Selbstbau-Diodenmessköpfe

DG1KPN Diode probe

Gemeinschaftsarbeit von DG1KPN (Realisierung und Messungen) und DL6GL.

Kommerzielle Diodenmessköpfe für Powermeter von HP/Agilent sind eine Klasse für sich, dafür aber auch richtig teuer. Norbert, DG1KPN, und ich, DL6GL, wollten deshalb herausfinden, wie weit man mit Selbstbaulösungen kommen kann. Untersucht haben wir drei Varianten, zwei mit der low barrier Schottky-Diode BAT62-3W und eine mit der zero bias Schottky-Diode HSMS285B.

Bauvorschläge gibt es im Netz genug. Die wenigsten unterlegen aber ihre Leistungsfähigkeit mit aussagekräftigen Messungen. So bleiben Leistungsmessungen ein Ratespiel.

 

Referenzen

[1]  http://www.dl5neg.de/diodesensor/diodesensor.html
[2]  http://pe2er.nl/mW-Meter/index.htm
[3]  http://pdf.datasheetcatalog.com/datasheet/siemens/BAT62-03W.pdf
[4]  http://pdf.datasheetcatalog.com/datasheet2/8/0ietfhix1w1uytra3tlwglkswffy.pdf
[5]  C. Vieland, Diodendetektoren in 50 Ohm Breitbandtechnik, UKW-Berichte 4/1987
[6]  http://www.tme.eu/de/

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1 BAT62-3W-Detektor Version 1 nach DL5NEG

Ausführlich in [1] beschrieben ist der " Low-cost high-performance RF power sensor" von Herbert, DL5NEG, mit einer BAT62-3W. Messergebnisse gibt's dazu, bei denen uns bei näherer Betrachtung aber leichte Zweifel aufkamen. Egal, der Vorschlag hatte Hand und Fuß, so dass Norbert eine Platine entwarf und schließlich das Ergebnis messtechnisch untersuchte.

DL5NEG diode probe schematics

Abb. 1: Schaltbild des DL5NEG-Diodenmesskopfes.

Die Drossel am Ausgang haben wir in Anlehnung an PE2ER [2] zugefügt. Zusammen mit ihr reduziert der 2,2nF-Kondensator C3 am Ausgang Störspannungen und stabilisiert damit die Poweranzeige.

DL5NEG diode probe PCB

Abb. 2: Die Platine dazu.

Dem anvisierten Messbereich bis 3GHz oder darüber hinaus geschuldet sind die insgesamt ca. 40 Durchkontaktierungen mit Hohlnieten und die Verwendung von SMD 0603-Krümeln - nichts für Grobmotoriker. Die SMA-Flanschbuchsen wurden schließlich noch mit Gewindestangen zur Verbesserung der mechanischen Stabilität verbunden.

Zunächst wurden die Eingangscharakteristiken (S11 und abgeleitete Größen) vermessen.

DL5NEG diode probe S11

Abb. 3: Mit dem VNWA gemessene Eingangsanpassung des BAT62-Detektors.

Wie das verwendete Eingangs-PI-Glied schon erwarten ließ, ist der Verlauf von S11 mit bis zu 26,8dB bei 435MHz mustergültig. Auch jenseits des 70cm-Bandes bleibt das S11 mit knapp 18dB (SWR=1,3) bei 2,4GHz noch recht gut.

DL5NEG diode probe SWR

Abb. 4 Eingangsanpassung des BAT62-Detektors bis 3,2GHz.

Bleibt noch das wesentliche Kriterium, die Messgenauigkeit über die Frequenz. Hierzu wurde als Referenz das mit einem HP423B kalibrierte PM-5020 Powermeter nach DG6RBP mit folgender Anordnung verwendet:

Diode probe test setup

Abb. 5: Anordnung zur Messung des Frequenzgangs.

Um Verfälschungen durch den Power Divider auszuschließen, wurden die Messungen in Abschnitt 3 ohne diesen gemacht.

DL5NEG frequency response

Abb. 6: Abweichung der Poweranzeige gegen die Referenz.

Zwischen 10 und 1.000MHz ist die Abweichung

  • maximal -0,3dB bei -20dBm Eingangsleistung
  • maximal +0,7dB bei 0dBm Eingangsleistung.

Die Abweichung unterhalb 10MHz resultiert vermutlich von der Ungenauigkeit des erst ab 10MHz spezifizierten HP423B-Messkopfes. Oberhalb 2GHz stoßen die BAT62, der Aufbau oder beides an ihre Grenzen.

Mit unserem Powermeter (Maximalspannung am ADC 2,048V bei einer Auflösung von 15,6µV) ergab sich ein Messbereich von -30 bis +18dBm. Der Eingangsabschwächer schluckt ein paar dB.

