Infos zu nicht alltäglichen Messungen, mit dem NanoVNA durchgeführt

und noch weitere interessante Messungen an Antennen

Die hier beschriebenen Messungen erfordern ein aktuelles NanoVNA (-H oder -F z.Bsp.) und meist entsprechende Messadaptionen, die bei der Kalibration mitberücksichtigt werden müssen.

1. Schutz der SMA-Buchsen des NanoVNA

Da die SMA-Buchsen am NanoVNA durch häufiges Stecken & Lösen von SMA-Steckern und den Kalibrier-Elementen sehr strapaziert werden, wird empfohlen, leicht austauschbare SMA-Adapter (SMA-Stecker-SMA und SMA-Buchse-SMA) fest am NanoVNA zu belassen. Durch Aufweitung der Tulpe kann es vorkommen, dass der Innenleiter schlecht oder garnicht mehr kontaktiert. Wird kalibriert und dieser Fehler bleibt unbemerkt, führen dadurch alle Messungen zu falschen Ergebnis-Anzeigen! Diese kleine "Leitungsverlängerung" wird mit in die Kalibration einbezogen. Für die "THRU"-Kalibration der S21 zu 0dB wird ein 10cm langes, modernes Semirigidkabel zurechtgebogen genutzt.

2. Kerne auf Eignung testen, ihren frequenzabhängigen AL-Wert ermitteln

Die Induktivität L = (Windungszahl)^2 * AL in [nH]. Leider ist AL keine Konstante, sondern nimmt bei Ferritkernen mit der Frequenz ab. Es ist also wichtig, den AL-Wert im Nutzfrequenzbereich zu kennen. Die Hersteller-Datenblätter geben hierzu meist keine konkrete Auskunft. Eine Erweiterungsplatine hilft, mit einer Messschlaufe durch den zu prüfenden Kern gefädelt, den AL-Wert in [nH] direkt für die gesetzte Frequenzmarke im Display abzulesen.

Das mit dem Zusatzboard im passenden Gehäuse erweiterte NanoVNA:

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3. Wellenwiderstand einer Zweidrahtleitung bestimmen

Einen Balun mit guten Werten bei 50MHz und darüber zu bauen, erfordert einen geeigneten Kern und in der Variante als Strombalun auch die Bewicklung mit einer symmetrischen Zweidrahtleitung, deren Wellenwiderstand bei 50 Ohm liegt. Zwei mit einem Akkuuschrauber verdrillte CuL-Drähte (typ.0,8mm stark) kommen zur Anwendung. Mit 3 Schlag auf 12,5mm wurden die 50 Ohm erreicht.

Gut zu wissen: je mehr Schlag pro cm die Verdrillung hat, um so näher kommt der Wellenwiderstand an die 50 Ohm heran. Natürlich ist der Wellenwiderstand auch abhängig von der Drahtstärke und seiner Isolierung. Um eine Zweidrahtleitung mit mehr als 100 Ohm Wellenwiderstand aus 0,6mm Massivdraht herzustellen, bedarf es nur die Drähte ganz geringfügig zu verdrillen, oder sie gleich einfach in einen dünnen Isolierschlauch zu stecken. Es empfiehlt sich, für kritische Anwendungen, den Wellenwiderstand besser nachzumessen. Wer erinnert sich noch an die 240 Ohm "UKW-Leitung", da war der Abstand der beiden Leiter etwa 7mm.

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4. Koax-Kabelmessungen im Zeitbereich, die Time Domain Reflektometrie

Fehler oder Stoßstellen, schlechte Steckverbindungen an fest verlegten 50 Ohm - Koaxkabeln, kann man mit der TDR messen, ohne die Kabel zu demontieren. Dazu wird ein NanoVNA der neuen Version (z.B. 3.6) benötigt. Aus dem zuerst eingestellten Frequenzbereich ergibt sich die maximal anzeigbare Kabellänge: Beispiel bei VF=66% und 1 bis 60MHz sieht man 65,5m Kabel. Verdoppelt man den Frequenzbereich, sieht man nur noch 32,75m Kabel. Je höher der Frequenzbereich, je kürzer die Kabellänge und je höher ist die Längen-Auflösung. Die gelbe Kurve der Rückflußdämpfung hat als x-Achse nun jedoch die laufenden Kabelmeter. Deshalb ist die richtige Einstellung des Verkürzungsfaktors sehr wichtig. Bei Dielektrikum PE ist VF=66%, bei Teflon (PTFE) ist VF=70%. Eine Stoßstelle zeigt sich als Spitze im Verlauf der S11 LOGMAG 10dB - gelben Kurve. Setzt man die Marke auf die Spitze, so kann der Fehlerort in Metern abgelesen werden. Ganz nebenbei kann so auch die Kabellänge gemessen werden.

