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Besonderheiten bei FM-Relais

Besonderheiten bei FM-Relais

Dieser Artikel beschreibt die Unterschiede zwischen einem normalen Amateurfunkgerät und einer Amateur-Relaisfunkstelle. Die zusätzlichen Baugruppen bei einer Relaisstelle werden erklärt.

Unterschied Relais vs. Funkgerät

Mit einem normalen Funkgerät wird abwechselnd gesendet und empfangen. Eine Relaisstelle muss zur gleichen Zeit senden und empfangen. Dass dies ein Problem ist, weiß jeder, der schon mal bei Sendung versucht hat, auf einer anderen Frequenz im gleichen Band zu empfangen. Es entsteht ein starker "Zustopfeffekt". Es sind eigentlich 2 Effekte, die den Empfang stark einschränken. Das eigentliche Zustopfen entsteht durch Übersteuerung der Eingangsstufen im Empfänger als Folge der recht hohe Senderspannung, die über die Empfangsantenne aufgenommen wird.

Ein Relais-RX muss also eine gute Empfindlichkeit aufweisen, aber er muss trotzdem weit höhere Eingangs-Spannungen verarbeiten können, als ein allgemeiner RX. Da dies immer noch nicht ausreicht, muss die Sendefrequenz vor dem RX durch Filter gedämpft werden, ohne das Nutzsignal zu verschlechtern.

Sender Rauschen

Der 2. Effekt ist das Rauschen vom Sender. Ein Sender gibt seine Energie nicht nur auf einer einzigen Frequenz ab, sondern ein kleiner Teil wird auch links und rechts der Trägerfrequenz als breitbandiges HF-Rauschen abgestrahlt. Je besser der Sender, um so weniger Energie entfällt auf die Nachbarfrequenzen. Aber selbst mit modernsten Halbleitern lässt sich diese Rauschglocke nicht ganz vermeiden. Man muss also auch am Ausgang des Senders einen hochwertigen Filter anschließen.
Wie oben beschrieben, muss das Phasenrauschen des Senders, insbesondere auf der Empfangsfrequenz, unter den Pegel des schwächsten Nutzsignals abgesenkt werden, sonst würde dieses unterdrückt werden. Ein Signal mit 100 nV soll noch aufnehmbar sein, also muss das TX-Rauschen weniger als 100 nV betragen. Selbst ein guter Sender rauscht bei 600 kHz Abstand aber immer noch mit mehreren 10000 nV. Wenn man am Ausgang des TX einen Filter (Duplexer)  zwischenschaltet, welcher die TX-Frequenz möglichst nicht behindert, aber Störspannungen auf der Empfangsfrequenz um 60 dB dämpft, dann liegt das TX-Rauschen deutlich unter dem schwächsten Empfangssignal.

Der Duplexer

Ein Spulenfilter ist hierfür total ungeeignet. Selbst der bekannte "Rosenkranz-Topfkreisfilter" hat im 2m-Band bei 600 kHz Abstand ( Relais-Shift ) nur eine Dämpfung von nicht mal 1 dB.

Viele Amateurfunk-Relais in DL benutzen, wie auch DB0UC, zum Senden und Empfangen nur eine Antenne. Hier muss die Filterung besonders gut sein, da die winzige Empfangsspannung von weniger als 1 Mikrovolt und die hohe Sendespannung von über 20 Volt im gleichen Antennenkabel anstehen, sich aber nicht beeinflussen dürfen.

Ein guter Relais-RX sollte bei 600 kHz Abstand 25 mV ohne jegliches Zustopfen vertragen. Vor dem RX muss also ein Filter die TX-Frequenz um mind. 60 dB (= Spannungsverhältnis 1/1000 ) dämpfen, damit die mehr als 20V HF-Spannung vom Sender auf weniger als 25 mV am RX-Eingang reduziert wird.

Duplexer Aufbau

Nach Filterquarzen sind Topfkreise die besten Resonanzkreise. Quarze mit Sendeleistung zu belasten, ist schwer möglich, also bleiben nur Topfkreise. Grundsätzlich gilt, je größer der Topf, um so höher die Güte. Anzustreben ist ¼ der Wellenlänge, das heißt: für 2m ist ein Filtertopf ½ Meter lang. Wie aus der Skizze (A) zu erkennen ist, bildet ein Rohr mit 100mm Durchmesser und 500 mm Länge den Außenleiter. Die beiden Öffnungen sind mit je einem Deckel abgeschlossen. Mit dem oberen Deckel ist ein Innenleiter elektrisch gut leitend verbunden. Wenige mm vor dem unteren Deckel endet der Innenleiter. Dieser Luftspalt wirkt als Kondensator. Über eine Gewindestange kann der Luftspalt, und somit die Kapazität etwas verändert werden. dies ist nötig, um die scharfe Resonanz exakt auf die Soll-Frequenz zu ziehen. Ein- und ausgekoppelt wird die HF über je eine Koppelschleife.

