Unter der Rubrik Projekte wurde ein neuer Beitrag für die Messung der Gleichtaktdämpfung an Mantelstromsperren veröffentlicht. (Für alle Interessierten und "HF-geschädigten"😉)
Autor: DM2MH
Neue Messungen der Gleichtaktdämpfung von Mantelwellensperren
Dieser Beitrag beschreibt das Messen und Visualisieren der Gleichtaktdämpfung von Mantelwellensperren mit einem VNWA. Dabei wird insbesondere auf korrekte Messungen mit Hilfe der Y21 und S21 Methoden eingegangen.
(Update des Beitrags „Messungen an Mantelwellensperren und Breitbandtransformatoren“ vom 18.05.2022)
Das Ziel: Messen, wie gut die Gleichtaktdämpfung meiner Mantelwellensperre ist
Eine Mantelwellensperre soll verhindern, dass HF-Strom auf dem Außenleiter des Koaxialkabels zurück zur Station fließt. Je höher ihre Impedanz im relevanten Frequenzbereich ist, desto besser erfüllt sie diese Aufgabe. Als Faustregel gilt: Im genutzten Amateurfrequenzband sollte die Gleichtaktimpedanz mindestens so hoch sein, dass die Dämpfung ≥ 25 dB beträgt.
Um das zu überprüfen, liegt es nahe, die Sperre mit einem Netzwerkanalysator (VNA/VNWA) zu messen.
Das Problem: Die Massen der Ports sind immer verbunden
Der naheliegendste Messansatz wäre eine klassische S21-Durchgangsmessung. Port 1 des VNWA an einen Anschluss der Sperre, Port 2 an den anderen – und die Dämpfung ablesen. Klingt einfach, hat aber einen grundlegenden Haken.
Bei praktisch allen VNAs (vom VNWA 3E bis zum professionellen Laborgerät) sind die Außenleiter (Schirme) beider Ports intern miteinander verbunden. Sie liegen auf demselben Massepotenzial. Das ist konstruktionsbedingt so, da beide Ports über das gemeinsame Metallgehäuse miteinander verbunden sind.
Es gibt tatsächlich VNAs mit galvanisch getrennten Ports – sogenannte „floating"-Messgeräte. Diese sind sehr teuer, in der Praxis selten und im Amateurbereich kaum anzutreffen.
Bei der Gleichtaktmessung einer Mantelwellensperre bedeutet diese gemeinsame Masse: Der Messstrom kann nicht nur durch die Sperre fließen, sondern auch den „bequemen" Umweg über die Gerätemasse nehmen – also an der Sperre vorbei. Man würde damit nicht die Sperrwirkung der Sperre messen, sondern im Wesentlichen die gemeinsame Masseschleife des Messaufbaus.
Erster Lösungsversuch: Messen mit der S11-Methode
Um das Masseproblem zu umgehen, bietet sich die S11-Messung (Eintor-Reflexionsmessung) an. Dabei wird die Mantelwellensperre als Zweipol zwischen dem Innenleiter und dem Außenleiter von Port 1 angeschlossen. Kein zweites Kabel, kein zweiter Port, keine gemeinsame Masseschleife zwischen zwei Ports. Das Problem der verbundenen Außenleiter existiert bei einer reinen S11-Messung schlicht nicht.
Aus der gemessenen Reflexion lässt sich die Impedanz der Sperre berechnen, und daraus wiederum die Dämpfung. Das klingt nach einer eleganten Lösung – und für den unteren KW-Bereich funktioniert sie auch recht gut.
Allerdings hat die S11-Methode einen entscheidenden Nachteil: Parasitäre Shunt-Kapazitäten verfälschen das Ergebnis. Jede reale Sperre besitzt unvermeidliche Kapazitäten – zwischen den Windungen, zwischen Wicklung und Kern, zwischen den Anschlüssen. Diese liegen parallel zur eigentlichen Sperrimpedanz. Bei niedrigen Frequenzen sind sie hochohmig und stören kaum. Ab etwa 14 MHz aufwärts werden sie jedoch zunehmend niederohmig und überbrücken die Sperre teilweise. Die gemessene Impedanz erscheint dann niedriger als sie tatsächlich ist – die Sperre wird schlechter bewertet als sie in Wirklichkeit ist.
Die elegante Lösung: Messen mit der Y21-Methode
Die Y21-Methode (entwickelt und beschrieben von W1QG und K6JCA) löst beide Probleme gleichzeitig. Sowohl das Masseproblem als auch den Einfluss der Shunt-Kapazitäten.
