3 S11-Reflexionsmessungen L und Q mit dem VNWA

Erstellt: DL6GL, 20.04.2022, letzte Änderung

Anders als mit dem in Abb. 1.2 gezeigten 100nF MMK-Kondensator werden in LC-Filtern im HF-Bereich Kondensatoren der Größenordnung von max. 1nF eingesetzt. Mit NP0/COG-C's werden wir in Bezug auf Güte und Eigenresonanz keine unliebsamen Überraschungen erleben, insbes. mit SMD-Ausführungen. Sparen wir uns also deren Untersuchung. Ein Ausmessen wie in Abschnitt 2 beschrieben sollte reichen.

Mit Spulen ist es nicht ganz so einfach, für LC-Filter zumeist selbst gewickelte Amidon Eisenpulver-Ringkerne oder Luftspulen, oder für Übertrager und Baluns Ferrit Ring- oder Doppellochkerne. Auch Drosseln zum Abblocken von HF verdienen unsere Beachtung. Eine Drosselwirkung ist nur unterhalb der Eigenresonanz gegeben, und die ist oft überraschend niedrig.

Test-Fixture wie Abb. 2.1.

VNWA für mindestens eine Stunde aufwärmen.
Settings – Frequency Range – Linear Sweep:
Start 0.1, Stop 200 MHz für Amidon Eisenpulver-Ringkerne,
Stop 50MHz für Drosseln, ggf. niedriger.
Settings – Diagrams – Display – Traces (Reihenfolge unerheblich):
Trace 1, S11, |Z|,
Trace 2: S11, Real Z
Trace 3: S11, Imag Z
Trace 4: S11, L--
Trace 5: S11, QL
Trace 6: S11, Phase (optional)
Settings – Sweep: 600 Points, 50ms per Point.
Settings – Average, Peak Hold,… - Smoothing, z.B. 10, ausprobieren,
Optional zum Ausbügeln der etwas verrauschen Q-Kurven (Trace 5).
Measure – Calibrate – Cal Kit – Cal Kit File Manager: Ideal calibration standards.

Measure – Calibrate: SOL-Calibration an TX Out
jeweils für die o.g. Frequenzbereiche.

Nachfolgend eine Auswahl von VNWA-Plots von Induktivitäten aus Tab. 2.2. Bei allen nachfolgenden Plots kennzeichnet Marker 7 die Resonanz-Polstelle.

Abb. 3.1: VNWA-Plot |Z|, Re Z, Im Z, L-- und QL: T37-2 14 Wdg.

Abb. 3.2: VNWA-Plot |Z|, Re Z, Im Z, L-- und QL: T68-2 20 Wdg.

Abb. 3.3: VNWA-Plot |Z|, Re Z, Im Z, L-- und QL: T68-10 20 Wdg.

Abb. 3.4: VNWA-Plot |Z|, Re Z, Im Z, L-- und QL: Neosid 32µH Drossel.

Abb. 3.5: VNWA-Plot |Z|, Re Z, Im Z, L-- und QL: Geloso 100µH Drossel.

Tab. 3.1: L, Q, Eigenresonanz: Eisenpulver Amidon T-Ringkerne
	L (µH)			Q			Res
Spule	1 MHz	10 MHz	30 MHz	1 MHz	10 MHz	30 MHz	MHz
T37-2 14t	0,90	0,90	0,91	129	208	108	165,8
T68-2 20t	2,42	2,43	2,64	166	277	111	101,6
T68-6 20t	2,11	2,12	2,27	145	281	117	109,6
T68-10 20t	1,48	1,47	1,54	103	244	166	135,0