Es gibt einige Einstellmöglichkeiten am NanoVNA zur Darstellung der Messkurven, zur Glättung und mehr. Die gezeigte Messkurve wurde mit den Einstellungen "ohne Glättung, mit Bandpass, Window=Normal" erstellt. Es lohnt sich, praktische Erfahrungen mit der TDR zu sammeln, um Kabelfehlstellen besser ausfindig zu machen. Wie die Bilder zeigen, sieht man auf den ersten Metern des Kabels (Einkoppelbereich) nichts, es ist daher notwendig, ein geeignetes Vorlaufkabel (mindestens 5m) mit gleichem VF und Z0 einzusetzen, sofern man auch einen relativ nahen Kabelfehler erkennen möchte.

5. Wie bestimmt man die Güte einer magnetischen Loopantenne

Die Betriebs-Güte einer Loopantenne ermittelt man am besten mit einem VNA oder eben dem NanoVNA. Dazu braucht man den Trace S11-LOGMAG mit einer Skalenteilung von 7dB. Genau gesagt müsste man zu den 7dB (*) noch die halbe Dämpfung der Mess-Zuleitung auf der Resonanzfrequenz addieren. Auf irgendwelche Zehntel dB Dämpfung der Mess-Zuleitung schauen wir jetzt aber mal nicht. Die beiden Schnittpunkte der S11-LOGMAG mit der "7dB-Linie" sind die Eckfrequenzen zur Berechnung von Q wie im Bild eingetragen:

6. Induktivitäten & Kapazitäten besser messen mit dem NanoVNA: Der L-Tester

Mit einer Leiterplatte meines Ringkern-Testers, die nur an den S11-Port angeschlossen wird und einer Modifikation im Masse-Layout, kann man ein HF-LCR-Meter realisieren. Der praktische Halter für kleine Leiterplatten kann bei Pollin unter Art,-Nr. 840281 preiswert bezogen werden. Wer die Bauteile-Eigenschaften im HF-Bereich wissen muss, kann mit dem normalen LCR-Meter keine Erkenntnisse gewinnen.

Wir betrachten den Impedanzverlauf im SmithChart. Ein guter, verlustarmer Kondensator beschreibt einen Impedanzverlauf startend beim hochohmigen (unendlich)-Punkt ganz rechts auf den Aussenkreis und verläuft mit steigender Frequenz rechts herum auf dem unteren Aussenkreis. Hat er Verluste, so entfernt sich der Kreisbogen vom Aussenkreis und geht mehr nach innen.

Eine Spule/Induktivität hoher Güte beschreibt einen Impedanzverlauf startend beim NullOhm-Punkt ganz links und verläuft mit steigender Frequenz rechts herum auf dem oberen Aussenkreis. Zunehmende Verluste = schlechter werdende Güte : so entfernt sich der Kreisbogen vom Aussenkreis und geht mehr nach innen.

Sollte sich ein Kringel zeigen, ist die Ursache eine Resonanz. Der HF-Bereich ist für das betreffende Bauteil zu groß gewählt.

In beiden Fällen: Die Komponentenanzeige "R L/C" muss eingeschaltet sein zum Ablesen der HF-Messwerte.

Beispiel als word-Datei:Klick

Speziell für solche Messungen, habe ich den "L-Tester" als eine Abwandlung vom Ringkern-Tester entworfen.

