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Der SWR-Indikator

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Bei dieser Überschrift werden viele glauben, es handele sich schon wieder um ein Stehwellenmeßgerät in einer der üblichen Arten. Trotz der ähnlichen Namen ist die Funktion jedoch vollkommen unterschiedlich. Stehwellenmeßbrücken, so wie wir sie kennen und gebrauchen, sind Leistungsanzeiger, die vor- und rücklaufende Wellen auf Speiseleitungen anzeigen können. Aus dieser Anzeige ist dann die Berechnung des SWR möglich.

Im Gegensatz dazu ist der SWR-Indikator genau das, was der Name zum Ausdruck bringt: Ein Indikator, nicht mehr! Die Messung von Stehwellenverhältnissen z.B. ist nur in Verbindung mit einem Richtkoppler oder einer geschlitzten Meßleitung möglich. Aber der SWR-Indikator kann mehr:

Dämpfung und Verstärkung messen; so z.B. die Verstärkung einer Vorverstärkers oder eines Konverters, die Dämpfung von Kabeln, festen und veränderbaren Dämpfungsgliedern, Filtern, die Ubersprechdämpfung von Koaxialrelais. Das Aufnehmen der Durchlaßkurve eines Filters und sogar das Messen des Antennengewinns im Vergleich zu einer Referenzantenne sind möglich. Zusammen mit einem Richtkoppler oder einer Reflexionsfaktorbrücke sind viele Anpassungsmessungen möglich; so z.B. SWR von Verstärkerstufen, Empfängereingängen, Antennen, Bestimmung des Punktes der besten Anpassung bei induktiven und kapazitiven Spannungsteilern.

Trotz dieser vielfältigen Einsatzmöglichkeiten ist der SWR-Indikator ein ziemlich einfaches Gerät. Es handelt sich im Prinzip um ein empfindliches, selektives und ungeeichtes Wechselspannungs-Voltmeter, das in 10-dBStufen schaltbar ist.

Da das Gerät ungeeicht ist, - eben wie der Name schon sagt, ein Indikator - sind zum Aufbau und Gebrauch keinerlei Eichungen gegen HF-, NF- oder GleichspannungsNormale nötig.

1. Prinzip

Die Genauigkeit der Messung beruht auf der Genauigkeit der quadratischen Kennlinie eines Diodendemodulators, der zu allen Messungen benötigt wird. Der quadratische Bereich ist derjenige Bereich einer Diodenkennlinie, in dem die Ausgangsspannung proportional der Eingangsleistung ist. Der Dynamikbereich der quadratischen Kennlinie einer Diode beträgt in der Theorie ca. 38 dB. 30 dB sind mit einem selbstgebauten Demodulatorkopf mit normalen Germaniumdioden (OA90, AA119) sicher zu erreichen. Diese ca. 30 dB stellen den direkt nutzbaren Meßumfang des Geräts dar. Der Dynamikbereich der Meßanordnung ist durch Dämpfungsglieder theoretisch unendlich erweiterbar.

Als Nachteil dieses Meßverfahrens ist zu bemerken, daß immer ein amplituden-moduliertes Prüfsignal benötigt wird. Denn die bei der Demodulation entstehende NF wird im SWR-Indikator zur Anzeige gebracht. Der erforderliche HF-Pegel ist jedoch sehr gering; er bewegt sich in der Größenordnung zwischen 20 und 200 mV. Ebenso werden an die Qualität der AM nur geringe Anforderungen gestellt. Ein einfacher Ein/Aus-Modulator genügt. Weil bestimmt viele nicht über einen Meßsender verfügen, wird auch ein einfacher Diodenmodulator mit dem dazugehörigenSteuerteil beschrieben. Das HF-Signal kann man dann beispielsweise einer der vielen schon veröffentlichten Oszillatoraufbereitungen entnehmen. Mit entsprechenden Quarzen kann man sich so für jedes Band oder für den entsprechenden Anwendungsfall eine Signalquelle schaffen, die dann im Gegensatz zu einem Meßsender nur leider in ihrer Frequenz nicht änderbar ist.

