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Wadley-Loop-Empfänger

An dieser Stelle versuche ich kurz und bündig die Funktionsweise eines Wadley Loop-Empfängers zu erklären. Es handelt sich um ein Prinzip, welches Ende der 1950er Jahre Verbreitung in der kommerziellen Funktechnik fand. Die seinerzeit noch mit Röhren bestückten Empfänger von Racal arbeiteten nach einem derartigen Prinzip. Bei der Wadley-Loop handelt es sich daher um ein anloges Verfahren. Dieses ermöglicht es, Kurzwellen-Empfänger für einen großen Frequenzbereich zu konzipieren, ohne dass aufwendige Wellenbereichs-Umschalter benötigt werden. Erstmals fand man es in dem in Südafrika produzierten Barlow Wadley XCR-30 auch in einem Empfänger für SWLs und Amateure. Weitere nach diesem Verfahren arbeitende Empfänger waren unter anderem der SSR-1 von Drake, der FRG-7 von Yaesu, der C-6500 von Standard und der DX-300 von Tandy. Mit der Aufkommen digital kontrollierter Oszillatoren verlor das Prinzip an Bedeutung.

Das bereits in den 1940er Jahren vom südafrikanischen Dr. Trevor Wadley entwickelte Prinzip basiert auf dem Überlagerungs-Prinzip. Es wurde zunächst für präzise Wellenmessgeräte verwendet. Im Empfänger eingesetzt, wird für die Verarbeitung des Empfangssignals vom Empfängereingang bis zum Demodulator (mindestens) ein  Dreifach-Super benötigt. Da mit dem Loop-Mischer eine zusätzliche Mischstufe erforderlich ist,  kommt man dann auf insgesamt vier Mischstufen. Durch eine spezielle Aufbereitung der Überlagerungsfrequenzen wird der Empfangsbereich bis 30 MHz in gleich große, jeweils 1 MHz breite Segmente unterteilt. Das funktioniert sogar auch unterhalb von 1 MHz. In einem Doppelsuper mit quarzgesteuertem ersten Oszillator würde man 30 Quarze mit einem Frequenzabstand von jeweils 1 MHz benötigen. Im Wadley-Dreifachsuper wird nur ein einziger Quarz benötigt!

Zusammenfassend bietet das Wadley-Prinzip folgende Vorteile:

– Kontinuierlicher Empfangsbereich von <1 bis 30 MHz
– in sämtlichen 1MHz-Segmenten gleiche Skaleneichung
– gute Abstimmbarkeit in den nur 1 MHz breiten Segmenten
– in allen Bereichen hohe und gleichbleibende Frequenzstabilität
– der Abgleich von Vor- und Zwischenkreisen entfällt

In allen Segmenten erfolgt die eigentlich Abstimmung jeweils über einen Bereich von 1000 kHz. Hierfür lassen sich problemlos genau anzeigende Skalen herstellen. Eine genauere Anzeige ist mit einem Frequenzzähler für den Abstimm-VFO prinzipiell auch beim Wadley-Empfänger möglich. An den Feintrieb für den Abstimmknopf müssen infolge des jeweils nur 1000 kHz breiten Abstimmbereichs keine allzu großen Forderungen gestellt werden.  Dementsprechend ist trotz geringem elektrischen und mechanischen Aufwand eine hohe Wiederkehr-Genauigkeit erzielbar.

Im gezeigten Blockschema ist ersichtlich, dass von der Antenne kommende Signale über einen Preselektor an die HF-Vorstufe gelangen. Als Preselektor genügt ein auf die Empfangsfrequenz abgestimmter Einzelkreis. Infolge der hohen ersten ZF können Spiegelfrequenzen wirksam mit einem Tiefpass zwischen Vorstufe und dem 1. Mischer eliminiert werden. Letzterer setzt das Signal je nach eingestellter Frequenz innerhalb eines 1MHz-Segments in einen Bereich von jeweils 39,5…40,5 MHz um. Weshalb das 40MHz-ZF-Filter 300 kHz breiter ist, wird später noch erklärt. Der erste Mischer erhält sein Injektions-Signal vom Bandsetz-VFO. Er arbeitet oberhalb der 1. ZF und lässt sich von 40,5 bis 69,5 MHz abstimmen. Mit ihm werden die jeweils 1 MHz breiten Empfangssegmente ausgewählt. Über das Filter für die 1. ZF gelangt das Signal an den zweiten Mischer. Zugleich wird das Signal vom Bandsetz-VFO dem Loop-Mischer zugeführt. Hier wird es mit dem Oberwellenspektum eines quarzstabilen 1MHz-Signals gemischt. Dieses erstreckt sich von 3 bis 32 MHz. Darüber liegende Harmonische werden durch einen Tiefpass unterdrückt.

