FT – 1000 MP MARK V „Field“ Modifikation zum RX der absoluten Spitzenklasse
(Manuskript für den Artikel in der Zeitschrift Funkamateur – 2005, Heft 6 und 7: „Noch mehr Großsignalfestigkeit beim Mark-V FT-1000MP Field“)
Ing. Kurt Hoffelner, OE3HKL
Im Sommer 2004 wurde der neu angekaufte FT 1000 – Field mit viel Freude und Erfolg, an einem 3 El - Beam auf (10 - 15 - 20)m und mit einer 2 x 10,5m Inverted - V auf 40m, im Portabel-QTH betrieben. Der von mir gemessene IP3 von +18 dBm bei einem Spacing von 20kHz (7040kHz / 7060kHz) schien sich auch am 40m-Band zu bestätigen: Selten war ein zusätzlicher Abschwächer notwendig.
Groß war jedoch die Überraschung, als das Gerät dann im darauffolgenden Herbst an den 2 x 120m V-Beam (60 Grad Spreizwinkel) am HOME - QTH angeschlossen wurde: Ohne eingeschalteten zusätzlichen Vorkreisen (VRF) plus 12 – 18 dB Abschwächer ging in den Abendstunden bei großen Feldstärken gar nichts! Wie war dies bei dem recht guten IP3 – Wert ( 20kHz-Spacing) möglich? Ich dachte im ersten Moment schon an einen Defekt des Gerätes, bis dass mich mein Sohn Andreas auf einen Artikel im Internet von W8JI http://www.w8ji.com/receiver_tests.htm aufmerksam machte:
Bei einem Spacing von nur 2kHz hatte dieser bei einer Empfindlichkeit von ca. -130dBm (+3dB (S + N) / N) einen Intermodulationsabstand (IMDR) von 60 dB angegeben, was einem IP3 von nur -40dBm entspricht. Ein von ihm unter http://www.w8ji.com/ft1000mk_v.htm angegebener Verbesserungsschlag für den Noisblanker hat bei mir eine Verbesserung des IMDR von ca. 6 dB ergeben.
Dies reizte mich zu weiteren eigenen Experimenten:
Bild 1: Messaufbau der IP3-Messung mit den gezogenen Quarzoszillatoren.
Die vorhandenen 7040kHz und 7060kHz Quarzoszillatoren mit Hochstrom- FET wurden umgebaut und mit Drehkondensatoren von 7010kHz - 7040kHz bzw. von 7040kHz - 7060kHz gezogen, mit einem Pout = +3dBm. Die dadurch auftretenden Pegelschwankungen wurden durch Änderung der Versorgungsspannungen der beiden Oszillatoren ausgeglichen. Wichtig ist natürlich die genügende Entkoppelung der beiden Oszillatoren mittels zusätzlichen Abschwächern bzw. einem Power - Combiner. (Bild 1)
Mit dieser Anordnung konnten somit zwei rauscharme Signale mit einem Spacing von 1kHz - 50kHz erzeugt werden, vorausgesetzt die Stromversorgung hat ebenfalls ein geringes Rauschen.
Es ergaben sich bei einem Spacing von 2 kHz (7040kHz / 7042kHz) ähnliche IP-Werte wie von W8JI gemessen: Stellung CW - 500 Hz, ohne Vorverstärker, AGC - OFF (Zum Schutz des Gerätes beim Abgleichvorgang besser mit AGC – FAST).
Zur Kontrolle wurden sämtliche Messungen auch immer mit zwei R&S SMDU - Signalgeneratoren (freilaufend nicht gerastet) und einem zweiten Combiner gemessen. Dies war jedoch auf Grund des, im Vergleich zu den Quarzgeneratoren, relativ hohem Eigenrauschens, nur mit den höheren Meßpegeln möglich.
Aus den Kurven war ersichtlich, dass das ca. 15kHz breite Roofingfilter des FT 1000 nach dem 1. Mischer, mit seiner Bandbreite und Qualität, die Hauptursache für meine Probleme war.
Durch einen glücklichen Zufall erfuhr ich, dass in Deutschland 4 kHz breite Roofingfilter (70,455MHz) der Fa. INRAD vertrieben werden (€165 - €200 pro Stück), wo auch ein Einbauvorschlag nach dem 1. ZF-Verstärker, vor dem 2. Mischer, auf der Audio-Platine angegeben wird.