2. Schaltung

Das Gerät läßt sich in drei Stufen aufteilen. Wie Bild 1 zeigt, ist die erste Stufe ein 2-stufiger gleichspannungsgekoppelter NF-Verstärker. Der 1. Transistor wird mit einem Kollektorstrom von ca. 200 µA betrieben, um die günstigsten Rauscheigenschaften zu erreichen. Der Kondensator von der Basis des 2. Transistors nach Masse schließt höherfrequente Rauschanteile kurz.

Bild 1
Bild 1: Der SWR-Indikator besteht aus NF-Verstärker, 1000-Hz-Filter und linearem Gleichrichter.

Als 2. Stufe folgt ein NF-Filter für 1000 Hz. Über diese Art NF-Filter gibt es meines Wissens keine deutschsprachige Literatur. Berechnungshinweise sind deshalb im Anhang angegeben. Das Filter ist um ca. ±50 Hz abstimmbar, weil nicht bei allen Meßsendem die Modulationsfrequenz genau 1000 Hz beträgt. Im Gegensatz zu anderen frequenzänderbaren Netzwerken ist hier zur Abstimmung kein Doppelpotentiometer erforderlich. Die 3-dB-Bandbreite dieses Filters beträgt ca. 20 Hz und die Verstärkung der ganzen Stufe ca. 30 dB.

Die letzte Stufe ist ein linearer Gleichrichter mit Dioden im Gegenkopplungszweig eines Operationsverstärkers. Durch das Umschalten eines Widerstandes ist eine Empfindlichkeitssteigerung um 5 dB möglich. Dadurch wird die Ablesegenauigkeit erhöht, die wegen der logarithmischen Teilung im unteren Bereich der Skala sehr gering ist. Damit beim Ablesen diese +5 dB nicht vergessen werden, wird zur Erinnerung eine rote Leuchtdiode mit eingeschaltet.

Ein RC-Glied stellt die Anzeige auf den Effektivwert eines Sinussignals ein.

Weil der gesamte Verstärker sehr empfindlich ist (V ≈ 100 dB, Eingangsempfindlichkeit unter 1 µV), wird das Meßwerk durch ein RC-Glied (56 Ω/1 mF) mit sehr großer Zeitkonstante bedämpft, um Zeigerschwankungen durch Rauschen zu unterdrücken.

Die Widerstände an den beiden Bereichschalter-Ebenen S1a und S1b stellen ein Teilerverhältnis von 1:10 dar. Das Verhältnis 1:10 entspricht auf die Eingangsspannung des Indikator bezogen 20 dB. Weil aber im quadratischen Teil der Diodenkennlinie Leistungsverhältnisse gemessen werden, entspricht dieses Teilerverhältnis 10 dB.

Die lineare Skala des Meßwerks kann nach folgender Formel in die entsprechende logarithmische Skala umgewandelt werden:

Eq 1

I ist der relative Strom durch das Meßwerk.

Folgende Skalenpunkte und ihre zugehörigen dB-Werte kann man sich aber auch ganz gut merken, wodurch sich u. U. das Anfertigen eines neuen Skalenblattes erübrigt:

I = 0,79 = -1 dB
I = 0,5 = -3 dB
I = 0,25 = -6 dB
I = 0,2 = -7 dB
I = 0,1 = -10 dB

Das Potentiometer zwischen Vorstufe und Filter dient der Feineinstellung. Wegen dieses Potis ist keine Absolutmessüng möglich.

Der Demodulatorkopf (Bild 2) weist außer der Spannungsverdopplung keine Besonderheiten auf. Ursprünglich für einen Wobbler gebaut, hat er sich auch in Verbindung mit dem SWR-Indikator bewährt. Auf UHF-mäßigen Aufbau ist jedoch zu achten.

Bild 2
Bild 2: Der Demodulator-Tastkopf sollte UHF-mäßig aufgebaut werden.

3. Aufbau

Die ganze Elektronik des SWR-Indikators ist bis auf den Bereichsschalter, die Potentiometer für Frequenz- und Feineinstellung, sowie das RC-Glied für das Meßwerk auf einer Leiterplatte untergebracht. Bild 3 zeigt sie mit ihrem Bestückungsplan.

Bild 3
Bild 3: Leiterplatte mit Bestückungsplan für den SWR-Indikator.

