Der Beitrag beschreibt Messungen an Sperrgliedern (Mantelwellensperren) und Breitbandtransformatoren (Balun/Unun). Es wurden, wenn vorhanden, mehrere unterschiedliche Komponenten vermessen Zum Vergleich und Einordnung der Messergebnisse wurde jeweils ein Eigenbau-Messobjekt zur Demonstration hergestellt und ebenfalls gemessen.
Messungen an Mantelwellensperren
Wie wird gemessen
Die Messungen wurde mit einem vektoriellen Netzwerkanalysator „VNWA 3e“ vorgenommen. Neben dem VNWA wurde ein Eigenbau S-Parameter-Testset eingesetzt. Dieses gestattet in Zusammenarbeit mit dem VNWA die vollautomatische Ermittlung aller vier S-Parameter, ohne dass das Prüfobjekt „umgepolt“ werden muss. Das Testset schaltet die Ports-1 und 2 automatisch um. Die Steuerung übernimmt der VNWA.
Der VNWA wobbelt den gewünschten Frequenzbereich. Das Prüfobjekt befindet sich im Signalzweig zwischen dem Signalausgang (Tx-Out) und dem Signaleingang (Rx-In) des VNWA.
Messung der Durchgangsdämpfung (Gegentaktdämpfung)
Für die Messungen der Durchgangsdämpfung wurde hier nur der S-Parameter S21 betrachtet.
Die Durchgangsdämpfung wird ermittelt, in dem das Prüfobjekt wie abgebildet beschaltet wird. Das Signal durchläuft das Prüfobjekt mit beiden „Leitungen“ (Signal und Masse). Durch die wirkenden Gegentaktströme sollte die Dämpfung daher möglichst gering sein.
Messung der Sperrwirkung (Gleichtaktdämpfung)
Für die Messungen der Gleichtaktdämpfung wurde hier nur der S-Parameter S21 betrachtet.
Die Gleichtaktdämpfung wird ermittelt, in dem das Prüfobjekt wie abgebildet beschaltet wird. Das Signal durchläuft das Prüfobjekt nur mit einer „Leitung“. Dadurch wirkt nur ein Gleichtaktstrom und die Dämpfung soll daher möglichst hoch sein.
Übersicht der Sperrdämpfung im Vergleich zum induktiven Widerstand:
- Dämpfung von 10dB entspricht etwa 220 Ω
- Dämpfung von 20dB entspricht etwa 1 kΩ
- Dämpfung von 30dB entspricht etwa 3 kΩ
- Dämpfung von 40dB entspricht etwa 10 kΩ
Alles, ab 20dB Dämpfung ist brauchbar, alles ab 30dB Dämpfung ist gut.
Sperrglied-1
Es handelt sich um ein kommerzielles Sperrglied 1:1 (50 Ohm : 50 Ohm).
Messergebnisse
Messung der Durchgangsdämpfung:
Die Durchgangsdämpfung beträgt bei 30MHz bereits ca. 1,5dB. Bei 50MHz beträgt sie mehr als 4dB.
Messung der Sperrwirkung:
Die Dämpfung der Gleichtaktströme beträgt zwischen 1,8MHz und 8MHz mehr als 20dB. Zu höheren Frequenzen hin nimmt sie weiter ab. Richtig gut ist das Sperrglied nur bis ca. 4MHz.
Sperrglied-2
Es handelt sich um ein etwa 70cm langes Stück Koaxialkabel mit mehreren hintereinander aufgebrachten Klappferriten.
Messergebnisse
Messung der Durchgangsdämpfung:
Die Durchgangsdämpfung beträgt bis 50MHz weniger als 0,35dB. Das ist ein guter Wert.
Messung der Sperrwirkung:
Die Dämpfung der Gleichtaktströme beträgt zwischen 3,5MHz und 15MHz mehr als 20dB. Zu höheren und niedrigerenFrequenzen hin nimmt sie weiter ab. Brauchbar ist das Sperrglied nur zwischen 3,5MHz und 15MHz.