Das Ausgangssignal des Loop-Mischers wird in einem Selektiv- bzw. Bandpassverstärker weiterverarbeitet. Dieser verstärkt nur Mischprodukte, die im Bereich von 37,5 MHz ± 150 kHz liegen. Das dadurch gewonnene Signal dient als Injektionssignal für den 2. Mischer. Er mischt die 1. ZF auf die im Bereich von 2 bis 3 MHz liegende 2. ZF. Die sich daran anschließende Schaltung arbeitet wie ein gewöhnlicher Einfachsuper für den Bereich von 2 bis 3 MHz. Der hier verwendete VFO dient der eigentlichen Empfänger-Abstimmung. Die hier geforderte hohe Stabilität ist für die Gesamtstabilität des Empfängers ausschlaggebend. Bei den mit einem Abstimmbereich von 2,455 bis 3,455 MHz niedrigen Frequenzen ist jene jedoch ohne größeren Aufwand zu erreichen.

Die Stabilitäts-Anforderungen an den Bandsetz-VFO sind nur gering, weil jede Frequenzdrift eine entsprechende Frequenzänderung der 1. ZF bewirkt. Bei Abweichungen von ± 150 kHz wird die entsprechend abweichende 1. ZF infolge des insgesamt 1,3 MHz breiten Filters immer korrekt weiter verarbeitet. Auch das 37,5 MHz-Mischprodukt darf infolge des 300 kHz breiten Selektiv-Verstärkers entsprechend von der Sollfrequenz abweichen. Diese Abweichung wirkt sich aber über den zweiten Empfangsmischer gegenläufig auf die empfangene Frequenz aus, so dass im Endeffekt von einer Frequenzdrift von ± 150 kHz beim Empfang nichts zu bemerken ist.

Um dies zu veranschaulichen, ein praktisches Beispiel, bei dem der Empfänger auf eine Frequenz von 14 MHz abgestimmt ist.  Selbstverständlich wird dazu der Preselektor auf diese Frequenz eingestellt. Es sei der Bandsetz-VFO auf 54,5MHz eingestellt, so dass sich als 1. ZF eine Frequenz von 40,5 MHz ergibt. Der Loop-Mischer bildet aus 54,5 MHz und der 17. Harmonischen des Quarzoszillators eine Differenz von 37,5MHz. Jenes verstärkte und gefilterte Signal gelangt an den zweiten Empfangs-Mischer. Mit der 1. ZF gemischt entsteht als 2. ZF ein Differenzsignal von 3 MHz. Der Abstimm-VFO muss demzufolge auf 3,455 MHz eingestellt sein.

Nun sollen die Verhältnisse betrachtet werden, wenn das 14-MHz-Signal im benachbarten Segment empfangen werden soll. Dazu wäre der Bandsetz-VFO auf 53,5 MHz abzustimmen, so dass sich für die erste ZF ein Wert von 39,5 MHz ergibt. Das 37,5MHz-Injektionssignal wird jetzt durch Mischung der 53,5 MHz mit der 16. Harmonischen des 1MHz-Quarzoszillators gebildet. Aus der 1. ZF von 39,5 MHz und dem 37,5MHz-Injektionssignal ergibt sich nun eine 2. ZF von 2 MHz.  Somit muss der Abstimm-VFO nun auf der Frequenz 2,455 MHz arbeiten.

Aus diesen beiden Beispielen ist ersichtlich, daß alle genau auf volle MHz fallenden Frequenzen jeweils in zwei benachbarten Segmenten empfangen werden können. Der Abstimm-VFO wird dafür einmal aufs obere Bandende und das andere mal aufs untere Bandende abgestimmt. Lediglich die Frequenz von 30 MHz ist nur einmal, nämlich am oberen Bandende im obersten Segment empfangbar. Die theoretisch mögliche niedrigste Frequenz von 0 Hz ist ja ohnehin nicht möglich. Die niedrigste Empfangsfrequenz kann prinzipiell im Längstwellenbereich liegen und wird im wesentlichen durch die Ausführung des Preselektors bestimmt.