Beim L-Tester können auch kleine Festinduktivitäten mit relativ kurzen Anschlussdrähten gemessen werden bis tief runter in den nH-Bereich. Das Messobjekt kontaktiert im Klemmblock mit den orangen Drucktasten (werkzeuglos) und ist direkt mit dem S11-Port verbunden. Die Messebene nach der notwendigen Kalibration ist jetzt der Klemmblock. Der rechte Klemmpnkt ist die Messmasse, der linke ist der S11-Messpunkt und die gesuchten Messwerte sieht man im SmithChart mit zusätzlicher Komponentendarstellung R/X (für L oder C). Variiert man nun die Messfrequenz, so erkennt man sofort bis zu welcher Frequenz das Bauteil induktiv ist, wo die Eigenresonanz liegt (Umschlag von kleinen L-Werten auf großeKapazitätswerte) und am R-Wert sieht man wie gut oder schlecht die Güte des Bauteils tatsächlich ist. Letztlich kann man daran erkennen ob das Bauteil wirklich geeignet für eine Anwendung ist. So manche Datenblatt-Angaben und die gemessene Realität können stark voneinander abweichen.

7.

Etwas Messtechnik zum Thema "meine Antenne, was taugt sie ?"

Wenn der Wunsch besteht, seine Antenne besser zu kennen, dann kann mit etwas Messtechnik ihr Verhalten analysiert werden. Da das SWR wenig aussagt, muß mit einem VNA (z.B. dem NanoVNA) der Verlauf der Impedanz am Speisepunkt vektoriell betrachtet werden. Aus dem Realteil der Impedanz liest man ab, wie hochohmig z.B. eine endgespeiste Antenne auf der jeweiligen Frequenz ist. Daraus gewinnt man die richtige Größe n für den notwendigen Unun. Nachdem die Anpassung im Realteil stimmt, bleibt noch der imaginäre Anteil/Blindanteil, der L- oder C-Wert den der Tuner kompensieren soll. Dazu muß man ein kontantes Signal senden (CW key down). Mit einem einfachen Stromwandler mißt man den in den Speisepunkt der Antenne fließenden Strom. Maßgeblich ist letzlich das abgestrahlte Signal und das wird mit einer H-Feld- und E-Feld-Antenne erfaßt und wie hier beschrieben zur Anzeige gebracht. Verständlich, wenn OMs nur einfach QSOs machen wollen und ihnen die etwas komplexe Technik einfach "wurscht" ist. Ob die Antenne optimal spielt bleibt dann eben ihr Geheimnis.

jetzt also die Messtechnik

Schaltung:

Mit recht wenig Aufwand kann die abgebildete

Stromzange für den KW-Bereich

Messungen an endgespeisten Antennen im Sendebetrieb

stationäre HF-Strom-Messung

Eine

stationäre HF-Magnetfeld-Messung

liefern die Spannungen für die analogen Anzeigen:

Eine

stationäre HF-E-Feld-Messung

liefern die Gleichspannungen für die analogen Anzeige-Instrumente. Das rechte Instrument kann jetzt wahlweise das H-Feld oder E-Feld anzeigen (nicht kalibriert).

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8. Mein KW-Transceiver hat einen Antennentuner "der wird's schon richten, oder ?"

Mit Hilfe der 3 Messungen Antennenstrom, E-Feldstärke und H-Feldstärke kann eine KW-Antenne besser beurteilt werden, was sie leistet. Welche Feldstärke mit ihr in den Raum abgestrahlt wird. Wenn der Antennentuner einen Abgleich zustande bringt. ist noch lange nicht sicher, dass das angepasste "Gebilde namens Antenne" auch optimal betrieben wird. Besonders bei endgespeisten Antenen (EFHW) aus dem Handel bekommt man meist einen 1:49 UNUN und soll damit auf allen Vielfachen der lambdahalbe-Frequenz Betrieb machen. Oberhalb von etwa 20MHz zeigt meistens der verwendete Ringkern (aus 43er-Material) und die Wicklungskapazität ihre Schwächen. Auf den oberen Bändern passt einfach die 1:49 nicht mehr und 1:36, 1:25 oder 1:16 usw. wäre ggf. besser, der Tuner könnte ein besseres Ergebnis schaffen, mehr Feldstärke aus der Anteene abstrahlen und weniger Verlustwärme im Tuner erzeugen. Sind verschiedene UNUNs durch Umschaltung verfügbar, fährt man besser.

9. wird fortgesetzt...gibt es Wunschthemen?

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