Butler-Oszillator als UKW-Prüfsender

Oszillatorschaltungen und Bauanleitungen für UKW-Prüfsender bzw. UKW Minisender gibt es in einschlägiger Literatur und dem Internet zu Genüge. Dennoch bereiten derartige Schaltungen immer wieder gerade Anfängern große Probleme beim Nachbau. In diesem Artikel werden der grundsätzliche Aufbau, die genaue Funktion und die typischen Fehlerquellen erklärt.

UKW-Prüfsender, UKW Minisender und Minispion sind nur einige typische Anwendungsbereiche bei denen man Oszillatorschaltungen begegnet. Ein Großteil dieser Schaltungen verwendet einen Butler Oszillator zur Erzeugung hochfrequenter Schwingungen.

Obwohl die Schaltung im Prinzip recht simpel und einfach zu verstehen ist, bereitet der Nachbau solcher Schaltungen häufig Probleme. Die Gründe hierfür sind vielfältig. Zum einen liegt das an der schlechten Dokumentation der Schaltungen und zum anderen an fehlender Fachkenntnis des Nachbauers. Fehlende Messtechnik für diesen Frequenzbereich verstärkt die Auswirkung beider Herausforderungen dann noch zusätzlich.

Butler Oszillator für Frequenzen von bis zu 200 MHz

Butler Oszillator für Frequenzen von bis zu 200 MHz

C5 stabilisiert und filtert die Betriebsspannung minimal und sollte daher so dicht, wie möglich an T1 positioniert werden. Der Spannungsteiler an der Basis von T1, bestehend aus R2 und R3, spannt die Basis von T1 auf etwa 2/3 der Betriebsspannung vor. C4 ist für Hochfrequenz quasi ein Kurzschluss und sorgt dafür, dass die Basis für Hochfrequenz auf Massepotential liegt. R1 sorgt für eine Strombegrenzung. C1 ist für die Rückkopplung zuständig und sorgt dafür, dass die Schaltung zuverlässig schwingt.

Anstelle eines 2N2222 kann man auch nahezu jeden anderen NPN-Transistor verwenden. Ein 2N3904 oder sogar ein einfacher BC549 tut es ebenso. Der Wert von C1 ist unkritisch und kann im Bereich um 100 MHz prinzipiell jeden beliebigen Wert über 4,7 pF haben. Mit sinkender Frequenz sollte C1 entsprechend größer dimensioniert werden. R3 kann man bei höheren Frequenzen auch weg lassen. R3 schadet bei hohen Frequenzen zwar nicht, aber wer sich Bauteile sparen möchte, kann dies gerne tun.

Lässt man R3 weg und schaltet eine Elektret-Mikrofon Kapsel parallel zu C4, hat man einen einfachen Minispion, häufig auch als „Wanze“ bezeichnet. Daher findet man diese einfache Schaltung recht häufig in der Literatur rund um Minispione.

Der Schwingkreis am Kollektor von T1, bestehend aus C3 und L1, bestimmt die Frequenz des Oszillators. Man kann die Resonanzfrequenz mit Hilfe der Thomsonschen Schwingungsgleichung berechnen.

Thomsonschen Schwingungsgleichung

Thomsonschen Schwingungsgleichung

Bei der richtigen Dimensionierung des Schwingkreises liegt für unerfahrene Bastler allerdings schon der erste Stolperstein begraben.Man darf nämlich nicht nur blind die Induktivität der Spule und die Kapazität bzw. den Kapazitätsbereich des Trimmers einsetzen. Macht man es dennoch, wird man enttäuscht feststellen, dass der Oszillator auf einer viel tieferen Frequenz schwingt. Hat man dann keine Messgeräte, wie beispielsweise einen Frequenzzähler zur Verfügung, wird man vergebens versuchen das Signal mit einem Radio zu empfangen.

Doch woran liegt das? Die Lösung ist eigentlich derart offensichtlich, dass man sie nur zu leicht übersieht; Die Drähte der Bauteile, sowie die Bauteile selbst, weisen zusätzlich zu den gewünschten Eigenschaften weitere unerwünschte Kapazitäten und Induktivitäten auf. Man bezeichnet diese Phänomene als parasitäre Kapazitäten bzw. Induktivitäten.

