Home - Techniek - Electronica - Radiotechniek - Radio amateur bladen - UKW-Berichte - Empfindlicher thermischer Leistungsmesser
Es wird ein Gerät mit 7 Meßbereichen von 100 µW bis 300 mW beschrieben, dessen obere Grenzfrequenz im X-Band liegt! Der Nachbau ist bei etwas handwerklichem Geschick und mit einer Lupe kein Problem; die wenigen Spezialteile sind erhältlich.
1. Probleme der Leistungsmessung
Kaum ein Gebiet der Hochfrequenz-Meßtechnik ist bei Funkamateuren von so viel Unsicherheiten begleitet wie die Leistungsmessung. Die in verschiedenen Varianten(1) verwendeten Diodenvoltmeter (Bild 1) zeigen drei wesentliche Nachteile:
- Die Sperrschichtkapazität der Meßdiode (1 - 4 pF) führt zu einem Parallelschluß zum Lastwiderstand. So unterschreitet der Betrag des kapazitiven Blindwiderstandes beispielsweise bei der Schottky-Diode HP 2800 bereits bei 1,6 GHz den des 50-Ω-Lastwiderstandes. Im Zusammenwirken mit den unvermeidlichen Schaltinduktivitäten kommt es zu ausgesprochenen Resonanzeffekten, die diese Art der Leistungsmessung ohne spezielle Skaleneichung auf den Frequenzbereich bis etwa 1 GHz beschränken.
- Bei kleinen Wechselspannungen macht sich die Nichtlinearität der Diodenkennlinie bemerkbar. Das führt trotz Nachverstärkung und DeLogarithmierung zu nicht glatt mathematisierbaren Skalenverläufen. Will man das sehr aufwendige Kompensationsverfahren vermeiden, so müssen die Skalen bereichsweise mit genauen Vergleichs-Instrumenten Punkt für Punkt geeicht werden.
- Die Eichung der Diodenvoltmeter erfolgt zwar in Effektivwerten, gemessen werden jedoch die Spitzenspannungen. Bei späteren Messungen an "Bastelobjekten` überlagern sich dem gewünschten sinusförmigen Signal Oberwellen, Subharmonische, Mischprodukte und wilde Schwingungen. Beim Zusammentreffen der Maximalwerte der Einzelspannungen werden der Diode Spitzenspannungen angeboten, die keine Beziehung zum Effektivwert haben. Die Ausgangsleistung schwingender Stufen scheint dann höher zu liegen, als die Leistungsaufnahme aus dem Lichtnetz (hi).
Bild 1: Diodenvoltmeter als Leistungsmesser.
Die aufgeführten Nachteile der Diodenvoltmeter können mit Hilfe des Bolometer-Prinzips (Bild 2) vermieden, oder wenigstens reduziert werden, da sich ausschließlich der Lastwiderstand im Hochfrequenzkreis befindet. Seine Erwärmung ist zumindest bei niedrigen Temperaturen eine lineare Funktion des Effektivwertes der Hochfrequenzleistung. Die Temperaturerhöhung wird mit Hilfe eines Heißleiters (NTC-Widerstand) abgefragt, und führt zu leistungslinearen Skalenteilungen. Eichung und Genauigkeitsüberprüfung eines solchen Geräts können mit Gleichspannung durchgeführt werden.
Bild 2: Prinzipschaltung eines thermischen Leistungsmessers nach dem Bolometerprinzip.
Grundsätzliche Überlegungen werden in (1), (2), (3) und (4) angestellt, eine Baubeschreibung wurde bereits in (1) veröffentlicht. Noch höhere Empfindlichkeiten lassen sich mit Thermo-Elementen in DünnfilmTechnik (TFT) realisieren(5).
Das hier beschriebene Gerät hat sieben Meßbereiche von 100 µW bis 300 mW (Vollausschlag). Seine obere Grenzfrequenz liegt im X-Band. Nachteilig ist die etwas längere Einlaufdauer dieses Verfahrens (50% des Skalenweges nach 1 s), so daß beispielsweise keine Modulationskontrolle möglich ist.
