6 Messbrücken

Update 14.03.2014: 750 Watt-Messbrücke von DG1KPN (Abschnitt 6.6)
Update 09.02.2014:   50 Watt-Messbrücke von DG1KPN (Abschnitt 6.5)

 

6.1 Hardwarerealisierungen

Die verwendeten Messbrücken sind Stockton-Typen (Tandem match coupler). Wirkungsweise und Aufbau sind im oben genannten Artikel [1] beschrieben. Ringkerne: FT50-43.

In der Realisierung unterscheiden sich beide ein wenig.

Koppler

Abb. 6.1: Stockton-Messbrücke von DG1KPN nach [2].

Koppler

Abb. 6.2: Stockton-Messbrücke von DL6GL.

6.2 Diodenkennlinien

Die Kenntnis der Diodenkennlinien bzw. der Korrekturfaktoren UDC (gemessene Gleichspannung) zu UHF (anliegende HF-Sitzenspannung) sind maßgebend für die Genauigkeit der Anzeigen, gerade im unteren Leistungsbereich und bei kleinen SWR. Details sind in [1] beschrieben. Die Näherungsfunktion für den Korrekturfaktor lässt sich ohne großen Aufwand mit einem Excel-Sheet berechnen (im Download). Nachfolgendes Beispiel von DG1KPN zeigt dies für eine GE-Diode 1N34.

1N34

Abb. 6.2: Bestimmung der Korrekturfunktion für eine 1N34.

Hieraus ergibt sich als angepasste Korrekturfunktion CF mit einem Vertrauenswert von 0,99
CF = UHF / UDC = 0,07031 * UDC-1,07386 + 1
UHF = UDC *CF.

Zum Vergleich die gleiche Messung an einer Schottky-Diode 1N5711:

1N5711

Abb. 6.4: Bestimmung der Korrekturfunktion für eine 1N5711.

Die Germaniumdiode 1N34 kommt dem Ideal UDC ≈ UHF (peak) schon recht nahe. Hier liegen die rote DC-Kennlinie und die blaue HF-Gleichrichterkennlinie näher zusammen als bei der Schottky-Diode. Für die Messung kleiner Leistungen wäre die 1N34 der Favorit. "Echte" 1N34 sind aber nur noch schwer zu bekommen. Wie Norbert berichtet, kursieren jede Menge (China-?) Fakes auf dem Markt. Nächst bester Aspirant wäre die Low barrier Schottky BAT62.

Die FWD-Diode sollte wie dargestellt ausgemessen werden. Dabei ist nach Möglichkeit die REV-Diode auf möglichst gleichen Durchlasswiderstand zu selektieren, falls mehrere zur Auswahl stehen. Die Diodenparameter streuen beträchtlich, dennoch als Anhaltspunkte folgende an den jeweiligen Exemplaren ermittelte Werte für die o.a. Exponential-Fitfunktion
CF = UHF / UDC = A * UDCB + C:

Diode Typ A B C
1N34 Ge 0,07031 -1,07386 1,00000
1N5711 Schottky 0,20157 -1,37949 1,00000
BAT43 Schottky 0,25161 -0,85798 1,00000
BAT62 Schottky 0,12523 -0,84625 1,00000

6.3 Ringkerne

Die Wicklungszahlen der beiden identischen Ringkerne bestimmen den Messbereich. Details hierzu sind hier auf dieser Website beschrieben.

In der im Download-Bereich beigefügten Firmware sind 7 Windungen als Standard vorgegeben, passend für QRP-Anwendungen. In den Komfortversionen (Abschnitte 2 und 3) ist eine Anpassung im Dialog vorgesehen. In der Spartanerversion, Abschnitt 4, muss die Windungszahl in der Datei "SWR_Bridge_Data.bas", dort "bytTurns=xx", angepasst werden. Anschließend ist erneutes Kompilieren und Brennen erforderlich.

6.4 Messbereichserweiterung

Die Idee ließ nicht lange auf sich warten, zwei umschaltbare Messbrücken an eine Anzeige zu hängen. Mit der Begrenzung der ADC-Eingangsspannung auf 5V muss man über die Windungszahl der Kopplerringkerne den darstellbaren Leistungsbereich festlegen. QRP oder QRO wird mit den Ringkernen entschieden. Software ist ja geduldig und Pins hat der ATmega auch genug.

