Einfache Sprechfunkversuche im 10 GHz-Amateurband
In Bearbeitung
Stand: 25. August 2016
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Unlängst wurde ich auf die für wenige Euros ( z.B via EBAY oder AMAZON ) erhältlichen Bewegungssensormoduln des Typs "HB-100" [1] aufmerksam. Sie beinhalten einen kompletten 10 GHz-Transceiverkopf mit DRO-Oszillator, Empfangsmischer und separaten Patchantennen für Sendung und Empfang. Der eigentliche Verwendungszweck dieser Moduln sind Bewegungsmelder, wobei diese allerdings auf der bei uns für diesen Zweck nicht zugelassenen Frequenz 10.525 GHz arbeiten. Interessant wurden sie für mich aber dennoch, weil ihre Abstimmschrauben auch ein Umstimmen in Bereiche unterhalb von 10.5 Ghz und damit auch in unser 10 GHz-Amateurband versprachen.


Abb.1  Bewegungssensormodul "HB-100"

Von uns Amateuren wird das 10 GHz-Amateurband inzwischen vorzugsweise zur Bildübertragung (ATV ) und unter Verwendung schmalbandiger Betriebsarten ( CW, SSB usw. ) benutzt. Angefangen hatte es aber bereits vor nunmehr fast 40 Jahren, als die sog. "Gunnplexer" [2],[3] verfügbar wurden. Ähnlich den "HB100" handelte es sich bei ihnen auch um komplette Transceiverköpfe mit vergleichsweise komfortablerer Ausstattung, wofür die Anschaffungspreise allerdings auch deutlich höher lagen.
Trotz ihrer geringen Oszillatorleistungen von max. einigen 10 Milliwatt erlaubten die "Gunnplexer" Sprechfunk mit einfachsten Mitteln. Das verwendete Übertragungsprinzip gestattete dabei komfortablen Gegensprechbetrieb ohne Notwendigkeit zur Umschaltung zwischen Sende- und Empfangsmodus. Bei Verwendung geeigneter Antennen liessen sich auf diese Weise durchaus Distanzen bis zu weit über 100 Km überbrücken. Die belegten FM-Bandbreiten waren dabei ähnlich denen des UKW-Rundfunks und lagen im Bereich von etwa 100-150 KHz, was den wichtigen Vorteil mit sich brachte, dass die Weiterverarbeitung der Signale unter Verwendung bekannter Techniken erfolgen konnte.

An das Alles erinnerte ich mich nun, als ich von den HB-100-Moduln erfuhr, von denen ich nicht zuletzt auch aufgrund ihres geringen Anschaffungspreises unbedingt einige Exemplare erstehen musste, um damit Sprechfunkübertragungsversuche anstellen zu können. Die dabei propagierte Strahlungsleistung von etwa +15 dbm EIRP erschien mir durchaus auch vielversprechend und geeignet zu sein, um auf diese Weise zumindest Distanzen von einigen Kilometern überbrücken zu können. Mir war dabei von Beginn an allerdings auch schon klar, dass die Erwartungen bezüglich Frequenzstabilität nicht allzu hoch sein durften und dass an dieser Stelle somit auch wieder nur die Verwendung von Breitband-FM infragekommen würde.
 
Ich möchte hier auch die Schraube des technischen Fortschritts nicht zurückdrehen, denke aber, dass es für viele auch Mikrowellen-Newcomer durchaus interessant sein könnte, auf diese Weise ( zudem für wenig Geld ) erste praktische Erfahrungen auf dem interessanten Gebiet der hohen Frequenzen sammeln zu können, was vielleicht auch gerade in Hinblick auf Nachwuchsarbeit interessant sein dürfte. Ein späteres Weitermachen mit komfortableren, dem derzeitigen technologischen Stand der Technik entsprechenden Projekten wird dabei ausdrücklich nicht ausgeschlossen.
Verwendung der Moduln "HB-100"
    
