UHF/SHF-Leistungsmesser zum Selberbauen
Beschrieben wird ein Leistungsmeßgerät, das nach dem Bolometer-Prinzip arbeitet und mit einfachen Bauelementen und Werkzeugen herzustellen ist. Die wichtigsten Eigenschaften sind:
- Die Eichung wird mit Gleichspannung vorgenommen
- Das Meßinstrument behält seine lineare Skala
- Einsetzbar im Frequenzbereich von Gleichspannung bis zu mehreren GHz
- 3 Meßbereiche (Vollausschlag): 10 mW / 100 mW / 500 mW
- Erreichbare Genauigkeit: ± 0,5 dB
Methoden der HF-Leistungsmessung
Eine übliche Art HF-Leistung zu messen besteht darin, die am Verbraucherwiderstand stehende HF-Spannung beziehungsweise einen bestimmten Teil davon, gleichzurichten und die gewonnene Gleichspannung anzuzeigen. Die Bilder 1 und 2 zeigen derartige Anordnungen im Prinzip: Sie lassen sich im Selbstbau realisieren, doch die Schwierigkeiten wachsen mit zunehmender Frequenz. Für Absolutwert-Anzeigen ist es erforderlich, die Geräte durch Vergleich mit professionellen Leistungsmessern zu eichen.
Bild 1: Direkte HF-Spannungsmessung am Lastwiderstand.
Bild 2: HF-Spannungsmessung über Richtkoppler
Statt die Spannung durch Gleichrichten zu messen, kann man auch die Erwärmung eines Abschlußwiderstandes durch die HF-Leistung messen. Derartige Anordnungen zeigen die Bilder 3 und 4, wobei die ineinander verschlungenen Kreise eine thermische Kopplung andeuten sollen.
Bild 3: Wärmemessung am Lastwiderstand durch temperaturabhängigen Widerstand.
Bild 4: Wärmemessung am Lastwiderstand durch Thermo-Element.
Die im 50-Ω-Widerstand erzeugte Wärme erwärmt ihrerseits einen temperaturabhängigen Widerstand oder ein Thermoelement. Diese Veränderung im Sekundärkreis wird ausgewertet und so die im Primärkreis wirksame Leistung angezeigt. Dabei ist es gleichgültig, ob die erwärmende elektrische Leistung eine Gleichspannung oder eine Wechselspannung - niederfrequent oder hochfrequent - ist. Darin liegt die Eichbarkeit mit Gleichspannungsleistung begründet.
Meßfehler entstehen durch Abweichungen des Abschlußwiderstandes vom Wellenwiderstand des Verbindungskabels, also bei zu geringer Rückflußdämpfung beziehungsweise zu hohem Stehwellenverhältnis. Wenn das SWR jedoch unter dem Wert 2 bleibt, ist dieser Fehler kleiner als 0,5 dB und somit für Amateuranwendungen wohl meistens vernachlässigbar. Diese Zahlen kann man der Tabelle 1 entnehmen, die hier ausführlich gebracht wird, da sie sicher nicht jedem interessierten Amateur zur Verfügung steht.
