SWR-Messeinrichtung. mit. externer Messbrücke. und. externem logarithmischem Detektor

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1 SWR-Messeinrichtung mit externer Messbrücke und externem logarithmischem Detektor Autor: Hans-Peter Prast, DL2KHP nach der Idee von: Norbert Kohns, DG1KPN Stand:

2 Allgemeines: Dieses Messgerät benötigt zum Betrieb eine externe Messbrücke mit hoher Rückflussdämpfung (möglichst > 35 db), damit exakte Messungen von sehr kleinen SWR-Verhältnissen möglich sind. Der Ausgang der Messbrücke wird auf einen logarithmischen Detektor geführt und dessen Eingangsspannung dann ausgewertet. Die Eingangsspannung wird vom Messgerät direkt im dbm umgerechnet und kann auch auf der vierten Displayseite angezeigt werden. Als Messkopf kann jeder logarithmischer Detektor verwendet werden, der nicht mehr als 2,048 Volt bei voller Aussteuerung liefert. Der nutzbare Frequenzbereich wird ebenfalls von diesem Detektor bestimmt. Eine gute Wahl ist hier der Detektor ADL5513 von SV1AFN mit einem Frequenzbereich von 1 MHz bis 4 GHz. Die Spannungsversorgung erfolgt über einen internen Akku, eine Batterie oder über ein externes Netzteil 8 12 Volt. Bei externer Versorgung wird die interne Spannungs versorgung abgeschaltet. Hardware: Die Schaltung ist auf einer einseitigen Platine mit den Maßen (B x H) 86 x 97 mm aufgebaut. Alle Bedienelemente und Stecker sind direkt auf der Platine aufgebaut. Die Spannungszuführung erfolgt über eine Hohlbuchse. Für den externen Detektor sind die Spannungsversorgungen von 5 Volt und 9-12V auf einen Pfostenstecker geführt. Ein externes Auswerte-Gerät kann über einen 3,5mm Klinkenstecker angeschlossen werden. Die Ausgangsspannung beträgt hier etwa max. 2 Volt. Der Ausgangswiderstand beträgt 500 Ohm. Zentrale Einheit ist ein Arduino-Nano Modul. Hier sind auch die entsprechenden Klone verwendbar. Durch die Verwendung des Nano kann die Platine einfach gehalten werden. Die Eingangsspannung wird über eine BNC-Buchse direkt einem 18-Bit Analog-Digitalwandler zugeführt. Dieser Wandler ist über den TWI-Bus mit dem Nano verbunden. Für die Anzeige der Ergebnisse ist ein zweizeiliges LCD-Display vorgesehen. Das Display ist ein Standard-Display. Die Steuerung des Gerätes erfolgt über die drei Tasten Set, Up und Down. Software: Messwerterfassung: Der Eingangswert wird direkt in dbm umgerechnet. Dieser dbm Wert wird mit Hilfe der abgelegten Kalibrierdaten des Detektors ermittelt. Liegen noch keine Kalibrierdaten vor, werden die Defaultwerte des ADL5513 von SV1AFN eingetragen. Hier können natürlich auch andere Detektoren berücksichtigt werden. Bevor aber eine Messung möglich ist und das SWR berechnet werden kann, muss der Maximalwert, bei offenem oder kurzgeschlossenem Ausgang der Messbrücke, durch einen kurzen Druck auf die Set-Taste, ermittelt werden. Der danach gemessene Wert ist unmittelbar die Rückflussdämpfung (Return Loss). Es werden keine Messwerte angezeigt, solange, bis die Set-Taste kurz betätigt wird. Vorher stehen keine verwertbaren Messwerte zur Verfügung. Berechnung der Messwerte: Aus der ermittelten Rückflussdämpfung werden jetzt alle anderen Werte berechnet und im Display dargestellt. Die Werte werden in acht Display-Zeilen abgelegt. Da nur zwei

