein Trap nur, wenn es ein oder zwei starke (und vor allem feste) Signale von Lokalsendern zu eliminieren gilt.

Bemerkung: Stücke von Koaxkabeln, gekürzt auf halbe Wellenlänge, werden oft als Trap verwendet.
 

Dämpfungsglieder

Dämpfungsglieder sind Schaltungen, die aus Widerständen, manchmal auch aus Widerständen und Kondensatoren bestehen und lediglich Signale alle Frequenzen um ein bestimmtes Maß reduzieren (üblicherweise in dB angegeben). Typische Vertreter von Dämpfungsgliedern arbeiten von Frequenzen nahe dem Gleichstrom bis hin in den VHF/UHF-Bereich. Schaltbare Dämpfungsglieder weisen Werte von 1dB, 6dB, 12dB, 20dB und so weiter auf. Sie lassen sich aber nicht nur auf einen seiner Werte schalten, sondern durch Anwahl mehrerer Werte auch addieren. Variable Dämpfer lassen sich über den ganzen Bereich frei einstellen. 

Erläuterung:
Es scheint logisch, das Dämpfungsglied zwischen Antenne und Empfänger einzuschleifen, um so die Signalpegel zu reduzieren. Im Allgemeinen wird es auch so gemacht. Wie auch immer, der wichtigste Zweck des Dämpfungsgliedes ist es, die Gesamtempfindlichkeit zu reduzieren, wenn ein starkes Signal den Empfängereingang übersteuert. Und ist er erstmal übersteuert, hat das eine Abnahme der Empfängerempfindlichkeit zur Folge. Ansonsten entstünden jedoch Störungen durch Intermodulation. Ein Dämpfungsglied reduziert alle Signale gleich und wenn es richtig eingesetzt wird, reduziert es die Signale am Empfängereingang soweit, dass der Empfänger gerade aus dem Übersteuerungsbereich gerade herraus kommt.

Pro:
Ein Dämpfungsglied kann die Effekte von starken Signalen auf allen Bändern beseitigen, nicht aber eine Frequenz alleine. Es kann die Leistung eines Empfängers beträchtlich anheben in dem Falle, dass starke Signale Übersteuerungsprobleme bereiten. Viele moderne Empfängerdesigns beinhalten bereits ein Dämpfungsglied für genau diesen Zweck.

Kontra:
Das Dämpfungsglied reduziert alle Signale gleich stark. Es ist möglich, dass es auch schwache Signale, die der Empfänger gerade so empfängt, unter seine Empfindlichkeitsgrenze abschwächt. Dennoch, wenn der Empfänger bereits in den Übersteuerungsbereich geraten ist, dann kann das Dämpfungsglied das Problem eher mildern als verschärfen.

Kontra:
Das Dämpfungsglied produziert selber Störungen. Diese Störungen stammen von dem Rauschen, was von der Bewegung der Atome in den Widerständen produziert. In einigen Fällen, besonders, wenn es sich um sehr schwache Signale in der Nähe des Rauschpegels handelt, kann das eigenproduzierte Rauschen das Signal übertreffen. Aber das kommt wohl eher selten vor.

Zusammenfassung:
Empfohlen ist die Verwendung eines Dämpfungsgliedes, ob schaltbar oder stufenlos regelbar, das sich in den Empfangsweg ein-und ausschalten lässt. Wenn starke Lokalsender vorhanden sind, wird es hinzu geschaltet, ansonsten bleibt es überbrückt. In jedem Fall sollte nur soviel Dämpfung erfolgen, wie es zum störungsfreien Empfang nötig ist.
 
 
 

Vorverstärker und Preselektoren

Diese Einrichtungen sind nicht das Gleiche, haben aber gemeinsame Funktionen, weshalb sie hier gemeinsam beschrieben werden. Ein Vorverstärker ist ein Breitband-HF-Verstärker, der zwischen Antenne und Empfänger geschaltet wird. In einigen Fällen wird er direkt an die Antenne angeschlossen, um die Leitungsverluste bis zum Empfänger auszugleichen. In den anderen Fällen sitzt er gleich am Empfängereingang.

Ein Preselektor ist eine abstimmbare Schaltung, die die gewünschten Signale passieren lässt. Wie der Name sagt, selektiert er die Signale, bevor sie den Empfängereingang erreichen. 

Ein Preselektor kann verstärkend wirken oder auch nicht: Ein aktiver Preselektor besitzen einen Verstärker, ein passiver nicht. Manche Preselektoren ermöglichen beides, je nach Schalterstellung. Der typische Aufstellungsort eines Preselektors ist z.B. neben dem Antennenwahlschalter in direkter Nähe zum Empfänger oder mit einem Stück Koax-Kabel verbunden an einer Stelle, die dem Benutzer die Bedienung noch günstiger gestaltet. 

Erläuterung:
Vorverstärker und Preselektoren mit Verstärker sind ungemein attraktiv, weil sie versprechen, den Empfänger empfindlicher zu machen. Aber es können Probleme entstehen, die die Leistung des Empfängers beeinträchtigen, wenn Verstärker vor den Antenneneingang geschaltet werden.

Eines dieser Probleme ist, dass das verstärkte Signal den Empfänger in den Übersteuerungsbereich treibt, also z.B. über den normalen, maximal erlaubten Signalpegel hinaus. Wenn dies geschieht ist  Empfindlichkeitsverlust und Intermodulation die Folge ? die Empfängereigenschaft verschlechtert sich.

