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Automatische Frequenznachstimmung

Temperaturschwankungen und Speisespannungstoleranzen verursachen geringfügige Frequenzänderungen sowohl im Sender als auch im Empfänger. Ein Radargerät muss darum über eine Möglichkeit zur Frequenzregelung verfügen, um den Sender und den Empfänger aufeinander abzustimmen. Radargeräte sind deshalb mit einem System zur automatischen Frequenznachstimmung (engl.: AFC - Automatic Frequency Control, oder deutsch: AFN - Automatische Frequenznachregelung) ausgestattet.

AFC

Bild 1: Blockschaltbild eines Radioempfängers mit AFC

Bild 1 zeigt ein Blockschaltbild zur Erläuterung der Funktion der Automatischen Frequenznachstimmung
AFC
HF-Vorverstärker Mischstufe Bandfilter ZF- Verstärker Demodulator NF-Verstärker Local Oszillator Kapazitätsdiode (Varicap) Die Ausgangsspannung des Frequenzdiskriminators steuert die Kapazitätsdiode.

Bild 1: Blockschaltbild eines Radioempfängers mit AFC

AFC in einem Rundfunkempfänger

Hier muss die AFC die interne Frequenzeinstellung des Empfängers genau auf die empfangene Frequenz eines externen Senders abstimmen, dessen genaue Frequenz dem Empfänger unbekannt ist. Es wird eine der Frequenzabweichung proportionale Streuerspannung erzeugt, welche den Oszillator nachstimmt.

Eine Kapazitätsdiode im Schwingkreis des Oszillators hält die Ausgangsfrequenz stabil. Diese Kapazitätsdiode in Sperrrichtung betrieben hat eine steuerspannungsabhängige Kapazität. Wenn zum Beispiel die Zwischenfrequenz von 10,7 MHz durch einen tiefliegenden Oszillator erzeugt wird und dieser auf einer leicht verringerten Frequenz schwingt, dann hat die ZF einen zu hohen Wert. Das erzeugt eine verhöhte Steuerspannung am Ausgang des Frequenzdiskriminators für die Kapazitätsdiode. Diese hat dann eine verringerte Kapazität und veranlasst damit den Oszillator, auf einer höheren Frequenz zu schwingen. Andersherum: wenn der Oszillator auf einer zu hohen Frequenz schwingt, verringert sich die ZF. Die Steuerspannung sinkt, die Kapazität wird erhöht und die Ausgangsfrequenz des Oszillators sinkt.

Diese Schaltungsvariante der AFC wird in Rundfunkempfängern, in Frequenzsynthesizern und in UKW-Sendeanlagen genutzt. Sie erfordert im Empfänger allerdings eine relativ konstante Eingangsamplitude. Für den Impulsbetrieb einer Radaranlage ist diese Schaltung also weniger geeignet.

Radarempfänger
AFC-System

Bild 2: Blockschaltbild der automatischen Frequenznachstimmung in einem Radargerät mit nicht frequenzregelbarer selbstschwingender Senderöhre.

Das Bild zeigt ein Blockschaltbild der automatischen Frequenznachstimmung in einem Radargerät mit nicht frequenzregelbarer selbstschwingender Senderöhre.
Radarempfänger
AFC-System
Radarantenne Sende- Empfangsumschalter (Duplexer) Richtkoppler Transmitter rauscharmer HF-Vorverstärker Mischstufe ZF-Verstärker Videodetektor Videoverstärker Local-Oszillator Steuereinrichtung AFC-Frequenzdiskriminator AFC- Mixer AFC ZF-Verstärker

Bild 2: Blockschaltbild der automatischen Frequenznachstimmung in einem Radargerät mit nicht frequenzregelbarer selbstschwingender Senderöhre.

AFC in einer Radaranlage

AFC-Systeme in nicht-kohärenten oder pseudokohärenten Radaranlagen arbeiten nach zwei ähnlichen Verfahren. Im Gegensatz zu einem Rundfunkempfänger sind jedoch sowohl Sendefrequenz als auch Empfängerfrequenz genau bekannt. Bei Abweichungen vom Sollwert wird entweder

Beide Syteme verwenden als Referenz einen Teil der Sendeenergie, die über einen Richtkoppler aus der Zuleitung zum Duplexer ausgekoppelt wird. Dieses Signal wird mit der Frequenz des Local-Oszillators zu einer AFC-Zwischenfrequenz gemischt, die den gleichen Wert wie die Signal-Zwischenfrequenz hat. Diese AFC-ZF wird durch den Frequenzdiskriminator in eine Steuerspannung umgeformt, die in Amplitude und Polarität die Frequenzabweichung repräsentiert. Ist die Frequenz exakt, dann ist die Ausgangsspannung gleich Null. Mit dieser Ausgangsspannung wird dann entweder der Local Oszillator auf die erforderliche Frequenz nachgestimmt oder ein Stellmotor regelt die Frequenz der Senderöhre auf die meist viel stabilere Frequenz des Local Oszillators nach.

Radarempfänger
AFC-System

Bild 3: Blockschaltbild der automatischen Frequenznachstimmung in einem Radargerät mit frequenzregelbarer selbstschwingender Senderöhre.

Das Bild zeigt ein Blockschaltbild der automatischen Frequenznachstimmung in einem Radargerät mit frequenzregelbarer selbstschwingender Senderöhre.
Radarempfänger
AFC-System
Radarantenne Sende- Empfangsumschalter (Duplexer) Richtkoppler Transmitter rauscharmer HF-Vorverstärker Mischstufe ZF-Verstärker Videodetektor Videoverstärker Local-Oszillator Steuereinrichtung AFC- Mixer AFC-ZF-Verstärker AFC-Frequenzdiskriminator AFC-Motorsteuerung

Bild 3: Blockschaltbild der automatischen Frequenznachstimmung in einem Radargerät mit frequenzregelbarer selbstschwingender Senderöhre.

Der erste Fall (Bild 2) muss dann verwendet werden, wenn als Radarsender eine selbstschwingende Hochleistungsröhre wie zum Beispiel ein Magnetron verwendet wird, welches auf einer durch die Röhre konstruktiv festgelegten Frequenz schwingt und sich nicht abstimmen lässt. Wenn der Sender eine Möglichkeit zur Frequenzregelung hat (zum Beispiel, weil das verwendete Magnetron sich in geringen Grenzen abstimmen lässt oder weil eine Scheibentriode mit externen abstimmbaren Schwingkreisen genutzt wird), dann wird meist der zweite Fall verwendet, der in Bild 3 gezeigt ist.

Vollkohärentes Radar

Vollkohärente Radargeräte benötigen keine AFC, da die Erzeugung der Sendefrequenz und der Mischfrequenzen im Empfänger aus einem hochstabilen Muttergenerator erzeugt werden. Alle intern verwendeten Frequenzen haben einen definierten Phasenbezug zueinander und können deshalb in der Frequenz nicht abweichen.

Wenn dieser Muttergenerator seine Frequenz durch Temperaturschwankungen ändert, so sind Sendefrequenz und Empfangsfrequenz gleichermaßen betroffen und müssen nicht nachgestimmt werden.