Tab. 3.2: L, Q, Eigenresonanz: Ausgewählte Drosseln
	L (µH)			Q			Res
Drossel	0,5MHz	5 MHz	10 MHz	0,5 MHz	5 MHz	10 MHz	MHz
Toroid 22µH	22,49	19,22	11,83	71	1,8	1,1	???
SMCC 22µH	22,38	23,91	32,66	64	76	32	16,7
Neosid 32µH	32,09	33,46	40,15	64	63	39	21,6
SMCC 100µH	99,32	327,19	-53,87	87	73	13	5,9
Geloso 100µH	107,8	112,3	192,5	24	15	8,7	14,0
Geloso 2,5mH	2.860	-812,20	-133,45	27	3,1	5,0	2,4

Grüne Markierungen: Spezifikation nach Datenblättern erfüllt, rot: jenseits der Eigenresonanz.
Bemerkenswert ist die hohe Resonanzfrequenz der Geloso 100µH-Drossel im Vergleich zur SMCC 100µH-Drossel, ein Schätzchen aus der Röhrenzeit der 1960er. Sie besteht aus 3 getrennten (kapazitätsarmen) Kreuzwickeln, ist dafür aber 25mm lang. Sowas wirft man nicht weg.

Zur Absicherung der S11-Reflexionsmethode aus der zugegeben kleinen Stichprobe aus Tab. 2.2 und Tab. 3.1, 3.2 wurden noch die Messunsicherheiten in Abhängigkeit der jeweiligen Impedanzen |Z| untersucht. Vergleiche dazu den Ausschnitt aus dem VNWA Help zu Methode S11 (3) in der Einleitung.

Als Referenz wurden die Mittelwerte aus den mit AADE LC Meter und VNWA LCR Meter ermittelten Induktivitätswerten verwendet (Tab. 2.2). Abb. 3.6 zeigt die Abweichungen der bei 0,5, 1, 5, 10, 20 und 30 MHz gemessenen Induktivitäten der in Tab. 3.1 und 3.2 aufgeführten Induktivitäten von den zugehörigen Referenzwerten. Bei den Drosseln wurden nur Frequenzen kleiner als die halbe Resonanzfrequenz verwendet. Die Daten sind aus einem neuen Messzyklus (Anlage).

Abb. 3.6: Abweichungen (absolut) der gemessenen Induktivitäten aus S11 als Funktion von |Z|.

In dieser Stichprobe ergibt sich ein Messfehler < 2% für

Amidon T-Kerne (0,9 bis 2,4µH) für einen |Z|-Bereich 3 bis 200Ω,
Drosseln (22µH bis 2,8mH) für einen |Z|-Bereich 70 bis 700Ω,
jeweils weit vor der Eigenresonanz-Polstelle.

Das Ergebnis deckt sich nicht mit Abb. 0.2:
< 5% für |Z| zwischen 20 und 140Ω bzw. < 10% für |Z| zwischen 12 und 230Ω.
Insbesondere konnte hier der parabelförmige Anstieg der Fehlerrate bei Impedanzen << 50Ω nicht reproduziert werden, zumindest nicht bis |Z| ~ 3Ω.

Der Anstieg der Abweichungen oberhalb von 200Ω für Amidon T-Ringkerne bzw. oberhalb von 700Ω für die Drosseln ist im Vergleich mit den bei niedrigen Frequenzen ermittelten o.g. Referenzwerten von AADE LC Meter und VNWA LCR Meter begründet. Mit zunehmender Frequenz macht sich die ansteigende Flanke der Eigenresonanzen bemerkbar (Abb. 3.1 bis 3.5). Das gilt auch sinngemäß für die Auswertungen in Abb. 4.7 und 4.8 im Folgeabschnitt.

Fazit für die S11-Reflexionsmessungen zur Bestimmung der Induktivität:

Der TX-Port wurde unter der Bedingung "Ideal calibration standards" (50Ω, keine Delays) mit SOL kalibriert.
Die Messergebnisse für L waren
im Bereich |Z| = 3 bis 200Ω (Amidon T-Ringkerne),
im Bereich |Z| = 70 bis 700Ω (Drosseln)
akzeptabel mit einer Messunsicherheit < 2%.
Weitere Bedingung: Messfrequenz weit unterhalb der Eigenresonanzfrequenz.

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