Der Messaufbau ist denkbar einfach. Auf beiden Seiten der Mantelwellensperre werden Innen- und Außenleiter jeweils direkt miteinander verbunden. Es existiert also pro Seite quasi nur noch ein einziger Anschluss. Diese beiden Anschlüsse werden an den Innenleiter von Port 1 bzw. Port 2 des VNWA angeschlossen. Die Außenleiter (Massen) der beiden Ports sind im VNWA ohnehin intern verbunden, werden aber nicht mit der Mantelwellensperre verbunden. Die Sperrimpedanz liegt damit als Serienimpedanz im Signalpfad zwischen den beiden Ports.
Nun könnte man einwenden: Stört die intern verbundene Gerätemasse nicht trotzdem?
Der Stromkreis vom VNWA-Ausgang führt über die Mantelwellensperre zum VNWA-Eingang und von dort über die interne Masseverbindung zurück. Es handelt sich also um eine einfache Reihenschaltung. Die hochohmige Mantelwellensperre liegt in Reihe mit der nahezu widerstandslosen Masseverbindung im Gerät. Und in einer Reihenschaltung bestimmt das hochohmigste Glied den Strom – wenn die Sperre z.B. 1000 Ω hat, fließt kaum Strom, egal wie niederohmig die Masseverbindung ist. Die gemeinsame Masse kann den Stromfluss also nicht „kurzschließen", weil sie nicht parallel zur Sperre liegt, sondern in Reihe mit ihr. Je besser die Sperre ist – also je höher ihre Impedanz – desto weniger spielt die Masseverbindung eine Rolle.
Eliminierung der parasitären Shunt-Kapazitäten
Der eigentliche Trick der Y21-Methode liegt jedoch in der Auswertung. Es werden alle vier S-Parameter gemessen (S11, S21, S12, S22), also eine vollständige Zweitor-Messung. Aus diesen vier Werten lässt sich die komplette Y-Parameter-Matrix des Netzwerks berechnen. Und aus dieser Matrix können die parasitären Shunt-Kapazitäten an Port 1 und Port 2 mathematisch herausgerechnet werden. Was übrig bleibt, ist die „wahre" Serienimpedanz der Sperre – also genau das, was den Mantelstrom in der Praxis unterdrückt.
Gegenüber der S11-Methode liefert die Y21-Methode damit besonders im oberen KW-Bereich (14–30 MHz) deutlich zuverlässigere Werte. Und gegenüber der klassischen S21-Methode umgeht sie elegant das Masseproblem.
Das Auswerteprogramm
Zur Auswertung dient eine HTML-Seite, die direkt im Browser läuft – ohne Installation, ohne externe Software. Man lädt einfach die vom VNWA exportierte S2P-Datei per Drag & Drop hinein, und die Auswertung erscheint sofort.
Die Seite zeigt auf einen Blick die wichtigsten Kennwerte. Die Gleichtaktdämpfung bei 1,8 MHz (160m-Band), 10 MHz und 30 MHz. Jeweils mit grünem Haken oder rotem Kreuz, je nachdem ob die 25-dB-Schwelle erreicht wird.
In den Diagrammen sieht man die Dämpfung über den gesamten Frequenzbereich. Weiterhin die Impedanz |Z| sowie deren Realteil R und Imaginärteil X getrennt. Besonders der Realteil R ist wichtig. Eine rein reaktive Impedanz (also R ≈ 0) kann durch Serienresonanz mit der Antennenimpedanz unter Umständen sogar kontraproduktiv wirken. Ein hoher Realteil hingegen bedeutet echte, verlustbehaftete Dämpfung des Mantelstroms.
Zusätzlich werden die parasitären Shunt-Kapazitäten C_Sh1 und C_Sh2 angezeigt und grafisch dargestellt. (begrenzt auf 100 pF, da höhere Werte auf eine konstruktiv schlechte Sperre hinweisen würden)
Optional kann eine zweite S2P-Datei geladen werden, die mit der klassischen S21-Methode aufgenommen wurde. Deren Kurven werden dann zum direkten Vergleich in die Dämpfungs- und Impedanzdiagramme eingeblendet.
Im Folgenden sind die Messergebnisse einer konkreten Mantelwellensperre zu sehen. Diese wurde zum einen mit der Y21-Methode und zum anderen mit der S21-Methode gemessen. Die eigentlich erreichten Dämpfungswerte sollen an dieser Stelle auch nicht im Vordergrund stehen, sondern eher die Unterschiede der beiden Messverfahren verdeutlichen.