Bild 2:
Bild 2 und 2a: Roofingfilter lt. Umbauvorschlag der Fa. Inrad, nach dem 1. ZF-Verstärker, auf der Audio-Platine eingebaut.
Meine Skepsis wurde durch die Messungen bestätigt, denn die Verbesserungen waren nur minimal: dies sowohl messtechnisch als auch an der Antenne .
Bild 3: IP3 – Meßkurven vom Umbauvorschlag der Fa. Inrad.
Ein Roofingfilter gehört natürlich sofort nach dem 1. Mischer (inkl. Diplexer und Anpass- bzw. Trennverstärker) positioniert (Bild 4)!
Bild 4: Schaltplan des Anpassverstärkers mit T - Diplexer.
Wo hat dies im FT1000 möglichst nahe beim 1. Mischer Platz?
Da es für mich nach 43 Jahren KW - Amateur und 30jähriger EMV - Praxis sowieso „unanständig“ ist, in einem derart empfindlichen RX ein getaktetes Netzgerät zu betreiben, wurde dieses kurzerhand ausgebaut, auf ein doppeltkaschiertes Printmaterial(1,5 mm) gestellt, die Umrisslinien der Grundplatte nachgezeichnet und mit Laubsäge ausgeschnitten. Dies war nun die Montageplatte für den Anpassverstärker und der Roofingfilter - Platine (Fa. Inrad) direkt neben dem 1. Mischer gelegen (siehe Bild 5)
Bild 5: Foto der Einbausituation von OE3HKL-Modifikation: Anpassverstärker und Roofingfilter - Platine (Fa. Inrad) in FT1000
Um den nötigen Umbau durchführen zu können, musste vorher der Ventilator und die Endstufe, sowie die darunterliegende HF - Platine ausgebaut werden. Anschließend muss der zwischen HF - Platine und neuer Montageplatte liegende Abschirm - Blechrahmen auf der Unterseite für die zwei RG 174 Koaxialkabel, mittels einer Rundfeile ausgenommen werden.
Es wurden sehr viele verschiedene Versuche mit diversen Schaltungsvarianten ausprobiert. Der Prototyp wurde mit einem P8002 aufgebaut. Da dieser nicht mehr zu bekommen ist, wurde unter anderem auch ein SST310 ausprobiert. Die Ergebnisse waren um maximal 3dB schlechter als beim 1. Prototypen (P8002). Leistungsstärkere Ersatztypen wären z.B.: U310, 2N4856….Es können jedoch auch 2Stk SST310 parallel geschaltet werden. Die Spulen sollten unbedingt geschirmt sein und bei 70 MHz auch bei starken Signalen keine IM erzeugen. Hier ist besonders kritisch der Gleichstrom durchflossene Drainkreis. Wenn hier z.B. eine ungeeignete 7 x 7 mm Spule verwendet wird, ist der RX nach dem Umbau sicher viel schlechter als vorher (Bild 6). Es ist bei dieser Messung deutlich zu erkennen, dass es zweckmäßig ist, auch mit etwas höheren Pegeln (z.B.: -117dBm) Messungen durchzuführen, da nur dann gewisse Mängel ersichtlich werden.
Bild 6: IP3 - Meßkurven für schlechte 7x7mm Spule im Drainkreis (OE3HKL Modifikation).
Bild 7: IP3 - Messkurven nach dem Umbau - OE3HKL: Filter nach 1.Mixer.
Das Ergebnis mit den 10x10mm Spulen(Bild 7), war für mich jedenfalls den Aufwand wert: Bei einem Spacing von 5 kHz entsprechen die IP3-Werte nun jenen, von viel teureren Geräten. Bei einem Spacing von 5 kHz war das Ergebnis vom MDS(Pim= -130 dBm) weg gemessen noch „Phase - Noise - Limitted“, bedingt durch das Seitenband – Rauschen des 1. Oszillators (wie gegeben zum Teil auch bei sehr teuren Geräten: siehe http://www.sherweng.com/table.html). Deshalb wurde zusätzlich auch noch mit einem höheren Pegel(Pim= -117 dBm) gemessen. Ein ursprünglich noch geplanter Umbau des 2. Mischers wurde aus diesem Grunde fallen gelassen.