Wenn – und nur dann – die Umschaltung auf eine zweite Messbrücke gewünscht ist, sind folgende Hardware-Erweiterungen notwendig:

  1. Ein Dreifach-Umschalter für FWD und REV, dritter Schalter von PA6 nach GND zur Aktivierung der zweiten Messbrücke.
    Einfachere Alternative: Je Koppler verschiedene Stecker, z.B. Diodenstecker, wobei im Stecker der zweiten Messbrücke eine Verbindung von PA6 nach GND hergestellt wird.
  2. Optional LED-Anzeige an PA7, LED ist an (PA7 high), wenn die zweite Messbrücke aktiviert ist.

Das Setup stellt sich mit dem Einschalten des Gerätes automatisch entsprechend der Beschaltung von PA6 ein:

  1. Keine Verbindung von PA6 nach GND: Messbrücke 1, Anzeige "Unit 1"
  2. PA6 nach GND geschaltet: Messbrücke 2, Anzeige "Unit 2".

Bis auf die beiden Messbrücken gemeinsame ADC-Referenzspannung können alle anderen fünf Messbrückendaten (s.o. zu 5.1) je Messbrücke angepasst werden. Im normalen Messbetrieb werden entsprechend der Schalterstellung an PA6 mit dem Einschalten des Gerätes die passenden Messbrückendaten aus dem EEPROM gelesen.

6.5 Remote-Messbrücke 50 Watt

Februar 2014: Seiner neuen PA hat Norbert, DG1KPN, gleich auch eine neue Messbrücke für Leistungen bis zu 50W spendiert. Sie wird abgesetzt von der Anzeige betrieben, verbunden über ein abgeschirmtes Kabel.

50W SWR bridge

Abb. 6.5: 50W Stockton-Messbrücke von DG1KPN.

Daten:

  • Ringkerne FT50-43, 14 Wdg. CuL 0,5 mm
  • Semi Rigid-Koax, Isolation unter den Ringkernen
  • Dioden: 1N34

50W SWR bridge detail

Abb. 6.6: 50W Stockton-Messbrücke von DG1KPN, Detailansicht.

Nach Vermessen der FWD-Diode, Berechnung der Fitparameter für die Korrekturfunktion mit Excel und Eingabe in das ATmega-Programm war der Koppler ohne weitere Abgleicharbeiten sofort funktionstüchtig, was Norbert schon ein wenig beunruhigte. Ist es möglich, dass etwas auf Anhieb funktioniert? Offensichtlich ja. Bisweilen. Bei einem solch bildschönen Aufbau kann das ja mal passieren.

Ein Präzisionsinstrument kann und will das SWR- und Powermeter nicht sein. Um eine Vorstellung von der Messgenauigkeit zu bekommen, hat Norbert den Frequenzgang zwischen 1,8 und 50 MHz ausgemesen.

Power accuracy

Abb. 6.7: Genauigkeit der Leistungsmessung zwischen 1,8 und 50 MHz an einer 50Ω Dummy-Load.

Neben der rechnerischen Diodenkorrektur spielen die Impedanzen am Ein- und Ausgang eine nicht zu unterschätzende Rolle. Exakte 50Ω-Abschlüsse sind eher Glücksache. Mit all diesen Unwägbarkeiten bleibt aber der Fehler in der Messanordnung immer unterhalb von 5%. Ist ja auch schon was. Im gezeigten Beispiel sind das gerade einmal +/- 100 mW Unsicherheit. Auf der anderen Seite ist zur Abstimmung einer Antenne das SWR die wesentliche Messgröße. Und da heben sich die Messfehler im FWD- und REV-Zweig bei hinreichender Symmetrie und mit etwas Glück auf.

Die untere Messgrenze dieser 50W-Messbrücke liegt mit den 1N34-Dioden bei gemessenen (!) 100 mW, QRP geht also auch damit.

Auch die Messungen mit dem DG8SAQ Vector Network Analyzer bei Abschluss mit 50Ω können sich sehen lassen.

50W SWR bridge S11&S21

Abb. 6.8: 50W Stockton-Messbrücke von DG1KPN, VNWA-Messungen S11 und S21.

Die Durchlassdämpfung S21 (grün, korrekt Vorwärts-Transmissionsfaktor mit negativem Vorzeichen)
ist linealglatt bis 50 MHz kleiner als 0,1 dB.
Die Reflexionsdämpfung S11 (rot, korrekt Eingangs-Reflexionsfaktor mit negativem Vorzeichen)
bewegt sich von 1,8 bis 50 MHz fast durchgehend unterhalb 30 dB, VSWR (blau) 1,05 bis 1,08.

Solch schöne Daten schreien förmlich nach einer ebenso schönen Verpackung. Norbert hat dem Teil noch ein nettes Kleidchen verpasst.

50W SWR bridge cover

Abb. 6.9: Finish der 50W Stockton-Messbrücke von DG1KPN.

