Welche Messgerätebraucht derKurzwellenamateur ?Welche Messgerätebraucht derKurzwellenamateur ?
Distrikt Service Tag
29.09.2012
Dieter Barbian, DF3VN
Häufig verwendetet Messgeräte
• Vielfachmessinstrument
• Stehwellenmessgerät (SWR-Meter)
• Leistungsmessgerät
• Signalgenerator (NF, HF)
• Frequenzzähler
• Oszilloskop
• LC-Messgerät
• Dip-Meter
• Feldstärkemessgerät
• Impedanzmessbrücke (Antennenrauschmessbrücke)
• HF-Millivoltmeter
• Spektrumanalysator (Vektoranalysator)
• HF-Amperemeter
Sonstige Geräte, Indikatoren und Hilfsmittel
• Kunstantenne (Dummyload)
• Schaltbares Dämpfungsglied
• Glühlämpchen, Glimmlampe
• Leuchtstofflampe
• Software
Vielfachmessinstrument
Das Vielfachmessinstrument ist ein Drehspulinstrument zurMessung
• von Spannungen und Stromstärken bei Gleich und Wechselstrom
• von ohmschen Widerständen
• zur Durchgangsprüfung
SWR-Meter
Das SWR-Meter soll dazu dienen, eine relative Aussage über das Verhältnis vonvorlaufender zu rücklaufender Welle zu machen. Bei optimaler Anpassung vonFußpunktwiderstand der Antenne an das Speisekabel und exakter Anpassung des Sendersan die Speiseleitung ist theoretisch ein Stehwellenverhältnis von 1:1 zu erreichen.
Anwendungsbeispiel für das SWR-Meter
Antenne
Die Bandbreite einer Antenneist der Frequenzbereichinnerhalb eines SWR von 2.
Messung der Bandbreite einer Antenne
Dip-Meter
Das Dipmeter ist ein Resonanzfrequenzmessgerät.
Funktionsbeschreibung:
Die Schaltung zeigt einen frei schwingenden Oszillator mit dem Transistor 2N708, derGleichrichterschaltung D1 und dem Anzeigeinstrument. Wird nun demOszillatorschwingkreis ein zu untersuchender passiver Schwingkreis genähert, also andiesen induktiv gekoppelt, so wird dem Oszillatorkreis Energie entzogen und der Stromim µA-Meter geht zurück. Durch Verändern von C1 und Abstimmung auf dieResonanzfrequenz beider Schwingkreise wird der Stromrückgang (Dip) am größten. Aneiner entsprechenden Skala am Dreko C1 lässt sich die Resonanzfrequenz ablesen.
Mit dem Dipmeter kann dieResonanzfrequenz einesSchwingkreises oder einerAntenne gemessen werden.
Anwendungsbeispiel für das Dip-Meter
Messung der Resonanzfrequenz eines Schwingkreises
Schaltbares Dämpfungsglied
Schaltbare Dämpfungsglieder sind passive Vierpole. Entsprechend ihremVerwendungszweck unterscheidet man symmetrische und unsymmetrischeDämpfungsglieder. Sie dürfen den Wellenwiderstand der Leitung nicht beeinflussen oderverändern.
Funkamateure benötigen solche Dämpfungsglieder hauptsächlich zur:
• Abschwächung von Signalen (Empfängereingang) und
• zum Messen des Richtdiagramms einer Antenne (Antennencharakeristik)
Anwendungsbeispiel eines schaltbarenDämpfungsgliedes
Messung des horiz. Richtdiagramms einer Yagi-Antenne:
Das Richtdiagramm einer Antenne ist die zeichnerische Darstellungihrer Richtcharakteristik
Antenne mit Rotor
Zum Messaufbau gehört einBezugssignal (Sendesignal),aus einigen hundert MeterEntfernung.
Messverfahren:
• In einer Entfernung von einigen 100m von der zu messenden Antenne ein konstantesBezugssignal aussenden.
• Antenne in Hauptstrahlrichtung drehen (größte Feldstärke).
• Mit Dämpfungsglied so weit abschwächen bis S-Meter des Empfängers ca. S 4 anzeigt.Die eingestellte Dämpfung sollte dabei mindestens 20 dB betragen.
• Jetzt die Antenne 10 Grad aus der Hauptstrahlrichtung drehen. Die verminderteEmpfangsfeldstärke durch Verringerung der Dämpfung am schaltbaren Dämpfungsgliedausgleichen, bis wieder die ursprüngliche S-Meter-Anzeige (z. B. S4) erscheint. Den Wertder „Entdämpfung“ notieren.
