Meß-Reflektometer für VHF und UHF mit Z = 50 Ohm
In (1) beschrieb H. Tiefenthaler ein bis etwa 1400 MHz brauchbares Meß-Reflektometer mit einem Wellenwiderstand von Z = 60 Ω. Er rechnete später die Abmessungen auf Z = 50 Ω um; die Bilder 1 und 2 zeigen das Reflektometer und seine Einzelteile mit den veränderten Abmessungen.
Bild 1: Reflektometer für VHF unf UHF (Z = 50 Ω)
Bild 2: Einzelheiten des Reflektometers nach Bild 1
Ein Nachteil dieser Ausführung ist der schwierige Einbau der Nebenleitungen. B. Rößle konstruierte das Reflektometer um. Der Grundkörper besteht jetzt aus zwei Hälften, die nach der Montage von Nebenleitungen und Hauptleitung zusammengeschraubt werden. Gleichzeitig wurden die Abmessungen etwas verkleinert und die Abschlußwiderstände der Nebenleitungen in kegelförmigen Hauben untergebracht. Außerdem konstruierte er Demodulatorköpfe für Dioden in der Bauform des bekannten Typs 1N21. Die Bilder 3 und 4 zeigen ein Muster dieses Reflektometers mit Demodulatorköpfen. Auch diese Ausführung läßt sich nicht mit Bastlermitteln herstellen. Diese Beschreibung soll denjenigen, die über Werkzeugmaschinen verfügen, den Bau eines Meßgeräts - im Gegensatz zum Anzeigegerät - ermöglichen. In einem Anhang wird vor allem das Thema "Dioden in Demodulatorköpfen" behandelt.
Bild 3: Reflektometer für VHF und UHF (Z = 50 Ω) von DJ1JZ mit Demodulatorköpfen
Bild 4: Geöffnetes Reflektometer von DJ1JZ
1. Funktion und Begriffe
Die in diesem Zusammenhang wichtigen Begriffe "Richtkoppler", "Reflektometer", "Richtdämpfung" und "Koppeldämpfung" sind in (1) erklärt. Die Einflüsse von Wellenwiderstands-Inhomogenitäten an den Stellen im Richtkoppler, wo die miteinander gekoppelten Leitungen in die Anschlußleitungen übergehen, auf die Richtdämpfung werden in (2) behandelt. Möglichst reflexionsarme Übergänge zwischen den Anschlußbuchsen und der Hauptleitung, sowie zwischen den Nebenleitungen und ihren Abschlußwiderständen sind entscheidend für eine hohe Richtdämpfung. Inhomogenitäten an den genannten Stellen wirken in erster Näherung wie Tiefpaßelemente, die in Serie mit den Abschlußwiderständen liegen. Die Leitungen sind damit nicht mit reellen, sondern mit komplexen Widerständen fehlabgeschlossen. Nach (2) sind Verbesserungen durch Wahl besonderer Formen (Abwinkeln der Leitungen, großes Verhältnis der Koppellänge zur Anschlußleitungslänge) und durch Kompensationsmaßnahmen möglich. Sie werden in dem hier beschriebenen Reflektometer nach Möglichkeit angewendet.
2. Mechanischer Aufbau
2.1. Das Reflektometer
Bild 5 zeigt eine Hälfte des von B. Rößle konstruierten Reflektometers im Schnitt. Die nicht gezeichnete Hälfte ist spiegelbildlich identisch. Man erkennt die Hauptleitung (Teil 3) im Grundkörper (Teile 1 und 2). Der Zwischenring (Teil 7) zentriert die verwendeten Koaxialbuchsen des Typs "N" im durchgebohrten Grundkörper. Um den Einfluß des unvermeidbaren Durchmessersprungs zwischen Koaxialbuchse und Hauptleitung zu kompensieren, besteht eine nach (1) dimensionierte Fuge zwischen Buchse und Innenleiter. In der an jedem Reflektometer-Ende 1, 44 mm breiten Fuge wird der Innenleiter durch den Mittelstift der Buchse gebildet.
