Quarzgesteuerte FM-Empfänger für das 10m-Band

Einfacher Superhet mit dem MC3357

Der integrierte Schaltkreis MC3357 wurde vor allem für den Einsatz in Doppelsuperhet-Empfängern für FM-Sprechfunkanwendungen entwickelt. Er beinhaltet alle ZF-seitig erforderlichen Stufen vom Mischer über Oszillator, ZF-Verstärker und Begrenzer bis hin zum Koinzidenz-Demodulator. Außerdem ist eine Rauschsperren-Schaltung vorgesehen, welche durch das Rauschsignal gesteuert wird. Für alles ist nur wenig externe Beschaltung erforderlich. In der herstellerseitig vorgeschlagenen Standardanwendung wird ein ZF-Eingangssgnal von 10,7 MHz dem Eingang über ein Quarz- oder Keramikfilter zugeführt. Im Mischer wird dieses Signal mit Hilfe des eingebauten und mit einem 10,245-MHz-Quarz betriebenen Oszillators auf die zweite Zwischenfrequenz von 455 kHz umgesetzt. Lediglich für den FM-Demodulator wird ein LC-Kreis und somit eine Spule benötigt.

In einer nur leicht von der Original-Applikation abweichenden Anordnung lässt sich das IC auch gut als Einfachsuper für den oberen Kurzwellenbereich betreiben. So können dann, ohne dass weitere Stufen benötigt werden, Empfänger für CB-Kanäle im 27-MHz-Bereich und natürlich auch für das 10m-Amateufunkband realisiert werden. Im Gegensatz zu entsprechenden Anordnungen mit dem TCA440, welche ohne zusätzlichen Demodulator nur für die AM-Demodulation geeignet sind, gelangt man so mit nur einem IC zu einem vollständigen Empfänger für Schmalband-FM. Um gewöhnliche Oberton-Quarze verwenden zu können, müssen diese in Serien-Resonanz betrieben werden. Dazu wird ein zusätzlicher Schwingkreis benötigt. Der Quarz liegt nun im Rückkopplungs-Zweig von Pin 2 zum kapazitiven Spannungsteiler des auf die Obertonfrequenz abgestimmten Schwingkreises.

Für den CB-Funkbereich sind geeignete Quarze auch heute noch recht gut erhältlich. Sie schwingen in der Regel um die ZF niedriger wie die gewünschte Empfangsfrequenz. Zum Empfang von CB-Kanal 19 (27,185 MHz) wird also beispielsweise ein Quarz mit der Frequenz 26,730 MHz benötigt. Für den Empfang von Frequenzen im 10m-Band ist die Beschaffung hingegen nicht so einfach. Prinzipiell könnte der Oszillator auch 455 kHz über der Empfangsfrequenz arbeiten. Um etwa die Relaisfrequenz von 29,690 MHz empfangen zu können, bekommt man aber geeignete Quarze sowohl für 29,235 MHz als auch für 30,145 MHz allenfalls als kostspielige Sonder-Anfertigung. Um normale CB-Quarze verwenden zu können, benutzte ich daher die hier an anderer Stelle vorgestellte Anordnung, bei der die mit einem CB-Quarz erzeugte Frequenz mit einem frei schwingenden Oszillator im Gebiet von etwa 2 bis 3 MHz gemischt wird. Mittels Kapazitätsdioden-Abstimmung ließen sich die gewünschten Kanalfrequenzen per Spindeltrimmer justieren. Somit einfielen nun der Schwingkreis mit kapazitiven Spannungsteiler und der am MC3357 angeschlossene Quarz. Das Injektionssignal wurde dem IC über den 270-pF-Kondensator extern zugeführt. Ist der Pegel des extern zugeführten Signals zu klein, kann Pin 2 mit einem Kondensator (z.B. 10nF) gegen Masse abgeblockt werden.

Die mit diesem 10m-Empfänger erzielbare Eingangsempfindlichkeit ist bereits ohne zusätzliche HF-Vorstufe recht gut. Um eine brauchbare Spiegelfrequenz-Unterdrückung zu erzielen, sollte sich aber zumindestens ein zweikreisiges Bandfilter im Empfängereingang befinden. Mit einer HF-Vorstufe lässt sich ohne Empfindlichkeitseinbuße mit loserer Kopplung arbeiten und somit eine bessere Filterung erzielen. Ferner wird die Filteranordnung dann nicht mehr durch die Antenne bedämpft. Eine zusätzliche HF-Vorstufe bewirkt also in der Regel kaum eine signifikante Empfindlichkeitssteigerung, wohl aber eine merkliche Verbesserung der Spiegelfrequenz-Unterdrückung.

