Wolfgang Schneider, DJ 8 ES
Ein YIG-Oszillator kann über einen sehr weiten Frequenzbereich elektronisch abgestimmt werden. Dabei ist das Verhältnis von Abstimmspannung bzw. -strom und Frequenz sehr linear. Gleiches gilt für die Ausgangsleistung über der Frequenz gemessen. Die beiden Kennlinien zeigen dies für einen YIG-Oszillator im Frequenzbereich 2 - 4 GHz.
Die Abkürung YIG steht für: Yttrium-Iron-Garnet. Es handelt sich hier um ein synthetisches kristallines Ferrit-Material bestehend aus Yttrium und Eisen (Y3Fe6O16). Wenn ein solches Kristall von einem magnetischen Feld umschlossen wird und außerdem HF-Energie über eine magnetische Schleife zugeführt wird, so kommt dieses Element HF-mäßig in Resonanz. Die Resonanzfrequenz ist direkt proportional der magnetischen Feldstärke.
In der praktischen Ausführung eines YIG-Oszillators wird das magnetische Feld durch einen Elektromagneten erzeugt. Die Resonanzfrequenz wird durch den Strom in der Magnetspule bestimmt und weist lineares Verhalten auf. Die Spulen sind gleichzeitig für das relativ hohe Gewicht der YIG-Oszillatoren verantwortlich.
YIG-Oszillatoren werden im Frequenzbereich 0,5 – 50 GHz angeboten. Der Abstimmbereich erstreckt sich hierbei über eine oder mehrere Oktaven. Für den Amateurfunk, insbesonders aus finanziellen Erwägungen, sind solche Bauelemente zwischen 2 und 18 GHz auf dem Surplus-markt preiswert erhältlich.
Der hier zu Demonstrationszwecken herangezogene YIG-Oszillator stammt aus dem HP-Spektrumanalyser HP141T (HF-Baugruppe HP8355) und hat folgende Betriebsdaten:
- Betriebsspannung: +20V / 70mA
-10V / 7mA
- Frequenzbereich: 2 – 4 GHz
- Ausgangsleistung: 25mW ±1dB
- Spulenstrom: 50 – 120mA
Wenn denn keine näheren Daten zum vorhandenen oder auf dem Flohmarkt gefundenen YIG-Oszillator verfügbar sind, kann man folgendermaßen vorgehen. Zunächst wird die Betriebs-spannung (z.B. +15V und –5V) angelegt. Im zweiten Schritt wird von einem regelbaren Netzgerät über einen Vorwiderstand der Spulenstrom langsam hochgefahren bis sich dann eine Ausgangsleistung zeigt. Mit einem geeigneten Frequenzzähler und Leistungsmesser können so zu Fuß die Daten des YIG-Oszillators aufgenommen werden.
In diesem Zusammenhang sei auf den Beitrag Mikrowellenkomponenten von OM Bert Kehren (WB 5 MZJ) in diesem Tagungsband verwiesen. OM Bert gibt hier unter anderem zum Thema YIG-Oszillatoren wertvolle Tipps.
Abb. A zeigt einen einfach zu realisierenden Frequenzwobbler bis 4 GHz. Das zentrale Element ist hier der YIG-Oszillator 2 – 4 GHz. Dessen Ausgangssignal wird für den oberen Frequenzbereich direkt genutzt.
Für den Frequenzbereich < 2 GHz wird der YIG-Oszillator mit einer quarzstabilen Festfrequenz von 2 GHz gemischt. Wichtig ist hier, dass das LO-Signal auf den Mischerausgang durchschlägt. Besser wäre eine Festfrequenz von 4 GHz. Dies erfordert jedoch einen zusätzlichen Aufwand bei der Ablaufsteuerung. Der Sägezahn muss jetzt verkehrt herum laufen.
Das nach unten gemischte Signal wird über einen möglichst steilflankigen Tiefpass bei 2 GHz geführt und anschließend auf den gewünschten Ausgangspegel (z.B. +10dBm) verstärkt.
Der Frequenzsyntheziser in Abb. B zeigt einen von einer PLL-Regelschleife umgebenen YIG-Oszillator. Diese Regelschleife ist in dieser einfachen Form selbstverständlich nur für eine grobe Frequenzrasterung geeignet. Realistisch sind so 100kHz-Schritte machbar. Für kleinere Schrittweiten muss ein System mit zwei ineinander greifenden Schleifen bzw. ein Fraktional / N Teiler eingesetzt werden.
Aktuell laufen Versuche unter Einbeziehung einer DDS-Frequenzregelschleife durch OM Bert Kehren (WB 5 MZJ) und OM Bernd Kaa (DG 4 RBF). Aktuelle Ergebnisse sollen auf der Tagung hier in Weinheim vorliegen.
Wie auch beim Wobbler wird der obere Frequenzbereich 2 – 4 GHz direkt aus dem YIG-Oszillator abgeleitet. Der untere Bereich mit 5 MHz – 2 GHz wird durch Abwärtsmischung erzeugt.
Das Thema Spektrumanalyser ist etwas komplexer. In Abb. C wird die Grundversion eines solchen Spektrumanalysers im Frequenzbereich 5 MHz bis 1,8 GHz gezeigt. Nach dem Tiefpassfilter im Eingang wird das zu untersuchende Frequenzspektrum auf die 1. ZF von 500 MHz gemischt. Der durchstimmbare Oszillator ist hier auch ein YIG-Oszillator 2 – 4 GHz.
Die zweite ZF liegt bei 110,7 MHz. Hier kann für breitbandige Messungen direkt das Signal über ein steilflankiges ZF-Filter ausgekoppelt werden. Der logarithmische Detektor mit einem AD8307 erzeugt hier direkt die Y-Ablenkspannung für die Anzeige mit einem Oszilloskop.
Bei echten schmalbandigen Messungen mit ZF-Bandbreiten bis hinunter zu min. 10 Hz (1 Hz) muss auf eine dritte ZF herunter gemischt werden. Diese könnte beispielsweise 10,7 MHz sein. Andere Überlegungen tendieren hin zur Nutzung des kompletten ZF-Einschub aus dem HP-Spektrumanalysersystems HP141T. Hier ist dann zusätzlich auch eine Frequenzstabilisierung über ein PLL-System zwingend.
Dieser Vortrag wurde am 10.9.2000 auf der UKW-Tagung in Weinheim/Mannheim gehalten. Er ist im Skriptum der Vorträge der 45. Weinheimer UKW-Tagung enthalten. Die Veröffentlichung erfolgt mit freundlicher Genehmigung des Autors und vorläufiger Genehmigung des OV Weinheim A20.
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