Die selbstklebende InkVinyl-Folie wurde zunächst mit dem Tintenstrahler bedruckt. Danach wird die Oberfläche mit einer selbstklebenden Klarsichtfolie versiegelt. Selbstklebende Transparentfolien gibt es übrigens auch für Laserdrucker.

6.6  Remote-Messbrücke bis 750 Watt

Die Geschichte ist noch nicht zu Ende. Nach den bisherigen Ergebnissen war Norbert nicht mehr zu halten. Herausgekommen ist eine Messbrücke von 1 bis 750 Watt.

SWM16 750W-bridge_Cover

Abb. 6.10: Die fertige 750W Stockton-Messbrücke von DG1KPN.

Schmuck wie der kleine 50W-Bruder sieht der Bolide von außen aus. Das Gehäuse misst 64 x 101 x 40 mm, war vor einiger Zeit im Pollin-Angebot. Aber schauen wir uns mal das Innenleben an.

SWM17 750W-bridge_total

Abb. 6.11:Innenansicht der 750W Stockton-Messbrücke von DG1KPN.

Für QRO ist alles ein wenig größer:

  • Ringkerne FT114-43
  • 30 Windungen 0,8 mm CuL
  • Koax-Kabel RG393 (oder RG213, RG214)
  • N-Buchsen im oberen Leistungszweig
  • Dioden 1N34

Auch das Schaltungskonzept ist für eine vielseitige Anwendbarkeit, insbesondere aber zur Optimierung der Richtschärfe etwas anders ausgelegt. Hier sind Ideen von DL4JAL [3] mit eingeflossen.

SWM18 750W-bridge_schematic

Abb. 6.12: Schaltung der 750W Stockton-Messbrücke von DG1KPN.

Der Messkreis im unteren Teil enthält neben den zwei bewährten Diodenanordnungen zur Messung von Vor- und Rücklauf (Forward, Reverse) folgende Besonderheiten:

  • Durch Umpolen der Ringkerne sind, anders als in [1], die Ausgänge "Incident" und "Reflected" dem üblichen Anschlussschema von Richtkopplern angepasst.
  • Die Seele des Koax-Kabels durch den unteren Spannungstransformator ist an die BNC-Koax-Buchsen "Incident" und "Reflected" herausgeführt.
  • Die beiden 50Ω-Lastwiderstände sind in Form von handelsüblichen 50 Ω-Abschluss-Steckern dort aufsteckbar.
  • Mit zwei Jumpern lassen sich die Diodengleichrichter ankoppeln oder abtrennen.
  • Am Ausgang "Incident" ist ein 30p-Trimmer zur Optimierung der Richtschärfe angeordnet.

Eine präzise Herstellung der Teile im Leistungsteil wird mit guten Daten belohnt. So sauber hat Norbert die Teile vorbereitet:

SWM19 750W-bridge_parts

Abb. 6.13: Einzelteile der 750W Stockton-Messbrücke von DG1KPN.

Das hier verwendete RG393-Koax mit PTFE-Isolator übersteht spielend die Löttortur. Bei Koax-Kabeln mit PE-Isolation muss man halt aus dem aufgebröselten Abschirmgeflecht eine Wurst zwirbeln. Mit etwas Geduld, Kühlung der Außenisolation, z.B. in einem Schraubstock, und vielen Pausen lässt sich aber auch auf PE-isolierten Koax-Kabeln eine durchgehende Verzinnung des Abschirmgeflechts wie in Abb. 6.13 hinbekommen. Die Koax-Kabel werden mit einem geeigneten Isoliermaterial in den Ringkernen zentriert. Nicht jeder wird solch passende Tüllen parat haben.

Der CuL-Draht muss eng am Ringkern anliegend gewickelt werden. Für 30 Windungen 0,8 mm CuL auf den FT114 werden ca. 85 cm Drahtlänge gebraucht. Drahtenden entsprechend lang zum Durchfädeln im Gehäuse. Ergibt eine Induktivität von ca. 400 µH.

Die Messungen von S11 und S21 ("Durchlass-" und "Reflexionsdämpfung") mit dem DG8SAQ VNWA ergaben auf Anhieb noch bessere Werte als beim kleinen 50W-Bruder.

SWM20 750W-bridge_ S11_S21

Abb. 6.14: 750W Stockton-Messbrücke von DG1KPN, VNWA-Messungen S11 und S21.

Gutes geht aber noch besser. Hierfür ist der 30p-Trimmer an der Incident-Buchse zur Optimierung der Richtschärfe zuständig. Da die Messung der Richtschärfe nicht zum täglichen OM-Handwerk gehört, sind im Download (Messungen an Richtkopplern.pdf) einige Hinweise zusammengestellt.