| Rückflußdämpfung | Reflexionsfaktor | Anpassungsfaktor | Welligkeitsfaktor (VSWR) | Dämpfung durch Fehlanpassung |
|---|---|---|---|---|
| ar/dB | r | m | s | a/dB |
| 0,1 | 0,988 | 0,006 | 173,368 | 16,42 |
| 0,2 | 0,977 | 0,011 | 86,835 | 13,46 |
| 0,4 | 0,957 | 0,022 | 45,436 | 10,74 |
| 0,6 | 0,933 | 0,034 | 28,971 | 8,89 |
| 0,8 | 0,912 | 0,046 | 21,725 | 7,74 |
| 1,0 | 0,891 | 0,058 | 17,349 | 6,86 |
| 1,5 | 0,841 | 0,086 | 11,578 | 5,35 |
| 2,0 | 0,794 | 0,115 | 8,709 | 4,32 |
| 2,5 | 0,750 | 0,143 | 6,997 | 3,59 |
| 3,0 | 0,708 | 0,171 | 5,842 | 3,02 |
| 3,5 | 0,668 | 0,199 | 5,024 | 2,57 |
| 4,0 | 0,631 | 0,226 | 4,442 | 2,20 |
| 4,5 | 0,595 | 0,254 | 3,933 | 1,90 |
| 5,0 | 0,562 | 0,280 | 3,571 | 1,65 |
| 5,5 | 0,531 | 0,306 | 3,263 | 1,45 |
| 6,0 | 0,501 | 0,332 | 3,012 | 1,25 |
| 6,5 | 0,473 | 0,358 | 2,793 | 1,10 |
| 7,0 | 0,447 | 0,382 | 2,618 | 0,97 |
| 7,5 | 0,422 | 0,406 | 2,463 | 0,85 |
| 8,0 | 0,398 | 0,431 | 2,320 | 0,75 |
| 8,5 | 0,373 | 0,453 | 2,203 | 0,66 |
| 9,0 | 0,355 | 0,476 | 2,101 | 0,58 |
| 9,5 | 0,335 | 0,498 | 2,008 | 0,51 |
| 10,0 | 0,316 | 0,520 | 1,923 | 0,45 |
| 10,5 | 0,298 | 0,541 | 1,848 | 0,40 |
| 11,0 | 0,282 | 0,561 | 1,780 | 0,36 |
| 11,5 | 0,266 | 0,579 | 1,726 | 0,32 |
| 12,0 | 0,252 | 0,598 | 1,671 | 0,28 |
| 12,5 | 0,237 | 0,618 | 1,618 | 0,25 |
| 13,0 | 0,224 | 0,634 | 1,578 | 0,22 |
| 13,5 | 0,211 | 0,650 | 1,538 | 0,20 |
| 14,0 | 0,199 | 0,668 | 1,497 | 0,17 |
| 14,5 | 0,183 | 0,684 | 1,462 | 0,15 |
| 15,0 | 0,178 | 0,699 | 1,480 | 0,13 |
| 15,5 | 0,165 | 0,716 | 1,396 | 0,12 |
| Rückflußdämpfung | Reflexionsfaktor | Anpassungsfaktor | Welligkeitsfaktor (VSWR) | Dämpfung durch Fehlanpassung |
| ar/dB | r | m | s | a/dB |
| 16,0 | 0,158 | 0,727 | 1,374 | 0,11 |
| 16,5 | 0,150 | 0,740 | 1,350 | 0,10 |
| 17,0 | 0,141 | 0,752 | 1,329 | 0,09 |
| 17,5 | 0,133 | 0,766 | 1,304 | 0,08 |
| 18,0 | 0,126 | 0,777 | 1,285 | 0,07 |
| 18,5 | 0,119 | 0,789 | 1,268 | 0,06 |
| 19,0 | 0,112 | 0,799 | 1,251 | 0,05 |
| 19,5 | 0,106 | 0,809 | 1,235 | 0,045 |
| 20,0 | 0,100 | 0,819 | 1,220 | 0,04 |
| 20,5 | 0,094 | 0,828 | 1,208 | |
| 21,0 | 0,089 | 0,887 | 1,193 | |
| 21,5 | 0,084 | 0,846 | 1,180 | |
| 22,0 | 0,079 | 0,853 | 1,171 | 0,03 |
| 22,5 | 0,075 | 0,861 | 1,160 | |
| 23,0 | 0,071 | 0,868 | 1,151 | |
| 23,5 | 0,067 | 0,857 | 1,142 | |
| 24,0 | 0,063 | 0,882 | 1,133 | 0,02 |
| 24,5 | 0,060 | 0,888 | 1,124 | |
| 25,0 | 0,057 | 0,894 | 1,118 | |
| 25,5 | 0,053 | 0,900 | 1,111 | |
| 26,0 | 0,050 | 0,904 | 1,105 | 0,01 |
| 26,5 | 0,047 | 0,909 | 1,100 | |
| 27,0 | 0,045 | 0,914 | 1,094 | |
| 27,5 | 0,042 | 0,919 | 1,088 | |
| 28,0 | 0,040 | 0,924 | 1,082 | |
| 28,5 | 0,038 | 0,928 | 1,078 | |
| 29,0 | 0,035 | 0,932 | 1,073 | |