Der Betrieb am 2 x 120 m V-Beam auf 40 m war jedenfalls überzeugend: War ursprünglich der Unterschied zwischen SUB - und HAUPT – RX nicht sehr groß, so ist er nach dem Umbau gewaltig! Es ist nun auch auf dem 40 m Band möglich, wenige kHz neben starken Sendern, auch schwache Signale aufzunehmen und dies oft auch ohne Abschwächer.
Umbauvorschlag FT1000:
Anpassverstärker und Roofingfilter - Platine (Fa. Inrad) auf Montageplatte montiert und angeschlossen (Bild 8).
Bild 8:
Bild 8 und 8a: Anpassverstärker und Roofingfilter - Platine (Fa. Inrad) auf Montageplatte montiert und angeschlossen
Bild 9: Änderungen auf RF-Platine des FT 1000, sowie Einbau des Anpassverstärkers und Roofingfilter - Platine (Fa. Inrad)
Schaltung FT 1000 (Bild. 9) inkl. Änderungen auf RF - Platine zwischen 1. Mischer (Q 1010 – Q 1013) und 1. ZF-Verstärker (Q 1009):
- Entlöten von C 1044 (33p) und C 1043 (100p), Vorsicht, die Cs sind geklebt
- Anlöten des Koax - OUT (RG 174) an T 1009 -Auskoppelwicklung
- Anlöten des Koax - IN (RG 174) über 100p an den Eingang des Transistors Q 1009 (zwischen R 1044 und R 1171)
Änderungen auf der Roofingfilter - Platine (Fa. Inrad):
- Wegkratzen der Leiterbahn von Koax – Buchse J1 zum Filter
- Entlöten von J1 und J2 Koax – Buchsen
- Am Ausgang J2 ein 220 Ohm – Poti mit dem Schleifer anlöten. Die beiden Außenanschlüsse des Poti auf Masse. Poti dient als Verstärkerabschluss, sowie zur Feineinstellung der Gesamtverstärkung bzw. Empfindlichkeit des RX nach dem Umbau.
Abgleich:
Ls, Lp, Ld (incl. der dazugehörenden C`s) auf größte Verstärkung (Resonanz) einstellen (ev. auch C´s ändern)
Eventuell auch T 1009 beim 1. Mischer nachabgleichen.
Insgesammt sollte die gleiche Empfindlichkeit wie vor dem Umbau erreicht werden (bei meinem Gerät: –130dBm für +3dB (S+N)/N), denn nur dann kann man die Verbesserungen wirklich beurteilen und nur dann hat auch das S-Meter wieder die gleiche Empfindlichkeit wie vor dem Umbau. Die Grobeinstellung der Verstärkung des Anpassverstärkers kann durch eine Änderung von R3 vorgenommen werden.
Abschließend möchte ich auf Grund meiner gewonnenen Erfahrungen anführen, dass ein hoher Intermodulationsabstand(IMA,IMD,IMDR) bei kleinem Spacing viel wichtiger ist, als ein hoher IP3 bei 20kHz oder gar 200kHz, denn ab ca. 20kHz bei 80m und 50kHz Abstand von der Empfangsfrequenz bei 40m kann ein guter Preselektor den IP3 merkbar verbessern.
Die Messungen auch mit etwas höherem Pegel des IM-Signals Pim=-117 dBm, bei einem Eingangssignalpegel Pin von –40 dBm(2kHz) bis –27dBm(20kHz), wurden nicht zuletzt deshalb durchgeführt um aufzuzeigen, dass der IP3 auch stark pegelabhängig ist: So erreicht ein Spitzengerät in der 10.000 Euro Liga lt.Testbericht, den angegebenen IP3-Wert, nur nach der S-9 Methode(Pim= 50uV, -73dBm bei einem Pin von ca.-10 dBm).und dies nur bei einem Spacing von 200kHz. Ein anderes Spitzengerät gibt den IP3 gar bei einem Eingangspegel von Pin= 0dBm(0,2236V) an. Es ist beachtlich, wenn die Geräte diese Pegel auch aushalten (auch bei AGC-OFF ?!), nur der IP3 beim Noisfloor und einem Spacing von 2kHz wird um 10dB bis 30 dB niedriger sein, als angegeben!!!
Die zusätzliche Angabe des IMA auch bei kleinem Spacing wäre ein wichtiges Kriterium, um die Geräte besser vergleichen zu können, wie z.B. bei den Tests des ARRL in der QST praktiziert. Vielleicht könnten sich die Firmen doch einmal im Interesse ihrer Kunden weltweit auf ein derartiges System einigen (Bild 10).
