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Leistungsmesser für den Frequenzbereich zwischen 2 und 200 MHz

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Es gibt viele Wege ein Leistungsmeßgerät zu bauen. Der einfachste ist, eine Diode mit nachgeschaltetem Gleichstromverstärker zu benutzen. Das hat aber den Nachteil, daß sich vor allem bei niedrigen HF-Pegeln eine hohe Temperaturdrift bemerkbar macht, die durch eine aufwendige Kompensationsschaltung korrigiert werden muß. Außerdem ist die Skaleneichung nicht über alle Meßbereiche gleichbleibend. Ein anderer Weg ist es, die Verstärkung vor die Diode zu schalten, und damit die Leistung an der Diode in allen Meßbereichen konstant zu halten. Dies hat den Vorteil, daß sich eine Temperaturdrift der Gleichspannung kaum bemerkbar macht, da sie weit unter der Richtspannung der Diode liegt. Die Skaleneichung ist für alle Bereiche gleich, da die Diode immer im gleichen Leistungsbereich betrieben wird. Ein derartiges Gerät wird hier beschrieben.

1. Praktische Ausführung

Zur Vorverstärkung des HF-Signals dient ein dreistufiger Breitbandverstärker mit einer Stufenverstärkung von 10 dB, wie Bild 1 zeigt. Da es sehr aufwendig ist, eine Diode HF-seitig an die verschiedenen Meßpunkte MP1 bis MP4 umzuschalten, wurde an jeden Meßpunkt eine Diode gelegt, und deren Ausgangsgleichspannung über Verstärker (B1, B3, B5, B7) an den Bereichsumschalter geführt.

Bild 1
Bild 1: Leistungsmesser-Prinzip mit Breitbandverstärkern und getrennten Gleichrichterdioden für jeden 10-dB-Bereich.

Die erste Diode, an MP1, wird für Eingangsleistungen von 0 dBm bis +10 dBm verwendet. Die Diode an MP2 ist für den Bereich von -10 dBm bis 0 dBm, die Diode an MP3 von -20 dBm bis -10 dBm, und die Diode an MP4 von -30 dBm bis -20 dBm zuständig.

Das heißt, in jedem Bereich liegt der Pegel durch die Vorverstärkung zwischen 0 dBm und +10 dBm. Dadurch ergibt sich eine annähernd gleiche Skalierung über alle Bereiche. Voraussetzung dafür ist allerdings, daß die Verstärker immer im linearen Bereich arbeiten. Die verwendeten Breitbandverstärker haben eine maximale Ausgangsleistung von +15 dBm, so daß diese Voraussetzung erfüllt ist.

Eine weitere Möglichkeit ergibt sich bei diesem Prinzip, wenn man die Ausgangsspannung in proportionale Ströme umwandelt und dann addiert. Dann erhält man eine quasi-logarithmische Anzeige über einen Bereich von -20 bis +10 dBm. Das ist beispielsweise beim Abgleich von Filtern sehr hilfreich. Eine einfache Art, Spannungen in proportionale Ströme zu verwandeln ist es, die Spannungen über hochohmige Serienwiderstände (10 k52) an einen Summierpunkt zu führen, und dort an einem niederohmigen Widerstand (820 0) zu summieren. Die Verstärker B2, B4, B6 und B8 dienen dabei zur gegenseitigen Entkopplung der Stufen.

2. Wobbelbetrieb

Da die obere Grfsnzfrequenz der Gleichrichterschaltung ca. 5 bis 10 kHz beträgt, kann man den Leistungsmesser auch zur Hüllkurven-Detektion von HF-Signalen verwenden. Ein weiterer Vorteil der schnellen Gleichrichterschaltung ist, daß man sie auch im Wobbelbetrieb verwenden kann. Das ist beispielsweise beim Abgleich von Leistungsverstärkern günstig (wie in UKW-BERICHTE 2/1983 beschrieben). Filter können exakter abgeglichen werden, wenn man im Wobbelbetrieb die logarithmische Anzeige wählt. Da das Meßwerk für diese Zwecke zu träge ist, ist die Richtspannung der Dioden an eine BNC-Buchse an der Frontplatte geführt (Bild 2). Im Wobbelbetrieb wird hier die Y-Ablenkung des Oszillografen angeschlossen.

Bild 2
Bild 2: Der Leistungsmesser ist auf 2 Platinen aufgeteilt und besitzt einen Oszillografenausgang für den Wobbelbetrieb.

3. Die HF-Platine

Für die in Bild 3 gezeigten Schaltungsteile Vorverstärker, Dioden und Pufferverstärker wurde die Platine DL1GBH 003 entworfen. Außerdem liegen dort auch die Vorwiderstände zum Abgleich des Meßinstruments. Für jeden Bereich ist ein eigenes Trimm-Potentiometer vorgesehen, sowie ein Potentiometer mit dem der logarithmische Bereich abgeglichen wird. Bild 4 zeigt den Bestückungsplan der beidseitig kaschierten, 146 mm × 51 mm großen Leiterplatte. Als Spezialbauteile sind die fertig erhältlichen Breitband-Trafos vom Typ MCL T1-1 (Industrial Electronics, D-6000 Frankfurt, Klüberstraße) zu erwähnen.

Bild 3
Bild 3: Die drei Breitbandverstärker werden mit billigen UHF-Transistoren und käuflichen Breitbandtrafos realisiert.

Bild 4
Bild 4: Bestückungsplan der Leistungsmesser-Platine. Die ebenfalls kaschierte Oberseite bekommt Freibohrungen und die ±15-V-Zuführungen.