 

Trotz des großen mechanischen Aufwandes und der sehr guten el. Eigenschaften eines solchen Schwingkreises, ist die Resonanzkurve für 600 kHz Abstand noch zu flach, wie  Skizze (B)  zeigt.

Ein wirkungsvoller Trick ist, Ein- und Ausgang mit einer Induktivität bzw. mit einer Kapazität zu überbrücken.

Es entsteht dadurch eine Art Notchfilter mit Tiefpass- bzw. Hochpass-Charakteristik. Durch entsprechende Anpassung der Zusatzbeschaltung kann das Maximum bzw. das Minimum der Filterkurve auf einen Abstand von 600 kHz getrimmt werden, siehe  Skizze (C) und  Skizze (D).  Am Beispiel des RX-Filters (C) bedeutet dies, dass der obere Punkt mit der geringsten Dämpfung ( -0,5dB )auf 145,1 MHz die Empfangsfrequenz gut durchlässt, und der Punkt mit der maximalen Dämpfung (-30dB ) 600 kHz höher, die Sendeleistung vom RX fern hält.

Wenn man je 2 dieser Topfkreise vor den RX, bzw. hinter den TX schaltet, reicht die Gesamtdämpfung aus, um den gleichzeitigen Betrieb von RX und TX an einer Antenne zu ermöglichen, siehe  Skizze (E).

Bei DB0UC werden zur Sicherheit je 3 Filtertöpfe benutzt.

Man spricht bei einer solchen  Zusammenschaltung auch von einer Antennenweiche. Diese Weiche ist HF-seitig das wichtigste Zusatzteil gegenüber einem Amateurfunktransceiver.

Der Empfänger

Wie schon oben beschrieben, muss der Relais-Empfänger grundsätzlich besser sein, als ein üblicher Amateur-RX. Der Grund ist nicht nur das starke eigene Sendesignal. Da Relais üblicherweise an exponierten Standorten stehen und dort oft auch andere Institutionen ihre Sender installieren, muss der Empfänger mit sehr vielen fremden und recht starken Signalen fertig werden. Mischprodukte, Spiegelfrequenzempfang und andere Dreckeffekte könnten sonst auftreten. An die Lebensdauer eines Relais-Empfängers werden sehr hohe Ansprüche gestellt. Er soll 24 Std. am Tag über viele Jahre möglichst ohne Ausfälle funktionieren. Erschwerend kommt hinzu, dass an den meisten Relais-Standorten Temperaturunterschiede von 50°C zwischen Sommer und Winter nicht zu vermeiden sind.

ZF-Aufbereitung

Im 2m-Band ist (leider) das 12,5 kHz-Raster weit verbreitet. Die ZF-Filterung muss den Nachbarkanal sehr gut unterdrücken, gleichzeitig aber Nutzsignale mit reichlich Hub (Bandbreite) noch gut demodulieren. Auch in diesem Punkt liegen die Verhältnisse durch viele starke Stationen etwas anders als bei einer Heimstation.

Der Sender

Aber auch der Sender der Relaisstelle muss besonders "sauber" sein. Neben der beschriebenen Rauschglocke, welche in erster Linie nur den näheren Frequenzbereich, also das eigene Amateurband, belastet, gehen vom TX auch Ober- und Nebenwellen aus, die in ganz anderen Frequenzbereichen Störungen verursachen können.
Oberwellen sind jedem geläufig. Es dürfte bekannt sein, dass sie auf Vielfachen der Grundwelle zu finden sind.

Nebenwellen entstehen meist durch Mischung in der Sendefrequenz-aufbereitung und können total unterschiedliche Frequenzbereiche betreffen. Auch "durchschlagende" Oszillatoren könnten über die Antenne abgestrahlt werden. All diese unerwünschten Aussendungen müssen extrem schwach sein, um keine Störungen bei anderen Funkdiensten hervorzurufen. Man kann sich dann nicht auf sein Recht berufen, dass die Störstrahlungswerte für Amateurfunksender eingehalten worden seien. Diese reichen für eine Relaisstelle im allgemeinen nicht aus.
Aufgrund des exponierten Standortes können schon geringste Nebenaussendungen rel. weite Strecken überbrücken, und Störungen bei benachbarten Funkdiensten hervorrufen.

Die NF-Aufbereitung

Im NF-Bereich gibt es den wesentlichen Unterschied,  dass die Modulation aus dem Empfänger durch die Ablaufsteuerung wieder zum Sender geführt wird. Dazwischen kann die NF noch aufbereitet werden.

Ablaufsteuerung

Zum Schluß währe noch die Ablaufsteuerung zu nennen. Sie wird heute wohl ausschließlich durch Mikroprozessoren gelöst. Sie hat die Aufgabe, den TX entsprechend ein- und auszuschalten, die verschiedenen Zeitabläufe zu steuern und das Call und evtl. andere Kontrolltöne in die Aussendung einzublenden.

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Aktualisierung 10.05.2015 von DC2NJ
This page was created on 29.04.2007 by DC2NJ
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