| 29,5 | 0,034 | 0,934 | 1,069 | |
| 30,0 | 0,032 | 0,938 | 1,064 | |
| 30,5 | 0,030 | 0,942 | 1,060 | |
| 31,0 | 0,028 | 0,945 | 1,056 | |
| 31,5 | 0,027 | 0,947 | 1,054 | |
| 32,0 | 0,025 | 0,951 | 1,051 | |
| 32,5 | 0,024 | 0,953 | 1,048 | |
| 33,0 | 0,022 | 0,956 | 1,045 | |
| 33,5 | 0,021 | 0,958 | 1,043 | |
| 34,0 | 0,020 | 0,961 | 1,040 | |
| 34,5 | 0,019 | 0,963 | 1,038 | |
| 35,0 | 0,018 | 0,965 | 1,036 | |
| 35,5 | 0,017 | 0,967 | 1,034 | |
| 36,0 | 0,016 | 0,969 | 1,032 | |
| 36,5 | 0,015 | 0,971 | 1,030 | |
| 37,0 | 0,014 | 0,972 | 1,028 | |
| 37,5 | 0,013 | 0,974 | 1,027 | |
| 38,0 | 0,013 | 0,975 | 1,025 | |
| 38,5 | 0,012 | 0,976 | 1,024 | |
| 39,0 | 0,011 | 0,973 | 1,022 | |
| 39,5 | 0,011 | 0,979 | 1,021 | |
| 40,0 | 0,010 | 0,980 | 1,020 |
Um diesen Abschnitt abzurunden soll noch erwähnt werden, daß alle vier angedeuteten Meßmethoden in käuflichen Leistungsmessern Verwendung finden: nach den Bildern 1 und 2 arbeiten beispielsweise die bekannten Durchgangs- und Dummy-Load-Wattmeter von "Bird", nach den Bildern 3 und 4 die Leistungsmesser der Firmen Siemens und HP. Für den Amateurmarkt allerdings werden fast nur Wattmeter nach 1 und 2 angeboten, deren Genauigkeit manchmal schon im spezifizierten Frequenzbereich mangelhaft ist. Ein Überschreiten der angegebenen Frequenzbereiche erfordert unbedingt ein erneutes Eichen, was in den meisten Fällen noch eine Skala mehr auf den Meßwerken bedeutet. Ein anderes Problem dieser Art Meßgeräte entsteht, wenn man die Meßdiode durch zu hohe Leistung zerstört; besitzt man nicht eine genau gleiche Diode, so zieht dies sehr oft einen neuen Grundabgleich und ein Neuzeichnen der Skalen nach sich.
Das Bolometer
Die Aufbaudetails eines Reflektometers in (3) gaben die Anregungen für ein Solometer (Wärmemesser) als Herz eines recht genauen Leistungsmessers, das von Gleichspannung bis zu mehreren GHz brauchbar ist. Wie schon Bild 3 andeutet, besteht der Leistungsmesser aus 3 Baugruppen:
- Abschlußwiderstand (50 Ω)
- Temperaturfühler
- Meßverstärker mit Anzeige
Sie werden nachfolgend zum Nachbau beschrieben.
Der Abschlusswiderstand
Nachdem der Temperaturfühler als Wheatstone-Brücke ausgeführt ist, benötigt man zwei Abschlußwiderstände, die möglichst gleich sein müssen. Ihr Bau nach Bild 5 sollte möglichst sorgfältig vorgenommen werden, da die wesentlichen Daten davon abhängen. Nach dem Fertigstellen sollte man bei einer möglichst hohen Frequenz die Anpassung (SWV oder Rückflußdämpfung) messen und dann die besser geglückte Ausführung als Meßwiderstand, die andere als Kompensationswiderstand einsetzen. Welche Werte der Verfasser erreichte, zeigt die Kurve A in Bild 6; zum Vergleich zeigt Kurve B den VSWR-Verlauf eines 50-Ω-Abschlusses von HP.