Bild 5: Schnittzeichnung des Reflektometers
Die Nebenleitung (Teil 6) ist nur 0,4 mm von der Wandung der Hauptleitung entfernt. So erhält man hohe Werte für die Koppeldämpfung und eine sehr geringe Feldstörung in der Hauptleitung, was sich günstig auf ihr Stehwellenverhältnis auswirkt. Die Nebenleitung ist zwischen dem entsprechend gekürzten Mittelstift einer N-Koaxialbuchse und dem Innenleiter zum Abschlußwiderstand (Teil 5) eingelötet. Das Teil 5 vergrößert den Leiterquerschnitt reflexionsarm auf den Durchmesser des Abschlußwiderstandes. Es ist dazu ebenso wie die umgebende Bohrung im Hauptkörper kegelförmig gedreht. Eine ebenfalls kegelförmige Kappe (Teil 4) verjüngt den Querschnitt anschließend bis zur Masseverbindung am anderen Ende des Widerstandes. Das obere Ende von Teil 4 ist geschlitzt und aussen mit einem Gewinde M 6 × 0,5 versehen. Eine entsprechende Mutter spannt Hülse und Widerstand zusammen.
Bild 6 zeigt die Abmessungen des Reflektometer-Grundkörpers (Teile 1 und 2). Für seine Herstellung sind zwei Messingteile 15 mm × 30 mm von etwas über 110 mm Länge nötig. Sie werden mit den breiten Seiten zusammengeschraubt und dann längs vorgebohrt. Die Bohrung muß mit einer Reibahle auf genaues Maß gebracht werden; außerdem ist wichtig, daß ihre Oberfläche glatt wird. Die Bohrungen für die beiden Koaxialbuchsen und für die beiden Abschlußwiderstände der Nebenleitungen sind ebenfalls in Bild 6 gezeigt.
Bild 6: Die beiden Hälften des Reflektometer-Grundkörpers
Bild 7 zeigt Innenleiter und Zwischenring der Hauptleitung. Die beiden Ringe (Teil 7) werden auf die Rückseite der Koaxialbuchsen für die Hauptleitung aufgelötet. Beim Innenleiter (Teil 3) sind die genaue Länge und eine glatte, maßgenaue Oberfläche wichtig. In die Endbohrungen werden die Mittelstifte der Koaxialbuchsen eingelötet. Damit die Abstände stimmen, müssen die Teile dabei in eine Hälfte des Grundkörpers eingebaut sein.
Bild 7: Innenleiter und Zwischenring
Bild 8 zeigt die Koppelleitung aus dünnem Blech, von der zwei Stück benötigt werden. Auch von den Teilen 4 und 5 (Bild 9 und 10) müssen je zwei Stück angefertigt werden.
Bild 8: Nebenleitung
Bild 9: Kegelförmiger Innenleiter zum Abschlußwiderstand
Bild 10: Kegelförmige Absehlußhaube fit den Widerstand, Seitenansicht und Draufsicht
2.1.1. Stückliste zum Reflektometer
| Teil | Anzahl | Bezeichnung | Rohmaße | Material |
|---|---|---|---|---|
| 1 | 1 | Grundkörper-Unterteil | 15 × 30 × 120 | Ms 58 |
| 2 | 1 | Grundkörper.Oberteil | 15 × 30 × 120 | Ms 58 |
| 3 | 1 | Innenleiter der Hauptleitung | ø 6,5 × 100 | Ms 58 |
| 4 | 2 | Kappe für Abschlußwiderstand | ø 26 × 16 | Ms 58 |
| 5 | 2 | Innenleiter zum Abschlußwiderstand | ø 6 × 15 | Ms 58 |
| 6 | 2 | Nebenleitung | 0,5 × 2 × 20 | Ms 63 |
| 7 | 2 | Zwischenring | ø 15 × 4 | Ms 58 |
| 8 | 4 | Koaxialbuchse Typ N | UG-58/U | |