• Diesen Vorgang in 10 Grad Schritten wiederholen und die gemessene Werte der„Entdämpfung“ in das Diagramm übertragen.
Formblatt für horizontales Antennen-Richtdiagramm
Ermittlung des Öffnungswinkels und des Antennengewinns(Näherung) aus dem horiz. Richtdiagramm
Verfahren:
•In das Richtdiagramm ist der Öffnungswinkel φ der Antenne einzuzeichnen. (Winkel,bei dem die Leistung um 3 dB gegenüber der Hauptstrahlrichtung abgesunken ist).
•Für Öffnungswinkel φ zwischen 40° und 160° lässt sich der Gewinn gegenüber einemDipol nach folgender Formel näherungsweise berechnen:
Gewinn G in dB: G = 22650 / φ2
Übung 1
Gegeben sind die folgenden Messwerte (Entdämpfungswerte a) eines KW-Beams:
Grad a in dB
100
201
302
404
506
6010
7015
8017
9017
Grad a in dB
28017
29016
30015
3108
3204
3302
3401
3500
3600
Grad a in dB
1909
20010
21012
22013
23013
24013
25014
26015
27017
Grad a in dB
10016
11015
12012
13013
14013
15012
16010
1709
1809
1.Übertrage die Messwerte in das Formblatt und zeichne daraus das horiz. Richtdiagramm
2.Wie groß ist der 3 dB Öffnungswinkel? φ =
3.Wie groß ist näherungsweise der Gewinn der Antenne? G =
Die Antennenrauschmessbrücke
Prinzipschaltbild
Eine Mobilfunkantenne für das 20m-Band wird über ein KoaxiallabelRG 58 von 17,43 m gespeist. Mit der Antennenrauschmessbrücke soll derEingangswiderstand des Kabels (Empfängerseite) bei f = 14,100 MHzgemessen werden:
Antenne
Messverfahren:
• Empfänger auf die Messfrequenz 14,100 MHz einstellen.
• Mit dem Poti und Dreko der Rauschmessbrücke wechselseitig auf Rauschminimumabstimmen. Bei genauem Abgleich ist kein Rauschen mehr zu hören und keine S-MeterAnzeige sichtbar.
• Der Eingangswiderstand kann jetzt getrennt nach Wirkwiderstand (Poti) undBlindwiderstand (Dreko) an der Rauschmessbrücke ablesen werden.
Übung 2
Messergebnis:
Eingangswiderstand des Kabels:
RE =
XE =
Der Leitungseingangswiderstand:
Wird eine Leitung der Länge l und demWellenwiderstand ZL mit einem Widerstand ZA (Last-oder Ausgangswiderstand) abgeschlossen, der größeroder kleiner als ZL, so stellt sich am Leitungsanfangein Eingangswiderstand ZE ein, der u. U. deutlich vonZA abweichen kann. Bild 3 zeigt ein Beispiel hierzu.
Mit Hilfe der Leitungsgleichungen lässt sich jedoch derLastwiderstand ZA (z.B. Antennenfußpunktwiderstand)berechnen, wenn der Eingangswiderstand ZE derLeitung durch Messung mit derAntennenrauschmessbrücke, bekannt ist.
Einfacher ist es jedoch die Berechnung per Softwaredurchzuführen. Z.B. mit dem Programm von W9CF.
Übung 3
Berechnung des Fußpunktwiderstandes der Mobilantenne mit demgemessenen Kabeleingangswiderstand aus Übung 2 bei unveränderterFrequenz (14,100 MHz) und Kabellänge (17,43 m) nach demProgramm von W9CF.
Messwerte aus Übung 2:
RE =
XE =
Mit den Leitungsgleichungen (Programm von W9CF) ergibt sich der Fußpunktwiderstand
der Antenne: RA = XA =
Messverfahren: Antennenrauschmessbrücke muss unmittelbar am Fußpunkt der Antenneangeschlossen werden.
• Dreko der Rauschmessbrücke in Nullstellung bringen und Poti auf geschätztenFußpunktwiderstand voreinstellen.
• Durch Verändern der Empfangsfrequenz und der Poti-Einstellung der Messbrücke aufRauschminimum einstellen. Die Dreko-Einstellung bleibt dabei unverändert.
• Wenn das Rauschminimum erreicht ist, entspricht die angezeigte Frequenz amEmpfänger der Resonanzfrequenz.
Messung der Resonanzfrequenz einer Antenne
Antenne
Einige Grundlagen:
Anpassung und Reflexion
Nur wenn die Leitung am Ende mit einemWiderstand ZA abgeschlossen wird, der demWellenwiderstand ZL der Leitung entspricht,wird die hinlaufende Leistung vollständig inZA verbraucht.
