Richtkoppler zur Überwachung(Messung) des Sendersignals in der Antennenleitung oder Kunstantenne, sowie Theorie und Praxisbeispiele zur SSB-Meßtechnik.

Manuskript für den Artikel im QSP-Amateurfunkjournal des OEVSV im Heft 5/2013, Seite 29 - 31   (mit Überarbeitung von 2013 05 05)

Nachdem ich beim Funken mit meinem Homemade-TX aus 1979 [ 1 ] und Ameritron-Endstufe AL 80B, nun längere Zeit beste Modulationsrapporte bekommen hatte, gab es doch auf einmal fallweise auch negative Kritik zu hören. Da ich an der Dummy-Load bei oftmaligen Messungen, sowohl mit dem Zweiton-Generator als auch bei Sprache, auf meinem Spektrumanalysator(SNA-1 von W&G) keinerlei Verzerrungen feststellen konnte, baute ich mir den nachfolgend beschriebenen Richtkoppler, um meine Aussendungen laufend kontrollieren zu können. Da ich dann tatsächlich nach einiger Zeit ein fallweises auftreten von zusätzlichen Intermodulationsprodukten feststellen konnte, war dann mit dem Kältespray sehr rasch der instabile Widerstand, im Vorspannungsteiler vom Treibertransistor in meinem TX, gefunden.

 

 

Bild 1: Richtkoppler mit 40dB Wandelfaktor im Gehäuse.

 

 

Bild 2: Wandelfaktor und Frequenzgang von 10kHz bis 100MHz

 

 

Schon vor vielen Jahren hat mich beim Aufbau meines Feldstärkemessers [ 1 ] die erreichbare Linearität des Wandelfaktors so eines Stromwandlers über einen weiten Frequenzbereich fasziniert, die wie folgt erklärt werden kann:

Voraussetzung ist, dass der Stromwandler im Kurzschluß arbeitet. Dies ist dann der Fall, solange die Impedanz von der Sekundärwicklung viel größer ist, als der Lastwiderstand.

Wie bekannt, steigt der Induktive Widerstand einer Spule linear mit der Frequenz und auch die induzierte Spannung steigt linear mit der Frequenz an. Somit ergibt sich über einen weiten Frequenzbereich ein konstanter Strom(I = U : Z) im Lastwiderstand und somit auch eine konstante Spannung(U = I x R) am Lastwiderstand.

 

Dimensionierung und Aufbauhinweise:

Der Leiter durch den Ringkern ist Wicklung N1 = 1Wdg. Bei einer Sekundär-Wicklung von N2 = 20 Wdg( 0,3 CuL ) ist der Stromwandelfaktor 20:1,  der sich aus der Gleichung für den idealen, verlustfreien Trafo(P1=P2) berechnen lässt:

N1:N2 = U1:U2 = I2:I1

 

Fließen primärseitig 1A, ergibt dies bei 50 Ohm 50 V(U = IxR) und somit 50W(P = UxI).

Wenn nun der gesamte Sekundär-Lastwiderstand 10 Ohm beträgt, ergibt sich beim Stromwandelfaktor von 20:1 ein Strom von 0,05A  und somit eine Meßspannung von 0,5V. Dies entspricht einem Spannungs-Wandelfaktor von: 50V : 0,5V = 100 : 1 und somit 40dB ( 20 x log U1/U2 ). Siehe auch Messtechnikvortrag [ 1 ].

Wenn nun das Messgerät(Spektrumanalysator oder Oszillograph mit 50 Ohm – Durchgangswiderstand) einen Eingangswiderstand von 50 Ohm besitzt, muß man den Widerstand parallel zur Sekundärwicklung zu 12 Ohm(Metallschichtwiderstand/0,5W) wählen, damit man einen Gesamt-Lastwiderstand(Bürde) von 10 Ohm bekommt(50 Ohm parallel 12 Ohm  = ca. 10 Ohm).

Ringkern: Ferritmaterial eher hoher Permeabilität für den KW-Bereich. Innendurchmesser so, dass ein abgemanteltes RG 213 mit dem Dielektrikum gerade durchgeht(siehe Bild 1). Bei höherer Leistung und/oder Frequenz ist zu prüfen , ob der Kern warm wird.

Der Kern wird mit Windungs-Abstand so bewickelt, dass Anfang und Ende noch einen Abstand von ca. 5mm haben.

Das Dielektrikum des Kabels wurde mit Teflonband soweit bewickelt, dass der bewickelte Kern nur mehr streng aufzuschieben ist. Somit ist der Kern und die darauf befindlichen Windungen fixiert.

Die angeschraubten Stecker sind unbedingt mit dem Gehäuse zu verlöten. Weiters ist auf sichere Verlötung des 12 Ohm Widerstandes direkt an der BNC-Meßbuchse zu achten. Bei Wackelkontakten kann es zur Zerstörung des Messgerätes kommen!!!!!

