Locking des internen 30 MHz Quarzoszillators mit einem 10 MHz OCXO
Dieser Artikel beschreibt eine einfache Möglichkeit, den internen 30-MHz-Oszillator des IC-746 auf eine externe Referenzfrequenz aus einem 10-MHz-OCXO zu synchronisieren und somit eine echte Präzisionsreferenz zu verwenden.
Die Frequenzgenauigkeit und Stabilität älterer Transceiver entspricht häufig nicht mehr dem heute üblichen Standard.
Insbesondere beim Einsatz des ICOM IC-746 als Nachsetzer für Mikrowellen-Transverter oder bei schmalbandigen Betriebsarten kann bereits eine geringe Frequenzdrift störend sein.
Der Anschluss einer externen Referenz ist leider nicht vorgesehen.
Für das IC-746 gibt es Vorschläge von Anwendern, den internen Quarz besser thermisch zu isolieren. Auch von ICOM exitiert eine Verbesserung und zwar das CR-282 Zusatzmodul mit einem TCXO.
Leider bringen diese Modifikationen nur eine geringe Verbesserung, so wurde nach einer anderen Lösung gesucht.
Funktionsprinzip
Beim ICOM IC-746 basiert die gesamte Frequenzaufbereitung auf einem internen 30-MHz-Quarzoszillator. Dessen Genauigkeit und Stabilität werden durch Alterung, Temperaturänderungen und die Qualität des verwendeten Quarzes bestimmt. Bereits im normalen Funkbetrieb kann man eine Drift der Frequenz beobachten, die durch Erwärmung während der Sendezyklen und Abkühlung beim Empfang entsteht.
Ziel dieses Projekts war es, den internen 30-MHz-Oszillator an eine externe hochstabile 10-MHz-Referenz anzukoppeln und damit die Frequenzstabilität des Transceivers grundlegend zu verbessern.
Als Referenz dient ein temperaturgeregelter Oszillator (OCXO), der ein 10-MHz-Signal mit hoher Genauigkeit und Langzeitstabilität bereitstellt. Das Rechtecksignal des OCXO enthält aufgrund seiner Oberwellenstruktur bereits eine 30-MHz-Komponente. Diese wird mit einem Bandpassfilter selektiert und zur Synchronisation des internen Oszillators verwendet. Der originale Oszillator bleibt dabei erhalten und wird lediglich auf die externe Referenz „gezogen“ (locked).
10 MHz OCXO als externe Referenzfrequenz
Aus Asien sind preisgünstig gebrauchte 10 MHz OCXO erhältlich, kauft man gleich mehrere kosten sie ca. 5 EUR pro Stück. Mit etwas externer Beschaltung entsteht dann eine hochwertige Referenz. Die OCXOs stammen sehr wahrscheinlich aus verschrotteten Mobilfunk Basisstationen. So sind sie bereits gut vorgealtert und können im Amateurbereich hervorragend verwendet werden.
Der verwendete OCXO erzeugt ein Rechtecksignal mit einer Grundfrequenz von 10 MHz. Aufgrund der steilen Flanken enthält das Signal zahlreiche ungeradzahlige Oberwellen. Die dritte Harmonische bei 30 MHz wird für die externe Referenz des IC-746 genutzt, siehe Spektrum weiter unten.
Bei 30 MHz beträgt der Signalpegel ca. +4 dBm und soll ausgefiltert werden.
Es gibt aber auch unerwünschte Nebenwellen nahe beim Träger. Diese hängen von der Belastung des OCXO ab. Ein 3 dB Dämpfungsglied und insbesondere eine DC Trennung direkt am Ausgang des Moduls haben nach verschiedenen Versuchen die gewünschte deutliche Verbesserung gebracht.
Schaltung zur Erzeugung der 30 MHz Referenz
Dämpfungsglieder
Jeweils vor und nach dem 30 MHz Filter wird ein Dämpfungsglied eingeschleift, um die Anpassung zu verbessern. Damit erreicht man eine deutliche Verbesserung der Signalqualität. Zur Berechnung eignet sich zum Beispiel der PI-Attenuator Calculator.
Dämpfungsglied -3 dB (am Eingang)
Ideal: R1: 292.4 Ω R2: 17.61 Ω
verwendet: R1: 300 Ω R2: 18 Ω
Dämpfungsglied -2 dB (am Ausgang)
verwendet: R1: 430 Ω R2: 12 Ω
30 MHz Bandpassfilter für die Referenzaufbereitung
Berechnung und Simulation des 30 MHz Filters
Mit der Software RFsim V1.05 lassen sich solche Filter recht einfach simulieren und die Bauteilewerte optimieren.
Aufbau der Filterplatine
Mit der Software KiCAD wurde ein Schaltplan und ein Layout erstellt. Die kleine Platine ist anschließend mit einer CNC-Fräse auf FR4 Basismaterial mit 1,6mm Dicke hergestellt worden.
Vergleich zwischen Messung und Simulation
Das folgende Diagramm zeigt S11 und S21. Die Simulation ist rot und grün, die Messung ist blau und orange. Tatsächlich stimmt die Mittenfrequenz sehr genau überein und der Kurvenverlauf entspricht auch den Erwartungen. Lediglich die Dämpfung ist in der Realität um ca. 2,7 dB höher als bei der Simulation.
Hinweis: Bei der Messung ist das 3dB Dämpfungsglied dabei. Daher ist gegenüber der Simulation ein Versatz von S11 um 6dB und S21 ist um 3dB zu berücksichtigen.
