SWR-Meter

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Welche Messgeräte
braucht der
Kurzwellenamateur ?
Distrikt Service Tag
29.09.2012
Dieter Barbian, DF3VN
Häufig verwendetet Messgeräte
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Vielfachmessinstrument
Stehwellenmessgerät (SWR-Meter)
Leistungsmessgerät
Signalgenerator (NF, HF)
Frequenzzähler
Oszilloskop
LC-Messgerät
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Dip-Meter
Feldstärkemessgerät
Impedanzmessbrücke (Antennenrauschmessbrücke)
HF-Millivoltmeter
HF-Amperemeter
Spektrumanalysator (Vektoranalysator)
Sonstige Geräte, Indikatoren und Hilfsmittel
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Kunstantenne (Dummyload)
Schaltbares Dämpfungsglied
Glühlämpchen, Glimmlampe
Leuchtstofflampe
Software
Vielfachmessinstrument
Das Vielfachmessinstrument ist ein Drehspulinstrument zur
Messung
• 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 von
vorlaufender zu rücklaufender Welle zu machen. Bei optimaler Anpassung von
Fußpunktwiderstand der Antenne an das Speisekabel und exakter Anpassung des Senders
an die Speiseleitung ist theoretisch ein Stehwellenverhältnis von 1:1 zu erreichen.
Anwendungsbeispiel für das SWR-Meter
Messung der Bandbreite einer Antenne
Antenne
Die Bandbreite einer Antenne
ist der Frequenzbereich
innerhalb eines SWR von 2.
Dip-Meter
Das Dipmeter ist ein Resonanzfrequenzmessgerät.
Funktionsbeschreibung:
Die Schaltung zeigt einen frei schwingenden Oszillator mit dem Transistor 2N708, der
Gleichrichterschaltung D1 und dem Anzeigeinstrument. Wird nun dem
Oszillatorschwingkreis ein zu untersuchender passiver Schwingkreis genähert, also an
diesen induktiv gekoppelt, so wird dem Oszillatorkreis Energie entzogen und der Strom
im µA-Meter geht zurück. Durch Verändern von C1 und Abstimmung auf die
Resonanzfrequenz beider Schwingkreise wird der Stromrückgang (Dip) am größten. An
einer entsprechenden Skala am Dreko C1 lässt sich die Resonanzfrequenz ablesen.
Anwendungsbeispiel für das Dip-Meter
Messung der Resonanzfrequenz eines Schwingkreises
Mit dem Dipmeter kann die
Resonanzfrequenz eines
Schwingkreises oder einer
Antenne gemessen werden.
Schaltbares Dämpfungsglied
Schaltbare Dämpfungsglieder sind passive Vierpole. Entsprechend ihrem
Verwendungszweck unterscheidet man symmetrische und unsymmetrische
Dämpfungsglieder. Sie dürfen den Wellenwiderstand der Leitung nicht beeinflussen oder
verändern.
Funkamateure benötigen solche Dämpfungsglieder hauptsächlich zur:
• Abschwächung von Signalen (Empfängereingang) und
• zum Messen des Richtdiagramms einer Antenne (Antennencharakeristik)
Anwendungsbeispiel eines schaltbaren
Dämpfungsgliedes
Messung des horiz. Richtdiagramms einer Yagi-Antenne:
Das Richtdiagramm einer Antenne ist die zeichnerische Darstellung
ihrer Richtcharakteristik
Antenne mit Rotor
Zum Messaufbau gehört ein
Bezugssignal (Sendesignal),
aus einigen hundert Meter
Entfernung.