Der Widerstand R wird erst nach dem Abgleich in die Platte eingebaut. Um Masse-schleifen zu vermeiden, wird nur ein einziger, gemeinsamer Erdungspunkt gewählt. Dieser Erdungspunkt ist die (BNC-) Eingangsbuchse. Die Platine wird isoliert eingebaut und durch einen Draht mit der Buchse verbunden. Ebenso werden der Masse-Anschluß des Feinstellpotis, und die beiden unteren Widerstände der Spannungsteiler mit diesem Punkt verbunden. Als Verbindung zwischen Eingangsbuchse, Drehschalter und Eingang der Elektronik wird abgeschirmtes NF-Kabel verwendet.

Wenn die Elektronik in ein Metallgehäuse eingebaut wird, erübrigt sich die besondere Abschirmung der Platine. Es empfiehlt sich, ein möglichst großes Meßwerk zu verwenden; das kommt beim Gebrauch der Ablesegenauigkeit zu Gute.

An die Betriebsspannung werden keine besonderen Anforderungen gestellt. Sie sollte in üblicher Weise stabil und brummfrei sein.

3.1. Aufbau des Demodulators

Der in Bild 2 dargestellte Demodulator ist auf einer ca. 13 mm × 40 mm langen, beidseitig beschichteten Platine untergebracht. Diese Platine stellt man sich am schnellsten auf folgende Art her:

Mit einem kleinen Fräser oder nach dem Ätz-verfahren mit einem Eddingstift wird auf einer Seite in der Mitte der Platine eine ca. 6 mm breite Leiterbahn hergestellt, die bis auf eine Stirnseite rundherum von Masse umgeben ist. Die Leiterbahnunterbrechungen können dann an den entsprechenden Stellen ebenfalls gefräst oder mit einem spitzen Schraubenzieher geschabt werden. Diese Platine läßt sich in einem Stück 18-mm-Kupferinstallationsrohr mit Abschlußkappe unterbringen. Die Kappe wird in der Mitte mit einem Loch für eine BNC-Einlochbuchse versehen. Mit der Buchse baut man auch 2 abgewinkelte Massefahnen ein. Diese beiden Massefahnen werden von beiden Seiten mit der Masse der Platine verlötet, während der Innen-Leiter der Buchse mit der "heißen" Bahn verlötet wird. Zur Kopplung dient ein Scheiben- oder Trapez-Kondensator, der in einen Schlitz eingelassen wird. Die Platine bleibt ungebohrt, alle Bauelemente werden mit UHF-mäßig kurzen Anschlußdrähten stumpf stehend aufgelötet.

Als Verbindungskabel zum Gerät wird RG-174 mit einem entsprechenden (BNC-) Stecker verwendet. Das Stück Kupferrohr wird über die Platine bis in die Kappe geschoben und mit einer kleinen Blechschraube befestigt.

Als Dioden sollen nur Germanium-HF-Dioden (AAY27, AAY21, OA90, AA143, AA119) verwendet werden. Schottky-Dioden sind in diesem Fall (ohne Vorstrom) um ca. 20 dB unempfindlicher.

3.2. Abgleich des SWR-Indikators

Ein Abgleich ist nur für das Filter und die +5-dB-Schaltstellung erforderlich. Dazu benötigt man ein 1000-Hz-Signal von einigen 100 mV. Mit dem Bereichsschalter in der obersten Stellung, und mit dem Feinstellpoti stellt man einen geringen Zeigerausschlag ein. Mit dem Frequenzpoti und dem Trimmer P1 auf der Platine gleicht man abwechselnd auf maximalen Zeigerausschlag ab. Wenn der Zeiger an den Anschlag geht, muß man den Eingangspegel verringern. Dieser Schritt ist mehrmals zu wiederholen, weil sich die beiden Potis gegenseitig beeinflussen. Unter Umständen ist es - bedingt durch die Toleranzen der Kondensatoren - nicht möglich, mit dem Frequenzpoti ein Maximum zu erreichen. In diesem Fall ist der neben dem Poti liegende 1,5-kΩ-Widerstand um ±1 Normwert in der Reihe E 12 zu ändern. Bei 1000 Hz soll das Potentiometer ungefähr in Mittelstellung sein.

