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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 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

Antenne

Die Bandbreite einer Antenne ist der Frequenzbereich innerhalb eines SWR von 2.

Messung der Bandbreite einer Antenne

Dip-MeterDas 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.

Mit dem Dipmeter kann die Resonanzfrequenz eines Schwingkreises oder einer Antenne gemessen werden.

Anwendungsbeispiel für das Dip-MeterMessung der Resonanzfrequenz eines Schwingkreises

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 dB10 0

20 1

30 2

40 4

50 6

60 10

70 15

80 17

90 17

Grad a in dB280 17

290 16

300 15

310 8

320 4

330 2

340 1

350 0

360 0

Grad a in dB190 9

200 10

210 12

220 13

230 13

240 13

250 14

260 15

270 17

Grad a in dB100 16

110 15

120 12

130 13

140 13

150 12

160 10

170 9

180 9

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 Koaxiallabel RG 58 von 17,43 m gespeist. Mit der Antennenrauschmessbrücke soll der Eingangswiderstand des Kabels (Empfängerseite) bei f = 14,100 MHz gemessen werden:

Antenne

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.

Übung 2

Messergebnis:

Eingangswiderstand des Kabels:

RE =

XE =

Der Leitungseingangswiderstand:

Wird eine Leitung der Länge l und dem Wellenwiderstand ZL mit einem Widerstand ZA (Last- oder 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 =

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.

Messung der Resonanzfrequenz einer Antenne

Antenne

Einige Grundlagen:

Anpassung und Reflexion

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.

ZL

ZA=ZL

Wanderwelle

Messungen mit Signalgenerator und Oszilloskop an Speiseleitungen

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<ZLZA>ZL

Bild 1

max

min

h r

h r

U U USU U U

Bild 2Wie groß der reflektierte Anteil ist, gibt der Reflexionsfaktor r an.

r A L

h A L

U R ZrU R Z

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

2L

EA

ZZZ

Sonderfall 2: Die λ/2 - Leitung

Die λ/2 - Leitung transformiert nach der einfachen Formel

E AZ Z

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 vlf

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 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:

0FE S Z

0F

SHZ

Hierbei ist 0FZ der Feldwellenwiderstand des freienRaums:

0 377FZ

3770E S 37,7SH

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 6Zu 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