Zunächst die Messanordnung.

SWM21 750W-bridge_config_directivity

Abb. 6.15: Messanordnung zur Optimierung der Richtschärfe.

Mit einem vektoriellen, z.B. VNWA, oder einem skalaren Netzwerkanalysator, z.B. FA-NWT, wird in der in Abb. 6.15 gezeigten Anordnung zwischen 1 und 60 MHz gewobbelt. Mit dem Trimmer wird das Reflected-Signal im gewünschten Frequenzbereich minimiert. Bei einem idealen Koppler und idealem 50Ω-Abschluss an Port 2 dürfte an Port 4 überhaupt nichts ankommen.

Mit N = 30 Windungen ist die Kopplungsdämpfung (Coupling factor) 20*LOG(1/N) = 29,54 dB. Dieser Wert ist zu den dargestellten Daten zu addieren. Die Kurve nach Addition der Koppeldämpfung entspricht der Richtschärfe (Directivity) des Kopplers. Zwischen 1 und 30 MHz sollten leicht 40 dB zu schaffen sein. An diesem Koppler wurden erreicht:

SWM22 750W-bridge_S21_coupling attenuation

Abb. 6.16: 750W Stockton-Messbrücke von DG1KPN, S21 Koppeldämpfung.

Die Koppeldämpfung S21 (grün) weicht vom für N=30 berechneten Wert 29,54 dB im Bereich von 1 bis 30 MHz um maximal 0,08 dB ab, bei 50 MHz sind es 0,26 dB. Insgesamt ist der Verlauf glatt und flach.

Fehlt noch die Richtschärfe (Directivity). Der DG8SAQ-VNWA kann sie direkt anzeigen. Erläuterungen zur Messanordnung im Download.

SWM23 750W-bridge_S21_directivity

Abb. 6.17: S21 Directivity

Von 1.8 bis ca. 35 MHz ist die erreichte Richtschärfe größer oder gleich 40 dB. Gar nicht übel. Für eine Power-/SWR-Anzeige allemal.

Bleibt noch zu klären, ob und wie der 5V-ADC des AVR in der Anzeigeeinheit mit 750W oder höher bei dem hierfür nicht passenden Windungsverhältnis 1/30 umgehen kann. Auf alle Fälle wird die maximal messbare ADC-Spannung von 5V schon unterhalb von 750W überschritten.

Nach [1] ist die angezeigte Leistung  P = (U2 * Z * N2) / R2
mit U = ADC-Spannung (5V)
Z = Systemimpedanz (50Ω)
N =  Ringkernwindungen (30)
R = Lastwiderstand (50 Ω)

Für N = 30 ergibt sich damit P = 450W maximal darstellbare Leistung (Peak power).

Die den beiden ADC im AVR angebotene Messspannung muss also reduziert werden. Wird nur ein Koppler verwendet, kann dies durch Umdimensionierung des Spannungsteilers am Ausgang der beiden OpAmps (Abb. 1 in [1]) erfolgen. Die dort vorgesehene Dimensionierung war so ausgelegt, zusammen mit der Verstärkung der OpAmps von 2 eine kalibrierte Gesamtverstärkung von 1 herzustellen.

Soll die bestehende Möglichkeit offen gehalten werden, zwei verschiedene Koppler umschaltbar mit der Anzeigeeinheit einzusetzen (QRP/QRO), muss im QRO-Koppler eine Anpassung vorgenommen werden. Dazu werden die 1MΩ-Lastwiderstände der Dioden (Abb. 6.12) durch 25-Gang-Präzisionstrimmer 1MΩ ersetzt. Hier erfolgt eine Reduzierung der Messspannung auf z.B. 5V bei 750W. Einstellung für beide Richtungen: TX an Eingang TX (forward) und TX an Ausgang Antenna (reverse). Zum Ausgleich muss diese Reduzierung in der Software wieder rückgängig gemacht werden, ohne die Spannungskalibrierung der OpAmps zu verändern. In der Software V2.01 kann dies im Setup für beide Koppler getrennt vorgenommen werden, dort Setup Nr. 7, "CalFactor".

Mit 750W ist Ende der Fahnenstange. Norbert, es war die reine Freude, mit Dir zusammenzuarbeiten.

Für diejenigen, die sich von unseren Ergebnissen angesprochen fühlen, bietet Norbert einen kostenlosen Service an. Er vermisst eine zugeschickte Diode und ermittelt die Parameter der Korrekturfunktion wie oben in Abschnitt 6.2 dargelegt zur Eingabe in die Firmware. Beigelegter adressierter und frankierter Rückumschlag genügen.
Kontakt: dg1kpn@darc.de