Doppelsuper mit dem MC3361 und dem TDA7212

Beim nun vorgestellten FM-Empfänger können CB- oder Fernsteuerquarze, wie sie bei älteren AM-Geräten gebräuchlich waren, direkt als Kanalquarze verwendet werden. Es lassen sich damit unter anderem die 10m-FM-Relaisfrequenzen empfangen, also zum Beispiel 29,690 MHz. Hier sendet etwa der südlich von Hamburg auf dem Funkturm in Rosengarten installierte 10m-Sender der Relaisstation DF0HHH. Anstelle des beim zuvor gezeigten Empfänger verwendeten MC3357 kommt bei dieser Schaltung der etwas modernere Schaltkreis MC3361 zum Einsatz. Da es sich bei diesem Empfänger außerdem um einen Doppelsuper handelt, ist ein Frontend mit dem TDA7212 vorgeschaltet. Jener Schaltkreis wurde für Drahtlostelefone, Personenrufanlagen, Fernsteuerempfänger und dergleichen entwickelt. Im Gegensatz zum weit verbreiteten NE602 enthält dieses IC außer der Misch- und Oszillator-Schaltung auch eine HF-Vorstufe. Der Schaltkreis kann daher mit getrennter HF-Vorselektion und einem HF-Zwischenkreis betrieben werden, was neben der höheren ersten ZF die Spiegelselektion nochmals verbessert. Es wird mit der gezeigten Schaltung eine ausgezeichnete Eingangs-Empfindlichkeit und eine sehr brauchbare Großsignalfestigkeit erreicht.

Das verwendete LC-Einzelkreisfilter für die erste Zwischenfrequenz ist eigentlich für 10,7 MHz gedacht. Es wird durch den Parallelkondensator (1nF) auf eine niedrigere Frequenz gebracht. Zur Ummischung auf die zweite ZF von 455 kHz kommt ein einfach beschaffbarer 3-MHz-Quarz zum Einsatz. So beträgt die erste ZF 2,545 MHz. Mit diesem Wert können nun übliche 27-MHz-Obertonquarze (3. OT) als Kanalquarze verwendet werden. Für den Empfang auf 29,690 MHz wird ein Sendequarz für 27,145 MHz benötigt, wie er für Funkfernsteuerzwecke erhältlich ist. Zum Empfang der Relaiseingabe (29,590 MHz) würde sich ein Fernsteuerquarz für 27,045 MHz eignen. Mit Sendequarzen aus alten AM-CB-Funkgeräten lassen sich verschiedene andere 10m-Frequenzen empfangen, z.B. 29,620 MHz mit einem Quarz für 27,075 MHz. Die Spulen für Vorkreis, Zwischenkreis und Oszillator stammen aus alten CB-Funkgeräten. Man findet sie unter anderem in folgenden Geräten: Stabo Stratofon P3, P6, M12 und F12, Lehnert MS120, HS120, HS220, Topfunk bzw. Universum CBR2000 sowie Waltham WT512S. Ebenfalls kann der Demodulatorkreis (455 kHz weiß) diesen Geräten entnommen werden. Das passende 10,7-MHz-Filter mit orangenem Abgleichkern findet man unter anderem in den Grundig-Geräten CBM100 und CBH1000 sowie in vielen alten japanischen UKW/MW-Radios (z.B. Radiowecker). Auch in diesen Geräten befindet sich der benötigte Demodulatorkreis. Zum Auslöten solcher Filter bedarf es etwas Übung und einer guten Entlötpumpe. Man umgeht aber damit das sonst erforderliche Wickeln von Spulen.

Der Empfänger ist für Lautsprecherbetrieb geeignet und mit Rauschspannungs-gesteuerter Squelch-Schaltung (Rauschsperre) sowie S-Meter ausgestattet. Außerdem gibt es einen RX-Busy-Ausgang (logisch H bei geöffneter Rauschsperre) und einen RX-Mute-Eingang. Wird jener mit Masse verbunden, so wird der Empfänger abgeschaltet. Durch einen 10m-Sender ergänzt, lässt sich der Empfänger so in einfacher Weise zu einem kompletten Transceiver ausbauen. Die weitestgehend nach Datenblatt bzw. Applikationsschaltung aufgebaute Rauschsperre schaltet zwar geräuschfrei und weist eine praxisgerechte Hysterese auf, sie hat jedoch den Nachteil, dass das Leerrauschen nicht ganz und gar unterdrückt wird. Grund ist der im IC enthaltene Schalt-Transistor, der im durchgesteuerten Zustand einen Widerstand von etwa 10Ω aufweist. Ein leises Leerrauschen, das in dieser Intensität aber normalerweise hinnehmbar ist, bleibt also hörbar. Eine vollständige Unterdrückung ließe sich unter anderem erreichen, indem über den RX-Busy-Ausgang zusätzlich ein im NF-Signalzweig liegender FET geschaltet wird. Auch der Einsatz eines CMOS-Analogschalters ist hier denkbar. Eine weitere Möglichkeit besteht darin, mit einer Relaisschaltstufe einfach den Lautsprecher abzuschalten. In diesem Fall wird sogar das Eigenrauschen des NF-Verstärkers bei geschlossener Rauschsperre unterdrückt.