Bild 10: Intermodulationsabstände[dB] in Abhängigkeit vom Spacing[kHz]:
2kHz 5kHz 10kHz 20kHz
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FT-1000MP-Field(original) 62 66 82 98
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Umbauvorschlag Fa.Inrad 66 73 90 98
Verbesserung zu Original +4 +7 +8 +/- 0
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Umbauvorschlag OE3HKL 79 91 96 98
Verbesserung zu Original +17 +25 +14 +/- 0
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Alle Messwerte gemessen bei einer gleichen Empfindlichkeit von -130dBm für +3dB(S+N)/N in Stellung CW, 500Hz,ohne Vorverstärker(IPO), AGC-OFF, 40m-Band
Schlussbemerkung
Der gesamte Materialaufwand für den beschriebenen Umbau beläuft sich auf gerade mal 200 Euro und der FT 1000 erreicht hiermit nahezu Werte, von viel teureren Geräten.
Für den Umbau sollte sich jedoch nur jemand entscheiden, der auch über die erforderliche Praxis, sowie über entsprechende Messgeräte verfügt.
Selbstverständlich sind alle meine Vorschläge ohne Gewähr, vor allem auch was einen ev. Garantieverlust beim FT1000 betrifft.
Meinem Sohn Andreas herzlichen Dank für die Unterstützung bei der Realisierung dieses Projektes, nicht zuletzt für die Erstellung des Manuskriptes !
Bild 11a: Oberseite der 60x65 großen Platine
Bild 11b: Unterseite der Platine
Bild 11a und 11b aus: www.funkamateur.de/downloads/archiv/downloads zum_Heft_FA_2005, Heft 7 "Mehr Großsignalfestigkeit beim FT1000 "
Bild 11c: Printplatte gefräst(Oberseite)
Bild 12a: Bestückungsplan der Platine(Bauteile)
Bild 12b: Bestückungsplan der Platine(Verkabelung)
Auf Grund der Länge des Artikels wurden weitere wichtige Details aus Platzmangel in den Ergänzungen zusammengefasst und im FA als Download abgelegt.
Ergänzungen: Mußten auf Grund von Platzmangel beim Artikel weggelassen werden
1) Den Noiseblanker lt. Bedienungsanleitung Seite 46:..."zu Zeiten extremer Signalstärken am besten ausgeschaltet lassen."
Abgesehen davon, daß er ohnedies nicht viel bringt, treten bei mir ab Stufe A10 und B10 bemerkbare und meßbare zusätzliche
IM-Produkte auf - also möglichst nur bis Stufe 9 verwenden!
2) Bei eventuell auftretender Schwingneigung einen 1K8 SMD-1206 Widerstand direkt parallel zu den Anschlüssen der Drainkreisspule Ld einlöten.
3) Daß es zu so einer Schwingneigung gar nicht kommt, wäre wichtig:
a) Keine längeren Distanzbolzen zwischen der Montageplatte und den beiden Printplatten verwenden.
Als Distanzhalter habe ich in M3 verwendet: Zahnscheibe+Mutter+Beilagscheibe+Zahnscheibe. Beim Anschrauben der Printplatte oben ebenfalls Zahnscheibe verwenden. Nur so ist ein dauerhafter niederohmiger Kontakt der Printplatten auf Masse gewährleistet.-Aus dem selben Grund sollte noch die Auflage um die Befestigungslöcher bei der Montageplatte und der OE3HKL-Platine dünn verzinnt werden.(oben und unten !! )
b) Den Schirm des RG-174 möglichst immer auflegen und keine "Pig-Tails" verwenden: 10mm Draht haben bei 100 MHz ca.10 Ohm und bei 1GHz ca. 100 Ohm - Schirmung kann nicht funktionieren wenn diese Impedanzen in Serie auf Masse dazwischenliegen ( zu hohe Kopplungsimpedanz ) > Gefahr auch von Pfeifstellen.
Ich umwickle zur Wärmeableitung das über den Mantel zurückgezogene Geflecht seit 40 Jahren immer mit einer selbstklebenden ca. 5mm breiten Cu-Folie, welche ich am Geflecht sehr vorsichtig anlöte. Diese Folie wird wiederum auf der Printplatte angelötet.- Wie man auf dem Foto erkennen kann, ist diese Folie durch das oftmalige Aus - und Einbauen, bedingt durch die vielen Experimente, leicht ramponiert. Das Koaxialkabel hat dies jedoch gut überstanden.