Anschließend stellt man mit dem Feinstellpoti und/oder dem NF-Pegel eine Anzeige von 0,316 ein. Der Schalter S2 (+5 dB) wird geschlossen, und mit dem Trimmer P2 Vollausschlag eingestellt. Auch dieser Schritt ist mehrmals zu wiederholen. Dann wird mit einem Ohm-Meter der Gesamtwiderstand aus dem 1-kΩ-Widerstand und dem Trimmer P2 gemessen. Der noch fehlende Widerstand R ergibt sich aus dem gemessenen Widerstand R = (1 kΩ + P2) × 9,03.

Der genaue Widerstandswert ist nicht sehr kritisch; der nächstliegende Widerstand der Reihe E12 genügt und kann nun eingebaut werden. Die Schaltstellung +5 dB ist nun noch einmal zu überprüfen und gegebenenfalls zu korrigieren.

Der Stufenschalter wird nun mit Markierungen von -10 dB bis -60 dB versehen. Diese Markierung ist nicht willkürlich, sondern kommerziellen Geräten (z. B. HP415BE) entlehnt.

4. Modulator

Um denjenigen zu helfen, die nicht über einen modulierbaren Meßsender verfügen, wird ein Dioden-Modulator beschrieben, der aus einer Veröffentlichung der Firma Hewlett-Packard(1) stammt. Der Vorteil dieser in Bild 4 gezeigten Serien-Parallel-Schaltung besteht darin, daß sich das SWR von Ein- und Ausgang zwischen den Schaltstellungen HF-Ein und HF-Aus nur geringfügig ändert; wodurch sowohl für den Meßsender wie auch für das Meßobjekt immer eine gute Anpassung gewährleistet ist.

Bild 4
Bild 4: Breitband-Modulator mit 4 PIN-Dioden.

Die 3-poligen Hochpaßfilter an Ein- und Ausgang unterdrücken die Impulse des Steuerteils in Richtung Generator und Meßobjekt. Es handelt sich um Tschebyscheff-Filter mit 0,01 dB Welligkeit im Durchlaßbereich. Mit den angegebenen Neosid-Fertigspulen (BV 5036, blau-orange, 580 nH) und dem Serienkondensator von 150 pF ergibt sich eine untere Grenzfrequenz von ca. 22 MHz.

Das Steuerteil (Bild 5) besteht aus einem 1000-Hz-Multivibrator mit einem schnellen Operationsverstärker, der durch Stromsteuerung über die Transistoren T1 und T2 abwechselnd die Dioden D1/D2 oder D3/D4 durch-steuert. Dadurch entsteht ein HF-Signal, das im 1000-Hz-Rhythmus ein- und ausgeschaltet wird.

Bild 5
Bild 5: 1000-Hz-Steuerschaltung für den Modulator nach Bild 4.

Der Strom durch die Dioden wird durch das Trimmpoti P2 auf ca. 20 mA begrenzt. An diesem Poti kann man auch die Symmetrie zwischen positiver und negativer Amplitude des Modulationssignals einstellen. Die Unsymmetrie wird durch unterschiedliche Stromverstärkungsfaktoren der Transistoren T1 und T2 verursacht.

4.1. Aufbau des Modulators

Der Modulator ist auf einer 35 mm × 72 mm großen, beidseitig beschichteten Leiterplatte untergebracht. Die Bestückung der in Bild 6 gezeigten Platine ergibt sich selbsterklärend aus dem Schaltbild.

Bild 6
Bild 6: Leiterplatte und Bestückungsplan für den Modulator nach Bild 4.

Bei den Neosid-Fertigspulen werden die nicht beschalteten Stifte ausreichend tief mit einem Seitenschneider abgeschnitten, und die Massefahnen am Becher um 90 Grad nach außen gebogen. Die Bestückung erfolgt von der Masseseite der Platine, auf die auch die Massefahnen der Spulenbecher aufgelötet werden.

Die fertig bestückte Platine wird genau in ein Weißblechgehäuse der Größe 35 × 72 × 30 ein-gepaßt. An den entsprechenden Stellen der Stirnwände werden die Löcher für zwei BNC-Flanschbuchsen gebohrt. Achtung: Der Mittelpunkt der Löcher darf nicht in der Mitte der Stirnwand liegen und muß vom oberen Rand des Gehäuses mindestens 16 mm entfernt sein; sonst paßt der Deckel nicht mehr darauf.