Abb.2-2a  Modulansicht von oben mit abgenommener Schutzkappe und Unteransicht mit Anschlusspins und erkennbaren Patchantennen
 

Abb.3   Blockschaltbild des "HB-100"

Die Moduln "HB-100" (Abb.3) besitzen nur vier Anschlüsse, als da sind, 2xMasse (GND), Anschluss für Versorgungsspannung (+5V) und Mixer-Ausgang (IF). Für die  Versorgungsspannung wird ein Maximalwert von 5.25 V angegeben, wobei auch schon an anderen Stellen zu lesen war, dass man diesen Wert tunlichst NIE überschreiten sollte.
 

Abb.4  Baustein zur Spannungsversorgung und Modulation der Bausteine "HB-100"
Zum Betrieb der HB-100-Bausteine wurde eine Anordnung gemäß Abb.4 aufgebaut. Die Betriebsspannung der Bausteine wird dabei unter Verwendung von Spannungsreglern des Typs "LM317" erzeugt. Mit ihrer Hilfe lassen sich unterschiedlichste stabilisierte Ausgangsspannungen generieren. Im vorliegenden Fall werden sie mithilfe nur standardmäßiger Widerstandswerte bestimmt und liegen im sicheren Bereich um 4.7V.
Da eine Änderung der DRO-Versorgungsspannung immer auch Frequenzänderungen bewirkt, lässt sich über sie auf einfachste Weise auch FM-Modulation realisieren. Bei Verwendung von Spannungsreglern des Typs "LM317" genügt es dabei, deren ADJ-Anschlüsse jeweils zusätzlich noch mit entsprechenden Audiosignalen zu beaufschlagen. Um ein Mikrofon oder eine sonstige Audio-Quellen betreiben zu können, wurde auch noch ein einfacher NF-Verstärker mit nachgeschalteten Pegelbegrenzungsdioden und ein Regler zur Einstellung der FM-Hubwerte vorgesehen.
Ein mithilfe eines MOS-IC's "4093" aufgebauter Generator erzeugt Tonsignale wechselnder Frequenz. Bei Bedarf lassen sich diese zusätzlich in den Modulationsweg einschleusen und sind dabei pegelmäßig anpassbar. Im paktischen Funkeinsatz können sie aufgrund ihrer tonlichen Auffälligkeit dazu beitragen, dass Signale von  Gegenstationen leichter erkannt werden. Eine entsprechende Platine ist derzeit auch in Vorbereitung ( Abb.4a ).

Abb.4a   Platinenlayout der Schaltanordnung gem. Abb.4
Erweiterungen für den Transceiverbetrieb
Zur Erweiterung als kompletter Transceiver ist eine Verarbeitung der am IF-Anschluss des "HB-100" verfügbaren Zwischenfrequenzsignale erforderlich. Sollen zwei 10 GHz-Einheiten im Gegensprechbetrieb miteinander kommunizieren, so sind diese jeweils auf DRO-Frequenzen abzustimmen ( siehe dazu auch weiter unten ), die um den Betrag der verwendeten Zwischenfrequenz auseinanderliegen. Übrigens sollte man bei der Wahl der Betriebsfrequenzen unbedingt auch den für das 10 GHz-Band verfügbaren Bandplan beachten [9]. Hinsichtlich der verwendbaren Zwischenfrequenzen ist man dagegen weitgehend frei. An dieser Stelle bieten sich Frequenzen im Bereich von etwa 30-100 MHz an. Als Nachsetzer wurden hierbei häufig auch schon preiswert erhältliche UKW-Rundfunkempfänger mit ihren Frequenzen um 100 MHz benutzt, aber nach meinen Erfahrungen ist es sinnvoller, stattdessen in einen nicht durch starke Dauersignale belegten Bereich auszuweichen. Wie später noch aufzuzeigen sein wird, hat sich z.B. ein ZF-Frequenzbereich von etwa 60-70 MHz als günstig erwiesen. Besitzt man einen Empfänger, der einen direkten Empfang des gewählten ZF-Bereiches erlaubt und dabei auch noch breitbandige FM-Signale verarbeiten kann, dann lässt sich dieser auf einfachste Weise nachschalten. Bedingt durch die begrenzte Frequenzstabilität der 10 GHz-Signale sollte man aber vorsehen, dass man die gewählte ZF-Mittenfrequenz im Bedarfsfall auch immer noch etwas variieren kann.
 