Sperrglied-3
Es handelt sich um ein Eigenbausperrglied für Demonstationszwecke.
Das Sperrglied besteht aus einem Ferritringkern mit ca. 60mm Außendurchmesser, auf dem zwei mal 10 Windungen isolierte Litze (Lautsprecherkabel 0,75mm²) aufgebracht wurden. Das Prinzip entspricht dem nach Wolfgang Wippermann, DG0SA.
Messergebnisse
Messung der Durchgangsdämpfung:
Die Durchgangsdämpfung beträgt bis 50MHz weniger als 0,35dB. Das ist ein guter Wert.
Messung der Sperrwirkung:
Die Dämpfung der Gleichtaktströme beträgt ab 3,5MHz bereits mehr als 25dB. Ab 7MHz beträgt die Dämpfung mehr als 30dB. Auf 1,8MHz ist es mit einer Dämpfung von 23dB noch brauchbar.
Messungen an Breitbandtransformatoren (Balun, Unun)
Für die Messungen von Breitbandtransformatoren (im Folgenden allgemein als Balun bezeichnet) benötigt man das S-Parameter-Testset. Dieses gestattet die automatische Erfassung aller vier S-Parameter. Die Messungen erfolgen, in dem das Prüfobjekt wie abgebildet beschaltet wird.
Handelt es sich um Baluns, die eine Impedanztransformation durchführen (also nicht 1:1), kann die Darstellung der Messung rechnerisch auf die gewünschte Ausgangsimpedanz „umgewandelt“ werden. Dies wird durch die Software des VNWA ermöglicht.
Unun-1
Es handelt sich um einen kommerziellen Unun 1:9 (50 Ohm : 450 Ohm)
Messergebnisse
Da der VNWA grundsätzlich nur mit 50 Ohm Impedanz am Ausgang und Eingang misst, ist es mit Hilfe der Software des VNWA möglich, rechnerisch die Impedanz am Ausgang des Baluns (damit also am Eingang des VNWA) für eine beliebige Impedanz zu definieren.
In diesem Fall wurde die Impedanz auf 450 Ohm gesetzt (siehe Feld „Port 2 Impedance“, rechts oben in dem kleinen Fenster. Das ist die korrekte Impedanz des Balunausgangs. Beide Kurven des Smithdiagramms (rote und grüne) beginnen dann auch exakt beim skalierten Punkt „1“ (genau in der Mitte). Die entspricht den definierten 450 Ohm.
Welche Kurven und Werte sind nun wichtig?
- Die schwarzen Werte ganz links stellen Frequenzmarker dar. Es sind 7 Marker vorhanden. Jede Zeile der Wertetabelle entspricht einem Marker. Der schwarze Wert gibt die Frequenz des Markers an (1,8MHz, 3,8MHz, 7,0MHz …)
- Die blaue Kurve entspricht dem Parameter S21 und stellt die Durchgangsdämpfung vom Eingang zum Ausgang des Baluns dar.
- Die dunkelgelbe Kurve entspricht dem Parameter S22 und stellt das VSWR am Ausgang des Baluns (bezogen auf eine Impedanz von 450 Ohm) dar.
- Die schwarze Kurve entspricht dem Parameter S11 und stellt das VSWR am Eingang des Baluns (bezogen auf eine Impedanz von 50 Ohm) dar.
Ergebnisse:
Durchgangsdämpfung:
- In einem Breitbandtransformator (wie in diesem Fall) soll die Durchgangsdämpfung möglichst gering sein, da die gesamte Energie innerhalb des Kerns übertragen wird. Daher machen sich Verluste u.a. in direkter Wärmeentwicklung bemerkbar.
- Der Balun hat bis etwa 15MHz eine Dämpfung von unter 1dB. Das ist akzeptabel.
- Ab 21MHz steigt die Dämpfung stark von ca. 2,8dB bis hin zu 8,5dB bei 28MHz an. Bei 50MHz liegt die Dämpfung bereits bei mehr als 20dB.
