Oberwellenfilter bei Endstufen – unerwünschte Nebenaussendungen vermeiden

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Als Oberwellenfilter werden überwiegend in der Funktechnik elektrische Schaltungen bezeichnet, die unerwünschte Aussendungen in Form von Oberwellen ab der 2. Harmonischen aus einem elektrischen Signal herausfiltern, bevor das Signal aus dem Ausgang ausgeleitet wird.

Diese unerwünschten Oberwellen entstehen durch Nichtlinearitäten in elektronischen Schaltungen, wie beispielsweise in elektronischen Mischern und Verstärkern, sowie bei der Signalverarbeitung.

Oberwellenfilter werden als Tiefpassfilter realisiert. Diese werden oft auch als BCI/TVI Filter bezeichnet und sind als zusätzliches Filterelement meist direkt hinter dem Senderausgang zu finden.

Ein Funkgerät, bzw. ein Sendeleistungsverstärker, dass eine hohe Ausgangsleistung hat, hat nicht automatisch viele bzw. starke Oberwellen bzw. viele unerwünschte Nebenaussendungen. Wenn die Geräte nachträglich unfachmännisch umgebaut oder verändert worden sind, kann es passieren, dass die Oberwellenfilter nicht mehr korrekt arbeiten. Damit werden dann die Oberwellen, die im Gerät zwangsläufig entstehen nicht mehr unterdrückt und stören damit andere Funkanwendungen. Bei Sendeleistungsverstärkern entstehen viele Oberwellen durch Übersteuerung und dem Fehlen eines Tiefpassfilters zusätzlich am Ausgang der Endstufe.

Auftreten von Oberwellen

Oberwellen treten also durch nichtlineare Kennlinien auf. Hier gibt es bei Sendeleistungsverstärkern zwei Aspekte, die interessant sind: Die Durchschaltspannung bei der Basis unten und den Knick bei Sättigung oben (Kennlinie). Ersteres vermeidet der Konstrukteur durch einen Biasstrom (Ruhestrom), das Zweite entsprechend der Anwender durch eine geringe Ansteuerung. Ein Verstärker der mehr oder weniger „voll“ ausgefahren wird oder gar übersteuert wird, bringt einen hohen Rechtecksignalanteil mit – damit keinen Sinus mehr. Das Signal ist kaputt und es werden unheimlich viele unerwünschte Nebenprodukte ausgesendet, die starke Störungen verursachen. Daher ist es so wichtig, einen Verstärker nicht zu übersteuern.

Oberwellen, Harmonische – unerwünschte Nebenaussendungen

Bei einer Oberwelle handelt es sich um ein Vielfaches der Grundwelle bzw. der Grundfrequenz, die am stärksten ausgeprägt ist, dazu dann immer die ungeraden Harmonischen, bei CB-Funk also 27 MHz, 54 MHz, 81 MHz, 108 MHz usw.

Manchmal können auch Mischfrequenzen über die Endstufe eines Sendeleistungsverstärkers verstärkt werden. Diese werden dann ebenso über die Antenne abgestrahlt. So sendet das Gerät plötzlich teilweise zum Beispiel auf 18 MHz mitunter ein Signal heraus. Natürlich können auch diese Mischfrequenzen wiederum Oberwellen mit aussenden. Das wiederum einen gewissen Matsch an Signalen ergibt, den der Anwender gar nicht haben will. Diese unerwünschten Aussendungen beeinträchtigen aber andere Funkanwendungen. Aus diesem Grund sollten diese besonders stark vermieden werden.

Filter in industriell gefertigten Geräten – Oberwellen messen

Die Hersteller von Funkgeräten haben meist Aufwand und Energie hineingesteckt, damit das Gerät ein sauberes gefiltertes Signal abgibt, das möglichst nur auf dem Frequenzbereich sendet, wo der Benutzer es auch möchte. Je besser die Oberwellenfilter funktionieren, je schwächer wird der Anwender auf den Oberwellen zu hören sein. Eine Überprüfung auf Oberwellen ist mit einem Spektrum-Analyser möglich.

Aspekte und Hinweise zu Oberwellen

Ein sinusförmiges Signal besteht nur aus einer Frequenz und damit existieren keine Oberwellen.

Alle aktiven elektronischen Bauelemente, wie beispielsweise Transistoren, Dioden etc., habe nichtlineare Bereiche. Aus diesem Grund werden Sinussignale auch innerhalb eines Signalweges im Gerät nie „perfekt“ sein. Es werden somit immer Oberwellen erzeugt.

Nicht-sinusförmige Signale bestehen aus einem Gemisch von Frequenzen. Zu solchen Gemischen gehören unter anderem Rechtecksignale, Dreiecksignale und sägezahnförmige Signale. Diese periodischen Signale bestehen immer aus ihrer Grundfrequenz und der ganzzahligen Vielfachen dieser Grundfrequenz. Diese Signale nennt man Oberwellen oder auch Harmonische. Die erste Oberwelle besitzt genau die doppelte Frequenz, die zweite Oberwelle wiederum ist die dreifache Frequenz. Das geht immer so weiter und so fort.