Weiters habe ich immer einen 10dB Abschwächer nachgeschaltet, was einen zusätzlichen Schutz für das Messgerät bietet.

Somit ergibt sich eine gesamte Spannungs-Wandeldämpfung von 50dB, was für die Leistung einem Wandelfaktor von 100.000 : 1 (10 x log P1/P2) entspricht.

Wenn also bei Messungen mit dieser Anordnung der Messwert am Messgerät 0 dBm beträgt, entspricht dies der Leistung von 100W. ( 0 dBm entsprechen 1 mW an 50 Ohm, siehe Meßtechnikvortrag [ 1 ]: 100.000 x 1mW = 100W ).

 

 Bild 3: Ausgesendetes Signal in der Antennenleitung auf 14.100kHz bei 10 x CQ-20-Ruf in SSB(OSB) mit 400W-PEP Output: Ein Durchlauf pro Sekunde mit Spitzenwert-Speicherung.

Wie man ersehen kann, ergeben sich erst ab ca. -40dB Intermodulationsprodukte, also ein recht guter Wert!

 

 

 Bild 4: Überprüfung des Senders auf 14.100kHz mittels der Modulation(OSB) eines 1kHz / 2kHz Zweiton-Signals bei 400W-PEP Output: Hierbei ergibt sich ein Intermodulationsabstand von ca. 37dB! Bei 400W ebenfalls ein guter Wert!

 

Allgemeine Erklärungen zu PEP(Peak-Envelope-Power) bei SSB:

Spitzen-Hüllkurven-Leistung oder besser Spitzenwert der Leistungs-Hüllkurve könnte man diesen, aus dem Englischen kommenden Ausdruck, übersetzen.

Wie man aus Bild 4 sieht, wird für die beiden durch Modulation des 14.100kHz Trägers mit den 1kHz und 2 kHz Tonfrequenzen im Oberen-Seitenband entstandenen Hochfrequenzsignale(Träger + Signalfrequenzen) auf 14.101kHz und 14.102kHz ein Signal von je 0 dBm gemessen, was jeweils 100W entspricht. Dies würde einmal logisch betrachtet 2 x 100W = 200W ergeben. Da es jedoch zwischen diesen um 1kHz verschobenen Hochfrequenzsignalen zu einer Schwebung kommt, bei der sich die beiden gleich großen Signale im Abstand von 1ms addieren bzw. auch auslöschen, ergibt sich beim Maximalwert die doppelte Spannung und somit die vierfache Leistung( P = U² : R) für PEP !!!!

 

 Bild 5: HF-Einzelsignal auf 14.101kHz mit 0 dBm(0,2236 Veff an 50 Ohm ergeben ca. 0,63Vss)

 

 

 Bild 6: HF-Zweitonsignale auf 14.101kHz und 14.102kHz mit je 0 dBm ergeben als maximale Hüllkurvenspannung 2 x 0,63Vss =  1,26Vss.

Hier sieht man ganz deutlich die Additionen auf ca. den doppelten Spannungswert und die Auslöschungen im Abstand von 1mS, auf Grund der Differenzfrequenz(Schwebungsfrequenz) von 1kHz. Da es zu einer schönen X-förmigen Kurve im Nulldurchgang und unverzerrten Sinusschwingungen kommt, kann die Endstufe als gut abgeglichen betrachtet werden. Mit dieser Anordnung habe ich 1979 meinen TX, mangels eines Spektrumanalysators, auch abgeglichen!

 

 Bild 7: HF-Zweitonsignal bei übersteuertem Sender. Ab ca. 700W-PEP kommt es bei mir zur Begrenzung und somit starker Intermodulation, wie wir es oft täglich auf den Bändern als Splattern hören können und davon auch beim Funkverkehr gestört werden.

Würden sich diese „Funkfreunde“ ihr Sendesignal mit einem Richtkoppler wie hier beschrieben und einem Oszillographen, besser noch auf einem Spektrumanalysator ansehen, würde so manchem von uns das Funken noch mehr Freude bereiten!

 

SWR&POWER-Meter und richtige PEP-Anzeige:

Wie wir auf Bild 6 sehen können, ändert sich hier die Hüllkurve innerhalb 0,5 ms vom Maxmalwert zur Auslöschung. Ähnliches spielt sich auch bei Sprache, die aus vielen Sinusschwingungen zusammengesetzt ist, ab. Um jeweils den Maximalwert anzeigen zu können, brauchen wir also einen Spitzenwertspeicher, der von einer niederohmigen Signalquelle(Impedanzwandler) rasch genug aufgeladen werden kann und einen hochohmigen Entladewiderstand, mit nachfolgendem hochohmigem Verstärker(ähnlich wie in [2] ). Habe drei verschiedene SWR-Power-Meter ohne eingebautem Verstärker mit 2-Ton Signalen getestet. Das Ergebnis war überall dasselbe: Beim einschalten des zweiten Tones, stieg die Leistung nur gut um das Doppelte an und nicht auf das Vierfache!!!!

