HF-Messkopf mit einem AD8307
Erstellt: DL6GL, 28.12.2015, letzte Änderung
Entwicklung von DG1KPN.
Dieser Messkopf mit dem logarithmischen Verstärker AD8307 ist während der Entwicklung des hier auf dieser Website beschriebenen HF-Powermeters entstanden, nachdem Norbert, DG1KPN, herausgefunden hatte, dass damit Messungen bis -90dBm und sogar noch darunter möglich sind.
Während ich, DL6GL, mich mit der Entwicklung der Powermeter-Software vergnügte, rang Norbert mit auswertbaren Pegeln tief im dBm-Keller. Herausgekommen ist dieser Messkopf zum Powermeter für den unteren Leistungsbereich, ergänzend zu einem wahlweise am Powermeter eingesetzten kommerziellen Diodendetektor.
1 Schaltung
Beispiele für HF-Powermeter mit dem AD8307 gibt es im Internet zuhauf, etwa das viel kopierte "Simple RF-Power Measurement" von Wes Hayward, W7ZOI, und Bob Larkin, W7PUA, im QST Juni 2001. Hier wird mit einem zusätzlichen Hochpass am Eingang der Frequenzabfall der Detektor-kennlinie im oberen Frequenzbereich etwas ausgeglichen. Messungen und ausführliche Analysen hierzu zeigt Jack Smith von Clifton Laboratories in [1]. Ergebnis: Die mit analogen Anzeigen nutzbare lineare Kennlinie reicht von -70 bis +13 dBm mit einer Reflexionsdämpfung (Return Loss) von 38dB oder besser bis hinauf ins 2m-Band.
Andere, hier nicht zitierte Ansätze machen es sich einfacher und schließen den Detektoreingang mit 50 oder 51Ω je nach Laune ab. Dass das dann doch arg übers Knie gebrochen ist, verraten das Datenblatt und auch unsere nachstehenden Messungen.
Das Datenblatt gibt für den AD8307 einen Eingangswiderstand von 1,1kΩ und eine Eingangskapazität von 1,4pF an. Worum geht es bei einer korrekten Eingangsanpassung? Die Eingangsimpedanz des Messkopfes muss über einen möglichst großen Frequenzbereich, für den AD8307 bis hinauf nach 500 MHz, für Messungen in einer 50Ω-Umgebung auch reell 50Ω betragen. Mit einem hiermit erreichten VSWR nahe bei 1 wird die anliegende HF-Leistung (nahezu) vollständig im Messkopf absorbiert, ohne dass Leistung reflektiert wird und somit für die Messung verloren geht.
Die (Realteil)-Anpassung an eine 50Ω-Umgebung besorgt ein Widerstand von 52,3Ω parallel zum Eingang nach Datenblatt, Fig. 17.
52,3║1100Ω ergibt 49,9Ω. Mit zwei üblichen Größen, 100║110Ω = 52,4Ω, werden parallel mit 1,1k = 50,0Ω erreicht.
Für den unteren Frequenzbereich mag das schon ausreichend sein. Zu höheren Frequenzen hin ist auch noch die o.g. Eingangskapazität zu kompensieren. Dafür sorgt die Induktivität L3. Die Auswirkung ist in den Plots weiter unten zu sehen.
Abb. 1: AD8307-Detektor, Schaltung.
Die Kalibrierung in 1dB-Schritten mit dem Powermeter hebt die Beschränkung der Anzeige auf den linearen Kennlinienbereich auf. Die untere Grenze für eine noch zuverlässig messbare HF-Leistung verschiebt sich so deutlich nach unten. -90dBm, sogar noch darunter, sind nun messbar.
Um dies zu erreichen, wurde auch besondere Sorgfalt bei der Auslegung der Spannungsversorgung rund um den 5V Low Drop-Regler LP2950 verwendet. Für den Tiefpass L2/C9 zur Reduzierung des Rauschens ist es günstiger, C9 mit 100nF (Abb. 1) statt mit 1nF laut Schaltplan im Download zu dimensionieren.
Werksseitig ist der AD8307 für einen Hub der DC-Ausgangsspannung von 25mV/dB ausgelegt. Das ist deutlich zu viel für das Powermeter. Mit ca. 1,68V am Eingang des auf 1,22-fache Verstärkung eingestellten OpAmp wird der ADC MCP3421 im Powermeter maximal ausgesteuert.
