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Rekonstruktion eines WW2 Radar

 

Die Radartechnik hat den Verfasser schon immer interessiert. Deshalb wurde versucht ein Gerät wie es im zweiten Weltkrieg von der deutschen Luftwaffe verwendet wurde zu rekonstuieren. Es wurde aber nicht ein spezielles Gerät nachgebaut sondern der Verfasser nahm sich die Freiheit die Schaltungen verschiedener Geräte zu kombinieren. Vor allem die Schaltungen des FuG 220 (Lichtenstein) und des FuG 217 (Neptun) wurden als Grundlage verwendet. Beide Geräte arbeiten im VHF, b.z.w. UHF-Bereich.
Die Grundlagen der Radartechnik brauchen hier nicht weiter ausgeführt werden. Im Prinzip besteht ein Radargerät aus einem Sender, einem Empfänger und einem Sichtgerät.
Der Empfänger:
Der Empfänger wurde nach dem Prinzip des FuG 220 aufgebaut. Im Gegensatz zu den meisten anderen Empfängern, die nach dem Superhetprinzip arbeiten wird hier ein Pendelempfänger verwendet. Der fremdgesteuerte Pendler hat eine hohe Empfindlichkeit bei gleichzeitig relativ niedrigem Bauteileaufwand. Der Pendler ist eine Oszillatorstufe die auf der Empfangsfrequenz , etwa 144 MHz, schwingt. Die Betriebsspannung des Oszillator ist die sinusförmige Ausgangsspannung des Pendeloszillators mit einer Frequenz von ca. 500kHz. Nur während der positiven Halbwelle der Pendelspannung schwingt der Oszillator an. Die Schwingen des Oszillators werden im HF-Gleichrichter gleichgerichtet und am Ausgang erhält man eine Halbwelle der Pendelspannung mit der die HF moduliert wurde. Wie funktioniert nun das als Empfänger? Das durch die Pendelspannung veranlasste Aufschaukeln des Oszillator geht mit einer im Schwingkreis oszillierenden HF wesentlich schneller und die HF-Schwingung deshalb wesentlich höhere Werte. Der Verstärkungsfaktor kann sehr hohe Werte erreichen. Am Ausgang des Gleichrichters erhält man zwar nicht die Hüllkurve des Eingangssignals sondern die Hüllkurve der Pendelschwingung und aber für die Radaranwendung ist das egal da es nicht auf die Form des Signals ankommt sondern auf dessen zeitliche Position.
Im Oszillogramm sieht man die Wirkung des Pendelprinzips. Die Pendelspannung ist im Videosignal immer zu sehen, aber nach dem Eintreffen eines Eingangsignal steigt es zu wesentlich höheren Werten an.
 
Nach Gleichrichter folgt ein 5-stufiger Videoverstärker der das Signal auf ca. 300V anhebt.
Auch auf der Empfängerplatte befindet sich der Impulsgenerator. Der Masteroszillator ist ein Sinusoszillator mit einer Frequenz von 500 Hz. Durch dieses Signal wird ein Kippgenerator mit einem Thyratron getriggert. Der Kippgenerator liefert die kurzen Impulse zur Tastung des Senders. Eine Endstufe mit der Röhre LS4 verstärkt die Sinusspannung die im Sichtgerät für die Sinus/Cosinus-Kreisablenkung der Kreisbildröhre LB2 gebraucht wird.
>>Schaltplan im PDF-Format<<
 