2. Auswahl der Bauelemente
Der 50-Ω-Lastwiderstand sollte möglichst klein sein. Eine geringe Masse bewirkt eine kurze thermische Einlaufzeit, sowie einen hohen Temperaturbeiwert (Anzeige-Empfindlichkeit), und liegt im Interesse einer hohen Grenzfrequenz. Der kleinste sehr preisgünstige und gut erhältliche Widerstand (51 Ω) hat eine flache Metallglasur-Bahn und wird unter der Bezeichnung Mikro-Miniatur-Widerstand (62,5 mW) auch in der E-12er Reihe z. B. von Völkner angeboten. Es handelt sich um einen etwa perlförmigen, lackgetauchten Mikrochip-Widerstand, wie er in Schichtschaltungen verwendet wird. Nach dem behutsamen Entfernen des Tauchlacks erhält man einen Keramik-Chip mit den Abmessungen 2,2 mm × 1,2 mm × 0,8 mm.
Dem Thermofühler-Widerstand sollte ebenfalls eine kleine Masse und damit eine kurze Einlaufzeit zu eigen sein. Daneben sind hochohmige Widerstände zu bevorzugen, da diese die geringste Eigenerwärmung infolge der angelegten Meßspannung aufweisen. Sehr gut geeignet ist der Thernewid-Heißleiter des Typs K19 von Siemens. Dieses Gebilde besteht aus einem glaspassivierten Kügelchen von 0,4 mm Durchmesser und hat fast unsichtbare Anschlußdrähte. Das Bauteil ist so empfindlich, daß es beispielsweise auf die Strahlungswärme der Hand noch aus einer Entfernung von einem Meter praktisch trägheitslos reagiert. Dieser auch gepaart lieferbare Widerstand ist leider nicht ganz billig, wird aber ebenfalls von mehreren großen Elektroniklieferanten (z. B. M(Aron, Schuricht) angeboten.
Versuche mit den Thermofühlern SAK1000 und KTY 11 ergaben bei schlechterer Grenzempfindlichkeit eine mindestens zehnfach längere Einlaufzeit.
3. Aufbau des HF-Teils
Der NTC-Widerstand muß zwar direkt auf den Lastwiderstand geklebt werden (ganz wenig UHU-Plus), sollte aber wegen seiner hohen Empfindlichkeit von der Anschlußbuchse thermisch entkoppelt sein. Ein direktes Anlöten des Lastwiderstandes an die Hochfrequenzbuchse ist auch deshalb nicht zu empfehlen, weil die über den Innenleiter weitergereichten mechanischen Spannungen den Chipwiderstand zerstören würden. Als günstige Lösung erwies es sich, eine 50-Ω-Streifenleitung in Verbindung mit einer Wärmesenke (Messingplatte) für den Lastwiderstand zwischenzuschalten. Dieser Aufbau ist in Bild 3 skizziert.
Bild 3: Aufbauvorschlag für das Bolometer.
Die Streifenleitung sollte im Interesse einer hohen Grenzfrequenz idealerweise ein Teflon-substrat aufweisen (beidseitig beschichtet). Bei Verwendung von 0,8 mm dickem RT/Duroid 5870 ergibt sich eine Streifenbreite von 2,3 mm. Beim vorliegenden Gerät ist diese 12 mm lang.
Epoxyd-Platinen dürften jedoch wegen der nicht resonanten Leiterbahn auch bis zu einigen GHz unbedenklich benutzt werden können. Bei 1,5 mm dickem Trägermaterial beträgt die Streifenbreite 3,1 mm.
Eine gewisse Aufmerksamkeit ist dem Übergang zwischen der Koax-Buchse und der Streifenleitung zu widmen. Obwohl das N-System günstigere HF-Eigenschaften als die BNC-Norm aufweist, ergibt sich hierbei eine ausgeprägtere Stoßstelle beim Übergang. Kommerzielle Anbieter bevorzugen das bis 18 GHz spezifizierte SMA-System.
Im Interesse einer möglichst kurzen Einlaufzeit des Bolometers wird unter Zurückstellung der maximalen Empfindlichkeit für eine gute Wärmeabfuhr gesorgt. Zwischen der Streifenleitungsplatine und der Messingplatte befindet sich Wärmeleitpaste, die auch noch etwas um den Chipwiderstand gezogen wird. Temperaturschwankungen über die HF-Buchse werden mit einer zweiten Messingplatte gepuffert (Bild 4). Da die Thermofühler noch auf die Strahlungswärme des durch Anfassen temperierten Gehäuses reagieren, ist das gesamte Bolometer von einer Blechabdeckung umgeben.