Dabei verteilt sich die Spannung (und damitauch der Strom) an allen Punkten der Leitungin gleichbleibender Größe.
In diesem Fall spricht man von Wanderwelle.
ZL
ZA=ZL
Wanderwelle
Messungen mit Signalgenerator und Oszilloskop anSpeiseleitungen
Ist der Widerstand ZA am Ende der Leitung größeroder kleiner als der Wellenwiderstand ZL , so bildetsich eine Welligkeit der Spannungsverteilung aufder Leitung entsprechend Bild 1 aus. DieseWelligkeit ist um so stärker ausgeprägt, je größerdie Abweichung von ZA zu ZL ist. Siehe Bild 2.
In diesem Fall spricht man von Stehwelle.
Aus Umax und Umin bzw. aus den Amplituden dervor- und rücklaufenden Welle lässt sich dasStehwellenverhältnis S berechnen.
ZA<ZL
ZA>ZL
Bild 1
Bild 2
Wie groß der reflektierte Anteil ist, gibt derReflexionsfaktor r an.
Sonderfall 1: Die λ/4 - Leitung
Eine Leitung mit dem Wellenwiderstand ZL und der Länge l = λ/4transformiert einen Lastwiderstand ZA zum Leitungsanfang ZE hin nachder einfachen Formel
Sonderfall 2: Die λ/2 - Leitung
Die λ/2 - Leitung transformiert nach der einfachen Formel
Messung einer Kabellänge:
Messverfahren nach derResonanzmethode
Bei diesem Messverfahren wirddie Transformationseigenschafteiner λ/4-Leitung genutzt, d.h.ein am Ende leerlaufendes Kabelzeigt am LeitungsanfangSerienresonanz, d.h.Kurzschluss.
Die Generatorfrequenz ist so zuverändern, dass die angezeigteSpannung Ozilloskop einMinimum zeigt.
Übung 4
Die Länge eines Koaxialkabel mit einem Verkürzungsfaktor v = 0,66 soll bestimmt werden.
Gemessene Frequenz bei der Serienresonanz auftritt: f =
Daraus errechnete Länge l des Kabels:
l Länge in Meter
v Verkürzungsfaktor des Kabels
f Frequenz in MHz
Ergebnis: Kabellänge l =
Messung des Wellenwiderstandes eines Kabels:
Messverfahren: Reflexionsfreier Leitungsabschluss
Das Potentiometer am Leitungsende wird so verändert, bis am Oszilloskop keineReflexion mehr zu erkennen ist. Der eingestelle Widerstandswert entspricht dann demWellenwiderstand des Kabels und kann mit einem Ohmmeter gemessen werden.
Übung 5
Der Wellenwiderstand einerFlachbandleitung sollgemessen werden:
Messwert:
ZL =
Messung der elektrischen Feldstärke E
Funkamateure haben bei der Aussendung ihrer Signale Grenzwerte einzuhalten, z.B. denGrenzwert der elektrischen Feldstärke E.
Moderne Feldstärkemessgeräte haben Feldsonden, um an einer beliebigen Raumstelle z.B. dieelektrische Feldstärke E oder die magnetische Feldstärke H zu messen und direkt anzuzeigen. Esgibt aber auch Messgeräte, die die Feldstärkewerte nicht direkt messen, sondern die so genannteStrahlungsleistungsdichte S messen und anzeigen. Die Strahlungsleistungsdicht S steht mit denFeldstärkewerten E und H in folgendem Zusammenhang:
Hierbei ist
der Feldwellenwiderstand des freien
Raums:
Zugeschnittene Größengleichung:
Wenn S in mW/cm2 gemessen wird, kann E und H nach folgenden Formeln berechnet werden:
E in V/m H in A/m
Übung 6
Zu messen ist die Strahlungsleistungsdichte S im Abstand von 2m von einer Mobilfunkantennebei einer Sendeleistung von 100 Watt (Frequenz f = 14,200 MHz).
Messwert: S = mW/cm2
Aus dem Messwert von S lässt sich die elektrische Feldstärke E nach obiger Formel berechnen:
E = V/m
Zusammenfassung:
Nützliche Messgeräte und Hilfsmittel:
• Vielfachmessinstrument
• SWR-Messbrücke
• Dip-Meter
• Dämpfungsglied (schaltbar)
• Antennenrauschmessbrücke
• Signalgenerator
• Oszilloskop
• Feldstärkemessgerät (relativ oder absolut)
• Glühlämpchen und Leuchtstoffröhre
• Software