Abb.5  FM-Empfängerbaustein für universelle Verwendung in Bereichen zwischen etwa 30 und 110 MHz
Zum Empfang im Bereich 60-70 MHz dimensionierte ich die Induktivitäten SP1 und SP2 wie folgt:
Je 8 Wdg. 0.5mm CuL-Draht, eng gewickelt mit Innendurchmesser 6mm

Eine andere Lösung zur Verarbeitung der ZF-Signale bietet sich durch Verwendung eines kleinen, schon mit allen SMD-Bauteilen fertig bestückt erhältlichen [5] FM-Empfängerbausteins. Er verwendet den Schaltkreis "TDA7088T" und wurde ursprünglich als einfaches Konzept zum Empfang des UKW-Rundfunkbandes konzipiert. Mit geänderten Induktivitäten erlaubt er auf einfache Weise aber auch den Empfang anderer Frequenzbereiche und ist damit leicht auch zum Betrieb im beispielsweise 60-70 MHz-Bereich modifizierbar. Für vorliegende Anwendung besonders interessant ist auch die AFC-Funktion des Bausteins, die thermisch bedingte Frequenzänderungen der DRO-Oszillatoren bis zu einem gewissen Grade ausgleichen kann.#
Zur Erzeugung der Versorgungsspannung für den FM-Empfängerbaustein verwendete ich einen separaten 5V-Spannungsregler mit einem "7805".


Abb.6  Platine des  FM-Empfangsbausteins mit TDA7088T ( Abm.: 55x18mm )
Anm.: Die Nicht-SMD-Bauteile ( einschl. der Diode 1SV101 ) gehören nicht zum Lieferumfang und müssen nachbestückt werden.

TIPP: Die Frequenzabstimmung beim TDA7088-Empfängerbaustein erfolgt unter Verwendung von Kapazitätsdioden mithilfe eines Potentiometers. Zur besseren Einstellbarkeit habe ich hierbei eine 10-Gang-Version benutzt, was sich hinsichtlich des Erkennens eingestellter Abstimmungswerte allerdings eher als Nachteil erwies. Als Hilfslösung verwendete ich daher die am Schleifer des Potentiometers anstehende Abstimmspannung ( 0 bis ca. +4.2V ) um sie parallel auch noch zur Steuerung eines kleinen Voltmetermoduls zu nutzen. In diesem Zusammenhang wurde ich inzwischen auf den im Funkamateur-Shop erhältlichen Typ: "DEI-45" aufmerksam. Im Gegensatz zu einer an dieser Stelle ursprüglich vorgesehenen Version erlaubt dieser eine 4 1/2-stellige Spannungsanzeige von 0.000V bis 33.000V bei Versorgung mit 3,5-30V und 9mA Stromaufnahme. Ein Vorteil dieses Moduls im Gegensatz zu manchen anderen Typen ist auch, dass Versorgungsmasse und Masse für das Messsignal identisch sind, sodass keine separate Versorgungsquelle erforderlich wird.
Frequenzeinstellungen des "HB-100"
Die Mikrowellenbauelemente des "HB-100" verbergen sich unter einer metallischen Abdeckung. Sie enthält auch ein Etikett aus Papier mit Angaben zur erfolgten Qualitätsprüfung. Nach dessen Entfernung wird ein Gewinde mit Frequenz-Abstimmschraube sichtbar (Abb.7). Häufige Abstimmversuche sind an dieser Stelle aber offenbar NICHT vorgesehen. Entsprechend primitiv ist die mechanische Ausführung, was beim Abstimmen auch besondere Sorgfalt erfordert. Als Abstimmtool benutzte ich an dieser Stelle einen zufällig vorhandenen Torx-Schraubendreher der Grösse T8. Ein Herausdrehen der Schraube bewirkt dabei als Beispiel die Verschiebung in Richtung niedrigerer Frequenzwerte.