Die Messspannung fällt am Emitterwiderstand des Ausgangstransistors ab, Datenblatt, Fig. 31. Durch Parallelschaltung eines externen Widerstandes, R3 + R5 in Abb. 1, kann die Steigung der Ausgangskennlinie reduziert werden. Bei +16dBm Eingangspegel sollte bei Verwendung am Powermeter die Ausgangsspannung auf ≤ 1,7V eingestellt werden. Anhaltspunkt: R3 + R5 ~ 23,6kΩ, Exemplar abhängig. Probieren mit einem provisorischen Trimmer für R3. Nachfolgend Ersatz aus Stabilitätsgründen durch einen Festwiderstand, im Zweifelsfall etwas kleiner als mit dem Trimmer ermittelt. Hiermit wird der obere Anschlag bei Vollaussteuerung des ADC im Powermeter bestimmt.
2 Realisierung
Die doppelseitige Platine (54,5x18,5mm, FR4, Stärke 0,5mm), Massefläche auf der Rückseite, ist für den Einbau in ein Filtergehäuse 20x20x55mm bestimmt, z.B. "FG2B" [2], Printvorlage und Bestückungsplan im Download. Optimale Hochfrequenzeigenschaften haben Nieten für die Durchkontaktierung wegen des Skineffektes wie in Abb. 3. Profis verwenden zum Einsetzen der Hohlnieten spezielle und teure Zangen. Unsereins muss einen speziell geschliffenen Körner und einen Hammer oder den Lötkolben zur Hand nehmen, ersatzweise Aderendhülsen. Die innere Bohrung soll dabei frei von Lötzinn bleiben. Zur Not geht auch versilberter Cu-Draht 0,8 oder 1,0mm.
Abb. 2: AD8307-Detektor, Bestückungsplan.
Abb. 3: AD8307-Detektor bestückt.
R1 und R2 werden als Sandwich übereinander verlötet.
Lutz, DL1LAA, hat die Platine etwas optimiert. Das Target-File "DG1KPN AD8307_2 Probe DL1LAA.T3001" ist nun auch im zip-File im Download. Danke Lutz.
3 Messungen
Messergebnisse mit dem Powermeter zwischen +10 und -90dBm sind dort in einem Video einsehbar.
Was noch zu untersuchen war, ist die Anpassung an eine 50Ω-Umgebung. Mit dem VNWA zwischen 1 und 500 MHz aufgenommene Kennlinien zeigen nachfolgende Abbildungen, jeweils
obere Kurve (rot): Reflexionsdämpfung/Return Loss in dB
mittlere Kurve (rot, in Abb. 6 blau): 50Ω-Anpassung im Smith-Diagramm
untere Kurve (grün): VSWR.
Abb. 4: Eingangswiderstand (R1+R2)=51Ω, ohne L3.
Das taugt bestenfalls für den Kurzwellenbereich bis 30 MHz.
Abb. 5: Eingangswiderstand (R1+R2)=52,4Ω, ohne L3.
So schlecht nicht. Es geht aber noch besser.
Abb. 6: Eingangswiderstand (R1+R2)=52,4Ω, mit L3=6,8nH.
Die Bilder sprechen für sich. Augenfällig in Abb. 6 sind
- der flachere Verlauf der Reflexionsdämpfung, unten etwas schlechter, dafür oben besser,
- das entsprechend flachere VSWR und schließlich
- die kürzere Impedanzanpassungkurve nahe beim Smith-Diagramm-Mittelpunkt, nun von der unteren kapazitiven in die obere induktive Hälfte verlagert.
Mit einem L=3,3nH müsste der Mittelpunkt im Smith-Diagramm tatsächlich zu treffen sein, sofern das reale Platinenlayout dies auch hergibt. Mit einer solch mustergültigen Anpassung - zumindest in der Nähe des Diagramm-Mittelpunktes - bleibt allerdings der stetige Abfall der Responsekurve nach hohen Frequenzen hin bestehen. Im Powermeter sind dafür Korrekturmöglichkeiten für vorgegebene Frequenzen vorgesehen, die bei 435MHz schon etwa 7dB ausmachen können.
Abb. 7: RFSIM99-Simulation, L3=3,3nH.
Im einschlägigen Fachhandel ist der AD8307 kaum unter 10€ zu bekommen. Preiswerter gibt es ihn aus der EU bei Makis [3], noch billiger aus China über die Bucht (wer's mag).
Mit "ad8307_output_voltage_check.xlsx" kann man mit Hilfe zweier Messungen grob die Kalibrierungsgerade eines AD8307-Messkopfes berechnen, um zu prüfen, ob ein bestimmter Maximalpegel noch im Eingangsspannungsbereich eines nachgeschalteten ADC liegt. Damit lässt sich ggf. die Steilheit mit R3 und R5 (Abb. 1) anpassen.
Referenzen
[1] http://www.cliftonlaboratories.com/w7zoi_designed_ad8307_power_meter.htm
Gibt es leider nicht mehr
[2] http://www.box73.de/product_info.php?products_id=1559
[3] https://www.sv1afn.com/shop.html
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