Über ein Beispiel für Intermodulation aufgrund von Übersteuerung berichtete kürzlich eine Amateurfunkpublikation. Einem Amateurfunker, der im 2-Meterband arbeitete, sagte man, er habe ein Problem mit seinem Sender, weil sein Sender viele Nebenspitzen erzeuge. Das Problem stellte sich nicht als ein ?unsauberer? Sender heraus, sondern viel mehr als die Tatsache, dass der Amateur, der dieses Problem beobachtete, einen zweifach kaskadierten 30dB-Vorverstärker vor einen sehr empfindlichen VHF-Empfänger geschaltet hatte. Der Sender war praktisch ein Lokalsender und erzeugte genug Signal, um den Verstärker oder den Empfänger in die Sättigung zu treiben (Grund für die Intermodulation).

Ein anderes, potenzielles Problem ist, dass der Verstärker nicht nur das Signal, sondern auch Störungen gleichermaßen verstärkt. Wenn nun mit dem Vorverstärker oder dem aktiven Preselektor keine Verbesserung des Signal-zu-Stör-Verhältnisses (SNR) zu erreichen ist, dann gewinnt man auch nichts durch dessen Gebrauch. Alles, was man davon hätte wäre, den gleichen Müll zu hören, nur mit etwas zugedrehtem Lautstärkeregler.

Dazu kommt noch, dass alle Verstärker eigene, also zusätzliche Störungen produzieren. Dieses Rauschen erscheint dann  als reales Signal und wird mit dem Nutzsignal mitverstärkt. Ist der Rauschpegel besonders hoch, wird das Gesamt-SNR des Empfängers verschlechtert. Systemrauschen spielt eine dominierende Rolle in der ersten Stufe eines Signalweges. Erzeugt der Zusatzverstärker wesentlich weniger Rauschen als der Empfänger, ist eine Verbesserung möglich. Ansonsten wird sich nichts ändern oder gar eine Verschlechterung der Rauschsituation eintreten.

Preselektoren, aktive und passive, stimmen das gewünschte Signal vor dem Empfängereingang ab. Einige sind nur für eine Frequenz geeignet und haben einen Abstimmknopf. Andere besitzen entsprechende Bandpass-Filter, die die ankommenden Signale auf ein Band begrenzen. Beide mildern die Probleme der Breitbandverstärker durch die Vorselektion. Durch die Begrenzung des Frequenzspektrums wird das natürliche Rauschen und unerwünschte Signale entfernt, was es dem Empfänger möglich macht, seine Leistung allein auf die gewünschten Signale zu konzentrieren.

Zusammenfassung:
Wenn die Empfangsleistung des Empfängers für schwache Signale auf allen oder den meisten Frequenzbereichen ungenügend ist und zu dem keine starken Lokalsender zu berücksichtigen sind, dann kann ein Vorverstärker empfohlen werden. Sein Rauschpegel sollte aber unter dem des Empfängers liegen. Zudem sollte die Verstärkung nicht höher sein, als unbedingt nötig. Höhere Verstärkung als notwendig bringt nichts, kann die Leistung des Empfängers sogar herabsetzen.

Preselektoren sind nützlich, wenn Verbesserungen auf bestimmten Frequenzen oder einem schmalen Band notwendig sind. Sie erfordern aber für jeden Fall eine Abstimmung, was für manche Leute lästig ist. Aber sie bieten die Verbesserung der Empfangsleistung bei schwachen Signalen auf stark belegten Bändern oder bei Lokalsendern, die den Empfang von schwachen Signalen verhindern.

Bemerkung: Einige Vorverstärker oder Preselektoren neigen unter bestimmten Umständen zum Oszillieren. Batteriebetriebene Modelle tuen dies manchmal, wenn die Batteriespannung sinkt. In dem Falle strahlt das oszillierende Signal von der Antenne zum Verstärker. Das bedeutet auch die unerlaubte Erzeugung von Interferenzen in Empfängern. Viele solcher Fälle, die Fernsehstörungen (TVI) verursachten, haben zu defekten TV-Antennenverstärkern geführt!

Bemerkung: Nur hochwertige Kurzwellenempfänger und Scanner benötigen weder Preselektor noch Vorverstärker. Sie besitzen ausreichend Empfindlichkeit (und Dynamikbereich), um mit den meisten Situationen bezüglich schwacher Stationen klar zu kommen. Solche Empfänger dürften am besten ohne jeden Zusatz auskommen. Ein Vorverstärker oder Preselektor könnte diese Empfänger bestenfalls noch unterstützen, wenn es sich um extrem schwache Signale handelt oder in Fällen von sehr starker Interferenz auf dem Band, auf dem empfangen wird. Und das nur dann, wenn der Verstärker nicht für eine Verschlechterung des SNR sorgt.

Bemerkung: Es gibt kleine Reiseempfänger, die zwar eine sehr hohe Empfindlichkeit, aber auch einen kleinen Dynamikbereich besitzen. Die meisten dieser Radios kommen mit Vorverstärkern und Preselektoren nicht klar, ohne zu übersteuern. Da sollte man der Versuchung wiederstehen, all dieses Zubehör einzusetzen, selbst wenn das Radio einen Anschluss für externe Antennen zusätzlich zu ihren internen Teleskop- oder Ferritantennen besitzt.