Im linken Oszillogramm ist die Sinusspannung an der Anode der Sinusendstufe zu sehen.Mit dieser Spannung wird die Kippstufe getriggert an deen Anode dann eine Sägezahnspannung entsteht. Im mittlern Bild sind die Vorgänge bei hoher Zeitauflösung zusehen. Bei der Entladung des Kippkondensators entsteht an der Kathode des Thyratrons ein kurzer, steiler Puls der zur Steuerung des Messsenders verwendet wird. Durch den HF-Impuls endsteht dann das Videosignal am Ausgang des Videoverstärkers.
 Der Sender ist als Gegentaktozillator mit induktiver Rückkopplung ausgeführt und mit zwei LS50 Leistungspentoden bestückt.
Im Gegensatz zu den meisten Radarsendern der damaligen Zeit arbeitet er nicht mit Anoden- sondern Gittertastung. Das hat den Vorteil dass einem Tastpuls kleiner Leistung ausreicht den Sender zu pulsen. Der Nachteil ist dass die Anoden- und die Schirmgitterspannung ständig an der Röhre anliegt. Durch die hohe, negative Vorspannung am Steuergitter sind die Röhren aber ohne Steuerpuls vollständig gesperrt. Den Tastpuls von ca. 350V liefert eine LD2 als Taströhre.
Die ausgekoppelte Leistung beträgt etwa ein bis zei Kilowatt Spitze-Spitze
Beim Test stellte sich aber heraus das der Plattenabstand des Schmetterligskondensator im Anodenkreis zu klein ist und immer wieder Überschläge stattfinden. Das liegt daran das die Achse des Kondensators auf Massepotential liegt und deshalb zu der HFSpannung auch noch die Anodengleichspannung am Kondensator liegt. Ein Isolieren der Drekoachse beseitigte das Problem.
Auf der Senderplatte ist auch die Stromversorgung unter gebracht. Sie ist für eine Versorgung mit 220V 50Hz ausgelegt. Drei Trafos erzeugen zusammem mit Gleichrichterschaltungen die benötigten Spannungen. 12V ~ Heizung aller Röhren
350VEmpfänger, Sender
1500VSender, Sichtgerät
-250VSende, Sichtgerät
Die 350V Spannung wird mit einer Drossel gesiebt um die 50Hz Rippel klein zu halten. Aus der 350V Spannung wird im Empfänger auch stabilisierte 150V Spannung gewonnen. Zur Stabilisierung dient ein Glimmstabilisator Typ STV 150/25.
Zusätzlich sind noch zwei Relais eingebaut. Beide werden vom Sichtgerät angesteuert. Das eine schaltet die Anoden- und die Hochspannung ein. Das andere schaltet die Tastpulse zum Sender durch
>>Schaltplan im PDF-Format<<
 
Das Sichtgerät:  
Der ursprüngliche Plan im Sichtgerät eine normale CRT LB8 und eine Kreisbildröhre LB2 zu verbauen wurde vorerst aufgegeben. Zwar ist die LB2 bei Ebay und auf Flohmärkten gut erhältlich nicht aber die dazu gehörige Ablenkeinheit. Die müßte man selber wickeln was nicht ganz einfach sein dürfte. Aber natürlich kann man auch mit einer elektrostatisch abgelenkten Röhre wie der LB8 ein Kreisdiagramm schreiben.
Neben den Sichtröhren und den zugehörigen Bedienelementen für Helligkeit- und Fokuseinstellung sind noch weiter Bedienelemente in der Frontplatte eingebaut. Der Betriebsschalter mit den Stellungen Anode ein, Sender ein, Testziel ein. Ein Regler zur Einstellung der Größe der Kreisablenkung und ein Tandempoti mit dem die Schaltschwelle des Videoverstärkers und Empfindlichkeit des Empfängers eingestellt werden können. Die Einstellung der Empfindlichkeit erfolgt über eine Amplitudenverstellung der Pendelspannung mit einer Ballaströhre. Ein umschaltbares Instrument dient zur Kontrolle der wichtigsten Betriebsspannung 12V, 150V, 350V, 1500V, -210V.

Die Sägezahnspannung an der Anode des Kippgeräts kann leider nicht zur linearen Zeitablenkung verwendet werden. Für eine realitische Reichweite, ca. 10km, beträgt die Laufzeit des Signals etwa 70µs .In dieser Zeitspanne hat das Signal an der Anode keinen Sägezahn förmigen Verlauf. Wahrscheinlich ist Entionisierungszeit des Thyratrons zu lang.
Deshalb wurde eine einfache Schaltung wie im FuG 217 eingesetzt. Ein Kondensator wird durch eine Schaltröhre (LD2) zum Zeitpunkt des Sendepulses entladen und lädt sich dann wieder auf. Die Kondensatorspannung wird über eine Koppelkapazität direkt an die Ablenkplatten gelegt.
Die Ablenkspannung entspricht in etwa der Betriebsspannung die von der Betriebspannung der Sichtröhre abgezweigt wird. Bei ersten Tests zeigte sich dass das Schirmbild ziemlich dunkel ist. Das liegt unter anderem daran das die sichtbare Zeitachse etwa 100µs lang ist, die Wiederholrate der Pulse aber 500Hz und somit 2ms beträgt. Das heißt dass nur 1/20 der Zeit eine Zeitachse geschrieben wird. Deshalb wurde die Frequenz des steuernden Sinusgenerators auf 2 kHz erhöht und ein um das 4-fache besseres Verhältniss erreicht.