Zunächst müssen zwei geeignete Widerstände beschafft werden. Damit auch kleine Leistungen gemessen werden können, muß eine mechanisch kleine Ausführung (= ausreichende Erwärmung mit kleiner Leistung) gewählt werden; andererseits schränkt man dadurch die Belastbarkeit nach oben ein. Der Verfasser verwendet Metalloxyd-Widerstände von Draloric, Typ MLAD 0309 / 50 Ω. Diese Widerstände sind ungewendelt und mit 62,5 mW Belastbarkeit angegeben. Im beschriebenen Aufbau wird der Meßwiderstand allerdings seit rund 3 Jahren mit bis zu 500 mW belastet und gelegentlich sogar kurzzeitig bis zu mehreren Watt überlastet, ohne daß Veränderungen aufgetreten wären. Werden andere Widerstände verwendet, so sind eventuell die mechanischen Abmessungen der Innen- und Außenleiter zu verändern und Durchmessersprünge zu kompensieren.
Bau der Abschlusswiderstände
Wie Bild 5 zeigt, baut der Abschlußwiderstand auf einer Flanschbuchse der N-Norm auf. Als Verlängerung des Innenleiters dieser Buchse dient ein Stück einer Kugelschreiber-Mine, weil diese ebenfalls einen Durchmesser von 1/8 Zoll hat. Den Außenleiter stellt man aus dünnem Messingblech her, indem man dieses um einen 7,5-mm-Bohrer wickelt und zusammenlötet. Diese Anordnung ergibt einen Wellenwiderstand von ca. 51 Ω (Z = 138 log D/d).
Bild 5: Koaxial eingebauter Abschlußwiderstand, an dem der Temperaturfühler befestigt wird.
Bild 6: Die Anpassung des Abschlusses nach Bild 5 zwischen 100 und 2300 MHz.
Die Enden des Widerstands werden vorsichtig vom Lack befreit und die Anschlußdrähte, die sich im Keramikkörper bis auf fast 1 mm nähern, werden ausgelötet. So vorbereitet kann man den Widerstand auf das zuvor verzinnte Innenleiter-Röhrchen löten.
Der Außenleiter ist an einem Ende zu fiedern, dann kegelig etwas auszuweiten und - wie in Bild 5 angedeutet - mit dem Flansch der Buchse zu verlöten. Das noch freie Ende des Außenleiters wird auf die gleiche Länge wie der Innenleiter zurechtgeschnitten, so daß nun der Widerstand herausragt.
Als nächstes formt man aus 0,1 bis 0,2 mm dicker Kupferfolie einen passenden Kegelstumpf und verlötet ihn mit dem Außenleiter. Das enge Ende wird schließlich in einem Arbeitsgang mit dem Widerstand und einer kleinen Scheibe (5 mm ø) aus Kupfer verlötet, auf die später mit ein wenig "Sekundenkleber" der Temperaturfühler geklebt wird.
Beide Abschlußwiderstände werden so auf einer dicken Aluminium-Frontplatte befestigt, daß die Buchsen vorne zugänglich sind und einige Zentimeter Abstand voneinander haben. Auf der Rückseite der Frontplatte ist um die Abschlußwiderstände ein gemeinsames Wärmeschutz-Gehäuse zu bauen (Aluminiumplatten mit Styropor beklebt). Damit verhindert man einen Einfluß von kurzzeitigen Temperaturschwankungen auf eine Messung.
Der Temperaturfühler
Die Temperaturfühler-Schaltung (Bild 7) ist als Wheatstone-Brücke ausgeführt. An die Buchse "K" wird nichts angeschlossen; dieser Widerstand mit Temperaturfühler erhält das Brückengleichgewicht bei langsamen Änderungen der Umgebungstemperatur. Wird dagegen an der Buchse "M" eine Leistung zugeführt, so erwärmt der Abschlußwiderstand den Kaltleiter, was die Brücke aus dem Gleichgewicht bringt. Es entsteht eine Spannung zwischen den Anschlüssen A und B, die ausgewertet und angezeigt wird.
Bild 7: Eine Wheatstone-Brücke als Temperaturfühler-Schaltung.