| 9 | 2 | Abschlußwiderstand RESISTA Rsf 3,50 Ω ± 1 %; 0,25 W; kappenlos, ohne Anschlußdrähte, ungewendel. Länge 14,6; Durchmesser der Kontaktierung 4,32 h9 | ||
| 20 | Zylinderschrauben | M3 × 6 | DIN 84 | |
| 6 | Zylinderschrauben | M3 × 50 | DIN 84 | |
| 2 | Sechskantmuttern | M6 × 0,5 | ||
2.2. Demodulatorkopf
Bild 11 zeigt einen der beiden Demodulatorköpfe im Schnitt. Er ist auf einen Koaxialstecker des Typs N aufgebaut, der nicht gezeichnet ist. Der Mittelstift des Koaxialsteckers wird durch Teil 16 (Bild 12) verlängert. In einer Bohrung am oberen Ende dieses Teils steckt der Mittelstift einer Diode in der Bauform des Typs 1N21. Das dicke Ende der Diode wird durch eine Feder (Teil 12, Bild 13) auf eine Scheibe (Teil 13, Bild 14) gedrückt. Die Scheibe bildet durch die zwischenliegende Isolierscheibe (Teil 14, Bild 14) mit dem Gehäuse einen UHF-Abblock-Kondensator von einigen zehn pF. Die Feder leitet die gleichgerichtete Spannung zum Mittelstift einer Koaxialbuchse des Typs BNC (Teil 17, Bild 11). Drei oder vier sternförmig angeordnete Abblock-Kondensatoren mit je 1 nF schließen UKW-Frequenzen vom Mittelstift zu einem Deckel (Teil 10, Bild 14) kurz, der die Buchse trägt und das Gehäuse (Teil 11, Bild 14) abschließt.
Bild 11: Schnittzeichnung eines Demodulatorkopfes
Bild 12: Innenleiter-Verlängerungsteil für den Demodulator
Bild 13: Kontaktfeder im Demodulator
Bild 14: Gehäuse, Scheiben und Deckel des Demodulators
Die Feder (Teil 12) läßt sich statt als Schraubenfeder auch als Blattfeder aus einem etwa 6 mm breiten Bronceblech, das in U-Form gebogen wird, herstellen.
Das Gehäuse (Teil 11) paßt mit seinem dünneren Teil in den "Griffteil" eines N-Steckers. Es wird durch Einpressen gehalten. Die Innenleiter-Verlängerung (Teil 16) ist an den Mittelstift des Koaxialsteckers zu löten. Die BNC-Buchse wird in den Deckel (Teil 10) geschraubt.
2.2.1. Stückliste für zwei Demodulatorköpfe
| Teil | Anzahl | Bezeichnung | Rohmaße | Material |
|---|---|---|---|---|
| 10 | 2 | Deckel | ø 26 × 5 | Ms 58 |
| 11 | 2 | Gehäuse | ø 26 × 40 | Ms 58 |
| 12 | 2 | Kontaktfeder | ø 0,7 × ca. 50 Broncedraht | |
| 13 | 2 | Scheibe | ø 22 ×x 1,5 | Ms 58 |
| 14 | 2 | Isolierscheibe | ø 23 × 0,05 | Teflon |
| 15 | 2 | Diode (gepaart) 1N21 oder ähnlich | ||
| 16 | 2 | Innenleiter- Verlängerung | ø 3 × 20 | Ms 58 |
| 17 | 2 | BNC-Buchse für Einlochbefestigung oder mit Vierkantflansch (UG-290A/U) | ||
| 6 - 8 | keram. Scheibenkondensator 1 nF (Wert unkritisch) | |||
3. Meßwerte
Am Prototyp des hier beschriebenen Reflektometers wurden von R. Griek, DK2VF, die folgenden Werte gemessen:
| 145 MHz | 435 MHz | 1250 MHz | 2300 MHz | |
|---|---|---|---|---|
| Richtdämpfung | 27 dB | 22 dB | 28 dB | 20 dB |
| Koppeldämpfung | 42 dB | 33 dB | 25 dB | 33 dB |
| Stehwellenverhältnis | 1,01 | 1,05 | 1,1 | 1,15 |
Aus diesen Meßwerten lassen sich Kurven, ähnlich den Bildern 7 und 8 in (1) zeichnen.