Bild 4: Das HF-Teil mit Bolometer und Wärmesenke.
Auf der Streifenleitung sollte das überschüssige Lötzinn im Interesse einer geringen Wärmeträgheit abgefeilt werden. Erst danach ist der NTC-Widerstand festzukleben.
Die fragilen Anschlußdrähte des K19 werden auf der HF-Seite über Durchführungskondensatoren und auf der Unterseite mit Hilfe einer kleinen aufgeklebten Platine zugentlastet.
Das Mustergerät ist in einem kompakten Standard-Weißblechgehäuse mit den Abmessungen 111 mm × 73 mm × 50 mm untergebracht (Bild 5).
Bild 5: Mustergerät des Verfassers; HF-Teil mit Blechabdeckung.
4. Anzeigeverstärker
Um die Nullpunktstabilität und die geeichte Anzeigeempfindlichkeit zu erhalten, empfiehlt sich eine Brückenschaltung mit einem zweiten K 19 (auf gleichen TK gepaart) zur Kompensation von Außentemperaturschwankungen (Bild 6).
Bild 6: Die Schaltung des thermischen Leistungsmessers.
Der erste Operationsverstärker hält den Strom durch den Meß-NTC konstant, womit eine lineare Übertragung seines Widerstandswertes auf den eigentlichen Anzeigeverstärker erreicht wird. Der Nullpunkt muß vor der Messung mit Hilfe eines niederohmig geshunteten Zehngangpotentiometers eingestellt werden. In einem größeren Gehäuse könnte man auch billigere Grob- und Feinregler verwenden.
Die Referenzspannung wird von einer als Z-Diode fungierenden LED bereitgestellt. Höhere Spannungen als 1,5 V verbessern zwar die Anzeige-Empfindlichkeit, führen jedoch zu erheblichen Eigenerwärmungen der Thermofühler.
Zur Meßbereichsänderung werden beim zweiten Operationsverstärker die Gegenkopplungswiderstände umgeschaltet.
Die Widerstandswerte und die Meßbereiche (Vollausschlag) sind:
R1 = 2,2 MΩ (0,1 mW)
R2 = 680 kΩ (0,3 mW)
R3 = 220 kΩ (1 mW)
R4 = 68 kΩ(3 mW)
R5 = 22 kΩ (10 mW)
R6 = 6,8 kΩ (30 mW)
R7 = 1,4 kΩ (300 mW)
Eine Überlastung des Meßwerks ist nicht zu befürchten, da der Operationsverstärker intern strombegrenzt ist. Weil ein Offset-Abgleich nicht erforderlich ist, wird zweckmäßigerweise ein driftarmer Doppel-Op im 8-poligen Gehäuse verwendet (z. B. TL082). Im empfindlichsten Bereich macht sich bereits das Funkelrauschen des Operationsverstärkers als gewisse Nervositat des Meßwerkszeigers bemerkbar.
Der Betriebsstrom liegt bei nur etwa 5 mA, weshalb zur Versorgung zwei 9-V-Batterien ausreichen. Das Gerät arbeitet noch bei ±5 V einwandfrei.
5. Abgleich
Die Eichung des Geräts wird mit Gleichstrom durchgeführt. Zweckmäßigerweise stellt man nach einer Nullpunktkorrektur mit Hilfe eines Digitalmultimeters den Strom für jeweiligen Meßbereichs-Vollausschlag ein.
Die Gegenkopplungswiderstände R1 ... R6 des Anzeigeverstärkers entstammen der E 12er Serie, jedoch wurden die genauen Werte jeweils aus einem größeren Sortiment ausgesucht. Da die Übertragungsempfindlichkeit des Solometers stark von seinem mechanischen Aufbau abhängt, handelt es sich bei den angegebenen Beträgen um Anhaltswerte.
Wegen des nicht linearen Zusammenhanges zwischen der Temperatur und dem Widerstandswert des NTC-Widerstandes muß der größte Meßbereich, 300 mW, auf der Skala für sich geeicht werden (Bild 7). Im Bereich 30 mW liegt die Abweichung noch bei maximal 4% und dürfte tolerierbar sein.