Die Platine wird nun so ausgefeilt, daß die Leiterbahn-Anschlüsse für die Buchsen auf den Stiften der Buchsen liegen, und so verlötet werden können. Die Buchsen können angeschraubt oder angelötet werden. Die Platine wird nun von beiden Seiten rundherum mit dem Gehäuse verlötet, was eine sehr gute Masseverbindung gewährleistet. Der Anschluß für das Steuerteil wird durch einen Durchführungs-Kondensator nach außen gebracht.

Der Abgleich der Spulen beschränkt sich darauf, daß die Kerne ganz hinein, das heißt auf maximale Induktivität gedreht werden.

4.2. Aufbau des Steuerteils

Das Steuerteil wird wegen der einfachen Schaltung am schnellsten auf einem Stück Veroboard-Platine aufgebaut. Auf ausreichende Abblockung der Speisespannung ist jedoch zu achten, da die Anstiegs- und Abfallflanken des Rechteckpulses sehr steil sind.

4.3. Abgleich des Steuerteils

An dem Trimmpoti P1 wird mit Hilfe eines Frequenzzählers die Ausgangsfrequenz auf 1000 Hz eingestellt. Dann wird der Modulator angeschlossen und am Trimmpoti P2 mit Hilfe eines gleichspannungsgekoppelten Oszillo- graphen auf gleiche positive und negative Amplitude am Eingang des Modulators eingestellt. Falls kein Oszillograph zum Abgleich zur Verfügung steht, wird der Schleifer ungefähr auf ein Verhältnis von 1/3 zu 2/3 in Richtung T1 gestellt.

5. Anwendungsbeispiele

Mit einem Meßaufbau aus moduliertem Meßsender, Demodulatorkopf und SWR-Indikator sind nun Dämpfungs- und Verstärkungsmessungen aller Art möglich. Anzumerken ist jedoch, daß auf der HF-Seite der Meßanordnung das System-Z (z. B. 50 Ω) überall gleich sein, und notfalls durch Zwischenschalten von Dämpfungsgliedern die Anpassung verbessert werden muß. Der erforderliche HF-Pegel ist dann natürlich höher. Da der Demodulator-kopf ebenfalls keinen Abschlußwiderstand enthält, wird der richtige Abschluß durch einen 50-0-Widerstand in einem BNCStecker hergestellt, der über ein BNC T-Stück mit dem Demodulator verbunden wird. Das System-Z ist jetzt hiermit auf 50 Ω festgelegt. Bild 7 zeigt diesen Meßaufbau.

Bild 7
Bild 7: Meßaufbau für Arbeiten mit dem SWR-Indikator.

Vor dem ersten Gebrauch muß überprüft werden, bei welcher HF-Eingangsspannung der quadratische Bereich unseres Demodulators endet. Dieser Bereich beginnt ja im Rauschen und endet am Übergang zum linearen Bereich, in dem die Ausgangsspannung proportional der Eingangsspannung ist.

Zu dieser Prüfung benötigt man zusätzlich ein 3-dB-Dämpfungsglied (fest oder schaltbar). Zuerst stellt man den Meßaufbau nach Bild 7 her, am besten bei einer Frequenz unter 100 MHz.

Dann wird folgendermaßen vorgegangen:

  1. Feinstellpoti voll aufdrehen
  2. Bereichsschalter auf -30 dB stellen
  3. Mit HF-Pegel auf Vollausschlag einstellen
  4. Bei X das 3-dB-Dämpfungsglied zwischenschalten.

Der Zeigerausschlag muß nun auf 0,5 zurückgehen. Wenn dieser Wert nicht erreicht wird, ist wahrscheinlich der Eingangspegel zu groß. Das Eingangssignal muß verringert werden, z. B. auf den Wert 0,5 in der Stellung -30 dB (= -33 dB) oder sogar bis Vollausschlag in der Stellung -40 dB. Dann den Test wiederholen.

Man kann so feststellen, bei welchem Eingangspegel der quadratische Bereich des Demodulators endet. Dieser Bereich darf nie verlassen werden, weil sonst keine genauen Messungen möglich sind.