Oberwellen nehmen in ihrer Amplitude, also in ihrer Kräftigkeit, bzw. Intensität, umso mehr ab, je weiter sie von der Grundfrequenz entfernt sind. Damit werden die Oberwellen beispielsweise nicht etwa auch mit 4 Watt ausgesendet, wie die Grundfrequenz, die der Anwender zum Senden eingestellt hat, sondern mit deutlich weniger Leistung, aber mit einer teils deutlich gut messbaren. Aus diesem Grund ist die Dämpfung der Oberwellen auch so wichtig, damit gerade der Anwender nicht unabsichtlich mit seinem Sendeleistungsverstärker auf dem 10m Band plötzlich ein Relais im 4m BOS Funk aufdrückt und damit die Funk-Anwendung stört.

In den Rechtecksignalen, die man vor allem aus der Digitaltechnik kennt, sind nur die ungeraden vielfachen der Grundfrequenz enthalten. Damit bilden sie eine kleine Ausnahme.

Damit möglichst schwache unerwünschte Nebenaussendungen in Form von Oberwellen ausgesendet werden, schaltet der Anwender einen zusätzlichen Tiefpass-Filter hinter die Endstufe, ein sog. ein Oberwellenfilter bzw. ein BCI/TVI Filter. Hierbei handelt es sich um einen LC-Filter, bestehend aus Spulen und Kondensatoren. Die tiefen Frequenzen, zum Beispiel 27 MHz oder 29 MHz bleiben unberührt, die hohen Frequenzen werden sehr stark gedämpft.

Verwendung von Sendeleistungsverstärkern an Funkgeräten im 10m/12m Band

Jede Signalform außer ein reines Sinussignal bringt also Oberwellen mit sich. Bei Kurzwellengeräten bzw. CB-Funkgeräten ist es so, dass die Signalstärke bei ungradzahligen Oberwellen sehr stark ist und bei den geradzahligen relativ schwach. Mit steigender Frequenz wird die Amplitude der Oberwelle normalerweise geringer. Die geradzahligen Oberwellen sind sehr oft Mischprodukte der Ungeradzahligen.

Bei jeder Verstärkung ob im A, B oder C Betrieb des Verstärkers entstehen Oberwellen. Das heißt also, wenn der Anwender aus seinem Funkgerät ein sauberes ziemlich oberwellenfreies 24-29 MHz Signal aussendet und dieses Signal auf einen Sendeleistungsverstärker leitet, so werden im Verstärker wieder weitere Oberwellen erzeugt. Aus diesem Grund haben die Endstufen in Amateurfunkgeräten heute bei den Transistorendstufen für jedes Band einen eigenen Bandpass nachgeschaltet. Die Güte des Filters hängt ebenso von den verwendeten Spulen stark ab. Sie sind ein unheimlich wichtiges Element des Funkgeräts.

S-Stufen – Power ist nicht alles

Zum Verstärken von Signalen gibt es noch einige grundsätzlich Sachen, die der Anwender bedenken sollte. Damit eine Funkstation eine S-Stufe (das sind 6dB ) beim Partner besser ankommt, braucht sie die 4 fache Sendeleistung. Was bedeutet das? Hört die Gegenstation die rufende Station mit beispielsweise S5 und diese sendet mit 4 Watt, so müsste sie um S7 zu erreichen die Leistung um das 16 fache (also 12db mehr!) auf 64 Watt Leistung steigern. Also 4 Watt mal 4 gleich eine S-Stufe, also 16 Watt Power und dann noch einmal multiplizieren mit 4 für die zweite S-Stufe gleich 64 Watt! Ziemlich viel, oder?

Hingegen reduzierst die Station die Leistung ums 4 fache, geht also auf 1 Watt Power zurück, so hört die Gegenstation die rufende Station immer noch mit S4.

Also die Antenne ist der beste Verstärker und die Leistung selbst ist nicht alles. Das gesamt Paket muss stimmen und nicht umsonst erreichen CB-Funker mit ihren 4 Watt durchaus locker Distanzen von 160km. Allerdings spielt auch die Ausbreitung der Funksignale und damit der Standort auch eine große Rolle und die ganze Leistung auf der Antenne bringt nicht viel, sollte die Energie nur in Wärme in der Antennenspule umgesetzt werden.

Damit ein CB-Funker mit einem hohen Wirkungsgrad in die Luft kommt, ist also eine Antenne von einem halben Lambda eine gute Sache, die korrekt auf die Endstufe angepasst worden ist. Genau das gleiche Spiel haben die Amateurfunker im 10m und 12m Band ebenso zu tun. Die Amateurfunkgeräte haben nicht umsonst so eine präzise Regelung der Sendeausgangsleistung. Nur soviel Leistung wie nötig, so wenig wie möglich mit guten und gut abstrahlenden Antennen, die möglich optimal angepasst sind und an einem möglichst guten Standort stehen.

Von daher ist das Arbeiten mit einigen Sendeleistungsverstärkern mit modifizierten CB-Funkgeräten auch etwas mühsam oder nicht so gut, weil gerade sich dort oft die Leistung nicht drosseln lässt. Der Verstärker macht beispielsweise lineare 20db und das Gerät hats so 4 Watt Ausgangsleistung. Damit kommt eine Ausgangsleistung von knappen 100 Watt zustanden, was in vielen Fällen zuviel ist, bzw. vielleicht nicht nötig.

Auf jeden Fall ist eine gute Anlage so konzipiert, dass die Nebenaussendungen möglichst gering sind oder kaum messbar, damit gerade die anderen Funkanwendungen nicht unter den Experimenten leiden und dort die Anwender ihre Arbeit ruhig verrichten könne, ohne dass jemand CQ plötzlich über ein BOS 4m Relais quer durch den Äther ruft und dort eigentlich gar nicht hin möchte.