3 Zeilen dargestellt werden, muss mit der Up- bzw. Down-Taste zwischen den Zeilen 1 + 2, 3 + 4, sowie sowie umgeschaltet werden. Das geht auch nur, nachdem die Set-Taste betätigt wurde und verwertbare Messwerte vorliegen. Solange keine verwertbaren Werte vorliegen, kann für die Anzeige nur die Seite vier mit den Werten dbm und V/mV ausgewählt werden. Das sind Absolutwerte und diese sind nicht von einer Abstimmung mit der Brücke abhängig. Hier können auch ohne Messbrücke Leistungspegel angezeigt werden. Über die Anzeige der Spannung kann kontrolliert werden, dass z.b. der max. Eingangsbereich von 2,048 Volt nicht überschritten wird. Wenn die Set-Taste bei offener oder kurzgeschlossener Messbrücke betätigt wird, dann ist der gemessene Wert die maximale Spannung, die die Brücke unter den vorgegebenen Bedingungen liefert. Dieser Wert wird jetzt als Maximalwert gespeichert. Eine Speicherung im EEPROM erfolgt aber nicht, da dieser Wert nur für die vorliegende Situation gilt und immer wieder neu ermittelt werden muss. Unmittelbar nach dem Druck auf die Taste Set zeigt das Gerät ein Return Loss von 0,00 db und ein SWR von 99,999. Wenn die Messbrücke nun mit dem DUT verbunden wird, ist der gemessene Wert unmittelbar das Return Loss, aus dem jetzt alle anderen Werte berechnet werden. Berechnet und dargestellt werden folgende Werte: Return Loss (RL), VSWR (SWR), Reflections Coefficient (RC), Reflected Power (RP), Mismatch Loss (ML), Through Power (TP), Absolut Power (dbm) und die Spannung am Eingang (V/mV). Berechnung Return Loss (RL): RL = Messwert bei offener Brücke aktueller Messwert. (db) Berechnung Reflection Coefficient (RC): RC = 10(-RL/20) (Formelzeichen Γ = Gamma) Berechnung VSWR (SWR): SWR = (1+ Γ ) / (1- Γ ) Berechnung Mismatch Loss (ML): ML = 10 log (1-Γ2) Berechnung Reflected Power (RP): RP = 100 * Γ2 (%) Berechnung Through Power (TP) TP = 100 (1-Γ2) (%) Kalibrierung: Einmalig muss das SWR-Display, gemeinsam mit dem verwendeten logarithmischen Messkopf, kalibriert werden. Diese Kalibrierung erfolgt als Zweipunktkalibrierung bei 0 dbm und -50 dbm bei verschiedenen Frequenzen. Die Kalibrier-Routine wird aufgerufen, wenn beim Einschalten die Set-Taste gedrückt gehalten wird. Anschließend sind 0 dbm anzulegen und dann muss die Set-Taste betätigt werden. Danach muss ein Pegel von -50 dbm angelegt werden und wiederum die Set-Taste betätigt werden. Dieser Vorgang wird für alle Messfrequenzen wiederholt. Die ermittelten Kalibrierwerte werden im