Der Bandsetz-VFO braucht nur grob auf die für den gewünschten Empfangsbereich passende Frequenz eingestellt sein. Seine Skala braucht folglich keine große Genauigkeit aufweisen. Wird er beispielsweise auf 41,5 MHz abgestimmt, liegt der Empfangsbereich bei 1 bis 2 MHz, bei  42,5 von 2 bis 3 MHz und so weiter. Es soll nun gezeigt werden,  dass eine leichte Fehleinstellung beziehungsweise eine Frequenzdrift des Bandsetz-VFOs keine nachteiligen Auswirkungen auf den Empfang hat. Bezugnehmend auf das  Beispiel zum Empfang eines 14MHz-Signals sei der Bandsetz-VFO anstelle von 54,5 MHz auf eine Frequenz von 54,6 MHz gedriftet. In diesem Fall beträgt die 1. ZF nun 40,6 MHz. Theoretisch wäre für den Empfänger in der 1. ZF ein 1 MHz breites Filter ausreichend. Um beim praktisch ausgeführten Empfänger nun mit einer solchen Frequenzdrift klarzukommen, lässt das 40-Mhz-Filter einen ± 650 kHz breiten Bereich durch. Anderenfalls würde eine 1. ZF von 40,6 MHz nicht mehr an den 2. Mischer gelangen.

Analog dazu verhält es sich mit dem vom Loop-Mischer gebildeten 37,5 MHz-Signal.  Bei der abweichenden Frequenz von 54,6 MHz vom Bandsetz-VFO entsteht durch Mischung mit der 17. Harmonischen des Quarz-Oszillators eine Frequenz von 37,6 MHz. Da der Selektiv-Verstärker für 37,5 MHz eine Bandbreite von ± 150 Khz aufweist, wird auch dieses Signal ungehindert zum zweiten Mischer gelangen. Ebenso wie bei exakter Einstellung des Bandsetz-VFO auf 54,5 MHz wird auch bei abweichender Abstimmung auf 54,6 MHz mit einer 1. ZF von 40,6 MHz und einer Injektionsfrquenz  von 37,6 MHz am Ausgang des 2. Mischers eine 2. ZF von 3 MHz gebildet. Dies zeigt, dass Abweichungen des Bandsetz-VFOs in dieser Weise automatisch kompensiert werden. Bei Frequenzabweichungen über ± 150 kHz  sinkt an den Filterflanken zunächst lediglich die Signalstärke. Vor allem deshalb sollte eine solche Einstellung vermieden werden, auf die empfangende Frequenz hat dies jedoch keine Auswirkungen. In der Praxis ist die Konstruktion eines VFO für den Bereich von 40,5 bis 69,5 MHz mit einer Stabilität von besser als ± 150 kHz kein großes Problem.

Für korrektes Arbeiten eines Wadley-Empfängers beziehungsweise für gute Empfänger-Eigenschaften werden effiziente Tiefpass- und Bandpassfilter benötigt.  Darüber hinaus ist ein sorfältiger Aufbau und eine gute Abschirmung zwischen den verschiedenen Stufen notwendig. Anderenfalls werden zum Beispiel unter anderem die Harmonischen des 1MHz-Quarzoszillators empfangen. Um dies sicher zu verhindern, müssen auch die Stromversorgungsleitungen sorgfältig mit Kondensatoren abgeblockt und gegebenenfalls auch mit HF-Drosselspulen gesiebt werden.  Es empfielt sich eine Kammerbauweise. Wenn man bedenkt, welch schaltungstechnischer und mechanischer Aufwand mit diesem Konzept einerseits eingepart werden kann und welch gute Empfangs- und Bedienungseigenschaften sich andererseits erreichen lassen, lohnt jener Aufwand allemal. Man erhält dafür einen Empfänger, der sich exakt und mit etwas Übung blitzschnell auf jede gewünschte Frequenz im Empfangsbereich einstellen lässt.

 

Quellenangabe: Ian Pogson, Electronics Australia, Januar 1971

© Claus Schmidt, DL4CS

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