Messverfahren:
• In einer Entfernung von einigen 100m von der zu messenden Antenne ein konstantes
Bezugssignal 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 verminderte
Empfangsfeldstärke durch Verringerung der Dämpfung am schaltbaren Dämpfungsglied
ausgleichen, bis wieder die ursprüngliche S-Meter-Anzeige (z. B. S4) erscheint. Den Wert
der „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 einem
Dipol 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
Grad a in dB
Grad a in dB
Grad a in dB
10
0
100
16
190
9
280
17
20
1
110
15
200
10
290
16
30
2
120
12
210
12
300
15
40
4
130
13
220
13
310
8
50
6
140
13
230
13
320
4
60
10
150
12
240
13
330
2
70
15
160
10
250
14
340
1
80
17
170
9
260
15
350
0
90
17
180
9
270
17
360
0
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
Übung 2
Antenne
Eine Mobilfunkantenne für das 20m-Band wird über ein Koaxiallabel
RG 58 von 17,43 m gespeist. Mit der Antennenrauschmessbrücke soll der
Eingangswiderstand des Kabels (Empfängerseite) bei f = 14,100 MHz
gemessen werden:
Messverfahren:
• Empfänger auf die Messfrequenz 14,100 MHz einstellen.
• Mit dem Poti und Dreko der Rauschmessbrücke wechselseitig auf Rauschminimum
abstimmen. Bei genauem Abgleich ist kein Rauschen mehr zu hören und keine S-Meter
Anzeige sichtbar.
• Der Eingangswiderstand kann jetzt getrennt nach Wirkwiderstand (Poti) und
Blindwiderstand (Dreko) an der Rauschmessbrücke ablesen werden.
Messergebnis:
Eingangswiderstand des Kabels:
RE =
XE =
Der Leitungseingangswiderstand:
Wird eine Leitung der Länge l und dem
Wellenwiderstand ZL mit einem Widerstand ZA (Lastoder Ausgangswiderstand) abgeschlossen, der größer
oder kleiner als ZL, so stellt sich am Leitungsanfang
ein Eingangswiderstand ZE ein, der u. U. deutlich von
ZA abweichen kann. Bild 3 zeigt ein Beispiel hierzu.
Mit Hilfe der Leitungsgleichungen lässt sich jedoch der
Lastwiderstand ZA (z.B. Antennenfußpunktwiderstand)
berechnen, wenn der Eingangswiderstand ZE der
Leitung durch Messung mit der
Antennenrauschmessbrücke, bekannt ist.
Einfacher ist es jedoch die Berechnung per Software
durchzuführen. Z.B. mit dem Programm von W9CF.
Übung 3
Berechnung des Fußpunktwiderstandes der Mobilantenne mit dem
gemessenen Kabeleingangswiderstand aus Übung 2 bei unveränderter
Frequenz (14,100 MHz) und Kabellänge (17,43 m) nach dem
Programm von W9CF.
Messwerte aus Übung 2:
RE =
XE =
Mit den Leitungsgleichungen (Programm von W9CF) ergibt sich der Fußpunktwiderstand
der Antenne:
RA =
XA =
Messung der Resonanzfrequenz einer Antenne
Antenne
Messverfahren: Antennenrauschmessbrücke muss unmittelbar am Fußpunkt der Antenne
angeschlossen werden.
• Dreko der Rauschmessbrücke in Nullstellung bringen und Poti auf geschätzten
Fußpunktwiderstand voreinstellen.
• Durch Verändern der Empfangsfrequenz und der Poti-Einstellung der Messbrücke auf
Rauschminimum einstellen. Die Dreko-Einstellung bleibt dabei unverändert.
• Wenn das Rauschminimum erreicht ist, entspricht die angezeigte Frequenz am
Empfänger der Resonanzfrequenz.
Messungen mit Signalgenerator und Oszilloskop an
Speiseleitungen
Einige Grundlagen:
Anpassung und Reflexion
Wanderwelle
Nur wenn die Leitung am Ende mit einem
Widerstand ZA abgeschlossen wird, der dem
Wellenwiderstand ZL der Leitung entspricht,
wird die hinlaufende Leistung vollständig in
ZA verbraucht.