Bei eingebauten Elkos von 10uF und Entladewiderstand von 10kOhm (Drehspulinstrument incl. Vorwiderstand) ja nicht verwunderlich, denn die Zeitkonstante beträgt da nur 0,1s !!!!! In der Zeit kann kein Mensch einen Spitzenwert ablesen. Außerdem konnte der Elko auf Grund der Hochohmigkeit der Quelle gar nicht rasch genug aufgeladen werden. Bei meinen Versuchen hat sich eine Entlade-Zeitkonstante von ca.6s als idealer Kompromiß herauskristallisiert(33uF parallel 220k).

 

 

 Bild 8: Nachdem ich in mein SWR&POWER-Meter einen OPV als Impedanzwandler, sowie einen zweiten OPV als hochohmigen Verstärker und als niederohmige Quelle für das nachfolgende  Drehspulinstrument eingebaut hatte, ergab sich beim Zweitonsignal(Bild 4), als auch bei SSB(Bild3), exakt die vierfache PEP-Leistung der Einzelträgerleistungen!!!

 

Hinweise zum Zweitongenerator:

Dieser ist bei mir ähnlich wie in [ 3 ] aufgebaut. Die 1kHz und 2kHz Tonsignale wurden auf 941Hz und 1.985Hz geändert. Dies deshalb, weil sonst bei der Messung des Eigen-Intermodulations-Abstandes das zu messende IMD3-Produkt( Intermodulationsprodukt 3. Ordnung: (2xf2) –f1 = 2x2kHz – 1kHz) sich hinter 3xf1(3x1kHz) versteckt hätte. Der mit meinem Spektrumanalysator gemessene Eigen-IMDR3(Intermodulationsfreie Dynamikbereich 3.Ordnung) betrug 74dB und ist also bei weitem groß genug, gegenüber den Messwerten meines Senders(ca. 37 dB). Beim Messen von Vorverstärkern und Treiberstufen ist dann aber schon ein so guter Wert teilweise notwendig.

 

Zusammenfassung:

Ich hoffe, dass sich doch so mancher OM dazu aufraffen kann, so einen Richtkoppler aufzubauen, um das Signal in der Antennenleitung zu kontrollieren bzw. definiert messen zu können. Ideal ist natürlich dazu ein Spektrumanalysator. Ein Oszilloskop bringt aber auch schon einen Überblick! Weiters besitzen viele OM`s brauchbare Dummy-Loads(Kunstantennen), jedoch die wenigsten eine mit definiertem Abschwächer, um daran zum definierten Messen ein Meßgerät anschließen zu können. Mit diesem Richtkoppler wäre dies auch bei Dummy-Loads ohne Meßanschlußbuchse gut möglich!

Da Intermodulation immer auch von der IN-OUT-Anpassung eines Verstärkers mitbestimmt wird ist es nicht überraschend, daß sich an der Antenne, in Abhängigkeit vom SWR, auch der Intermodulationsabstand verändern kann. Bei Fehlanpassung kann man da schon eine negative Überraschung erleben! Ein weiterer Aspekt, zumindest fallweise das Sendesignal an der Antennenleitung zu kontrollieren! Selbiges gilt für die Testphase von Eigenbau-Endstufen. Trotzdem sie sich an der Dummy-Load "brav" verhalten, können sie an der Antenne jedoch zu Schwingneigungen führen. Dies am ehesten in den Sprachspitzen, was dann ebenfall zu Breitband Störungen führen kann.

Vielleicht ist auch schon manchem OM die grobe Diskrepanz der Anzeigen, zwischen einem internen W-Meter im TRX oder Endstufe und externem Gerät bei SSB, aufgefallen. Würde mich freuen, wenn ich zum Verständnis, Klärung, Auffrischung und Weiterbildung zu dieser Problematik beitragen konnte. Vy73 und viel Spaß mit unserem schönen Hobby, wünscht OE3HKL(Lizenz seit 1962).

 

[1] Homepage: www.oe3hkl.com

[2] Dittmer, J., DJ5HD: Verbesserung der PEP-Anzeige beim Daiwa CN-801 HP.  Cq-DL 3-2011, Seite 193

[3]  Arends, D., DL2GK: Zweitongenerator zur Überprüfung von SSB-Sendern.   Cq-DL 3/77, Seite 90 - 92

 

Ergänzungen zum Artikel(Überarbeitung 2013 05 05):

a) Schaltung für zusätzlichen SWR&POWER-Meter Verstärker für korrekte PEP-Anzeige: 

  

b)      Funktionsbeschreibung:

Die über beide Stufen arbeitende Gegenkopplung bewirkt bei den OPV`s einen sehr hochohmigen Eingangs – sowie einen sehr niedrigen Ausgangswiderstand.