4. Anhang
Auf Grund der durchweg großen Oberflächen ist eine Versilberung des Reflektometers nicht unbedingt erforderlich. Es ist jedoch günstig, wenigstens den Innenleiter der Hauptleitung, die Nebenleitungen und die Innenleiter zum Abschlußwiderstand zu versilbern. Aus den Demodulatorköpfen sollten wenigstens die Teile Innenleiter-Verlängerung und Scheibe versilbert sein.4.1. Überprüfung des Reflektometers
Nach dem Zusammenbau wird das Reflektometer ohne die Demodulatorköpfe überprüft. Auch wenn keine Meßgeräte zur Verfügung stehen, muß wenigstens mit einem ungeeichten Leistungsanzeiger die Koppeldämpfung beider Richtkoppler auf einen gleichen Wert gebracht werden. Dazu ist zunächst das Reflektometer mit 50 St abzuschließen (guter Abschlußwiderstand oder langes Koaxialkabel mit mindestens 20 dB Dämpfung und weniger gutem Abschlußwiderstand). Danach wird ein Sender angeschlossen und ein der Koppeldämpfung entsprechender Bruchteil der Vorlaufleistung an der dem Sender näheren Nebenbuchse durch den Leistungsindikator angezeigt. Ist der angezeigte Wert nach dem anschließenden Umdrehen des Reflektometers höher, so muß die jetzt aktive Nebenleitung etwas näher an den Außenleiter gebracht werden (und umgekehrt).
Zur Leistungsanzeige ist ein Empfänger mit vorgeschalteter Eichleitung für Z = 50 Ω am besten geeignet. Die Empfänger-Anzeige (S-Meter) wird mit der Eichleitung auf einem zu Beginn der Messung festgelegten Wert gehalten, so daß sich alle Meßwerte als Dämpfungsdifferenzen an der Eichleitung ergeben. Man umgeht auf diese Weise alle Probleme mit nichtlinearen Kennlinien von Demodulatoranordnungen.
Mit einer solchen Meßanordnung oder mit einem geeichten Leistungsmeßgerät kann die Koppeldämpfung durch abwechselndes Messen an der Haupt- und an der Nebenleitung gemessen und für beide Richtkoppler auf die in Abschnitt 3. angegebenen Werte eingestellt werden. Falls das Leistungsmeßgerät empfindlich und der Abschlußwiderstand gut genug sind, läßt sich auch die Richtdämpfung messen. Sie ist das in dB ausgedrückte Verhältnis der Leistungen an einer Nebenbuchse 'einmal in Vorlauf- und einmal in Rücklaufrichtung gemessen. Alle Messungen sollten bei einer möglichst hohen Frequenz (wenigstens 435 MHz) vorgenommen werden, da Auswirkungen von Einstellmaßnahmen dann am deutlichsten sichtbar werden.
4.2. Messungen mit dem Reflektometer
Nachdem die Koppeldämpfung bei den interessierenden Frequenzen feststeht, können größere Leistungen mit einem Meßgerät für den mW-Bereich gemessen werden. Eine Koppeldämpfung von beispielsweise 30 dB bedeutet, daß bei einer Leistung von 100 W in der Hauptleitung 100 mW an der Vorlaufbuchse zu messen sind. Mit einem thermischen Leistungsmesser oder mit Empfänger und Eichleitung sind die Meßergebnisse sehr genau. Es ist darauf zu achten, daß die zulässige Leistung an den Abschlußwiderständen der Nebenleitungen nicht überschritten wird. Mit dem gleichen Meßaufbau kann das Stehwellenverhältnis aus dem Leistungsverhältnis zwischen vorlaufender und rücklaufender Welle exakt bestimmt werden. Bei Messungen über Demodulatoren sind die Meßergebnisse wegen der nichtlinearen Diodenkennlinien unsicher.
4.3. Messungen mit Demodulatorköpfen
Werden die von Richtkoppler oder Reflektometer ausgekoppelten HF-Spannungen gleichgerichtet und als Gleichstrom angezeigt, so müssen bei der Beurteilung der angezeigten Werte die Diodeneigenschaften berücksichtigt werden.