Als Fühlerelement hat sich ein SiliziumTemperatur-Sensor mit hohem positiven Temperaturkoeffizienten (= PTC-Widerstand oder Kaltleiter) bewährt. Versuche mit Heißleitern (NTC-Widerstand) und mit Dioden dagegen verliefen nicht zufriedenstellend. Diesen Sensor findet man im Siemens-Programm unter der Typenbezeichnung KTY 10 mit 4 verschiedenen Toleranzen des Nennwiderstands von 2000 Ω: KTY 10A: ± 1 %; ...B: ± 2 %; ...C: ± 5 %; ...D: ± 10 %. Alle vier Klassen sind brauchbar; am leichtesten ist der Abgleich jedoch mit den teureren, engtolerierten ...A oder ...B. Die äußere Form ist übrigens die eines Kunststoffgehäuses ähnlich TO 92.
In der Brückenschaltung werden wegen ihres niedrigen Temperatur-Koeffizienten Metalloxyd-Widerstände eingesetzt (2 × 2 kΩ, 1 × 100 Ω und 1 × 20 Ω). Das 500-Ω-Potentiometer ist ein 10-Gang-Spindeltrimmpoti, und das 100-Ω-Potentiometer ist ein Kohleschicht-Potentiometer mit linearem Widerstandsverlauf, das von der Frontplatte aus bedienbar ist. Die beiden 2-kΩWiderstände sind durch einen Streifen Kupferfolie thermisch miteinander gekoppelt.
Der Aufbau der Brückenschaltung nach Bild 7 erfolgt auf der Rückseite des Wärmeschutzgehäuses der beiden Abschlußwiderstände in "Freiluft-Verdrahtung". Der Spannungsregler (7806) muß allerdings so montiert werden, daß er dieses Gehäuse und die Brückenschaltung nicht erwärmt.
Der Messverstärker
Drei integrierte Verstärker sind nach Bild 8 so geschaltet, daß die Gleichtakt-Unterdrückung an P2 auf Werte über 100 dB gebracht werden kann. Die Verstärkung wird durch nur einen Widerstand bestimmt und beide Eingänge haben ungefähr den gleichen Innenwiderstand.
Bild 8: Die Auswerteschaltung der Brückenspannung und die Spannungsversorgung.
Wenn als integrierter Verstärker der Typ 741 eingesetzt wird, darf Pin 5 von I3 nicht beschaltet werden. Die gezeigte Frequenzgang-Kompensation ist nur dann einzubauen, wenn für I3 ein LM725 verwendet wird.
Für die Verstärkerschaltung nach Bild 8 (ohne das kleine Netzteil) wurde eine 80 mm x 70 mm große Platine entworfen, die Bild 9 zeigt. Für die Operationsverstärker sind Fassungen vorgesehen. Die Platine wird in ein HF-dichtes Gehäuse eingelötet und alle Zuführungen werden über Durchführungskondensatoren geführt. Alle Leitungen werden abgeschirmt und auch das Netzteil wird HF-dicht abgeschirmt, weil sich zeigte, daß die Verstärker durch vagabundierende HF-Spannungen aus dem Tritt gebracht werden können. Beim Messen zeigt ein ruckartiger Ausschlag des Meßwerks an, daß irgendwo unbeabsichtigt HF-Spannung gleichgerichtet und angezeigt wird. Dann müssen die Abschirmungen kontrolliert und die Leitungen besser abgeblockt werden.
Bild 9: Eine einseitig kaschierte Platine für die Auswerteschaltung.
Der Abgleich
Rm wird auf seinen größten Wert eingestellt, P1 und P2 in Mittelstellung, und der Bereichsschalter in Stellung 500 mW. Die Anschlüsse A und B werden miteinander verbunden und an Masse gelegt. Der Schalter "Test" wird in Stellung "offen" gebracht und die Spannungsversorgung von ± 15 V (ca. 50 mA) eingeschaltet.
Nun bringt man das Meßinstrument mit P1 auf Anzeige Null. Der Testschalter wird geschlossen und die Anzeige mit P2 wiederum auf Null gesetzt. Diese Optimierung der Gleichtakt-Unterdrückung wird für die Bereiche 100 mW und 10 mW wiederholt und verbessert.