Bild 7: Hier ist die Skalen-Eichung zu erkennen; 300-mW-Skala zu unterst.
6. Meßwerte
Vor der Fertigstellung des Geräts bestand die Gelegenheit, die Eingangsreflexion des HFTeils mit Hilfe eines Netzwerkanalysators zu untersuchen. Es zeigte sich, daß bis 2,1 GHz eine Rückflußdämpfung von 20 dB (entsprechend SWR etwa 1,2) erreicht wird. Die Reflexionsdämpfung von 10 dB (SWR etwa 2) wird erst bei 11 GHz unterschritten.
Ein 3-GHz-Oszillator mit einer auf ±0,1 dB genau bekannten Ausgangsleistung von 25 mW brachte bis auf die Zeigerbreite diesen Wert zur Anzeige. Der Gunnplexer der Firma Microwave (15 mW bei 10,36 GHz) erzeugte nach entsprechender Adaptierung von Hohlleiter auf BNC für 12 mW Wärme.
Nach etwa einer Sekunde erreicht das Meßwerk 50% des Vollausschlags; 90% des Endwerts werden nach 3,4s durchlaufen. Die Einlaufzeit τ (63% des Endwerts) liegt bei etwa 1,5 s.
7. Praktische Erfahrungen
Wegen der Kürze der hier verwendeten Streifenleitung besteht über den Innenleiter der Eingangsbuchse eine gewisse Temperaturempfindlichkeit, da sich beide NTC-Widerstände nicht gleichzeitig erwärmen. Im Bereich sehr kleiner Leistungen ist es zweckmäßig, mit einem am Gerät verbleibenden Zwischenkabel zu arbeiten. Ansonsten ist die Nullpunktstabilität so hoch, daß praktisch nach dem Einschalten gemessen werden kann. Für die beiden empfindlichsten Bereiche sind etwa drei Minuten Einlaufzeit abzuwarten.
Die Eichung wurde bei 20 °C vorgenommen. Ein Kühlschranktest mit 5°C zeigte keine größeren Abweichungen.
Die Anzeigegeschwindigkeit ist etwa so hoch wie bei einem stark gedämpften Laborinstrument. Bei Wahrung aller Vorteile dieses Meßverfahrens werden behutsam durchgeführte Abgleicharbeiten nicht durch eine zu träge Anzeige erschwert.
Die Dynamik des Leistungsmessers läßt sich durch Vorschalten von Breitbandverstärkern (z. B. nach DJ7VY), Dämpfungsgliedern oder Richtkopplern vergrößern. Die Frequenzgrenzen werden dadurch jedoch eingeschränkt. Beispielsweise läßt sich bei Verwenden eines Richtkopplers mit 40 dB Koppeldämpfung der Meßbereich bis 3 kW vergrößern. Der genaue Betrag der Koppeldämpfung kann zuvor mit Hilfe dieses Geräts bestimmt werden.
Die hohe Grenzempfindlichkeit des Geräts (die Auflösung liegt bei etwa einem RW) erlaubt es, außer der reinen Leistungsbestimmung den Frequenzverlauf oder das Dämpfungsverhalten von Filtern, Paßfiltern, Richtkopplern, Vervielfachern, Mischern, Kleinsignalverstärkern usw. mit hoher Dynamik bis ins X-Band zu untersuchen.
8. Literatur
- Frosinn, O.: DF7QF, UHF/SHF-Leistungsmesser zum Selberbauen, UKW-Berichte, Heft 2/1981, S. 66-74
- Kraus, A.: Einführung in die Hochfrequenz-Meßtechnik, Pflaum Verlag München 1980, S. 219-227
- Hock, A. u.a.: Hochfrequenz-Meßtechnik Teil 1 Band 31a, Kontakt & Studium Expert Verlag, Grafenau 1981, S. 121-129
- VHF-UHF Manual 3rd edition Chapter 10
- Marconi Instruments (ohne Verfasser) Catalogue of Microwave Instruments, Components and Waveguides 1981/82 8034 Germering S. 18-27 (TFT - Power Meter)
DJ4GC, Carsten Vieland.