Die Mantelwellensperre besteht aus einem Ringkern "Würth 4W620" und 18 Windungen RG316-Koaxialkabel. Der Einsatz soll im KW-Bereich von 1,8 MHz bis 30 MHz erfolgen. (Die Resonanzstelle der Mantelwellensperre bei ca. 8,6 MHz soll an dieser Stelle auch keine Rolle spielen)
Der Aufbau zur Messung der Gleichtaktdämpfung von Mantelwellensperren
In den Diagrammen sind die Y21-Messungen in blauer Farbe und die S21-Messungen in Orange dargestellt. Die unteren beiden Diagramme "Impedanz R und X" sowie "Parasitäre Shunt-Kapazitäten" sind nur für die Y21-Messungen vorhanden. Die Diagramme sind interaktiv bedienbar (man kann Kurven aus- und einblenden und auch einzelne Messwerte in den Graphen auswählen).
Warum weichen die Messwerte im konkreten Fall kaum ab?
Das mag zunächst überraschen – wenn die Y21-Methode so viel besser ist, müsste doch ein deutlicher Unterschied sichtbar sein?
Nicht unbedingt.
Wenn die beiden Methoden ähnliche Werte liefern, ist das tatsächlich ein gutes Zeichen. Es bedeutet, dass die parasitären Shunt-Kapazitäten der gemessenen Sperre klein sind. Das ist bei einer durchdacht konstruierten Sperre mit gut gewickelten Windungen auf einem geeigneten Ferritkern durchaus der Fall.
Hinzu kommt – wie im vorigen Abschnitt erklärt – dass die hochohmige Sperre in Reihe mit der Masseverbindung liegt und damit den Gesamtstromfluss bereits stark begrenzt. Beides zusammen führt dazu, dass die einfachere S21-Messung in diesem Fall ein zuverlässiges Ergebnis liefert, das die Y21-Auswertung bestätigt.
Bei einer schlecht konstruierten Sperre mit vielen engen Windungen und entsprechend großen Shunt-Kapazitäten würde der Unterschied zwischen beiden Methoden dagegen deutlich sichtbar werden. Besonders im Bereich 21–30 MHz, wo selbst kleine Kapazitäten von wenigen Picofarad bereits merklich niederohmig werden.
Diagramm in neuem Tab öffnenFür weitere Tests ist hier eine HTML-Datei vorhanden, mit der eigene S-Parameter-Dateien (*.s2p) verwendet werden können.
Projektskizze:
Projektskizze zur IT-Infrastruktur bzw. der Web SDR bei DB0SLF.
Das Schweizer Taschenmesser für Hühnerleiternutzer:
Fast jeder Funkamateur, der einen nichtresonanten symmetrischen Dipol mit Hühnerleiter verwendet rätselt, was seine Antenne wirklich abstrahlt. Mit Antennenkoppler abgestimmt, super SWR aber was geht an Leistung wirklich raus?
Geht mir genauso. Deshalb habe ich mir einen einfachen, vollkommen passiven Antennenstromdetektor gebaut, um bei meinem Dipol genau diese Verhältnisse zu testen. Der Detektor kann einfach zwischen Hühneleiter und Antenneneinspeisung oder auch zwischen Hühnerleiter und Antennenkoppler (Stichwort Transformation) zwischengeschaltet werden. Mit den drei vorhandenen Empfindlichkeitsstufen kann man die detektierten Antennenströme auf eine sinnvolle Anzeige einschränken.
Na, da bin ich mal gespannt, was die Messungen ergeben. Ergebnisbericht folgt…
Selbstbauprojekt „vollsymmetrischer fernbedienbarer/automatischer Antennenkoppler für KW“
Für mein neues Projekt eines Antennentuners gibt es hier schon mal einige optische Eindrücke als Vorabinfo. Sobald das eigenständige Bedienteil auch in einem Gehäuse und die Software fertiggestellt ist, folgen detailliertere Informationen (dann in der Rubrik „Projekte“)
73!
Matthias, DM2MH
Nachtrag zu Messungen an Baluns:
Ergänzend zum Beitrag über Messergebnisse an Mantelwellensperren und Breitbandtransformatoren wurden noch zwei Ununs 1:4 gemessen. Die Ergebnisse stehen am Ende des o.g. Beitrags.
Messungen an Mantelwellensperren und Breitbandtransformatoren:
Achtung: Aktualisierung hier verfügbar.
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.