Leider sind diese parasitären Kapazitäten und Induktivitäten nicht sonderlich berechenbar. Sie hängen von den verschiedensten Faktoren, wie der Länge der Zuleitungen, dem verwendeten Leiterplattenmaterial und den verwendeten Bauteilen selbst ab. Bei Luftspulen kann man als Faustregel von einer parasitären Kapazität von ungefähr 1 pF pro mm Durchmesser ausgehen. Diese Kapazität liegt zusätzlich zum Trimmer C3 parallel zur Spule. Genaugenommen handelt es sich bei der Luftspule in der Praxis schon alleine um einen Schwingkreis.

Bei den Spulen selbst muss man auch aufpassen. So habe ich zum Beispiel mit Festinduktivitäten bei hohen Frequenzen enorme Probleme, da diese verhältnismäßig hohe Kapazitäten mitbringen. Selbst Spulen wickeln ist gerade bei hohen Frequenzen dringend empfohlen [1].

Beim Aufbau selbst sollte man aus den oben genannten Gründen darauf achten, dass die Zuleitungen so kurz wie möglich sind. Hochwertige Bauteile sind ebenso Pflicht. Und zu guter letzt darf man die Toleranzen der Bauteile nicht vergessen. Bei Keramikkondensatoren und Trimmkondensatoren sind das immerhin um die 10 %.

Wenn man diese Hinweise berücksichtigt und die Schaltung zusätzlich noch für einen etwas höheren Frequenzbereich auslegt, ist man dem Erfolgserlebnis schon ein Stückchen näher.

Fertig aufgebauter Butler Oszillator als UKW Prüfsender für 100 - 150 MHz

Fertig aufgebauter Butler Oszillator als UKW Prüfsender für 100 - 150 MHz

Für einen Frequenzbereich von ca. 100 – 150 MHz habe ich in der Schaltung für L1 eine Luftspule aus 1 mm versilberten Kupferdraht mit 4 Windungen mit 6 mm Durchmesser und 10 mm Länge verwendet. Rein Rechnerisch kommt die Spule auf rund 58 nH. Für C3 wurde ein Trimmkondensator mit einem Einstellbereich von 5 – 25 pF eingesetzt. Rechnerisch kommt man so auf einen Frequenzbereich von rund 132 – 295 MHz. Das ist natürlich illusorisch. Nach Einbezug der parasitären Kapazitäten und Induktivitäten funktioniert der Oszillator dann zwischen ca. 100 und 150 MHz. Der große Unterschied liegt hier auch mit an meinem eher schmutzigen und für HF nicht optimalen Aufbau.

Web-Adressen und Quellen:
[1] Kainka, HF Spulen wickeln: http://www.b-kainka.de

 

BPSK, FSK, QPSK, 8PSK and QAM Bandbreitenrechner

Hier habe ich einen kleinen Rechner zur Berechnung der Bandbreite von diversen digitalen Modulationsarten zusammengestellt.

Information Rate (Mbit/s)
Modulation
Vorwärtsfehlerkorrektur / FEC
Reed-Solomon Vorwärtsfehlerkorrektur
Guard
Roll-off
Datenrate (Mbps)
Symbolrate (Msym/s)
3 dB Bandbreite (MHz)
Belegte Bandbreite (MHz)
Verwendete Bandbreite (MHz)
Achtung: Dieser Rechner berechnet die Nyquist-Bandbreite. Die Nyquist-Bandbreite ist die minimale Bandbreite, die notwendig ist um ein Signal zu übertragen. Die in diesem Rechner ermittelte Bandbreite des Funksignals ist also nur korrekt, wenn der Sender über einen Nyquist-Filter verfügt. Dies wird bei den meisten kommerziellen Produkten der Fall sein. Bei Selbstbauten ist dies jedoch zu berücksichtigen. Ohne eine solche Filterung ist die tatsächliche Bandbreite des Funksignals das Doppelte des hier errechneten Wertes!
 

Diamex Prog-S2 | Arduino IDE

Der Diamex Prog-S2 ist ein universeller USB in-system programmer (ISP) für diverse Mikroprozessoren, inklusive der durch die Arduino Plattform äußerst beliebten Atmel AVRs. Dieser Artikel zeigt wie man den Diamex Prog-S2 korrekt in die Arduino IDE einbindet.