Eingangs-SWR:
- Das Eingangs-SWR liegt bis ca. 7MHz unter 1:1,5 und ist damit gut.
- Bis ca. 21MHz liegt es bei 1:4,7
- Ab 21MHz steigt es weiter stark an.
Fazit:
- Der Balun ist von 1,8MHz bis etwa 21MHz mit einem zusätzlichen Antennentuner gut einsetzbar. Bei 21MHz beträgt die Durchgangsdämpfung 2,8dB. Das Eingangs-VSWR beträgt dann 1:4,7 und kann vom Antennentuner i.d.R. gut kompensiert werden.
- Sämtliche Werte sind nur dann gültig, wenn am Ausgang des Baluns eine reale Impedanz von 450 Ohm anliegt.
Verbesserung der Werte durch eine Parallelkapazität am Ausgang
Wird am Ausgang des Baluns eine Kapazität von 24pF gegen Masse eingefügt, verbessern sich die Werte der Durchgangsdämpfung und des VSWR.
Mit der Kapazität:
- Parallelkapazität von 24pF am Ausgang gegen Masse.
- Der Balun ist von 1,8MHz bis etwa 21MHz mit einem zusätzlichen Antennentuner gut einsetzbar. Bei 21MHz beträgt die Durchgangsdämpfung 0,4dB. Das Eingangs-VSWR beträgt dann 1:1,4 und kann vom Antennentuner gut kompensiert werden.
- Sämtliche Werte sind nur dann gültig, wenn am Ausgang des Baluns eine reale Impedanz von 450 Ohm anliegt.
Unun-2
Es handelt sich um ein Eigenbau Unun 1:9 für Demonstationszwecke. Der Unun besteht aus einem Ferritringkern mit ca. 60mm Außendurchmesser, auf dem trifilar 8 Windungen isolierte Litze (Lautsprecherkabel 0,75mm²) aufgebracht wurden. Das Prinzip entspricht dem nach Wolfgang Wippermann, DG0SA.
Messergebnisse
Da der VNWA grundsätzlich nur mit 50 Ohm Impedanz am Ausgang und Eingang misst, ist es mit Hilfe der Software des VNWA möglich, rechnerisch die Impedanz am Ausgang des Baluns (damit also am Eingang des VNWA) für eine beliebige Impedanz zu definieren.
Welche Kurven und Werte sind nun wichtig?
- Die schwarzen Werte ganz links stellen Frequenzmarker dar. Es sind 7 Marker vorhanden. Jede Zeile der Wertetabelle entspricht einem Marker. Der schwarze Wert gibt die Frequenz des Markers an (1,8MHz, 3,8MHz, 7,0MHz …)
- Die blaue Kurve entspricht dem Parameter S21 und stellt die Durchgangsdämpfung vom Eingang zum Ausgang des Baluns dar.
- Die dunkelgelbe Kurve entspricht dem Parameter S22 und stellt das VSWR am Ausgang des Baluns (bezogen auf eine Impedanz von 450 Ohm) dar.
- Die schwarze Kurve entspricht dem Parameter S11 und stellt das VSWR am Eingang des Baluns (bezogen auf eine Impedanz von 50 Ohm) dar.
Ergebnisse:
Durchgangsdämpfung:
- In einem Breitbandtransformator (wie in diesem Fall) soll die Durchgangsdämpfung möglichst gering sein, da die gesamte Energie innerhalb des Kerns übertragen wird. Daher machen sich Verluste u.a. in direkter Wärmeentwicklung bemerkbar.
- Der Balun hat bis etwa 30MHz eine Dämpfung von unter 1dB. Das ist akzeptabel.
- Bei 50MHz liegt die Dämpfung bereits bei mehr als 7dB.
Eingangs-SWR:
- Das Eingangs-SWR liegt bis ca. 14MHz unter 1:1,25 und ist damit gut.