Abb.7  "HB-100": Ansicht der Abstimmschraube
TIPP: Bei einem meiner HB-100-Exemplare hatte ich offenbar schon zu viele Abstimmversuche vorgenommen. Auf jedem Fall "schlackerte" die Abstimmschraube schon merkbar in ihrem Gewinde, was bei jeder Berührung des Bausteins zu Frequenzsprüngen in der Größenordnung von einigen MHz führte. Das Problem konnte aber dadurch erfolgreich behoben werden, indem die Schraube zusammen mit einem dünnen Kunststoffstreifen eingeschraubt wurde. Ihn hatte ich vorher aus einer alten Bauteiletüte herausgeschnitten. 
Frequenzmessungen im 10 GHz-Bereich
Wer glücklicher Besitzer eines digitalen Frequenzzählers bis in den 10 GHz-Bereich ist oder auch nur einen geeigneten Hohlleiter-Frequenzmesser zur Verfügung hat, der kann Ausgangssignale der "HB-100" damit sicherlich mit ausreichender Genauigkeit ermitteln. Ich hatte aber weder das Eine noch das Andere und suchte somit nach einer Alternativlösung, die dabei auch preislich akzeptabel sein sollte. So erwarb ich zuerst einmal bei Roberto Zech, DG0VE für knapp Einhundert Euros einen bis in den benötigten Bereich verwendbaren 100/1000-Frequenzteiler. Bestückt mit einem Stück Schaltdraht an seinem Eingang wurde der Vorteiler zusammen mit einem alten 100 MHz-Frequenzzähler betrieben. Nachdem diese Einheit anschliessend in die Nähe der HB-100-Sendeantennen geführt wurde, liessen sich die Frequenzen der DRO-Ausgangssignale auch problemlos zählen.

Wer keinen digitalen Frequenzzähler besitzt und vielleicht auch die Kosten für den Vorteiler scheut, für den gibt es auch eine Lösung. Es werden dazu benötigt:
* ein üblicherweise als "LNB" bezeichneten Eingangsconverter aus der TV-Satellitentechnik
* ein RTL-SDR-Stick
* und eine geeignete PC-Software wie z.B. "SDR#"
Dabei dürften LNB plus Stick für zusammen etwa Euro 15 erwerbbar sein.

LNB's setzen u.a. einen Frequenzbereich ab 10.7 GHz in einen ZF-Bereich ab 950 MHz um. Zur Mischung dient dabei ein in der Regel auf der Frequenz 9.75 GHz arbeitender interner Oszillator. Während diese in früheren Zeiten üblicherweise frei schwingend und damit wenig frequenzkonstant waren, erfordert das moderne digitale Fernsehen an dieser Stelle offenbar deutlich höhere Genauigkeiten, so dass die Oszillatoren moderner LNB's mit einer PLL-Steuerung arbeiten und dabei wesentliche höhere Werte an Frequenzkonstanz aufweisen. Nicht zuletzt deshalb wurden sie jetzt auch für uns Amateure interessant [4].  Wichtig ist in diesem Zusammenhang noch zu wissen, dass die für Empfangsfrequenzen ab 10.7 GHz spezifizierten LNB's in nahezu allen Fällen und ohne nennenswerte Einschränkung ihrer Betriebsparameter auch noch zumindest den oberen Teil des 10 GHz-Amateurbandes abdecken können.     