Nun hebt man den Kurzschluß und die Masseverbindung der Anschlüsse A und B auf und verbindet sie mit A und B der Brückenschaltung. Im 500-mW-Bereich wird dann der Testschalter geschlossen und der Instrumentenausschlag durch Abgleich von Pw1 auf Null gebracht. Pw2 ist dabei in Mittelstellung und wird erst im praktischen Betrieb zum Feinabgleich eingesetzt. Dieser Brückenabgleich wird auch in den Bereichen 100 mW und 10 mW vorgenommen, wobei jeweils vorher der Verstärker bei geöffneter Taste "Test" mit P1 auf Null gesetzt wird.
Nun bringt man den Bereichsschalter in Stellung 500 mW und legt 5 V Gleichspannung an den Meßeingang M. Der Zeiger des Instruments setzt sich nun langsam in Bewegung. Nachdem die Leistung am 50-Ω-Widerstand nach dem Ohmschen Gesetz 500 mW beträgt, muß dieser Wert auch angezeigt werden. Nach einigen Minuten (diese große Zeitkonstante ist der Nachteil des Meßverfahrens), wenn der Zeiger zum Stillstand gekommen ist, bringt man mit Rm, die Anzeige auf 500.
Nach einigen Minuten Abkühlung können dann mit R 100 (Spindeltrimmer) der 100mW-Endausschlag, und mit R 10 der 10mW-Endausschlag eingestellt werden. Die jeweils benötigte Spannung errechnet man nach Ohm:
U = √(P × R)
Das ergibt für 100 mW: U = 2,236 V und für 10 mW: U = 0,71 V.
Vorsichtshalber sollte man nach einigen Stunden den gesamten Abgleich wiederholen. Ist alles stabil, so kann man den Leistungsmesser in ein Gehäuse einbauen.
Bild 10: Das Mustergerät des Verfassers.
Bild 11: Im Inneren befinden sich 3 abgeschirmte Baugruppen und das Meßwerk.
Abschliessende Bemerkungen
Vor jeder Messung läßt man das Wattmeter längere Zeit "warmlaufen", dann wird bei geöffnetem Schalter "Test" mit P1 der Nullabgleich vorgenommen und bei geschlossenem Schalter mit Pw2 die Brücke symmetriert.
Wie zu erkennen ist, hängt die Meßgenauigkeit hauptsächlich von der richtigen Gleichspannung beim Eichen, von der Genauigkeit des 50-Ω-Widerstandes bis zu möglichst hohen Frequenzen, von der Linearität der Kaltleiter und von der Genuaigkeit des Meßinstruments ab. Man sollte sich vom Bau aber nicht abhalten lassen, auch wenn man keine hochpräzisen Labormeßgeräte zur Verfügung hat. Ein Instrument der Klasse 2 und ein gutes (geliehenes) Vielfachinstrument - besser ein Digital-Multimeter - zum Eichen bringen einen wertvollen Leistungsmesser auch und vor allem für Mikrowellenmessungen hervor!
Beim Verfasser ist darüber hinaus ein Meßund Kompensationswiderstand in Erprobung, der an den Eingang "extern" geschaltet werden kann, noch einfacher herzustellen ist und offensichtlich noch Messungen im 3-cm-Band erlaubt.
Literatur
- Dohlus, H., DJ3QC: Messung der HF-Ausgangsleistung an UKW- und Dezi meterwel lensendern, UKW-Berichte Sonderheft 2 (1969) Seite 108 - 111
- Laufs, G., DL6HA: Über Fehlerquellen bei Richtkoppler- und Reflektometermessungen, UKW-Berichte Sonderheft 2 (1969) Seite 111 - 121
- Tiefenthaler, H., OE5THL: Ein Reflektometer für 0 bis 1300 MHz, UKW-Berichte 10 (1970) Heft 3, Seite 129 - 138
- Tiefenthaler, H. und Rößle, B.: Meß-Reflektometer für VHF und UHF mit Z = 50 Ω, UKW-Berichte 13 (1973) Heft 2, Seite 66 - 79
- Megla, G.: Dezimeterwellentechnik VEB-Verlag Technik, Berlin 1961
- Ohne Verfasserangabe: Fundamentals of RF and Microwave Power Measurements, Hewlett Packard, August 1977, Application Note 64-1
DF7OF, Otto Frosinn.