HF-Wattmeter für Kurzwelle

Von "Kanga Products" aus England ist das nachfolgend beschriebene HF-Wattmeter als Bausatz erhältlich. Es zeigt Vor- und Rücklaufleistung gleichzeitig an und benötigt keinerlei Abgleich.

Abb 1
Blick auf die Frontplatte des kompletten Wattmeters (das Gehäuse gehört nicht zum Lieferumfang).

Das Schaltungsprinzip

Das Wattmeter arbeitet rein passiv und zeichnet sich durch hohe Nachbausicherheit und Genauigkeit ohne Abgleich aus. Dies wurde durch eine etwas ungewöhnliche Schaltung erreicht. die von David Stockton. GM4ZNQ. entwickelt wurde. Ihre Stabilität beruht im wesentlichen darauf, daß sie auf Grund niedriger Detektorimpedanzen sehr unempfindlich gegenüber Streukapazitäten ist. Durch die niedrige Impedanz konnten auch sehr breite Übertragungsbereiche für die im Wattmeter verwendeten Transformatoren erreicht werden.

Die Basis des Wattmeters bildet eine Vier-Tor-Hybridschaltung für 50 Ohm. Ein Hybrid ist eigentlich eine sehr einfache Schaltung. bestehend aus zwei Transformatoren und vier Anschlüssen, die aber trotz ihrer Einfachheit einige sehr interessante Eigenschaften aufweist. Wie verhält sich diese Schaltung (siehe Bild 3) gegenüber HF-Leistung? Um diese Frage zu beantworten stellt man sich zunächst die Anschlüsse oder Tore als zwei zusammengehörige Paare vor.

Wird nun HF-Leistung in ein Tor eingespeist, so tritt der größte Teil an einem Tor des zweiten Anschlußpaares, das mit einer unbekannten Impedanz abgeschlossen ist (z.B. einer Antenne). auch wieder aus. Sind die beiden anderen Anschlüsse mit der vorgesehenen System-Impedanz (z.B. 50 Ohm) abgeschlossen, dann koppelt das Hybrid einen konstruktiv festgelegten Bruchteil der vorwärts durch das erste Anschlußpaar laufenden Leistung zu einem der Abschlußwiderstände aus. Ein gleich großer Bruchteil der rückwärts laufenden Leistung wird in den anderen Abschlußwiderstand eingespeist.

Einige Anmerkungen zu Hybrid-Kopplern

Hybride können für unterschiedliche Leistungs-Auskoppeldämpfungen entwickelt werden, die üblicherweise in Dezibel angegeben werden. So koppelt zum Beispiel ein 20dB-Hybrid genau 1% der hindurchfließenden Leistung an einem entsprechend abgeschlossenen Tor aus. Eine der erstaunlichsten Eigenschaften ist die völlige Symmetrie der Schaltung, so daß die beiden Anschlußpaare vertauscht werden können, ohne daß sich die Funktionsweise oder die Eigenschaften ändern. Das Signal kann daher auch in umgekehrter Richtung eingespeist werden, wobei sich leidglich die Bedeutung der Ausgänge ändert.

Abb 2
Blick in das geöffnete Gehäuse und in das Aluminium-Druckggußgehäuse des Hybrids.

Abb 3
Prinzip der Hybridschaltung

Abb 4
Schaltung des gesamten Wattmeters ohne Umschaltung der Vorwiderstände

Weiterhin erwähnenswert ist die Tatsache, daß die eigentliche Hybridschaltung keinerlei Komponenten enthält, die ihre Impedanz festlegen. Dies geschieht ausschließlich durch die AbschluBwiderstände an den Ausgängen. Daher läßt sich ein 50-Ohm-Hybrid einfach durch Austauschen der Widerstände in ein 75-Ohm-Hybrid umändern. Erst wenn eine sehr große Änderung der Betriebs-Impedanz gewünscht wird muß eventuell der Transformator geändert werden, um einen Bandbreitenverlust zu vermeiden.

Das Beispiel dieser Schaltung zeigt, daß zwischen der Komplexität einer Schaltung und der Zahl der verwendeten Komponenten nicht immer unbedingt ein Zusammenhang besteht. Die Arbeitsweise der einfach aussehenden Schaltung ist relativ kompliziert, zum Glück ist sie aber um so einfacher zu bauen.

Aufgrund der Symmetrie der Schaltung ist es gleichgültig, welche Tore man für die Beschaltung auswählt. Speist man die Leistung zum Beispiel in Punkt A ein, so erscheinen 99% davon wieder an Punkt B und können dort in die Last eingespeist werden, während 1% an Punkt D aus dem Hybrid austritt und dort im 50Ohm-Widerstand verbraucht wird.