Zur Ermittlung der Sendefrequenzen unserer "HB-100" kann man eine einfache Messeinrichtung aufbauen ( Abb.8 ):
Dazu verbindet man den ZF-Ausgang eines LNB mit dem Antenneneingang eines RTL-SDR-Sticks. Vorher ist zwischen beiden Einheiten allerdings zuerst einmal noch eine einfache Speiseweiche anzuordnen. In Abb.7 ist sie zu erkennen und wurde auch z.B. hier [4] schon einmal beschrieben. Sie dient der Zuführung der LNB-Versorgungsspannung und einer Abtrennung der Gleichspannung in Richtung SDR-Stick mithilfe eines kleinen Kondensators.
Aufgrund der von LNB's gelieferten hohen Signalpegel ist in den Empfangsweg ggf. auch noch ein zusätzliches Dämpfungsglied ( z.B. 20-30dB ) einzufügen. In vielen Fällen genügt es stattdessen aber auch, bei dem auswertenden PC-Programm später nur via Menü die Eingangsverstärkung zu reduzieren.


Abb.8  Messanordnung mit Speiseweiche und Dämpfungsglied *

Nach dem Start passender PC-Software ( wie z.B. "SDR#" ) sollte sich auf dessen Bildschirm ein Frequenzband von knapp 2 MHz Breite überwachen lassen. Um nun anschliessend auch Ausgangssignale unseres "HB-100" mit einer Frequenz von beispielsweise 10370 MHz erfassen zu können, ist über das Programmmenü eine SDR-Frequenz von 10370-9750=620 MHz einzustellen. Signale mit der in unserem Beispiel gewählten 10GHz-Frequenz sollten daraufhin in Bildschirmmitte am PC erscheinen. Aufgrund von Ungenauigkeiten bei der Frequenzerzeugung innerhalb der LNB's sind an dieser Stelle allerdings auch Abweichungen bis zu einer Größenordnung von einigen Hundert Kilohertz möglich, was man aber wohl aufgrund der Einfachheit der Anordnung in Kauf nehmen muss.
Zur Vermeidung von Übersteuerung der verwendeten hochempfindlichen LNB's und damit verbundener möglicher Empfangsmehrdeutigkeiten ist weiterhin zu beachten, dass die Kopplung mit dem "HB100" nicht sehr eng sein darf, was bedeutet, dass es sinnvoll sein kann, beide Einheiten sogar einige Meter zu separieren.
Nach Abschluss aller Vorbereitungen kann nun begonnen werden, die Abstimmschraube des eingeschalteten "HB-100" vorsichtig zu drehen. Hat man die gewünschte Frequenz als Signalmarke auf dem PC-Schirm gefunden, wird man bei Verwendung eines Torx-Schraubendrehers bemerken, dass allein sein Entfernen von der Abstimmschraube bereits wieder einen gewissen Frequenzversatz bewirkt. An dieser Stelle ist somit einiges an Fingerspitzengefühl erforderlich, wobei es bei Breitband-FM andererseits auch nicht auf Einhaltung des letzten KHz ankommt. Ein Torx-Abstimmtool aus Plastik ( wenn es so etwas geben sollte? ) würde an dieser Stelle vermutlich besser geeignet sein.

PC-Programme wie "SDR#" erlauben nicht nur eine Bildschirmdarstellung empfangener Signale, sondern eignen sich auch sehr gut zu deren Demodulation, wozu in unserem Fall ( wie auch zum Empfang von UKW-Rundfunk ) die Betriebsart Breitband-FM zu benutzen ist.

RTL-SDR-Sticks lassen sich aber nicht nur in Verbindung mit PC-Software verwenden, sondern entsprechende Programme gibt es auch zur Verwendung mit z.B. Android-Smartphones ( hinsichtlich entsprechender Programme auch für I-Phones kann ich dagegen leider nichts sagen ), was uns für mobile Einsätze natürlich sehr entgegenkommt. Über die mit dem Einsatz von Smartphones verbundenen Besonderheiten hatte ich mich auch an anderer Stelle [4] aber bereits schon einmal ausführlich ausgelassen. 