4. Die Netzteil-Platine

Das einfache ±15-V-Netzteil nach Bild 5 kann auf der einseitig kaschierten, gleichgroßen Platine DL1GBH 004 aufgebaut werden. Bild 6 zeigt den Bestückungsplan; Der Netztrafo (Gerth Typ 4236-2-V) ist von Fa. Reichelt, Wilhelmshaven, erhältlich.

Bild 5
Bild 5: Das ±15-V-Netzteil mit Integrierten Spannungaregiem.

Bild 6
Bild 6: Bestückungsplan der ebenfalls 146 mm x 51 mm großen Netzteilplatine.

5. Aufbau

Die Platinen werden nach den Bestückungsplänen bestückt und auf 10-mm-Abstandsbolzen auf die Grundplatte eines passenden Gehäuses geschraubt. Das Meßinstrument wird in die Frontplatte eingebaut, ebenso Netzschalter, LED, Bereichsschalter und die BNC-Buchsen. In die Rückwand kommen eine Gummitülle für das Netzkabel und der Sicherungshalter. Dann wird das Gerät nach Bild 2 verdrahtet. Dazu ist nur beim HF-Eingang ein 50-Ω-Koax-Kabel erforderlich. Bild 7 zeigt die eingebauten, verdrahteten Leiterplatten.

Bild 7
Bild 7: Platinen DL1GBH 003 und 004.

6. Abgleich

Der Abgleich wird zunächst im Bereich E vorgenommen. Dazu wird ein Signal von +10 dBm (Frequenz ca. 145 MHz) angelegt und mit P5 auf Vollausschlag abgeglichen; Dann mit dem selben Pegel den Bereich A mit P1.

Dann wird ein Pegel von 0 dBm angelegt und Bereich B mit P2 abgeglichen; Dann mit -10 dBm Bereich C (P4), und mit -20 dBm Bereich D (P4).

Die Skala wird entweder mit einem Meßsender oder nach Tabelle 1 geeicht. Der Fehler, der durch die Diodenstreuung auftritt, ist wahrscheinlich sehr gering.

Tabelle 1: Skalen-Eichung des Mustergeräts, gemessen im Bereich A mit Meßsender HP8640A.
Meßfrequenz9 MHz18 MHz36 MHz72 MHz144 MHz
SkalaPe/dBmI/µAI/µAI/µAI/µAI/µA
0 dB+105050494850
-1 dB+94343424044
-2 dB+83534343236
-3 dB+72827272630
-4 dB+62221211924
-5 dB+51716161519
-6 dB+41212121115
-7 dB+3999811
-8 dB+277768
-9 dB+155446

Wie man an der Tabelle erkennt, ist die Anzeige über den gesamten Frequenzbereich sehr konstant. Daher kann die Eichung nahezu bei jeder Frequenz zwischen 9 und 144 MHz vorgenommen werden.

Die logarithmische Skala wird in 10-dBSchritten geeicht, wie Tabelle 2 zeigt.

Tabelle 2
SkalaPe/dBmI/µA
+10+1050
0034
-12-1016
-20-204
Die Meßwerkskala wird zum Beschriften aus dem Meßinstrument herausgenommen (Vorsicht!). Die Ziffern werden mit Tippex überpinselt und die neue Skala nach dem Trocknen mit Anreibebuchstaben angebracht. Die Skala des Autorengeräts erkennt man in Bild 8.

Bild 8
Bild 8: Das Gerät des Verfassers.

7. Meßwerte

Am Mustergerät wurde zwischen 2 MHz und ca. 160 MHz ein Eingangs-VSWR von kleiner als 1,2 gemessen; erst ab 160 MHz steigt das Stehwellenverhältnis stetig an, bis es bei 200 MHz etwa 1,5 erreicht. Wem diese Werte nicht genügen, der kann sie unter Hinnahme von etwas Empfindlichkeitsverlust, durch Vorschalten eines Dämpfungsgliedes verbessern.

Ein Dämpfungsglied schwächt bekanntlich das Eingangssignal um die einfache, das reflektierte Signal um die doppelte Dämpfung. Um im gesamten Frequenzbereich ein VSWR kleiner als 1,2 zu erreichen, wäre ein Dämpfungsglied von 3 dB erforderlich. Das setzt natürlich voraus, daß das Dämpfungsglied selbst, bei korrektem Abschluß ein VSWR von sehr viel kleiner als 1,2 hat.

Den Bildern 9 und 10 kann man die Frequenzabhängigkeit der Anzeige in den verschiedenen Bereichen entnehmen. Bild 9 zeigt den Frequenzgang des log. Bereichs bei 4 verschiedenen Eingangspegeln. Die zunehmende Überhöhung bei niedrigen Frequenzen und hohen Pegeln läßt sich durch die verschiedenen Kompressionspunkte der Breitbandverstärker bei verschiedenen Frequenzen erklären. Bild 10 zeigt den Frequenzgang der lin. Bereiche.

Bild 9
Bild 9: Der Frequenzgang der Ausgangsspannung im log.-Bereich bei 4 verschiedenen Eingangspegeln.

Bild 10
Bild 10: Frequenzgang der lin. Anzeigebereiche.

Der +10-dBm-Bereich ist der mit der geringsten Frequenzabhängigkeit; hier ist ja auch kein Verstärker mit seinem Frequenzgang im Spiel. Es ergibt sich eine Genauigkeit von ca. 1 dB über den gesamten Frequenzbereich.

Bei den folgenden Bereichen macht sich zunehmend der Frequenzgang der Verstärkerstufen bemerkbar, aber auch hier ist der Fehler maximal 2 dB. Der Leistungsmesser wurde so abgeglichen, daß er bei 145 MHz korrekt arbeitet.

DL1GBH, Harald Braubach.