3 Messungen an Antennen

Gespeichert von DL6GL am Do., 14.02.2019 - 09:04

3.1  Berechnung

Ein HF-Stromwandler kann zwar den Antennenstrom messen, eine Aussage zur übertragenen Leistung ist wegen der unbestimmten Antennenimpedanzen aber nicht möglich. Zumindest zeigt ein Strommaximum auch ein Maximum der an die Antenne übertragenen Leistung an.

Die Anwendung unterscheidet sich nach dem Antennentyp. Bei endgespeisten Antennen mit Koax-Zuführung muss ein Leiter, in der Regel der abisolierte Innenleiter durch den Stromwandler geführt werden. Bei Dipolen mit Hühnerleitern ist je ein Wandler auf den beiden Zuleitungen von Nöten. Um dem Dipol von DL6GL näher auf den Zahn zu fühlen, ist nachfolgendes Antennenstrommessgerät entstanden.

Antenna current sensor

Abb. 3.1: Dipol-Antennenstrommessgerät (eine Hälfte).

n = Ns / Np = Us / Up = Ip / Is

Coupling factor:
CF = 20*LOG10(Us/Up) = 20*LOG10(Ip/Is) = 20*LOG10(n)  [dB]

Vom Primärstrom Ip induzierter Sekundärstrom Is durch Sekundärlast Rs = R1||R2 (bei QRO Belastbarkeit sicherstellen):
Is = Ip / n,

damit Spannungsabfall Us über Rs:
Us = Is * Rs = Ip * Rs / n.

Zu messender Primärstrom in A-RMS (eff.), damit Is auch in A-RMS (eff.).

Hinter der Diode ergibt sich Uc als Spitzenwert von Us abzüglich Dioden-Schleusenspannung (Voltage drop) Ud.
Uc = Us * √(2) - Ud   (bei Sinus).

Nun ist es nicht so, dass alleine der Primärstrom wirksam ist. Mit der Sekundärbelastung durch Rs induziert der damit entstandene Sekundärstrom Is seinerseits einen Serienwiderstand Rpi in den Primärkreis.

Mit dem Spannungsabfall an Rpi
Upi = Us / n

und dem induzierten Strom
Ip = n * Is

wird
Rpi = Us / (Is * n2) = Rs / n2

Bei Antennenstromsonden ist damit ein Kompromiss zwischen anzuzeigender Sekundärspannung, d.h. Anzeigeempfindlichkeit, und in die Antennenzuleitung induziertem Serienwiderstand zu finden. Stellschrauben sind das Windungsverhältnis und der Sekundär-Lastwiderstand mit entgegengesetzter Wirkung.

Der minimal messbare Primärstrom ergibt sich näherungsweise, wenn der Spitzenwert von Us den Dioden-Voltage drop Ud erreicht oder unterschreitet.
Ud = Ip * Rs * √(2) / n

Damit
Ip min = Ud * n / (Rs * √(2))

Antenna current sensor Excel calculation

Abb. 3.2: Excel-Sheet zur Berechnung eines analogen HF-Strommessers.

3.2  Realisierung

Wie oben, Abb. 2.5, wurden 28dB-Stromwandler mit 25 Windungen auf FT50-43 eingesetzt. Dioden: BAT62-3W, Lastwiderstand sekundär 100Ω. Der damit in die Antennenleitungen induzierte Serienwiderstand ist 160mΩ . Für QRO-Anwendungen ist Platz für zwei 1W-Metallfilmwiderstände.

Antenna current sensor inside

Abb. 3.3: Antennenstrommesser Innenansicht.

Antenna current sensor front

Abb. 3.4: Antennenstrommesser Frontansicht.

Wann können die Chinesen denn mal mehr als "billig"? Die Maßzeichnung für die Einbauinstrumente auf der Schachtel stimmt nicht.

3.3  Messbereiche

Es sind drei Messbereiche umschaltbar. Die Vorwiderstände für das Drehspulinstrument lassen sich mit dem in Abb. 3.2 gezeigten Excel-Sheet berechnen. Rechnungen sind die eine Sache, es gilt aber immer noch "Test is best". Die Strommessbereiche lassen sich nicht aus der TX-Leistung berechnen, da die Antennenimpedanz je nach Frequenz irgendwo liegt, nur nicht bei 50Ω.

Zunächst wurde daher mit einem einstellbaren Vorwiderstand, Rm in Abb. 3.1, der an der Antenne zu messende Strom im 80m-Band bei maximaler TX-Leistung auf Vollausschlag am Drehspulinstrument eingestellt.

Anschließend wurden mit einer 50Ω Dummy Load die Vorwiderstände für Vollausschlag bei verschiedenen TX-Leistungen bestimmt. Die entsprechenden Antennenströme lassen sich hier, anders als bei der Antenne, aus Irms = √(P/50) berechnen. Die TX-Leistung ist mittels P=U2rms/50 aus der Scope-Anzeige zu ermitteln.

Antenna current chart

Abb. 3.5: Vorwiderstände für Vollausschlag in Abhängigkeit vom Primärstrom.

Der Messpunkt aus der Antennenmessung, hier 69,5kΩ für Vollausschlag, wurde so in das Diagramm platziert, dass er auf der Ausgleichsgeraden durch die Dummy Load-Messpunkte liegt. Der zugehörige Antennenstrom ergab sich zu 1,5A-rms. Damit ist der höchste Messbereich festgelegt.

Vergleich der Messungen mit den Excel-Berechnungen nach Abb. 3.2 z.B. für 1A Antennenstrom:
Berechnung:   Rm = 52,6kΩ
Diagramm:     Rm = 45,0 kΩ.

Die mit dem Stufenschalter in Abb. 3.1 einstellbaren weiteren Vorwiderstände sind frei wählbar, der niedrigste Bereich z.B. zur Tunereinstellung mit geringen Leistungen. Auf eine Stromkalibrierung der Messgeräteskalen wurde verzichtet. Es sind ja nur die jeweiligen Maximalausschläge von Interesse.

Tests:

TX an Dummy load:
Gleichheit der Anzeigen auf beiden Leitungen messen, OK.
TX an Dipol-Hühnerleiter:
Gleichheit der Anzeigen messen. Hier Abweichung um eine Zeigerbreite.

Der anfänglichen Frage - minimales SWR = maximaler Antennenstrom = maximale Abstrahlung? - wird noch auf den Grund zu gehen sein.