Auch für die Kreisdarstellung wird eine elektrostatische Röhre LB8 verwendet. Die für die Kreisablenkung notwendigen Sinus/Cosinus Signale werden mit einem Phasenschieber generiert. Hierfür wird das Signal des Sinusoszillators mit einer LV1 verstärkt. Der Anodenkreis der LV1 besteht aus einem 1:2 Transformator an dessen Sekundärwicklung der Phasenschieber aus zwei RC-Kombinationen sitzt. Bei Austesten wurde festgestellt das nur ein schöner Kreis geschrieben wird wenn das Sinussignal sauber ist, jede Oberwelle deformiert den Kreis. Deswegen wurde der Sinunsoszillator überarbeitet bis ein möglichst sauberer Kreis geschrieben wird. Das Sinussignal vom Oszillator im dem Empfängergerät wird mit einer LV1 verstärkt und über einen 1:2 Trafo und den Phasenschieber auf die Ablenkplatte der LB8 geschaltet.
>Schaltbild im PDF-Format<
Die Phasenverschiebung stimmt nicht, muss noch korrigiert werdenNicht optimal, aber ausreichend. Die Abflachung rechts stammt von Nichtlinearitäten im OszillatorHier wurde schon mal ein Testpuls mit ca. 5µs Dauer angelegt.
Nicht ganz so trivial ist die Einkopplung des Videosignal auf das Sinussignal. Verschiedene Möglichkeiten wurden getestet.
1. Das Videosignal wird auf die den Sinus/Cosinusspannung Platten gegenüberliegenden Platten angelegt. 
2. Das Videosignal wird zusammen mit dem Sinus/Cosinus Signal auf das Steuergitter der Treiberröhre LV1 gelegt. 
3. Mit dem Videosignal wird die Anodenspannung der Bildröhre moduliert. 
 
 
Zur besseren Handhabung wurden alle Einheiten auf eine Holzplatte geschraubt, ähnlich einer Prüftafel.
Links der Empfänger mit Pulsgenerator. Rechtsdaneben der Sender mit Netzteil und darüber das Sichtgerät. Unten zwischen Empfänger und Sender ist eine Prüfbuchse an der die wichtigsten Signale abgegriffen werden können.
Oben neben dem Sichtgerät ist ein Testresponder. Er besteht aus einem Diodenempfänger, 2 Monoflops und einem gepulsten Oszillator. Das vom Empfänger detektierte Radarsignal triggert den Verzögerer (LS123) und dieser wiederum den Oszillator. Die Verzögerung kann eingestellt und so unterschiedliche Laufzeiten simmuliert werden.
>Schaltplan im PDF-Format<
 
Aufnahmen mit drei unterschiedlicher Verzögerungszeiten. Da die Ablenkfrequenz der Kreisbildröhre 2 kHz beträgt entspricht ein voller Umlauf 500µs, der Bereich der Linearröhre ist mit etwa 150µs deutlich kleiner. Wegen der im späten Zeitpunkt flachem Verlauf der Ablenkspannung (Kondensatorladeskurve) sieht man aber spätere Signale am rechten Rand doch noch. Man sieht auch das seltsame Verhalten der Rundsichtröhre. Wie schon erwähnt wurde das Videosignal auf die Anodenspannung moduliert. Im Prinzip sollte eine höhere Anodenspannung einen kleineren Durchmesser und eine kleinere Spannung einen größeren Durchmesser zeigen. Wieso die Zacken dennoch um 45° geneigt sind ist dem Verfasser nicht ganz klar.

Obwohl diese Arbeit keínen praktischen Wert hat und auf einen Freiraumtest aus rechtlichen Gründen verzichtet wurde hat sie dem Verfasser doch Einiges gebracht. Es ist interessant die alten Konstruktions-Überlegungen nach zu empfinden. Das Projekt war kein eins zu eins Nachbau einer Schaltungen sondern viele Ideen von einst gebauten Geräten wurden zusammen geführt, durch eigene Ideen ergänzt um die vorhandenen Bauteile optimal einzusetzen..
Wer gewohnt ist mit ICs und Mikroprozessoren zu arbeiten muss sich hier eine vollkommen andere Konstruktionsweise angewöhnen. Man kann nicht einfach noch eine Inverter- oder Verstärkerstufe einbauen, das kostet viel Platz und auch zusätzliche Heizleistung.
Außer beim Testresponder wurden bis auf ganz wenige Ausnahmen alte Bauteile verwendet die zum Teil bald Hundert Jahre in irgendwelchen Kellern oder Dachböden schlummerten und korrodierten. Das macht einwandfreie Lötstellen zu einer Herausfoderung zumal kaum noch Restbestände von gut fliessendem SnPb-Lot beim Verfasser vorhanden sind.