Die Wahl des Punktes -30 dB ist ebenfalls den kommerziellen Vorbildern entlehnt. Dieser Punkt ist jedoch wertmäßig nicht genau festzulegen. Er hängt einerseits von der Verstärkung des SWR-Indikators (die Verstärkung der beiden Eingangstransistoren T1 und T2, und damit die Verstärkung dieser Stufe ist nicht definiert) und andererseits von den Dioden und deren dynamischer Belastung im Demodulator ab.

Als Beispiel für eine Dämpfungsmessung soll ein selbstgebautes 20-dB-Dämpfungsglied untersucht werden. Gemessen wird in dem Aufbau nach Bild 7.

  1. Pegel mit HF-Signal und Poti einstellen, z. B. -30 dB
  2. Dämpfungsglied bei X zwischenschalten. Das Poti darf bei dem nun folgenden Ablauf des Meßvorgangs nicht mehr verstellt werden, weil sonst der Bezugspegel verloren geht und die Messung ungültig ist.
  3. Ablesen: Anzeige fällt unter 0,1; Schalter auf -40 dB stellen, Anzeige immer noch unter 0,1; Schalter auf -50 dB stellen, Zeiger geht auf 0,96 (-0,2 dB).
  4. Auswertung: 2 × -10 dB + -0,2 dB = -20,2 dB Dämpfung

Das untersuchte Dämpfungsglied hat bei der Meßfrequenz also eine Dämpfung von 20,2 dB.

Durch die relative Spreizung der Skala in der oberen Hälfte, besonders zwischen den Werten 0,79 (-1 dB) und 1,0 (0 dB), ist sogar ein Auswerten von 0,1-dB-Schritten möglich. Das ist nützlich bei Messungen der Durchlaßdämpfung von Filtern.

Als zweites Beispiel für eine Dämpfungsmessung soll die Durchlaßkurve eines Bandfilters aufgenommen werden. Weil der Dynamikbereich der Meßanordnung nur ca. 30 dB beträgt, das Filter aber auch weiter von der Mittenfrequenz entfernt untersucht werden soll, wird das im 1. Beispiel gemessene Dämpfungsglied mit in den Meßaufbau nach Bild 7 einbezogen.

Der Bezugspegel wird nun bei der Mittenfrequenz des Filters festgelegt, z.B. wieder -30 dB. Die Frequenz des Meßsenders wird nun in entsprechenden Schritten geändert, und die zugehörigen Dämpfungswerte werden notiert. Beim Erreichen der Meßgrenze bei -60 dB wird der SWR-Indikator 2 Schaltstellungen hochgeschaltet (-40 dB) und das Dämpfungsglied entfernt.

Es muß sich nun wieder der gleiche Zeigerausschlag einstellen. Dadurch wird der verfügbare Dynamikbereich um diese 20 dB, bzw. um 20,2 dB des Dämpfungsglieds, erweitert. Der nutzbare Bereich beträgt nun ca. 50 dB. Bei der abschließenden Auswertung dürfen diese 20,2 dB natürlich nicht vergessen werden.

Es bleibt noch zu erwähnen, daß die Amplitude und der Modulationsgrad des Meßsenders bei sich ändernder Frequenz natürlich konstant bleiben müssen.

Als Beispiel einer Verstärkungsmessung soll die Verstärkung eines Vorverstärkers gemessen werden. Der Meßaufbau entspricht wieder Bild 7.

  1. mit HF-Pegel und Poti Gerät einstellen auf z.B. -60 dB. Das entspricht in der Stellung -50 dB der Anzeige 0,1;
  2. Vorverstärker bei X zwischenschalten
  3. Ablesen: Zeiger am Anschlag, eine Stufe hochschalten (-40 dB), Zeiger immer noch am Anschlag, 1 Stufe hochschalten (-30 dB), Zeiger geht auf ca. 0,2. Zur Verbesserung der Ablesegenauigkeit wird der Schalter +5 dB geschlossen: Der Zeiger geht auf 0,66 (-1,8 dB).
  4. Auswertung: 2x +10 dB + 10 dB -1,8dB - 5dB = Schalter Skala Schalter +30 dB -6,8 dB = 23,2 dB Verstärkung

Nochmals der Hinweis, daß das Poti nicht mehr verstellt werden darf, wenn der Referenzpegel einmal hergestellt ist.