- Bei 21MHz liegt es bei 1:1,51 und bei 28MHz bei 1:2,20
- Bei 50MHz liegt es bei 1:12,3
Fazit:
- Der Balun ist von 1,8MHz bis etwa 28MHz mit einem zusätzlichen Antennentuner gut einsetzbar. Bei 28MHz beträgt die Durchgangsdämpfung 0,9dB. Das Eingangs-VSWR beträgt dann 1:2,20 und kann vom Antennentuner gut kompensiert werden. Bis 21MHz wäre kein Antennentuner notwendig.
- Sämtliche Werte sind nur dann gültig, wenn am Ausgang des Baluns eine reale Impedanz von 450 Ohm anliegt.
Verbesserung der Werte durch eine Parallelkapazität am Ausgang
Wird am Ausgang des Baluns eine Kapazität von 6pF gegen Masse eingefügt, verbessern sich die Werte der Durchgangsdämpfung und des VSWR.
Mit der Kapazität:
- Parallelkapazität von 6pF am Ausgang gegen Masse.
- Der Balun ist von 1,8MHz bis 50MHz mit einem zusätzlichen Antennentuner gut einsetzbar. Bei 30MHz beträgt die Durchgangsdämpfung weniger als 0,55dB. Das Eingangs-VSWR beträgt dann 1:1,68 und kann vom Antennentuner gut kompensiert werden.
Bei 50MHz beträgt die Durchgangsdämpfung 4,3dB und das VSWR 1:6,6 - Sämtliche Werte sind nur dann gültig, wenn am Ausgang des Baluns eine reale Impedanz von 450 Ohm anliegt.
Messung eines Ununs 1:4
Es handelt sich um einen kommerziellen Balun 1:4 (50 Ohm:200 Ohm)
Messergebnisse
Da der VNWA grundsätzlich nur mit 50 Ohm Impedanz am Ausgang und Eingang misst, ist es mit Hilfe der Software des VNWA möglich, rechnerisch die Impedanz am Ausgang des Baluns (damit also am Eingang des VNWA) für eine beliebige Impedanz zu definieren.
In diesem Fall wurde die Impedanz auf 200 Ohm gesetzt (siehe Feld „Port 2 Impedance“, rechts oben in dem kleinen Fenster9. Das ist die korrekte Impedanz des Balunausgangs.
Welche Kurven und Werte sind nun wichtig?
- Die schwarzen Werte ganz links stellen Frequenzmarker dar. Es sind 7 Marker vorhanden. Jede Zeile der Wertetabelle entspricht einem Marker. Der schwarze Wert gibt die Frequenz des Markers an (1,8MHz, 3,8MHz, 7,0MHz …)
- Die blaue Kurve entspricht dem Parameter S21 und stellt die Durchgangsdämpfung vom Eingang zum Ausgang des Baluns dar.
- Die dunkelgelbe Kurve entspricht dem Parameter S22 und stellt das VSWR am Ausgang des Baluns (bezogen auf eine Impedanz von 200 Ohm) dar.
- Die schwarze Kurve entspricht dem Parameter S11 und stellt das VSWR am Eingang des Baluns (bezogen auf eine Impedanz von 50 Ohm) dar.
Ergebnisse:
Der Balun liefert grundsätzlich sehr merkwürdige Messergebnisse.
Durchgangsdämpfung:
- In einem Breitbandtransformator (wie in diesem Fall) soll die Durchgangsdämpfung möglichst gering sein, da die gesamte Energie innerhalb des Kerns übertragen wird. Daher machen sich Verluste u.a. in direkter Wärmeentwicklung bemerkbar.
- Der Balun hat erst ab ca. 14MHz eine Dämpfung von unter 1dB.
- Im Bereich von 1,8MHz bis kurz vor 14MHz ist die Dämpfung viel zu hoch
Eingangs-SWR:
- Das Eingangs-SWR liegt ebenfalls erst ab ca. 7MHz in einem akzeptablen Bereich von unter 1:5,20, so dass mit einem Antennentuner gearbeitet werden könnte.