Der Eingangswiderstand am OPV-1 wird praktisch nur vom Potentiometer P(10k) bestimmt. Mit diesem wird in der Stellung „PEP“, mit Hilfe eines unmodulierten Trägers, auf gleichen Ausschlag wie in Stellung „Selection“ abgeglichen.

Über den 100R-Widerstand wird der Einschaltstromstoß des 33uF-Elkos, zum Schutze des OPV-1 Ausganges, begrenzt. Die Zeitkonstante ist jedoch so kurz, daß sich der Elko trotzdem rasch genug aufladen kann. Die Diode verhindert eine Entladung über den niederohmigen Ausgang des OPV-1. Der Elko kann sich somit vorwiegend nur über den 220k – Widerstand entladen, da der Eingangswiderstand des OPV-2 wesentlich höher ist. Die Zeitkonstante beträgt hier insgesamt ca. 6s und so kann nun der PEP-Spitzenwert für die Ablesung lange genug gespeichert werden.

Der niederohmige Ausgang des OPV-2 garantiert eine richtige Anzeige, des an seinem  Eingang anliegenden Signals.

Der OPV-3 dient zur der Erzeugung der +Ub und –Ub  Versorgungsspannung. Die 12V Batterie oder Netzgerät müssen erdfrei zugeführt werden, da GND im Gerät mit dem Kabelschirm verbunden ist!!!!

 

c)      Printplatte(47,5 x 27,5mm):

Sie wurde aus einer Epoxyd-Lochraster-Leiterplatte mit Lötaugen hergestellt und vorerst allseitig mit einer selbstklebenden Cu-Folie beklebt.  Diese wurde oben und unten für die Bauteile ausgeschnitten. Somit ergibt sich für die Schaltung in dem Fenster(Nesterl), durch die umgebende Cu-Folie(Kurzschlußring bewirkt ein Gegenfeld), eine gewisse Schirmwirkung. Weiters hat man entlang der Innenkannte der Cu-Folie eine gute Massefläche für Abblockkond. etc., wobei man die Anschlüsse von bedrahteten Bauteilen auf Masse, gleich auch als Durchkontaktierung der Masse verwenden sollte - also oben und unten den Anschlußdraht verlöten. Diese "Nesterltechnik" wurde vor der Erfindung der Multilayer-Platinen, mit ihren möglichen großen, durchgehenden Masseflächen, allgemein in der HF-Technik angerwendet. So auch zu Beginn meiner Praxis Mitte der 60er Jahre.  

Auf der Unterseite der Cu-Folie wurden links und rechts an den kurzen Seiten der Printplatte Cu-Blechwinkel(Schenkel 5x5mm)  aufgelötet, mit deren Hilfe dann die Printplatte mittes 4 Lötpunkten, auf die Schalter-Schirmgehäuse befestigt wurde.

Es wurden sowohl bedrahtete, als auch SMD-Bauleile verwendet.

Für die Anschlüsse der Leitungen wurden Lötstützpunkte gesetzt.

 

d)      Änderungen im Gerät und Anschluß der Printplatte:

Sämtliche Printleitungen zum Schalter „PEP – Selection“ unterbrechen.

Die Elkos(10, 22, 33uF) sind zu entlöten.

Printleitung von den 3 Trimmpoti zum Stecker für Instrument-FWD unterbrechen und Stecker mit  Schalter-

OUT verbinden.

Die Leitung von den 3 Trimmpotiometern kommend, ist mit dem Schalter-IN zu verbinden.

Restliche Leitungen vom Schalter zur Printplatte herstellen.

Die Anschlüsse des Versorgungssteckers für die Instrumentenbeleuchtung sind mit

+Ub und –Ub zu verbinden.

Die GND-Verbindung ist bereits durch die Cu-Winkel auf den Schaltergehäusen gegeben.

 

 e)   Arbeitshinweise:             

Da ja nur beim Instrument-FWD ein Verstärker eingebaut wurde, kann in der Stellung „PEP“, abhängig vom Ausschlag des Instrumentes-REF, das SWR nicht korrekt abgelesen werden. Für die Sender-Abstimmung und gültige SWR-Ablesung sollte nur die Schalterstellung „Selection“ verwendet werden.

Für den Sendebetrieb in SSB und auch in CW sollte immer mit der Stellung "PEP" gearbeitet werden, da hier immer die gerade ausgesendete Spitzenleistung mühelos und richtig abgelesen werden kann!!!