LCQ-Messungen mit dem VNWA

Erstellt: DL6GL, 20.04.2022, letzte Änderung 12.04.2024

Gemeinschaftsarbeit von DG1KPN und DL6GL.

Ergänzung vom 09.04.2024 zur Wahl der "richtigen" Frequenz bei S11-Reflexionsmessungen am Ende von Abschnitt 3.

Mit einfach durchzuführenden Transmissions- bzw. Reflexionsmessungen ermöglicht der VNWA die Bestimmung von Induktivitäten, Kapazitäten, Impedanzen und Gütefaktoren bei bestimmten Frequenzen sowie der Eigenresonanzen von Spulen bzw. Kondensatoren. Wir wollten herausfinden, welche Randbedingungen für akzeptable Messergebnisse dabei zu beachten sind.

Naheliegend zur Bestimmung von Kapazität und Induktivität sind für uns Amateure die preiswerten LC-Meter mit LCD-Anzeige. Sie werten mit einem Microcontroller die Frequenzänderung eines LC-Resonanzkreises infolge Zufügens des zu messenden L oder C aus. Die Messfrequenzen liegen i.a. deutlich unter 1 MHz.

Neben L oder C können vektorielle Netzwerkanalysatoren wie der VNWA über die Impedanzen auch die Bauteilgüte und die Eigenresonanz bestimmen, und das über einen frei wählbaren Frequenzbereich weit jenseits von 1 MHz.

Eingesetzt haben wir für unsere Betrachtung

1. AADE LC-Meter IIB
   Messfrequenz:
   ca. 750kHz (10pF bzw. 0,1µH), ca. 700kHz (100pF bzw. 10µH),
   ca. 470kHz (1nF bzw. 100µH), ca. 200kHz (10nF bzw. 1mH)
   Genauigkeit < 1%.
   Angaben aus AADE LC-Meter IIB Review, Clifton Laboratories 2010.
   
   
2. VNWA 3e, Software V36.7.9
   S11 LCR-Meter bei mit dem AADE LC-Meter vergleichbaren Messfrequenzen.
   Gegenüberstellung der Ergebnisse aus (1) und (2).
   Diese Messmethode ist prinzipiell die gleiche (S11) wie in Punkt 3, allerdings für genau eine relativ niedrige Messfrequenz.
   
   
3. VNWA 3e, Software V36.7.9
   S11-Reflexionsmessung L + C, "kleine" L mit ZL in der Nähe von 50Ω.
   
   
4. VNWA 3e, Software V36.7.9
   S21-Transmissionsmessung L, "große" L mit ZL >> 50Ω.
   Gegenüberstellung der Ergebnisse aus (3) und (4).

Abb. 0.1: Messmethoden S11 (Shunt) und S21 (Series).

In Bezug auf die Messmethoden (3, S11) und (4, S21) sind Einschränkungen zu beachten, auf die in [3] hingewiesen wird, VNWA Help.pdf, V 36.7.9 (How to measure impedances), Seite 383:

Zu (3), Abb. 0.1 links, frei übersetzt:
Der VNWA misst den Reflexionskoeffizienten (S11) von Zx relativ zu seiner 50Ω-Umgebung.
Der Aufbau kann Short/Open/Load (SOL) kalibriert werden, um systematische Fehler zu beseitigen.
Aufgrund der verwendeten Reflexionsmessbrücke, die auf 50Ω abgestimmt ist,
ist diese Methode am genauesten, wenn Zx nahe bei 50Ω liegt.
Bei sehr viel kleineren oder größeren Impedanzen wird die Messanordnung sehr unempfindlich und die Ergebnisse sind daher ungenau.

Zu (4), Abb. 0.1 rechts, frei übersetzt:
Der VNWA RX-Port wird zur Messung des Stroms I durch Zx verwendet.
Da S21 gemessen wird, ist in diesem Fall eine einfache Durchgangskalibrierung ausreichend.
Verwenden Sie die benutzerdefinierte Funktion (custom function) t2s(S21), um die S21-Transmissionsdaten in Reflexionsdaten umzurechnen.
Da der TX-Port keine ideale Spannungsquelle ist und der RX-Eingang eine endliche Impedanz hat,
wird diese Methode bei kleinen Impedanzen Zx sehr unempfindlich und damit ungenau.
Diese Methode eignet sich gut zur Messung von Quarzen oder Verlusten in kleinen Kondensatoren.
Hinweis: Keiner der Zx-Anschlüsse darf bei dieser Methode mit Masse verbunden sein.

[4] zeigt dazu einen Vergleich der Messmethoden.

Abb. 0.2: Messfehler aus den Methoden (3), Shunt, rot, und (4), Series, grün. Quelle: [4].

Abseits der teilweise recht akademischen Abhandlungen im Web über die "richtigen" Messmethoden und deren Wiederholbarkeit und Präzision wollen wir uns darauf beschränken, Anhaltspunkte aus dem Amateuralltag zu geben, als da sind

• tatsächlicher Wert und Verhalten von Kapazitäten und selbstgebauten oder industriell hergestellten Induktivitäten in den vorgesehenen Frequenzbereichen,
  
  
• Eigenresonanz und Güte dieser Bauteile in den vorgesehenen Frequenzbereichen.
  
  
• Die Kenntnis dieser Größen bestimmt maßgeblich Erfolg oder Scheitern beim Aufbau z.B. von LC-Hoch- und -Tiefpässen, LC-Bandpass- oder -Sperrfiltern.
  Auf ein paar Prozent Abweichung von L oder C kommt es dabei zumeist weniger an. Güte und Eigenresonanz sind aber entscheidende Faktoren.
  
  
• Wie weit wirken sich die o.g. Einschränkungen bzgl. Spulenimpedanzen für noch verlässliche Messungen mit den hier vorgeschlagenen einfachen Messmethoden aus?

Die Vorversuche, die uns zu der nachfolgenden Betrachtung geführt haben, erwiesen sich insbesondere an Spulen als ein wenig irritierend. Um die Sache nicht zu kompliziert zu machen, haben wir uns auf Amidon T-Ringkerne und, zur Ausweitung auf größere Induktivitäten, auf einige Drosseln beispielhaft beschränkt. Hier nicht betrachtete Ferrit Ring- und Doppellochkerne, wie sie für Übertrager und Balune verwendet werden, wären vermutlich eine abendfüllende Herausforderung geworden.

Referenzen

[1]  How to calibrate and measure a DUT like a toroid correctly the smart way.pdf

[2]  How to calibrate and measure a DUT like a toroid in shunt mode_2.pdf

[3]  VNWA 36.6.7 Help.pdf, How to measure impedances, Page 383
      VNWA 36.6.7 Help.pdf, Custom: Trace data manipulation, Page 404
      VNWA Experiments.pdf

[4]  CMT_Accurate_Measurements_VNA.pdf

[5]  UK_MIS_Q Curve for iron powder cores_TN.pdf

[6]  https://dc4ku.darc.de/R-L-C_Messung_mit_NanoVNA.pdf

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VNWA-Plots

S11_Frequency_Calculation.xlsx