4 EEPROM abgelegt. Mit der Down-Taste kann der jeweilige Kalibriervorgang übersprungen werden. Hierdurch kann auch jeder Wert einzeln kalibriert werden. Kalibriert wird auf folgenden Frequenzen: 50MHz, 145MHz, 435MHz, 1,2GHz, 2,4GHz und 3,6GHz. Die gewählte Frequenz wird im EEPROM abgelegt und beim Neustart wieder eingestellt. Steuerung / Anzeige: Durch einen langen Druck auf die Set-Taste gelangt man in das Frequenz-Auswahl Menü. Mit der Up bzw. Down-Taste wird die gewünschte Messfrequenz eingestellt und mit der Set-Taste übernommen. Ohne Kalibrierung kann mit den voreingestellten Defaultwerten des Messkopfes gearbeitet werden. Die Ergebnisse sind dann aber nicht präzise. Die Hintergrundbeleuchtung kann angepasst werden. Wenn beim Einschalten die UpTaste betätigt wird, kann die Beleuchtung mittels der Up- bzw. Down-Taste eingestellt und mit der Set-Taste übernommen werden. Dieser Wert wird ebenfalls im EEPROM abgespeichert und beim Neustart wieder eingestellt. Im Netzbetrieb wird, unabhängig von der Einstellung, die Helligkeit auf einen vordefinierten Wert eingestellt. Solange das Gerät nicht auf die offene bzw. kurzgeschlossene Messbrücke kalibriert ist, ist folgende Anzeige im LCD-Display zu sehen: Seite 0: RL: ---,-- db SWR:,--Mit der Down-Taste kann jetzt nur in die Ansicht mit den Absolutwerten in Seite 4 gewechselt werden. Nach der Kalibrierung auf die Messbrücke mit der Set-Taste können alle Anzeigeseiten aufgerufen werden. Seite 1: RL: -24,45 db SWR: 1, M Return Loss: -24,45 db VSWR: 1,134:1 Nach dem SWR-Wert wird in der 2. Zeile noch die Arbeitsfrequenz ausgegeben. Seite 2: RC: 0,063 Γ RP: 0,42 % Reflection Coefficient Gamma : 0,063 Reflected Power: 0,42 % ML: 0,01 db TP: 99,60 % Mismatch Loss 0,01 db Through Power: 99,60 % dbm: -40,621 Power absolut: -40,621 dbm Input ADC: 1,0098 V Seite 3: Seite 4: V: 1,0098

5 Die Anzeige wird alle 500 ms aktualisiert. Das aber nur, wenn geänderte Messwerte vorliegen. Da die interne Auflösung höher ist als im LCD-Display angezeigt, gibt es Aktualisierungen, ohne das sich die angezeigten Werte verändern. Frequenzauswahl: Durch einen langen Druck auf die Set-Taste gelangt man in das Frequenz-AuswahlMenü. Hier wird dann die aktuell gewählte Frequenz angezeigt. Mit der Up- bzw. DownTaste kann jetzt eine andere Messfrequenz ausgewählt werden, die jetzt als neue Frequenz angezeigt wird. Mit einem kurzen Druck auf die Set-Taste wird die Frequenz übernommen und dieser Wert wird im EEPROM abgespeichert und beim nächsten Einschalten wieder geladen. Mit dem Frequenzwechsel werden dann auch die entsprechenden für die gewählte Frequenz geltenden Kalibrierwerte angewendet. Zur Auswahl stehen die folgenden Frequenzen: 50MHz, 145MHz, 435MHz, 1,2GHz, 2,4GHz und 3,6GHz. Abbildungen Ansicht des Messgerätes ohne Gehäuse

6 Beispiel Externe Messbrücke: Messbrücke mit hoher Rückflussdämpfung (Foto DG1KPN) Die Brücke ist beschrieben in UKW-Berichte 1/1983. Breitband-Richtkoppler zur Messung von Empfänger Komponenten. Es kursieren viele Varianten dieser Brücke im Netz, aber dieser Originalaufbau von Norbert, DG1KPN, hat die beste Richtschärfe und Bandbreite. Die Richtschärfe der Messbrücke (gemessen von Norbert, DG1KPN)

7 Beispiel Logarithmischer Detektor: Logarithmischer Detektor AD5513 von Makis, SV1AFN Die Maximale Ausgangsspannung des Detektors sollte 2,048 Volt nicht überschreiten. Der Eingang des Gerätes kann zwar mit einer Spannung bis 5 Volt beaufschlagt werden, aber eine korrekte Messung ist nur bis zum Wert der o.a. Referenzspannung möglich.

8 Schaltplan des SWR-Displays:

9 Ansicht Platine: Lötseite Print Bestückungsseite Lötseite