Spulen berechnen
mit dem Onlinetool Single-Layer Coil Inductance Calculator wurden die Wickeldaten der Spulen ermittelt. Das geht recht einfach und die berechneten Werte haben gut gestimmt. Ein Feinabgleich in der Schaltung ist durch Aufbiegen der Drahtwindungen bei Bedarf auch noch möglich.
Die beiden kleinen Induktivitäten sind freitragend gewickelt, die große Induktivität ist auf einem kleinen Eisenpulver-Ringkern gewickelt.
Spektrum und Filterwirkung
Das linke Bild zeigt das OCXO Ausgangssignal. Am stärksten ist das 10 MHz Grundsignal mit ca. +15 dBm. Das 30 MHz Signal ist am zweitstärksten mit ca. +4 dBm. Die geradzahligen Harmonischen haben bereits weniger als -25 dBm.
Im rechten Bild ist das Signal nach dem Filter und dem zusätzlichen 2 dB Dämpfungsglied am Ausgang dargestellt. Bei 30 MHz stehen ca. -1 dBm als Pegel an, die anderen Frequenzen sind um mindestens 50 dB schwächer vertreten.
Einbau im IC-746
Mechanischer Einbau
An der Rückseite des IC-746 wird eine Bohrung für eine SMA-Buchse eingebracht. Verwendet wurde eine Buchse mit angeschlossenem RG-316-Koaxkabel. Das Kabel wird im Inneren des Gerätes bis in den Bereich des 30-MHz-Referenzoszillators geführt.
Am Ende des Koaxkabels befindet sich eine kleine Koppelspule. Diese wird direkt in die vorhandene Oszillatorspule eingetaucht und anschließend mechanisch fixiert. Dadurch erfolgt die Einkopplung des externen 30-MHz-Signals ausschließlich induktiv, ohne dass Änderungen an der eigentlichen Oszillatorschaltung erforderlich sind.
Einkopplung des Referenzsignals
Die Dimensionierung der Koppelspule erwies sich als kritischer Punkt des Umbaus. Versuche mit fünf oder sechs Windungen führten zu keinem dauerhaft stabilen Lock-Verhalten. Offenbar wurde der Ausgang des vorgeschalteten Filters dadurch zu stark belastet und das Referenzsignal war somit zu schwach.
Erst mit einer Koppelspule aus sieben Windungen stellte sich ein reproduzierbares und stabiles Einrasten des Oszillators ein. Die höhere Induktivität reduziert die Belastung der Referenzquelle und sorgt gleichzeitig für eine ausreichend starke magnetische Kopplung zwischen Koppelspule und Oszillatorspule.
Die Einkopplung erfolgt bewusst nur lose. Dadurch bleibt die ursprüngliche Schaltung weitgehend unbeeinflusst und das Gerät kann auch weiterhin ohne externe Referenz betrieben werden.
- Wird kein Referenzsignal eingespeist, arbeitet der interne 30-MHz-Oszillator unverändert weiter.
- Die Frequenzstabilität entspricht dann dem Originalzustand des Gerätes.
- Um unerwünschte Einkopplungen über die SMA-Buchse zu vermeiden, sollte der Eingang bei Nichtbenutzung mit einem 50-Ω-Abschluss terminiert werden.
Abgleich
Das Filter besitzt einen kleinen Trimmkondensator, mit dem die Dämpfung bei der Mittenfrequenz einfach auf Minimum abgeglichen wird. Dazu habe ich einen nanoVNA verwendet.
Damit der Oszillator zuverlässig auf die externe Referenz einrastet, sollte beim IC-746 die Frequenz des internen 30-MHz-Oszillators zunächst möglichst exakt eingestellt werden.
Dazu wird das Gerät mindestens 30 Minuten betrieben, damit sich ein thermisch stabiler Zustand einstellt. Anschließend wird die Frequenz ohne angeschlossene Referenz nach Service-Unterlage beziehungsweise mit geeigneter Messtechnik möglichst genau auf 30 MHz justiert.
Weicht die Eigenfrequenz des Oszillators zu stark von der Sollfrequenz ab, kann das Einrasten erschwert oder sogar verhindert werden. Dieses Verhalten ist gewollt und ergibt sich aus der bewusst schwachen Kopplung der externen Referenz.
Wird nach dem Abgleich die externe 30-MHz-Referenz zugeschaltet, rastet der Oszillator zuverlässig auf die Referenzfrequenz ein. Der Transceiver übernimmt damit die Genauigkeit, sowie die hohe Kurzzeit- und Langzeitstabilität des angeschlossenen OCXO, ohne dass tiefgreifende Änderungen an der Originalschaltung erforderlich sind.
Zusammenfassung
Mit vergleichsweise geringem Aufwand lässt sich der ICOM IC-746 für den Betrieb mit einer externen Referenzfrequenz erweitern.
Durch die Nutzung eines preisgünstigen 10-MHz-OCXO und eines einfachen passiven 30-MHz-Bandpassfilters kann die Frequenzstabilität deutlich verbessert werden. Damit werden technische Daten erreicht, wie sie selbst hochwertige moderne Amateurfunkgeräte nicht haben.
Da der originale Oszillator erhalten bleibt und die Einkopplung induktiv und somit kontaktlos erfolgt, ist der Umbau zudem weitgehend reversibel.