Sofern die Last, also in diesem Fall die Antenne, keine perfekte 50-Ohm-Impedanz darstellt wird ein Teil der Leistung reflektiert. Sie durchläuft das Hybrid rückwärts von B nach A, wobei 99% der reflektierten Leistung an Punkt A austritt, 1% wird zum Ausgang C weitergeleitet und dort im 50-Ohm-Widerstand verbraucht.

Abb 5
Zusammenbau der Komponenten der Hybridschaltung

Abb 6
Rückseite des Wattmeters mit den Anschlufibuchsen

Anwendungsbereiche

Der Protoyp dieses Hybrids wurde mit Ubertragern mit einer Primär- und 12 Sekundärwindungen aufgebaut. Dabei dient wie üblich ein durch den Kern hindurchgestecktes Stück Koaxkabel, das die beiden Anschlüsse verbindet, als Primärwicklung. Bei 12 Sekundärwindungen ergab sich ein berechneter Kopplungsfaktor von -21,584 dB. Bei der Messung wurde ein Faktor von -21,59 dB +/-0,01 dB im Frequenzbereich von 1,5 bis 50 MHz gemessen. Der flache Frequenzgang (das Wattmeter ist noch bei 146 MHz eingeschränkt einsetzbar) und die sehr gute Übereinstimmung des Meßwertes mit dem theoretischen Wert zeigen, daß die Schaltung sehr zuverlässig und im Aufbau unkritisch ist.

Bei einem Kopplungsfaktor von -21,6 dB (12:1) erhält der Abschlußwiderstand am MeßAusgang für die Vorlauf-Leistung 0,069% dieser Leistung.

Zwei parellelgeschaltete 100Ohm-Widerstände mit je 1/2 Watt reichen daher problemlos für bis zu 150 W Trägerleistung (Dauerstrich) aus (560 W PEP ohne Prozessor). Mitgeliefert werden jedoch 2-W-Widerstände. Bei guter Anpassung ist die reflektierte Leistung Null. Beim Vertauschen der beiden Anschlüsse A und B verändert sich nur die Funktion der beiden Meßinstrumente. Für diese recht elegante Schaltung ist es sinnvoll, zwei einzelne Meßinstrumente für Vor- und Rücklauf zu verwenden, um sich das Umschalten zu ersparen.

Zur Anzeige der Spannung an den Anschlußwiderständen werden zwei 50-uA-Meter benötigt, deren Vorwiderstände passend zum gewünschten Meßbereich gewählt werden müssen. Mit den mitgelieferten Widerständen sind MeBbereiche von 5, 20, 50 und 200 Watt bei einer Meßgenauigkeit von 10% oder besser möglich, was sich auch bei unserem Muster-Bausatz bestätigte.

Letzlich hängt es vom jeweiligen Einsatzfall ab, ob man das Wattmeter für nur einen Meßbereich fest verdrahtet oder einen Umschalter mit zwei Stromkreisen für die Vorwiderstände für beide Meßinstrumente vorsieht. Wird größere Genauigkeit gewünscht, kann man die mitgelieferten Widerstände gegen Kombinationen aus Festwerten und Trimmern ersetzen. Allerdings muß man dann einen Abgleich mit geeigneten Labor-Meßgeräten vornehmen. Vorgedruckte Skalen mit Unterteilungen für die Bereiche 5/50 W bzw. 20/200 W, die man auf die standardmäßigen Skalen aufkleben kann, werden übrigens mitgeliefert.

Lieferumfang

Der Bausatz umfaßt ein Aluminium-Druckgußgehäuse mit aufschraubbarem Deckel, die beiden Ringkerne (gelbe Kennfarbe) zwei Schottky-Dioden und die Abschluß- und Vorwiderstände. Außerdem wird das gesamte Montagematerial, die Buchsen, Kabelstücke usw. mitgeliefert.

Der Zusammenbau erfordert einige mechanische Arbeiten, vor allem für das Bohren der Löcher für die S0239-Buchsen. In welches Gehäuse man den Hybridkoppler samt Meßinstrumenten einbaut ist letzlich Geschmackssache, da sich die kritische HF-Schaltung im Alu-Gehäuse befindet. Die Verdrahtung ist unkritisch, so daß das Wattmeter bei sorgfältigem Aufbau auf Anhieb korrekt und einwandfrei arbeiten sollte. Ein Ab-gleich ist, wie bereits gesagt, nicht erforderlich.

Der Bausatz "Directional Power Meter" ist von Kanga Products, 3 Limes Road, Folkestone, Kent, CT194AU, England, für 19,95 Pfund, zzgl. 2,5 Pfund für Porto und Verpackung oder über den Leserservice des beam-Verlags für DM 58,- erhältlich.

Vorwiderstände für die Meßinstrumente