 

2 HSMS285B-Detektor nach DJ4GC

Der zweite Ansatz mit einer zero bias Schottky-Diode HSMS285B [4] müsste die untere Nachweisgrenze noch etwas verbessern können. Die etwa halbierte Kniespannung gegenüber low barrier-Dioden bei geringen Durchlassströmen sollte das möglich machen. Dabei haben wir auf eine Arbeit von Carsten Vieland, DJ4GC, [5] zurückgegriffen.

HSMS285B Diode probe schematics

Abb. 7: Schaltbild des DJ4GC-Diodenmesskopfes.

Auf einen Abschwächer mit Eingangsanpassung wird hier verzichtet.

HSMS285B Diode probe PCB

Abb. 8: Die Platine dazu.

Die beiden 100Ω-Widerstände R1/R2 sind unmittelbar an der SMA-Eingangsbuchse im Winkel von je ca. 45° zur Platinenoberseite verlötet. C1 und R4 sind über Durchkontaktierungen mit der Massefläche auf der Rückseite verbunden. C1 ist hier wie im folgenden Abschnitt ein besonders verlustarmer ATC-Kondensator. Die Diode ist z.B. bei [6] zu bekommen, Artikel-Nr. HSMS-258B-BLKG.

Hier wie auch in der folgenden dritten Variante war der 2,2nF-Kondensator am Ausgang notwendig, Rest-HF vor dem ADC-Eingang des Powermeters abzuleiten und damit die Anzeige zu stabilisieren. Er wird direkt an der Ausgangsbuchse verlötet.

HSMS285B Diode probe S11

Abb. 9: Mit dem VNWA gemessene Eingangsanpassung des HSMS285B-Detektors.

Ohne das Anpassungs-Pi-Glied am Eingang ist die Eingangsanpassung nicht mehr ganz so gut wie im ersten Beispiel, aber mit einem S11 von 18dB bei 1,25GHz durchaus annehmbar. Darüber wird es aber zunehmend kritisch (Spektrum Analyser, Abb. 10).

HSMS285B Diode probe SWR

Abb. 10: Eingangsanpassung des HSMS285B-Detektors bis 3,2GHz.

HSMS285B Diode probe frequency response

Abb. 11: Abweichung der Poweranzeige gegen die Referenz.

Laut Datenblatt ist die HSMS285B für Pegel < -20dBm bis 1,5GHz spezifiziert, was die in Abb. 11 gezeigten Messungen klar bestätigen. Die Abweichung ist dort 0,8dB.

Das Ziel, die untere Nachweisgrenze zu verbessern, wurde mit -43dBm an unserem Powermeter auch erreicht.

 

3 BAT62-3W-Detektor Version 2 DG1KPN

Norbert will's wissen. Die ermutigenden Ergebnisse aus dem vorhergehenden Versuch trieben Norbert regelrecht an, der leichter zu beschaffenden BAT62-3W noch eine Chance zu geben. In der nachfolgenden Testvorrichtung zeigte die BAT62 bei 50MHz eine mit dem Agilent-Messkopf HP423B nahezu identische Kennlinie.

BAT62_V2 diode test setup

Abb. 12: Vorrichtung zur Vermessung der Diodenkennlinien.

BAT62_V2 diode probe characteristic

Abb. 13: Diodenkennlinien BAT62-3W und HP423B von -60 bis +20dBm.

BAT62_V2 diode probe characteristic zoom

Abb. 14: Diodenkennlinien BAT62-3W und HP423B von -60 bis +10dBm.

Nachdem die Ehre der BAT62 somit wieder hergestellt war, musste sie noch den Beweis in einem Messkopf antreten.

BAT62_V2 diode probe schematic

Abb. 15: Schaltbild des DG1KPN-Diodenmesskopfes.

Zur Frequenzgangkorrektur am oberen Ende wurde ein Drahtbügel, 0,5mm Durchmesser, Biegeradius 1mm (L1), eingefügt (Abb. 16). L1 soll dem Abfall der Durchlassimpedanz der Diode zu hohen Frequenzen hin mit einer frequenzabhängigen Erhöhung der Eingangsimpedanz entgegen wirken.

Eine spätere Modifikation mit R4 = 100k ergab bei 50MHz eine mit dem HP423B-Messkopf identische Anzeige am Powermeter zwischen -50 und +20dBm.

BAT62_V2 diode probe PCB input jack

Abb. 16: Messkopfeingang.

Die Bauteile (BF 0603) sind auf der Oberseite "Kopf an Kopf" frei verlötet. Verbindung zur Massefläche auf der Rückseite mit Hohlnieten. Basismaterial FR4 0,5mm einseitig kaschiert, gleiche Abmessungen wie beim HSMS285B-Messkopf. Es ist ratsam, die Eingangsbuchse mit einem zusätzlichen Konnektor wie in Abb. 17 zu versehen, um mögliche mechanische Belastungen auf die Eingangsbauteile über den Mittelpin der Eingangsbuchse zu verhindern.