Es ist wohl jedem klar, daß bei Messungen an aktiven Baugruppen deren Stromversorgung einzuschalten ist (wichtig bei Anpassungsmessungen).

Den für mich persönlich größten Wert hat der SWR-Indikator bei Anpassungsmessungen. Das empirische Ermitteln des richtigen Anzapfpunktes bei einer Spule oder des richtien Teilerverhältnisses bei einem kapazitiven Spannungsteiler ist nun überflüssig, es wird gemessen! Dazu ist jedoch ein Richtkoppler oder eine Reflexionsfaktormeßbrücke nach (2) und (3) erforderlich. Eine nähere Erklärung des Meßprinzips ist bei (3) zu finden.

Mit dem Meßaufbau nach Bild 8 sind bei entsprechender Güte des Richtkopplers oder der Reflexionsfaktorbrücke Anpassungsmessungen bis zu einem SWR unter 1,05 möglich. Gemessen wird nicht das SWR direkt, sondern die Reflexionsdämpfung (engl. Return loss, R.L.), aus der das SWR errechnet werden kann.

Bild 8
Bild 8: Meßaufbau für Anpassungsmessungen.

Als Beispiel soll der richtige Anzapfpunkt an einer Spule oder einem Topfkreis bestimmt werden.

  1. Pegel mit HF-Signal und/oder Poti einstellen, z. B. -30 dB
  2. Meßobjekt an die Brücke anschließen, Poti tabu
  3. ablesen: Zeiger geht unter 0,1; Schalter 1 Stufe tiefer (-40 dB), Zeiger geht auf 0,31 (-5 dB)
  4. Auswertung: -10 dB + -5 dB = -15 dB R.L. Schalter + Skala

Nach folgender Formel kann die Rückflußdämpfung in das entsprechende SWR umgerechnet werden:

Eq 2

Demnach entspricht ein RL von -15 dB einem SWR von 1,43.

In diesem Fall sollte das SWR durch Änderung des Anzapfpunktes noch verbessert werden. Werte unter 1,2 (= RL = -20 dB) haben meiner Erfahrung nach in der Praxis in den meisten Fällen nur noch akademischen Wert.

Eine Tabelle mit RL-Werten und den dazugehörigen SWR-Werten findet man in (4).

Anzumerken bleibt noch, daß der SWRIndikator vor einer Messung mit dem Potentiometer "Frequenz" auf die Modulationsfrequenz des jeweiligen HF-Generators abgestimmt werden muß. Außerdem soll das Feinstellpoti immer im oberen Drittel seines Einstellbereiches sein, damit nicht aus Versehen - und ohne daß man es bemerkt - der quadratische Bereich des Demodulators verlassen wird.

6. Fehlerbetrachtung und Erfahrungen

Dieses Kapitel möchte ich unter die allgemein bekannte Überschrift stellen: Wer viel mißt, mißt Mist! Der SWR-Indikator für sich allein (als NF-Voltmeter) ist sehr genau, obwohl die Schaltstellung -60 dB wegen eines geringen Zeigerausschlags durch Rauschen nur eingeschränkt zu gebrauchen ist. Aber bei allen Messungen muß ja das gesamte System aus Meßsender, Modulator, evtl. Dämpfungsgliedern, Abschlußwiderstand, Demodulator und SWR-Indikator betrachtet werden. Ebenso spielt das Meßobjekt einen Rolle. Jeder koaxiale Übergang (bei mir: R&S-Dezifix, N, BNC), jedes noch so kurze Kabelstück haben einen Einfluß auf das Meßergebnis.(5) Nach meinen Erfahrungen ist das gesamte Meßsystem bis ca. 300 MHz ohne Einschränkung zu gebrauchen. Darüber fängt mehr oder weniger das "Lügen" an. Aber wer wen wie und wieviel "belügt", war mit den mir zur Verfügung stehenden Meßmitteln nicht herauszufinden.

Um zumindest eine Aussage über die Qualität des Teilsystems Modulator-Demodulator machen zu können, habe ich die Anpassüng eines Abschlußwiderstandes (Bird Thermaline) mit einem Richtkoppler der Fa. EME gemessen.

Im Vergleich zu einem SWR-Indikator HP415E und einem kommerziellen Diodendetektor (50-Ω-Abschluß eingebaut, 1N21) in Verbindung mit direkt modulierten HF-Signalen aus den Meßsendern (Wavetek 3001, R&S SDR) waren die gemessenen Werte nur unwesentlich schlechter.