Als bessere Lösung kann ein dünnes Koaxialkabel mit Teflon-Isolation verwendet werden. Leider stand mir dies zum Zeitpunkt des Umbaues nicht kurzfristig zur Verfügung!
4) Die niedrigen Impedanzen der Printplatten und des Koaxschirmes auf Masse sind vor allem auch für die wirksame Funktion des Diplexers und des korrekten Abschlusses des Mischers wichtig. Dies vor allem für die Mischprodukte höherer Frequenzen, die bis in den Bereich von 1GHz für den IP3 eine Bedeutung haben(siehe cq-DL 3/93 Seite 165 ): Diese werden über R1 und Cp (Siehe Bild4) angepaßt bzw. abgeleitet. Die Mischprodukte unterhalb von 70 MHz desgleichen von R1 und Lp. Nach dem Durchlaufen des Nutz-Signals von Ls-Cs werden die verbliebenen unerwünschten Mischprodukte nun über R2 und Lp,Cp angepaßt bzw. abgeleitet.
Ein verbleibender Rest geht wegen der doch recht schlechten Güte und somit großen Bandbreite weiter an den Hochstrom-FET VT1, der einen von der Frequenz relativ unabhängigen Eingangswiderstand von 50 Ohm besitzt ( wird mit dem 100 Ohm Regler im Source-Kreis voreingestellt. Id wegen IM-Produkte von Ld eher niedrig halten ) und wird inclusive Nutzsignal um ca. 6 bis 8 dB verstärkt.- Durch Ld und Trimmer(3-13pF), werden die unerwünschten Mischprodukte weiter abgeschwächt. Dieser Kreis besitzt die größte Güte, wie man beim Abgleich sofort bemerken kann.-
Über ein ca. 3dB Widerstandsnetzwerk geht es dann weiter zum Inrad-Roofingfilter, welches im Durchlaßbereich das Nutzsignal weiterleitet; im Sperrbereich durch seine Hochohmigkeit jedoch die Signale über VT1 und den Diplexer wieder bis zum Mischer zurück reflektiert. Am Weg zurück über das Widerstandsnetzwerk, Drainkreis, Hochstrom-Sperrschicht-FET(VT1) und über den Diplexer, werden die unerwünschten Mischprodukte in besagter Weise weiterhin abgeschwächt, sodaß sie nunmehr keine nennenswerte Verschlechterung des Mischerabschlusses hervorrufen können.- Der VT1 arbeitet auf Grund seiner recht guten Rückflußdämpfung(20 – 30 dB) auch als Trennverstärker.-
Dieselbe Prozedur passiert mit dem Oszillatorsignal, welches nach dem 1. Mischer noch mit einem relativ hohem Pegel ansteht.
5) Die OE3HKL-Platine sollte unbedingt vor dem Einbau in Betrieb genommen und vorabgeglichen werden.-
Desgleichen sollte die Roofingfilter- Platine überprüft werden. Hierbei auch Beachtung auf die geforderte 5V-Betriebsspannung, die über einen Vorwiderstand(330 Ohm) erzeugt wird und somit vom Strom abhängt(ev. Widerstand ändern).
Das 220-Ohm-Potentiometer am Ausgang des Roofingfilterverstärkers, zum Feinabgleich der Verstärkung, besitzt vom Schleifer auf beide geerdete Außenanschlusse max. 55 Ohm. Wenn man nur einen Außenanschluß erdet, hat man mit max. 220 Ohm Lastwiderstand um einiges mehr an Verstärkung. Diese jedoch niemals höher einstellen als notwendig, d.h. man sollte nur trachten die gleiche Empfindlichkeit, wie vor dem Umbau zu erreichen. Grobe Voreinstellung ist auch mit R3(150-Ohm) möglich.
Der IP3 im Durchlaßbereich des Roofingfilters am Eingang des RX ergibt sich aus dem IP3 des 2. Mischers, minus der Verstärkung in dB zwischen Antenneneingang und 2. Mischer: Deshalb sollte meineserachtens die Verstärkung in diesem Bereich möglichst hardwarmäßig niedrig gehalten werden und nicht mittels Software z.B. im ZF-Verstärker abgeregelt werden(wie in Betriebsanleitung angegeben).