BAT62_V2 diode probe PCB

Abb. 17: Messkopf, Gesamtansicht.

Den Lohn der Frickelei zeigen die Messungen der Eingangsanpassung mit dem VNWA und dem Spektrum Analyser:

BAT62_V2 diode probe S11

Abb. 18: Mit dem VNWA gemessene Eingangsanpassung des BAT62-Detektors.

BAT62_V2 diode probe SWR

Abb. 19: Eingangsanpassung des BAT62-Detektors bis 3,2GHz.

Bei 2,4GHz wird ein Return loss von 19,6dB erreicht, bei 3,2GHz nach einem kleinen Buckel mit geringeren Werten ebenso. Das ist um Klassen besser als mit dem HSMS285B in Abschnitt 2. Man könnte noch mit dem Kompensations-L1 spielen, aber das wäre reine Nervensache.

Schließlich noch der mit dem HP423B verglichene Frequenzgang:

BAT62_V2 diode probe frequency response

Abb. 20: Abweichung der Poweranzeige gegen die Referenz.

Die Abweichungen bei den untersuchten Eingangspegeln von -20 und 0dBm ist ähnlich wie bei dem HSMS285B-Detektor in Abb. 11 maximal etwa 0,8dB, am oberen Frequenzende etwas besser. Die pegelunabhängige Frequenzkorrektur mit entsprechenden Faktoren in unserem Powermeter ist somit gerechtfertigt.

 

4 Versuch einer Bewertung

Es ist ja nun keine neue Erkenntnis, dass verlässliche Leistungsmessungen im GHz-Bereich mit Amateurmitteln kein Spaziergang sind. Zu groß sind die Unwägbarkeiten aus dem jeweiligen Aufbau und aus den Eigenschaften der verwendeten Bauteile. "Small is beautiful" ist hier insofern beherzigt, als SMD-Winzlinge der Größe 0603 verbaut wurden.

Mit der aus den Abb. 9 und 10 ersichtlichen nicht gerade überwältigenden Eingangsanpassung ist die zero bias Schottky HSMS285B-Variante mit einer Nachweisgrenze von -43dBm bei einem maximalen Fehler von etwa 1dB bei Eingangspegeln von bis zu 0dBm und Frequenzen bis etwa 1,5GHz einsetzbar.

Der Favorit ist aber die dritte Variante mit einer low barrier Schottky BAT62-3W, die eine bessere Eingangsanpassung zumindest über den gemessenen Frequenzbereich bis 3,2GHz zu bieten hat. Die an unserem Powermeter festgestellte etwas schlechtere untere Nachweisgrenze von -38dBm ist dabei zu verschmerzen.

Beide zeichnen sich durch einen minimalen konstruktiven Aufwand aus. Die Eigenschaften eines kommerziellen Messkopfes wie des HP423B (Abb. 21) erreichen zu können, bleibt nun mal ein Bastlertraum.

HP423B Detector SWR

Abb. 21: Eingangsanpassung des HP423B bis 3,2GHz.

Dass eine Anpassung mit einem SWR um die 1,x keine unumstößliche Bedingung für eine akzeptable Leistungsmessung ist, zeigt nachfolgendes Bild aus dem HP423B-Manual von Agilent.

Detector mismatch

Abb. 22: Messfehler infolge Fehlanpassung von low barrier Schottky-Detektoren.

Beispielrechnung: Die zu messende HF-Quelle habe ein blamables Ausgangs-SWR von 2,0, d.h. bezogen auf 50Ω eine Quellimpedanz vom Betrag 25 oder 100Ω (durchgezogene Kurve in Abb. 22). Gemessen wird mit obigem HSMS285B-Detektor bei 1,25GHz. Das Eingangs-SWR ist dort 1,3 (Abb. 10). Die zu erwartende Messunsicherheit ist dann mit Abb. 22 etwa ±0,4dB. Damit kann man nun wirklich leben. Mit dem BAT62-Detektor in Abschnitt 3, Eingangs-SWR 1,1 bei 1,25GHz (Abb. 19) wäre die Messunsicherheit etwa ±0,15dB - geschenkt.

Der Selbstbau eines kostengünstigen Diodenmesskopfes ist schon eine Alternative, wenn ein befreundeter OM mit einem Profi-Messpark bei der Ausmessung und Kalibrierung behilflich ist. Wunder darf man aber nicht erwarten. Messunsicherheiten von ±0,5 bis 1dB wären völlig in Ordnung.