Daher möchte ich den Schluß wagen, daß das von mir vorgestellte Meßsystem (mit Modulator) bis etwa 1000 MHz zu gebrauchen ist. Bei einer Anwendung des SWR-Indikators mit entsprechenden kommerziellen Geräten (Generator, Demodulator) wird die obere Frequenz-grenze von diesen Komponenten bestimmt. Die technische Grenze liegt weit über 10 GHz.

6.1. Verwendete Meßgeräte

Wavetek Meßsender 3001 (520 MHz)
R&S Meßsender SDR (1000 MHz) mit 50-Ω-Anpaßglied DAF
HP Eichleitung 355 C + 355 D
Richtkoppler der Fa. EME, Typ 7020/30 A (144 MHz - 1296 MHz)
Bird "Thermaline" Abschlußwiderstand 50 Ω, Typ 80M
Philco 50 Ω Crystal Detector, Model 148 (mit 1N21)
Mini Circuits Dämpfungsglieder Typ CAT 3, 6, 10, 20 dB
HP415E SWR-Indicator

7. Anhang

Das in Bild 9 herausgezeichnete NF-Filter ist eigentlich ein Notch-Filter, und stellt eine En wicklung der Fa. General Radio dar. Eine au'sführliche Beschreibung ist in (6) zu finden. Die allgemeine Dimensionierungsformel lautet:

Eq 3

R in Ω und C in Farad.

Bild 9
Bild 9: Das (Notch-) Filter des SWRIndikators.

Mit einer Dimensionierung der Widerstände nach Bild 10 erhält man einen Pbstimmbereich von ca. 1:3. Die Berechnung des überstrichenen Frequenzbereichs ist nach folgender Formel möglich:

Eq 4

R in Ω und C in µF.

Bild 10
Bild 10: Dimensionierung des Filters für einen Abstimmbereich von 1:3.

Bei der Anwendung im SWR-Indikator wird der Abstimmbereich durch die Wahl eines entsprechend kleinen Potis auf ca. ±50 Hz bei einer Mittenfrequenz von 1000 Hz begrenzt. Um eine möglichst geringe Bandbreite zu erreichen, sollen die 3 Kondensatoren möglichst genau die gleichen Werte haben (gegebenenfalls ausmessen). Ebenso soll der obere Querwiderstand genau den 6-fachen Wert der Summe der Werte der 3 unteren Querwiderstände haben. Darum wird dieser Widerstand am besten aus einer Kombination von Festwiderstand und einem Trimmpoti gebildet.

Ursprünglich ein Notch-Filter, erhält dieses Filter durch die Umkehrfunktion des OP's Bandfiltereigenschaften.

8. Literatur

  1. H. Vifian/F. K. David/W. L. Frederik: "A Voltmeter for the microwave engineer", HP-Journal 11/1972, S. 6
  2. Gerd Wolske: "Eine Stehwellenmeßbrücke für beliebige Frequenzen bis 500 MHz", cq-DL 10/1974, S. 606
  3. Michael Martin: "Breitbandrichtkoppler zur SWR-Messung von Empfänger-Komponenten", UKW-Berichte 23 (1983) Heft 1, S. 41-45
  4. Otto Frohsinn: "UHF/SHF-Leistungsmesser zum Selbstbau" UKW-Berichte 21 (1981) Heft 2
  5. J. Ehrlich: "Meßtechnik im UHF/SHF Bereich", Tagungsheft VHF/UHF-Tagung München 1982, S. 58
  6. C. Hall: "RC-tunable Notch Filter", Ham Radio Magazin 9/1975, S. 16-20

Zusätzliches Schrifttum

  1. Operation Manual HP41E SWR-Indicator Hewlett-Packard Comp., Palo Alto
  2. Bob Melvin: "The SWR-Meter" Ham Radio Magazin 10/1970, S. 6-14
  3. Tietze/Schenk: "Halbleiterschaltungstechnik" 3. Auflage, S. 139, 258-261
  4. Fred Brown: "Antenna Gain Measurements" QST 11/1982, 12/1982, S. 30

DK4TJ, Wilhelm Schürings.