- Im Bereich von 1,8MHz bis kurz vor 7MHz ist das SWR zu hoch.
Fazit:
- Der Balun ist sehr „merkwürdig“. Der Realanteil der Impedanz beträgt nahezu 0 Ohm. Das ist ungewöhnlich.
- Im Bereich von 1,8MHz bis ca. 17MHz ist der Balun eigentlich nicht nutzbar. Ab ca. 14MHz ist er mit einem Antennentuner eisetzbar.
- Sämtliche Werte sind nur dann gültig, wenn am Ausgang des Baluns eine reale Impedanz von 200 Ohm anliegt.
Messung eines (ziemlich idealen) Baluns 1:4 als Demonstrationsobjekt
Es handelt sich um einen kommerziellen Balun 1:4 (50 Ohm:200 Ohm) des Herstellers Minicircuits vom Typ „T4-6-X65“. Dieser Balun ist nicht für Leistungen geeignet soll aber die möglichen erreichbaren Messergebnisse eines guten Baluns verdeutlichen.
Messergebnisse
Da der VNWA grundsätzlich nur mit 50 Ohm Impedanz am Ausgang und Eingang misst, ist es mit Hilfe der Software des VNWA möglich, rechnerisch die Impedanz am Ausgang des Baluns (damit also am Eingang des VNWA) für eine beliebige Impedanz zu definieren.
In diesem Fall wurde die Impedanz auf 200 Ohm gesetzt (siehe Feld „Port 2 Impedance“, rechts oben in dem kleinen Fenster9. Das ist die korrekte Impedanz des Balunausgangs. Beide Kurven des Smithdiagramms (rote und grüne) beginnen dann auch exakt beim skalierten Punkt „1“ (genau in der Mitte). Die entspricht den definierten 200 Ohm.
Welche Kurven und Werte sind nun wichtig?
- Die schwarzen Werte ganz links stellen Frequenzmarker dar. Es sind 7 Marker vorhanden. Jede Zeile der Wertetabelle entspricht einem Marker. Der schwarze Wert gibt die Frequenz des Markers an (1,8MHz, 3,8MHz, 7,0MHz …)
- Die blaue Kurve entspricht dem Parameter S21 und stellt die Durchgangsdämpfung vom Eingang zum Ausgang des Baluns dar.
- Die dunkelgelbe Kurve entspricht dem Parameter S22 und stellt das VSWR am Ausgang des Baluns (bezogen auf eine Impedanz von 200 Ohm) dar.
- Die schwarze Kurve entspricht dem Parameter S11 und stellt das VSWR am Eingang des Baluns (bezogen auf eine Impedanz von 50 Ohm) dar.
Ergebnisse:
Durchgangsdämpfung:
- In einem Breitbandtransformator (wie in diesem Fall) soll die Durchgangsdämpfung möglichst gering sein, da die gesamte Energie innerhalb des Kerns übertragen wird. Daher machen sich Verluste u.a. in direkter Wärmeentwicklung bemerkbar.
- Der Balun hat im gesamten Frequenzbereich eine Durchgangsdämpfung von unter 0,67dB.
- Im Bereich bis 30MHz ist die Dämpfung kleiner als 0,32dB.
Eingangs-SWR:
- Das Eingangs-SWR liegt im gesamten Frequenzbereich unter 1:1,05.
Fazit:
- Der Balun ist ein nahezu idealer Balun. Sämtliche Messkurven des Smithdiagramms befinden sich faktisch im Bereich des 50 Ohm Realwiderstands.
- Im gesamten Bereich von 1,8MHz bis 50MHz ist der Balun als Breitbandtransformator uneingeschränkt einsetzbar.
- Auf Grund seiner Baugröße ist er nicht für die Übertragung von größeren Leistungen geeignet.
- Sämtliche Werte sind nur dann gültig, wenn am Ausgang des Baluns eine reale Impedanz von 200 Ohm anliegt.