Dabei verteilt sich die Spannung (und damit
auch der Strom) an allen Punkten der Leitung
in gleichbleibender Größe.
In diesem Fall spricht man von Wanderwelle.
ZA=ZL
ZL
Ist der Widerstand ZA am Ende der Leitung größer
oder kleiner als der Wellenwiderstand ZL , so bildet
sich eine Welligkeit der Spannungsverteilung auf
der Leitung entsprechend Bild 1 aus. Diese
Welligkeit ist um so stärker ausgeprägt, je größer
die Abweichung von ZA zu ZL ist. Siehe Bild 2.
In diesem Fall spricht man von Stehwelle.
Aus Umax und Umin bzw. aus den Amplituden der
vor- und rücklaufenden Welle lässt sich das
Stehwellenverhältnis S berechnen.
ZA>ZL
ZA<ZL
Bild 1
U max Uh  Ur
S

U min Uh  Ur
Wie groß der reflektierte Anteil ist, gibt der
Reflexionsfaktor r an.
Ur RA  Z L
r

Uh R A  Z L
Bild 2
Sonderfall 1:
Die λ/4 - Leitung
Eine Leitung mit dem Wellenwiderstand ZL und der Länge l = λ/4
transformiert einen Lastwiderstand ZA zum Leitungsanfang ZE hin nach
der einfachen Formel
ZL2
ZE 
ZA
Sonderfall 2:
Die λ/2 - Leitung
Die λ/2 - Leitung transformiert nach der einfachen Formel
ZE  ZA
Messung einer Kabellänge:
Messverfahren nach der
Resonanzmethode
Bei diesem Messverfahren wird
die Transformationseigenschaft
einer λ/4-Leitung genutzt, d.h.
ein am Ende leerlaufendes Kabel
zeigt am Leitungsanfang
Serienresonanz, d.h.
Kurzschluss.
Die Generatorfrequenz ist so zu
verändern, dass die angezeigte
Spannung Ozilloskop ein
Minimum 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:
75  v
l
f
Ergebnis: Kabellänge l =
l Länge in Meter
v Verkürzungsfaktor des Kabels
f Frequenz in MHz
Messung des Wellenwiderstandes eines Kabels:
Messverfahren: Reflexionsfreier Leitungsabschluss
Das Potentiometer am Leitungsende wird so verändert, bis am Oszilloskop keine
Reflexion mehr zu erkennen ist. Der eingestelle Widerstandswert entspricht dann dem
Wellenwiderstand des Kabels und kann mit einem Ohmmeter gemessen werden.
Übung 5
Der Wellenwiderstand einer
Flachbandleitung soll
gemessen werden:
Messwert:
ZL =
Messung der elektrischen Feldstärke E
Funkamateure haben bei der Aussendung ihrer Signale Grenzwerte einzuhalten, z.B. den
Grenzwert der elektrischen Feldstärke E.
Moderne Feldstärkemessgeräte haben Feldsonden, um an einer beliebigen Raumstelle z.B. die
elektrische Feldstärke E oder die magnetische Feldstärke H zu messen und direkt anzuzeigen. Es
gibt aber auch Messgeräte, die die Feldstärkewerte nicht direkt messen, sondern die so genannte
Strahlungsleistungsdichte S messen und anzeigen. Die Strahlungsleistungsdicht S steht mit den
Feldstärkewerten E und H in folgendem Zusammenhang:
E  S  ZF 0
H
S
ZF 0
Hierbei ist
Raums:
Z F 0 der Feldwellenwiderstand des freien
ZF 0  377
Zugeschnittene Größengleichung:
Wenn S in mW/cm2 gemessen wird, kann E und H nach folgenden Formeln berechnet werden:
E  3770  S
S
H
37,7
E in V/m
H in A/m
Übung 6
Zu messen ist die Strahlungsleistungsdichte S im Abstand von 2m von einer Mobilfunkantenne
bei 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
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