Mit Absicht habe ich das Konzept dieses Empfängers so einfach wie möglich gehalten. Daraus ergibt sich der Nachteil einer nicht allen Ansprüchen genügenden Spiegelfrequenz-Unterdrückung. Im Vergleich zu alten CB-Funkgeräten mit Einfachsuper, wie ich sie oben als Teilespender aufgeführt habe, ist sie aber immerhin noch bei weitem besser. Die auf die erste ZF bezogene Spiegelfrequenz führt zu einer Fehlempfangsstelle auf der nur wenig benutzten Frequenz von 24,6 MHz (29,690MHz-2x2,545MHz). Diese kann aufgrund des recht großen Frequenzabstands zum Empfangskanal mit dem jeweils vorhandenen einen Vor- und Zwischenkreis schon recht gut unterdrückt werden. Verbesserung würde ein Bandfilter im Emfängereingang bringen, welches mit zwei kapazitiv gekoppelten Einzelkreisen des angegebenen Typs realisiert werden kann. Der Spiegel der zweiten Mischstufe bewirkt eine Fehlempfangsstelle bei der von Funkdiensten ebenfalls kaum benutzen Frequenz von 30,6 MHz (455kHz+3MHz+27,145MHz). Der nur eine ZF-Einzelkreis in der 1. ZF bewirkt eine immerhin noch brauchbare Unterdrückung, da die falsch gebildete ZF von 3,455 MHz weit vom korrekten Wert von 2,545 MHz entfernt ist. Eine zusätzliche Unterdrückung bewirken Vor- und Zwischenkreis, die ja aus Einfach-Superhets stammen und damit die dort ebenfalls nur 910 kHz entfernte Spiegelfrequenz abschwächen sollen. Eine auch unter erschwerten Bedingungen ausreichende Unterdrückung der 30,6-MHz-Fehlempfangsstelle würde man mit zwei über einen 22pF-Kondensator gekoppelten ZF-Einzelkreisen für die erste ZF erzielen.

Der gezeigte Musteraufbau erfolgte auf einer Lochrasterplatte mit 5,08mm Rastermaß. Nicht passende Bauelemete, wie ICs und Filter, werden über Drähte bzw. durch Zwischenplatten mit 2,54mm Rastermaß adaptiert. Die Verdrahtung habe ich an allen Punkten verlötet, da sonst erfahrungsgemäß Störungen auftreten können, die sich als lästiges Knistern bemerkbar machen. Nicht benuzte Rasterpunkte sind zur Vermeidung von Oxidation verzinnt. Der Empfänger-Abgleich ist denkbar einfach: Der Oszillatorkreis wird so eingestellt, dass der Oszillator sicher anschwingt. Dies lässt sich mit einem auf 27,145 MHz eingestellten Empfänger kontrollieren. Der HF-Zwischenkreis (CB-Spule grün) und der ZF-Kreis (10,7-MHz-Filter orange) sind auf maximalen Zeigerausschlag des S-Meters bei vorhandenem, schwachen Eingangssignal abzugleichen. Der Demodulatorkreis (455-kHz-Filter weiß) ist auf beste NF-Lautstärke zu trimmen. In diesem Fall sollte die Demodulation zugleich die kleinsten Verzerrungen aufweisen. Der Vorkreis wird auf geringstes Rauschen bei schwachem Eingangssignal justiert. Eine Anpassung des S-Meters für Zeigerinstrumente aus alten CB-Funkgeräten, wo der untere Anzeigebereich wegen der für AM erforderlichen AGC zumeist gestreckt ist, lässt sich mit einer parallel zum Instrument in Flussrichtung geschalteten Diode 1N4148 erreichen. Wird in Serie dazu ein Trimmer (z.B. 50kΩ) geschaltet, ist zusätzlich zur Anzeigeempfindlichkeit auch ein Abgleich der Anzeigecharakteristik möglich.