Im Internenet scheint es bereits einige Artikel zum Thema Diamex Prog-S2 und Arduino zu geben. Meiner Recherche nach sind diese Artikel jedoch entweder veraltet oder schlichtweg fehlerhaft. Dies ist für mich sehr verwunderlich, da die Einbindung kein Hexenwerk ist.

Um die Arduino IDE zu überreden mit dem Diamex Prog-S2 zu reden, müssen lediglich einige Zeilen in die „programmers.txt“ Datei im Arduino Programmordner eingefügt werden. Dazu macht man die programmers.txt auf seinem PC ausfindig, öffnet diese und fügt folgende Zeilen ein:

diamexavr.name=DIAMEX-AVR
diamexavr.communication=serial
diamexavr.protocol=stk500v2
diamexavr.program.tool=avrdude
diamexavr.program.extra_params=-P{serial.port} -F

Nach dem Abspeichern dieses Zusatzes und Neustart der Arduino IDE, sollte man nun den Eintrag „DIAMEX-AVR“ in der Arduino IDE finden.

 Diamex Prog-S2 in der Arduino IDE

Diamex Prog-S2 in der Arduino IDE

Bitte nicht vergessen: Damit die Programmierung auch wirklich klappt, muss man selbstverständlich weiterhin den richtigen COM-Port des Diamex Prog-S2 in der Arduino IDE auswählen. Zum Hochladen muss zudem die Option „Hochladen mit Programmer“ im „Sketch“-Menüeintrag ausgewählt werden.

 

Yaesu FT-8800 / FT-7900 Frequenzerweiterung

Der FT-7900 und FT-8800 sind weit verbreitete Geräte. Beide Geräte und auch die neueren Varianten mit dem Zusatz „R“ lassen sich sehr leicht so Modifizieren, dass der Sendefrequenzbereich deutlich über die Bandgrenzen der Amateurfunkbänder hinaus geht.

Es gibt vielfältige Gründe warum man den möglichen Sendefrequenzbereich eines Amateurfunktransceivers über die rechtlich vorgesehen Bandgrenzen hinaus erweitern möchte. Ein geplanter Urlaub in einer anderen ITU-Region sei ein solcher Grund. Ein anderer Grund könnte sein, den Transceiver flexibler mit einem Transverter betreiben zu können.

Die Modifizierung funktioniert gleichermaßen für die Funkgeräte FT-8800, FT-8800R, FT-7900 and FT-7900R von Yaesu. In diesem Artikel verwende ich einen FT-8800R als Beispiel. Nach erfolgter Modifizierung ist das Gerät in der Lage im Bereich von 137 – 174 MHz und 420 – 470 MHz zu senden. Die Frequenzerweiterung ist insgesamt sehr einfach: Das Gerät wird geöffnet, ein Widerstand entfernt, das Gerät wieder zusammengebaut und schon ist das Gerät betriebsbereit.

Yaesu FT-8800 geöffnet mit Blick auf das Innenleben

Yaesu FT-8800 geöffnet mit Blick auf das Innenleben

Nachdem das Gerät geöffnet ist, muss der richtige Widerstand identifiziert werden. Im Folgenden Bild ist die Position im Gerät und eine Nahaufnahme (rot umrandet) gezeigt. Das Bild kann zur Vergrößerung angeklickt werden (öffnet automatisch in einem neuen Fenster):

Position des zu entfernenden Widerstandes für die Frequenzerweiterung

Position des zu entfernenden Widerstandes für die Frequenzerweiterung

Sobald der richtige Widerstand gefunden wurde, wird dieser entfernt. Da es sich bei meinem Gerät um die U.S.-Version handelt, kann es sein, dass in der europäischen Version noch weitere Widerstände bestückt sind. Diese sind in dem Fall ebenso zu entfernen. Lediglich der erste Widerstand (auf dem Bild von oben gezählt) sollte verbleiben. Nach erfolgter Modifizierung kann das Gerät wieder zusammengebaut werden. Sobald das Gerät das nächste mal eingeschaltet wird, führt es eigenständig einen Reset durch. Danach steht der komplette Sendefrequenzbereich zur Verfügung.

Startbildschirm des FT-8800R während der Reset-Prozedur

Startbildschirm des FT-8800R während der Reset-Prozedur

Auf meinem englischsprachigen YouTube-Kanal habe ich zu dieser Modifizierung ein Video gepostet. Wer der englische Sprache ausreichend mächtig ist, findet das Video hier: