ein Bauprojekt von Eckart Moltrecht aus dem Jahr 1973

Anfang der siebziger Jahre wurde ein neues Empfängerprinzip propagiert, das ohne einen Zwischenfrequenzverstärker (ZF) auskommt. Damit wurde der Aufbau und der Abgleich kleiner Selbstbauempfänger sehr einfach.

Ein üblicher Überlagerungsempfänger (Super) benötigt eine Mischstufe, an deren Ausgang ein ZF-Verstärker angeschlossen wird. Aus der Differenz von Oszillatorfrequenz und Eingangsfrequenz entsteht die Zwischenfrequenz. In diesem Zwischenfrequenzbereich wird die Trennschärfe erreicht, oft mit Quarzfiltern. Der Aufbau und Abgleich solcher ZF-Verstärker ist nicht sehr einfach. Außerdem ist bei einem solchen Überlagerungsempfänger das Auftreten einer Spiegelfrequenz von Nachteil.

Prinzip einer Mischstufe allgemein

Bei der Direktüberlagerung entfällt die Zwischenfrequenz. Es wird direkt in den Niederfrequenzbereich gemischt. Allerdings muss dann der Oszillator für die Mischstufe (VFO) immer der Eingangsfrequenz folgen. Dieses VFO-Signal darf aber nicht in den Empfängereingang strahlen und muss bei der Mischstufe kompensiert werden. Als Mischstufe muss deshalb ein multiplikativer Mischer verwendet werden, ein so genannter „Produktdetektor“. 

Prinzip bei Direktüberlagerung

Am Ausgang der Mischstufe entsteht direkt das demodulierte Signal, bei CW der Überlagerungston aus f₀ - fe von zirka 800 Hz. Die Gesamtverstärkung und die Trennschärfe werden im NF-Verstärker vorgenommen. Um hier ohne LC-Filter für Niederfrequenz auszukommen, bieten sich die so genannten Aktivfilter mit RC-Ketten und Verstärkerelementen (Transistoren oder ICs) an. Der NF-Verstärker bestimmt die Empfindlichkeit. Er sollte eine hohe Verstärkung und geringes Rauschen aufweisen.

Die Vorteile der Direktüberlagerung sind:

• Der Aufbau ist sehr einfach, denn man benötigt wenige LC-Kreise (keinen ZF-Verstärker mit Bandfiltern) und
• es gibt keinen Spiegelfrequenzempfang.

Die Nachteile sind:

• Durch zu geringe Vorselektion können starke Rundfunkstationen direkt "durchschlagen" und demoduliert werden.
• Es werden beide Seitenbänder empfangen.

Besonders durch den fehlenden ZF-Verstärker (kein Abgleich nötig) ist aber ein Aufbau dieses Empfängers sehr einfach. Außerdem lässt sich der Empfänger sehr einfach zu einem Transceiver erweitern, denn der Oszillator (VFO) lässt sich unverändert direkt als Sender-Oszillator verwenden, denn  die Oszillatorfrequenz ist gleich der Empfangsfrequenz. Bei CW-Empfang muss allerdings der VFO gegenüber der Eingangsfrequenz um zirka 800 Hz verstimmt werden (RIT).

Prinzipeines CW-Transceivers mit Direktüberlagerung im Empfangsteil

Prinzip des Direktüberlagerungsempfängers: Das Eingangssignal gelangt über den Schalter A und den HF-Regler an den Produktdetektor. Am Ausgang des Produktdetektors wird das demodulierte NF-Signal über ein schmalbandiges NF-Aktivfilter auf den NF-Verstärker gegeben.

Bei Sendebetrieb speist der VFO den HF-Verstärker, der bei Telegrafie (CW) getastet wird. Dieses Signal wird in der Leistungsverstärkerstufe auf die gewünschte Leistung gebracht und über den Schalter A auf die Antenne gegeben. Die Schalter A und B sollten wegen der Rückkopplungsgefahr nicht zu dicht zusammen liegen, wegen der einfacheren Bedienung möglichst aber dennoch gekoppelt sein (evtl. 2 Relais).

Einfacher 5-Band-Direktüberlagerungsempfänger

In einer Arbeitsgemeinschaft Amateurfunk an der Berufsschule in Aachen wurde 1972 ein einfacher Empfänger entwickelt, der in seinen Eigenschaften als brauchbar bezeichnet werden kann. Mit ihm können einwandfrei die drei Modulationsarten SSB, CW und AM empfangen werden.

Bei Empfang von SSB und CW wird zur Demodulation ein Trägerzusatz benötigt, der in einer Mischstufe (Produktdetektor) dem Signal zugeführt wird. Beim normalen Überlagerungsempfänger wird dieser Trägerzusatz erst in der letzten festen ZF-Stufe dem Signal zugeführt und im Demodulator gemischt. Beim Direktüberlagerungsempfänger wird dieser Träger durch einen VFO immer genau auf der Empfangsfrequenz erzeugt. Damit dieser Träger aber nicht stört, muss er in der Mischstufe wieder „ausgelöscht“ werden. Dies erfolgt mit einem speziellen Mischer, dem Produktdetektor, der durch gegenphasige Einspeisung zwar ein Mischprodukt erzeugt, jedoch am Ausgang wird die Trägerfrequenz selbst ausgelöscht (kompensiert).

Ein einfacher KW-Empfänger nach dem Direktüberlagerungsprinzip könnte folgendermaßen konstruiert werden.

Das Prinzip der Direktüberlagerung

Über einen oder mehrere Hochfrequenz-Kreise wird das Eingangssignal ohne HF-Verstärkung gleichzeitig das VFO-Signal auf der Empfangsfrequenz dem Produktdetektor zugeführt. Es entstehen die Summe und die Differenz aus diesen beiden Frequenzen, also auch das SSB-Seitenbandsignal als Niederfrequenz. Wird in einem möglichst schmalbandigen NF-Filter nur der Niederfrequenzbereich von 300 Hz bis 3000 Hz ausgesiebt, ist nur das Signal zu hören, das mit der VFO-Frequenz übereinstimmt.

Um einen 5-Band-Empfänger zu erhalten wird also ein VFO für fünf Bänder benötigt. Der Eingangskreis muss ebenfalls auf allen fünf Bändern in Resonanz gebracht werden können. Um Gleichlaufproblemen zwischen Oszillatorkreis und Eingangskreis aus dem Wege zu gehen, kann der Eingangskreis über einen separaten Abstimmmechanismus (z.B. Drehkondensator) in Resonanz gebracht werden.

Die gesamte Verstärkung und Trennschärfe wird im NF-Bereich über RC-Verstärker erreicht. Dadurch entfallen aufwändige LC-Verstärker im ZF-Bereich und Aufbau sowie Abgleich werden relativ einfach. Ein Nachteil dieses Empfängerprinzips ist die geringe Weitabselektion, d.h. starke Rundfunkstationen können auch ohne Oszillatorsignal demoduliert werden. Zwei lose gekoppelte Einzelkreise oder ein Bandfilter im Eingang können diesen Nachteil etwas vermindern. Sollten dennoch starke Stationen stören, kann die HF über einen Abschwächer vermindert werden. Der folgend beschriebene Empfänger ist nach diesen Prinzipien konstruiert.

Bei dem Aufbau wurden entsprechend dem Blockschaltbild vier kleine Platinen entwickelt, die für eine Funktionsüberprüfung einzeln in Betrieb genommen oder auch mit den entsprechenden Baugruppen der anderen Geräte zur Überprüfung ausgetauscht werden konnten.

Der 5-Band-VFO

Der VFO besteht aus einem Colpitts-Oszillator in Kollektorschaltung mit einer nachfolgenden Trennstufe als Emitterfolger geschaltet. Der Oszillator soll möglichst rückwirkungsfrei, spannungsunabhängig und temperaturstabil sein. Deshalb wurde unter anderem ein niedriges LC-Verhältnis gewählt. Als Kondensatoren sollten Typen aus Styroflex verwendet werden, die in ihrem Temperaturkoeffizienten dem einer Spule entgegengesetzt sind. Als Spulendraht eignet sich für die 80-m-Spule 0,4 mm, für 40 m 0,4 bis 0,5 mm Kupferwickeldraht und für 20 bis 10 m 0,8 mm Silberdraht.

Die Verbindungen von den Schwingkreisen zum Drehschalter 2 x 5 können durch isolierten Schaltdraht hergestellt werden. Sie sollen möglichst kurz sein und nicht flexibel verlegt werden. Als Drehkondensator kann ein Doppeldrehko mit etwa 2 x 100 pF verwendet werden. 

Der Oszillator soll in seiner Rückkopplung so eingestellt sein, dass er wenig Oberwellen erzeugt, die sonst einen Empfang auf diesen Oberwellen-Frequenzen möglich machen würden. Die Rückkopplung kann durch das Verhältnis der beiden Kondensatoren C1 und C2 und durch die Widerstände R3 und R5 beeinflusst werden. Außerdem hat auch die Verstärkung durch den Arbeitspunkt mit R1 und R2 einen Einfluss. Durch Verändern von R3 lässt sich am leichtesten die Rückkopplung so einstellen, dass im 10- oder 15-m-Band das Signal noch oberwellenfrei ist und damit einen guten Ton in einem Abhörempfänger erzeugt.

Der Bestückungsplan der VFO-Platine

Der VFO nimmt bei 9 V insgesamt einen Strom von zirka 2 mA auf. Die prinzipielle Funktion kann dadurch überprüft werden, dass C3 mit den Fingern berührt und dadurch der Schwingkreis bedämpft wird; der Strom muss sich dann geringfügig ändern.

Die Drossel Dr dient dazu, eine zusätzliche Eigenerregung des Oszillators auf sehr hohen Frequenzen zu verhindern. Sie kann dadurch hergestellt werden, dass zirka 10 Windungen Kupferlackdraht auf einen 47-Ohm-Widerstand gewickelt und mit den Drahtenden des Widerstandes verlötet werden.

Der VFO muss ganzseitig abgeschirmt werden, um eine Direkteinstrahlung auf die Eingangskreise zu verhindern. Das VFO-Signal soll möglichst nur an das eine Gate des Produktdetektor-Transistors gelangen. Als Abschirmung für den VFO eignet sich eine Aluminiumbox mit den Maßen 100 x 40 x 70 mm. Der Drehko wird im Gehäuse vorn rechts und der Schalter links, die Platine hinten montiert. Die Hochfrequenz wird durch eine Cynch-Buchse ausgekoppelt und über abgeschirmtes Kabel zum Produktdetektor geführt.

Der 5-Band-VFO im Gehäuse

Die Betriebsspannung von zirka 6 bis 9 V sollte gut stabilisiert werden. Sie wird über einen Durchführungskondensator oder eine andere isolierte Durchführung in das Innere des Gehäuses geführt. Der Abgleich des VFOs erfolgt mit einem kommerziellen Empfänger (z.B. eines befreundeten Funkamateurs) bei vollständig hinein gedrehtem Drehkondensator mit den Spulenkernen jeweils am Bandanfang.

Schaltbild Produktdetektor

Die Mischung von Eingangs- und Oszillatorsignal erfolgt imProduktdetektor mit einem Dual-Gate-MOSFET. Dem einen Gate wird das VFO-Signal über C4, dem anderen Gate das Eingangssignal über zwei sehr lose gekoppelte Schwingkreise zugeführt. Zwei Schwingkreise sind besonders auf dem 40-m-Band wichtig, um hier bei den nahe gelegenen Rundfunkstationen eine hohe Weitabselektion zu erzielen. Auf den anderen Bändern würde ein Einzelkreis genügen. Für kurze Behelfsantennen dient der Antenneneingang 1. Bei Hochantennen oder bei starken abendlichen Signalen ist der mit einem Abschwächer versehene Eingang 2 gedacht.

Die Spulen werden auf Kammerspulenkörper gewickelt. Beim Wickeln der Spulen ist darauf zu achten, dass vom Anschluss 3 bis zum Anschluss 5 der Wickelsinn beibehalten wird. Um mit einem Drehkondensator den gesamten Kurzwellenbereich überstreichen zu können, wird auf dem oberen Bereich (ab ca. 12 MHz) mit einem doppelpoligen Schalter der größte Teil der Spule kurzgeschlossen. Zum einfacheren Aufbau sind die Spulenenden in der Wickelskizze und im Schaltbild mit Nummern versehen worden. Die Verbindungen von den Spulen zum Drehko und zum Schalter sollten möglichst kurz gehalten werden.

Produktdetektor Bestückungsplan

Der Abgleich erfolgt am zweckmäßigsten mit einem Dipper. Hierzu werden bei offenem Schalter und vollständig hinein gedrehtem Drehko die beiden Kreise mittels Spulenkern auf ca. 3,2 MHz in Resonanz gebracht. Bei geschlossenem Schalter ist der größere Teil der Spule mit dem Spulenkern wirkungslos. Hier wird bei vollständig herausgedrehtem Drehkondensator auf zirka 30 MHz mit den Trimmern C3 und C5 abgeglichen. Das demodulierte NF-Signal wird über C11 einem Tiefpassverstärker zugeführt.

Der fertig bestückte Produktdetektor

Aus den im Produktdetektor entstehenden Mischprodukten soll nur das NF-Nutzsignal bis zirka 3 kHz
ausgesiebt werden. Deshalb wird es einem so genannten NF-Aktivfilter zugeführt, das aus RC-Siebgliedern und Verstärkerelementen besteht. Der Transistor T1 dient zur Anpassung an den hochohmigen Ausgang des Produktdetektors, T2 ist ein Spannungsverstärker, T3 und T4 sind Stromverstärker. Der Ausgang des Tiefpassverstärkers ist niederohmig. Das NF-Signal kann von hier aus über ein Lautstärkepotenziometer einem beliebigen NF-Verstärker zugeführt werden.

Der Tiefpassverstärker

Der Bestückungsplan des Tiefpassverstärkers

Von der Empfindlichkeit und dem Eigenrauschen des NF-Verstärkers hängt sehr wesentlich die Empfindlichkeit ab. Für Kopfhörer-Empfang genügt ein dreistufiger Mikrofonverstärker. Für Lautsprecherempfang kann der folgende NF-Verstärker mit einer eisenlosen Gegentaktendstufe verwendet werden. Man kann aber auch jeden anderen fertigen NF-Verstärker verwenden.

Schaltung eines NF-Verstärkers für 200 mW Ausgangsleistung

Bestückungsplan NF-Verstärker

Es handelt sich um einen normalen, vierstufigen, gleichspannungsgekoppelten NF-Verstärker mit einer Gegentaktstufe für etwa 200 mW NF-Ausgangsausgengsleistung. Durch die Gleichspannungskopplung bestimmt der Arbeitspunkt des Eingangstransistors die Arbeitspunkte aller weiteren Transistoren. Der Arbeitspunkt kann mit dem Widerstand R1 eingestellt werden und zwar so, dass der Emitter in der Endstufe, also der Pluspol des Kondensators C5 etwa die halbe Betriebsspannung erhalten. Die Gesamtverstärkung kann mit dem Gegenkopplungswiderstand R4 beeinflusst werden. Sein Wert wird ausprobiert, dass gerade keine NF-Selbsterregung auftritt. Die zugeführte Gleichspannung wird über R10 und C6 zusätzlich gesiebt,

Der fertig bestückte NF-Verstärker

Aufbau und Inbetriebnahme

Auch ohne Gehäuse kann der Empfänger schon ausprobiert werden. Hierzu werden die entsprechenden Verbindungen hergestellt und eine geeignete Spannungsquelle (9 bis 12 V) angeschlossen. Der NF-Verstärker benötigt bei Lautsprecherbetrieb relativ viel Strom (ca. 150 mA). Bei Batteriebetrieb aus einer kleinen 9-V-Batterie ist Kopfhörerbetrieb mit einem hochohmigen Hörer (2 x 2000 Ohm) zweckmäßig; der Stromverbrauch sinkt auf ca. 20 mA. Die anderen drei Baugruppen benötigen insgesamt nur einen Strom von ca. 10 mA.

Der VFO wird zunächst auf 80 m geschaltet und der Drehko des Eingangskreises fast ganz hineingedreht. An den Antenneneingang 1 wird ein längeres Stück Draht als Antenne angeschlossen. Beim Durchdrehen des VFO-Drehkos müssten Stationen leise hörbar werden. Mit dem Drehko des Eingangskreises wird dann auf Lautstärkemaximum nachgestellt. Schlagen Rundfunkstationen durch, deren Lautstärke sich nicht ändert, wenn man am VFO-Drehko dreht, ist entweder der Drehko des Eingangskreises nicht richtig eingestellt oder die Antenne zu fest gekoppelt. Sie muss verkürzt werden oder besser über Antenneneingang 2 angeschlossen werden.

Der Empfänger kann z.B. in einem Metallgehäuse mit den Maßen Breite x Höhe x Tiefe von 200 x 80 x 140 mm einschließlich Netzgerät untergebracht werden. Für den Antrieb des VFO-Drehkos empfiehlt sich ein Feintrieb von 1 zu 6 bis 1 zu 10.

Betriebserfahrungen mit dem Empfänger

Etwa ein Dutzend dieser Empfänger wurden inzwischen (1972!) von den SWLs der Schülergruppe nachgebaut. Es hat sich erwiesen, dass die Empfindlichkeit besonders während der Tagesdämpfungen auf dem 80-m-Band und bei Verwendung von Behelfsantennen besser sein könnte.

Die Empfindlichkeit wird vom Produktdetektor und vom NF-Verstärker bestimmt. Den NF-Verstärker empfindlicher zu machen (höhere Verstärkung. weniger Rauschen), ist mit relativ viel Aufwand verbunden. Deshalb wurde versucht, am Eingang etwas zu verbessern.

Eine sehr wirkungsvolle, einfache Empfindlichkeitsverbesserung erhält man, wenn man, wegen der sehr lose gekoppelten Eingangskreise, die Behelfsantenne über ein in Reihe geschaltetes 20-Kiloohm-Potenziometer an das heiße Ende des 2. Eingangskreises anschließt. Bei abendlichem QRM kann die Antenne dann wieder über den ersten Kreis angeschlossen werden.

Es hat sich gezeigt, dass auch der Arbeitspunkt des MOSFET bei vielen Empfängern anders eingestellt werden sollte. Meistens war es am günstigsten, wenn das Gate 2 auch eine geringe negative Vorspannung erhält. Der Gate-Ableitwiderstand wird hierfür auch einfach an Masse und nicht an den Source-Anschluss gelegt. Die Vorspannung wird automatisch über den vorhandenen Source-Widerstand erzeugt.

Eine noch bessere Empfindlichkeitserhöhung (aber nur für kurze Behelfsantennen empfehlenswert) hat sich erwiesen, wenn der Koppelkondensator zwischen den beiden Kreisen durch einen FET in Emitterschaltung ersetzt wird. Leider war beim Versuchsaufbau die Rückwirkung zu stark, so dass auf den oberen Bändern Selbsterregung auftrat. Deshalb kann die Schaltung hier noch nicht veröffentlicht werden.

Aufbau auf Streifenleiter-Platine

Damit man nicht Platinen ätzen musste, wurde die Konstruktion im August 1973 geändert. Hier folgen die Schaltungen für einen Zwei-Band-VFO und für einen kombinierten Bandpass-NF-Verstärker auf Streifenleiter-Platine.

Zweiband-VFO (160 m und 80 m) auf Streifenleiterplatine

Schmalband-NF-Verstärker auf Streifenleiter-Platine

Hinweis 2009

Die Bauteile sind natürlich nicht mehr so einfach im Handel zu bekommen, aber Drehkondensatoren findet man auf den Amateurfunk-Flohmärkten oder in alten Radios vom Sperrmüll. Der UKW-Drehko ist dafür gut verwendbar.

Wenn jemand diesen RX einmal nachbaut (vielleicht auch nur für ein Band), würde ich gern den Aufbau hier als Ergänzung veröffentlichen. Auch sind natürlich Tipps für die heutigen Bauteile sehr interessant. Den NF-Verstärker würde man vielleicht mit einem fertigen IC realisieren?

Eckart Moltrecht, DJ4UF
19.5.2009

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