4.3.1. Dioden
Die Haupttypenfamilien unterscheiden sich in Form und Steilheit ihrer I/U-Kennlinien und in der Schwellenspannung. Bild 15 zeigt einen schematischen Vergleich zwischen
- Spitzendiode (z. B. 1N21 für Silizium, oder AA138 für Germanium)
- Schottky-Diode (z. B. BAX25 oder hp2800)
- Silizium-Flächendiode (z. B. 1N914)
in linearer Darstellung (3). Bei HF-Spannungen über 1 V ist der Gleichstrom in allen Fällen proportional der HF-Spannung. Einerseits ist aber 1 V bereits die maximal zulässige Spannung für Si-Spitzendioden der Typenfamilie 1 N 21, andererseits treten an den Nebenbuchsen von Meßrichtkopplern nur HF-Spannungen im Bereich von etwa 10 mV bis 1 V auf. Der in diesem Zusammenhang wichtige Kennlinienbereich unter 1 V ist besser in logarithmischer Darstellung zu beurteilen.
Bild 15: Schematischer Kennlinien-Vergleich zwischen
a) Spitzendiode
b) Schottky.Diode
c) Si-Fliehendiode
Bild 16 zeigt eine derartige Darstellung(4) für eine Ge-Spitzendiode, Bild 17 für eine Schottky-Diode(5). Die Schottky-Diode wird mit einem Vorstrom von 20 µA in einem Anzeigekreis mit einem Innenwiderstand von 5 kΩ betrieben. Der Vorstrom verringert die Diodenverluste und erhöht so die Empfindlichkeit.
Bild 16: Logarithmische Darstellung derDurchlaßkennlinie weiner Ge-Spitzendiode mit Kennzeichnung der drei unterschiedlichen Kennlinien-Bereiche
Bild 17: Logarithmische Darstellung des Durchlaßbereiches unter 1 V einer Schottky-Diode mit Vorstrom. Die drei verschiedenen Kennlinienabschnitte sind gekennzeichenet.
Als grobe Richtlinie für die Anwendung in Demodulatorköpfen von Richtkopplern bzw. Reflektometern können zur Auswahl und zur Anzeigeschaltung der Dioden folgende Hinweise gegeben werden:
| Eigenschaft | Si-Spitzendiode | Ge-Spitzendiode | Schottky-Diode |
|---|---|---|---|
| Empfindlichkeit | für alle drei etwa gleich, die Schottky-Diode benötigt jedoch einen Vorstrom | ||
| Frequenzbereich | bis über 30 GHz | bis unterer GHz-Bereich | bis über 10 GHz |
| Reproduzierbarkeit für Austausch oder Paare: | schlecht | mäßig | sehr gut |
| Verträglichkeit höherer Leistung | schlecht | mäßig | gut |
| Verträglichkeit vor Stoß u. Vibration | schlecht | schlecht | sehr gut |
Sollen die Demodulatorköpfe mit Si-Spitzendioden (z.B. 1N21) ausgerüstet werden, so müssen diese auf gleiche Kennlinie ausgesucht werden. Für den Amateurgebrauch genügt es, zwei Exemplare auszusuchen, die bei zwei verschiedenen Leistungen gleiche Stromanzeige ergeben. Schottky-Dioden brauchen nicht selektiert zu werden; sie müssen jedoch einen Vorstrom von 20 µA bekommen (12 V über 600 kΩ); damit auch kleinste HF-Spannungen angezeigt werden. Die Anzeigeschaltung (Serienschaltung aus Vorwiderstand und Meßinstrument) sollte einen Widerstand von 5 kΩ darstellen. Unabhängig davon, ob man Spitzendioden oder Schottky-Dioden einsetzt, erhält man unter diesen Voraussetzungen die folgenden Zusammenhänge:
| HF-Spannung an der Diode | HF-Spannung / Gleichstrom | HF-Leistung / Gleichstrom | Gleichstrom in einem Anzeigekreis mit Ri = 5 kΩ | Zugehörige Vorlaufleistung bei einer Koppeldämpfung von: (Z = 50 Ω) | ||
|---|---|---|---|---|---|---|
| 20 dB | 30 dB | 40 dB | ||||
| kleiner als ca. 30 mV | quadratisch IDC ˜U2HF | linear IDC˜PHF | kleiner als ca. 7 µA | kleiner als 1,8 mW | kleiner als 18 mW | kleiner als 180 mW |
| ca. 30 mV bis ca. 100 mV | unbestimmter Zusammenhang | unbestimmter Zusammenhang | ca. 7 µA bis 20 µA | ca. 1,8 mW bis 20 mW | ca. 18 mW bis 200 mW | ca. 180 mW bis 2 W |
| ca. 100 mV bis 1 V | linear IDC˜UHF | quadratisch IDC˜PHF | ca. 20 µA bis 200 µA | ca. 20 mW bis 2 W | ca. 200 mW bis 20 W | ca. 2 W bis 200 W |
| über 1 V (für Si-Spitzen-dioden nicht zulässig) | ebenso | ebenso | größer als 200 µA | größer als 2 W | größer als 20 W | größer als 200 W |
4.3.2. Leistungsmessungen
Bei Beachtung der gegebenen Hinweise läßt sich für Amateurzwecke die Skala eines µA-Meters in Leistungswerten interpolieren, wenn wenigstens ein Eichwert festliegt. Man eicht zum Beispiel bei einem Endausschlag von 200 µA und interpoliert die Leistungsskala quadratisch bis herunter zu 20 µA. Im Bereich unter 20 µA kann eine Interpolation nicht angewendet werden. Erst unter etwa 7 µA kann leistungslinear geteilt werden, wenn ein Eichpunkt vorhanden ist. Eine Vorstellung von den dabei auftretenden Werten der Vorlaufleistung bei verschiedenen Koppeldämpfungen des Richtkopplers vermittelt die letzte Spalte in der obigen Tabelle.
4.3.3. Anpassungsmessungen
Das Stehwellenverhältnis wird aus den Spannungen von vorlaufender und rücklaufender Welle errechnet. Nachdem die angezeigte_aßl.eichströme bis herab zu etwa 100 mV in linearem Zusammenhang mit der HF-Spannung stehen, sind Anpassungsmessungen bis zu dieser Untergrenze problemlos möglich. Das heißt, daß die rücklaufende Leistung mindestens 20 mW, 200 mW oder 2 W - je nach Koppeldämpfung - betragen muß. Dies entspricht im 5-kΩ-Anzeigekreis einer Stromanzeige von etwa 20 µA. Bei Anzeigen unter 20 µA darf nicht mehr linear gerechnet werden. Am sichersten ist es, das Stehwellenverhältnis aus dem Leistungsverhältnis zu errechnen, das nach der in Abschnitt 4.2. angegebenen Methode bestimmt wurde.
Verfasser und Redaktion danken Max Münich, DJ1CR, für die wertvollen Hinweise, und Reinhard Griek, DK2VF, für die Messungen an den Prototypen.
5. Literatur
- H. Tiefenthaler: Ein Reflektometer für 0 bis 1300 MHz, UKW-Berichte 10 (1970) H. 3, S. 129 - 138
- A. Kraus: Der technische Richtkoppler aus gekoppelten Leitungen, Rohde und Schwarz Mitteilungen 21/1967, S. 297 - 306
- A. G. van Nie: Low Level Properties of Microwave Crystal Detectors, Philips Electronic measuring and microwave notes 1970/1, S. 1 - 9
- K. H. Blankenburg: Das neue URV - ein HF-DC-Millivoltmeter mit erweiterten Meßmöglichkeiten, Neues von Rohde und Schwarz 60, April/Mai 1973
- Ohne Verfasser-Angabe: Aufbau und Anwendung von Hot Carrier Dioden, Hewlett-Packard Applikationsmitteilung 8, Mai 1970
OE5THL, H. Tiefenthaler und DJ1JZ, B. Rößle.