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Superheterodynempfänger

Um aus den hochfrequenten Empfangssignalen die gewünschte Information zu erhalten, müssen diese verstärkt und wieder in ein niederfrequentes Videosignal umgewandelt werden. Diese Aufgabe übernimmt ein Superheterodynempfänger, oft einfach nur „Superhet” und früher auf Deutsch Überlagerungsempfänger genannt.

HF
ZF
Video
LO

Bild 1: Blockschaltbild eines Überlagerungsempfängers

HF
ZF
Video
LO

Bild 1: Blockschaltbild eines Überlagerungsempfängers

HF
ZF
Video
LO

Bild 1: Blockschaltbild eines Überlagerungsempfängers

In dem Superheterodynempfänger wird die Empfangsfrequenz in eine leichter zu verarbeitende niedrigere, aber konstante Frequenz, die Zwischenfrequenz (ZF), umgesetzt.

Diese ZF wird dann gefiltert, verstärkt und demoduliert, das heißt hier: in ein Videosignal umgewandelt.

HF-Vorverstärker (Spiegelfrequenzfilter)

Das Spiegelfrequenzfilter ist meist ein breitbandiger HF-Vorverstärker, welcher so dimensioniert ist, dass die Spiegelfrequenzen außerhalb seiner Grenzfrequenzen liegen.

Einige ältere Radargeräte haben keinen rauscharmen HF-Vorverstärker. Das Echosignal wird direkt auf die Mischstufe gegeben. Das hat aber einige Nachteile, denn es ist durchaus möglich, dass durch einen Empfänger, der auf eine Empfangsfrequenz abgestimmt ist, zwei völlig verschiedene Sender empfangen werden.

Wegen diesem notwendigen Spiegelfrequenzfilter kann die Bandbreite des Empfängers jedoch nicht wesentlich größer sein als seine Zwischenfrequenz. Um diesen Nachteil auszugleichen, werden Doppelsuperheterodynempfänger eingesetzt, also Empfänger mit mehreren Mischstufen und somit mehreren Zwischenfrequenzen.

Mischstufe

Kern einer Mischstufe ist bei den hohen Frequenzen eines Radarempfängers meist eine Mischdiode. Bei einer Mischstufe entstehen mehrere Ausgangsfrequenzen:

  • fZF = fempffoszillator
  • fZF = foszillatorfempf


Da es keine Bauteile gibt, die eine negative Frequenz von einer positiven Frequenz unterscheiden können, gilt: fzf = | foszillator - fempf | also der „Betrag” der Differenz der Frequenz.

Das Ergebnis ist also mehrdeutig: eine zweite, gegenüber der Oszillatorfrequenz „gespiegelte” Frequenz erfüllt diese Bedingung ebenfalls. Wenn zum Beispiel die ZF gleich 60 MHz und die Oszillatorfrequenz 1090 MHz betragen, werden vom Empfänger sowohl (1090 + 60 = 1150) MHz als auch (1090 - 60 = 1030) MHz verarbeitet. Eine von den beiden Frequenzen ist aber die unerwünschte Spiegelfrequenz! Deshalb darf die unerwünschte Frequenz nicht durch das Spiegelfrequenzfilter gelangen.

ZF-Filter

Alle anderen unerwünschten Frequenzen außer der Spiegelfrequenz werden durch das ZF-Filter blockiert. Das ZF-Filter besteht meist aus einem oder mehreren Bandfiltern, die nur die ZF-Frequenz mit einer gewissen Bandbreite durchlassen.

Diese Bandbreite ist z.B. notwendig, um auch Echos mit größerer Dopplerfrequenz empfangen zu können. In Radarempfängern ist diese Bandbreite meist 3 bis 5 MHz groß und kann auch noch weit darüber liegen. Das klingt sehr viel, aber schließlich werden Impulse mit steilen Flanken empfangen. Ist die Bandbreite des ZF-Filters zu klein, dann gehen die Impulsflanken verloren und statt des Rechteckimpulses wird nur noch eine Sinus- Halbwelle auf der Grundfrequenz des Impulses empfangen.

In der Impulsform (also in den Oberwellen der Grundfrequenz) steckt aber viel Information. Diese werden sogar oft durch eine aufwändige Fourieranalyse ermittelt. Deshalb müssen auch diese Frequenzen ebenfalls durch das ZF-Filter gelangen können.

ZF-Verstärker

In dem ZF-Verstärker wird der größte Anteil der Verstärkung eines Superheterodynempfängers erbracht. Um die große Dynamik der Echosignale zu verarbeiten, werden verschiedene automatische Verstärkungsregelungen genutzt.

Demodulator
Hüllkurve
Hochfrequenz

Bild 2: Scan vom Oszilloskop

Oszilloskop-Bild: ein modulierter Impuls, das sind viele Schwingungen (die Hochfrequenz) in einer Hüllkurve (der Rechteckimpuls). 
(click to enlarge: 640·480px = 22 kByte)
Hüllkurve
Hochfrequenz

Bild 2: Scan vom Oszilloskop

Von den Hochfrequenzschwingungen wird als Impuls nur eine Hälfte einer (gedachten) Hüllkurve benötigt.

Bild 3: einfaches Schaltbild

Schaltungssymbole für eine Demodulationsstufe: eine serielle Diode mit nachfolgendem parallelen Kondensator zur Gleichrichtung und Siebung. Von dem Oszilloskop-Bild bleibt nur noch die Hüllkurve übrig.

Bild 3: einfaches Schaltbild

Einfachste Demodulationsmöglichkeit bietet eine Diode mitnachfolgendem Kondensator:

Der Kondensator hat hier die Funktion eines Tiefpasses und sperrt die verbliebenen Anteile der Zwischenfrequenz.

Außer der hier gezeigten Amplituden- Demodulation gibt es aber noch mehr Möglichkeiten der Demodulation.

Videoverstärker

Der Videoverstärker verstärkt die Videosignale und passt sie an die folgende Leitung an. Rückwirkungen auf den Demodulator durch die Belastung der Leitungen und der folgenden Baugruppen werden verhindert.

Oszillator

Der Empfängeroszillator erzeugt die zum Mischen der Zwischenfrequenz nötige Hochfrequenz. Die meisten Radargeräte nutzen eine Zwischenfrequenz zwischen 30 und 75 MHz. Diese Zwischenfrequenz wird durch Mischung einer lokal im Empfänger erzeugten Frequenz mit der empfangenen Frequenz erzeugt. Dieser Empfängeroszillator ist sehr wichtig für die Funktion des Empfängers und muss sowohl abstimmbar sein als auch extrem frequenzstabil arbeiten. Schwingt der Empfängeroszillator beispielsweise auf einer Frequenz von 3000 MHz und hat eine Frequenzstabilität von nur 0,1%, dann bedeutet das eine Schwankung von 3 MHz! Das ist manchmal schon die Bandbreite des Empfängers und das bedeutet eine nicht hinnehmbare Verschlechterung der Empfindlichkeit des Empfangskanals.

Die Ausgangsleistung des Empfängeroszillators ist meist sehr gering (20 bis 50 mW). (Die nachfolgende Mischstufe benötigt nur eine geringe Signalleistung.) Die Frequenz des Empfängeroszillators muss über einen sehr großen Bereich (bis zu 1000 MHz!) abstimmbar sein und muss jeder Sendefrequenzänderung folgen, so dass eine konstante Zwischenfrequenz aus Sendefrequenz und Empfängeroszillatorfrequenz entsteht.

Diese kann entweder