Geplant ist noch die Durchführung von Reichweitentests, die auch einen Empfindlichkeitsvergleich zwischen Anordnungen mit HB100- und solchen mit LNB-Empfangseinheiten erlauben sollen. LNB's lassen sich dabei nicht nur in Verbindung mit SDR-Sticks betreiben, sondern können selbstverständlich auch Empfängern vorgeschaltet werden, die Breitband-FM-Empfang auch im 600 MHz-Bereich zulassen.

TIPP: * Speziell für den mobilen Einsatz muss man sich nach einer für LNB's geeigneten Energiequelle umsehen. Dabei wurde zuerst einmal festgestellt, dass alle von mir getesteten LNB's bereits mit Versorgungsspannungen ab etwa 7V arbeiteten. Somit begann ich mit zwei in Serie geschalteten LiPo-Akkuzellen. Mit ihnen kam man auf  Nennspannungen um etwa 7.4V, was zum Betrieb der LNB's erst einmal ausreichte. Inzwischen verwende ich allerdings stattdessen einen der für wenige Euro erhältlichen Step-Up-Schaltregler [11]. Bei Eingangspannungen von z.B. 3,7V oder 5V erlauben sie in einem weiten Spannungsbereich einstellbare höhere Ausgangspannungen und somit auch solche zwischen z.B. 11V und 13V. Auf diesem Weg wird jetzt eine LNB-Versorgung aus nur EINER LiPo-Zelle möglich. Alternativ dazu ist aber z.B. auch die Verwendung der inzwischen als Handyzubehör weit verbreiteten 5V-Akku-Packs denkbar.
Hinweise auf sonstige Beiträge
An dieser Stelle möchte ich besonders auf den Beitrag von Walt Clark und Eddie Phillips, W6IZJ [6] hinweisen und mich bei den Autoren bedanken. Hierdurch wurde ich erstmals auf die HB100-Moduln und ihre Verwendbarkeit für Amateurfunkzwecke aufmerkasam. Interessant ist auch die Arbeit von Miguel, EA4EOZ [7], in der er seine in ähnlicher Technik durchgeführten 24 GHZ-Versuche beschreibt. Dafür möchte ich ebenfalls Dank sagen und das nicht zuletzt auch deshalb, weil die Einheit gem. Abb.4 zum grossen Teil auch auf seinem Konzept basiert. Weiterhin ist über [8] ein Beitrag aus der Zeitschrift QEX abrufbar, in dem die Verwendung eines "HB-100" als einfache 10 GHz-Bake beschrieben wird. Interssante Informationen zum Thema sind auch auf der Seite von G3PHO [10] zu finden.
Linkliste
[1] http://www.kh-gps.de/HB100_Microwave_Sensor_Module_Datasheet.pdf
[2] http://www.kh-gps.de/ma87127_2.pdf
[3] http://www.kh-gps.de/DJ7OO_HR_August_1978.pdf
[4] http://www.kh-gps.de/bake.htm
[5] http://www.ak-modul-bus.de/cgi-bin/iboshop.cgi?showd0!0,387708868380474,FM7088PCB
[6] http://www.ham-radio.com/sbms/presentations/Walt_Clark/DROplexer.pdf
[7] http://ea4eoz.blogspot.de/2012/10/24ghz-old-way.html
[8] http://www.arrl.org/files/file/QEX_Next_Issue/2015/May-Jun_2015/Wadsworth.pdf
[9] http://www.darc.de/fileadmin/_migrated/content_uploads/SHF_Bandplan_10_GHz_Dezember_2013.pdf
[10] http://www.g3pho.free-online.co.uk/microwaves/wideband.htm
[11] https://www.amazon.de/DC-DC-3V-32V-5V-35V-XL6009-400KHz/dp/B00HV59922/ref=sr_1_5?ie=UTF8&qid=1472202741&sr=8-5&keywords=step-up-converter
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