Frequenzvervielfacher II

In der Klasse E haben wir bereits Frequenzvervielfacher auf Blockebene kennen gelernt. In der Klasse A wollen wir verstehen, wie sie funktionieren

Dioden und Transistoren besitzen eine nichtlineare Kennlinie. Werden sie mit einem sinusförmigen Signal angesteuert, wird dieses dadurch verzerrt. Wie wir bereits gelernt haben, entstehen bei solchen nichtlinearen Vorgängen Oberwellen. Bei einem Frequenzvervielfacher wird dieser Effekt gezielt genutzt: Das Eingangssignal wird zunächst nichtlinear verzerrt, sodass zahlreiche Oberwellen entstehen. Anschließend wird die gewünschte Oberwelle mit einem abgestimmten Schwingkreis oder Filter ausgewählt und als Ausgangssignal verwendet.

Technisch wird ein Frequenzvervielfacher so realisiert, dass das Eingangssignal zunächst einer nichtlinearen Verzerrerstufe zugeführt wird. Dies kann z. B. ein Klasse-C-Verstärker sein, welche wir im laufe des Kapitels noch besprechen werden. Anschließend wird aus dem Signalgemisch mittels Filtern die gewünschte Oberschwingung des Signals selektiert und an die nächste Stufe weitergeführt. Da die Frequenzvervielfachung auf Oberschwingungen/Harmonischen basiert, sind nur ganzzahlige Vielfache der Grundfrequenz möglich. In der Praxis wird (bis auf wenige Ausnahmen) nur die 2. Harmonische oder 3. Harmonische der Grundfrequenz verwendet (Verdoppelung, Verdreifachung). Um höhere Frequenzvervielfachungen zu erreichen, werden daher Stufen mit Verdoppelung oder Verdreifachung hintereinandergeschaltet, so dass sich deren Faktoren anschließend multiplizieren.

AF311: Nach welchem Prinzip arbeitet die analoge Frequenzvervielfachung?

Durch Frequenzvervielfachung und ggf. deren Hintereinanderschaltung werden Frequenzprodukte erzeugt, die oft zu Störungen führen können. Daher müssen Stufen der Frequenzvervielfachung sehr gut abgeschirmt sein, um unerwünschte Abstrahlungen maximal zu reduzieren.

AF313: Wie sollten Frequenzvervielfacher in einer Sendeeinrichtung aufgebaut und betrieben werden?

Eine typische Vervielfacher-Schaltung (siehe Abbildung NEA-11.12.1) enthält eine Verstärkerstufe, welche bewusst mit fehlender Basis-Vorspannung betrieben wird. Hierdurch entsteht ein Verstärker im Klasse-C Betrieb, der das Eingangssignal stark verzerrt und an dessen Ausgang das Signal mittels Filtern entnommen wird. Hierbei kommen für die Filter entsprechende Schwingkreise zum Einsatz, die auf der gewünschten Frequenz in Resonanz sind und meist abstimmbar sind.

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1) Kurzzusammenfassung: Schaltplan mit Transistor BF 224, Eingangsanschluss „96 MHz“, Ausgangsanschluss „288 MHz“, Versorgung „+“/„-“, sowie Widerständen, Kondensatoren, zwei gekoppelten Spulen (Transformator) und mehreren Massepunkten.

2) Detaillierte Beschreibung: Links ist ein offener Anschluss mit der Beschriftung „96 MHz“, der über einen Kondensator „6,9 pF“ zu einem Knoten führt. Von diesem Knoten geht ein Widerstand „3,3 kΩ“ senkrecht nach unten zur gemeinsamen Masse-Schiene am unteren Rand. Der Knoten ist außerdem mit der Basis eines Transistors in einem Kreis mit der Beschriftung „BF 224“ verbunden. Vom Emitter des Transistors führt ein Widerstand „330 Ω“ nach unten zur Masse; parallel dazu ist rechts ein Kondensator „1 nF“ vom Emitter zur Masse eingezeichnet. Der Kollektor führt nach oben zu einem Knoten, der einerseits nach oben zur Versorgung geht (dort ein Kondensator „1 nF“ nach Masse und in Serie eine liegende Spule zum Anschluss „+“) und andererseits nach rechts zum oberen Ende einer links stehenden Spule eines Transformator-Symbols (zwei benachbarte Spulen mit Koppelstrich dazwischen); das untere Ende dieser linken Spule geht zur Masse. Vom Kollektor-Knoten führen zudem zwei verstellbare Kondensatoren (Symbol mit schräger Platte) nach unten zur Masse. Rechts davon befindet sich die zweite, gekoppelte Spule: Ein Abgriff in ihrer Mitte ist nach rechts zu einem offenen Anschluss mit der Beschriftung „288 MHz“ geführt; der andere Anschluss der Spule ist über eine hochgezogene Leiterbahn nach unten mit der Masse-Schiene verbunden. Am unteren Rand verläuft durchgehend eine gemeinsame Masse-Leitung mit mehreren schwarzen Verbindungspunkten; am rechten Ende ist sie mit „-“ beschriftet. — Abbildung NEA-11.12.1: Beispiel für eine Schaltung eines Frequenzvervielfachers mit Klasse-C-Verstärker ohne Basis-Vorspannung

AF312: Worum handelt es sich bei dieser Schaltung?

Wenn mehrere Vervielfacher-Stufen innerhalb eines Gerätes hintereinandergeschaltet sind, kann es zu Störungen auf Frequenzen kommen, die sich zwischen den einzelnen Vervielfacher-Stufen bilden. Um diese Frequenzen zu ermitteln, muss man den Weg des Signals durch die einzelnen Stufen und dessen danach vorhandene Frequenzen berechnen. Daher ist die Reihenfolge der entsprechenden Vervielfacher-Stufen von entscheidender Bedeutung bei der Ermittlung von Störfrequenzen, denn nur gewisse Frequenzen sind mathematisch möglich.

AF314: Ein quarzgesteuertes Funkgerät mit einer Ausgangsfrequenz von 432 MHz verursacht Störungen bei 144 MHz. Der Quarzoszillator des Funkgeräts schwingt auf einer Grundfrequenz bei 12 MHz. Bei welcher Vervielfachungskombination kann die Störfrequenz von 144 MHz auftreten?

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