Antennes meten met Leader LDM-815 Dipmeter

Een zelfbouw antenne impedantie meetbrug

Uitbreiding op de Leader LDM-815 of zelfbouw dipmeter

RF Impedantie brug

Uitbreiding op de (zelfbouw) dipmeter

Hoewel de dip meter in de professionele werkplaats vervangen is door instrumenten als spectrum analysers, RLC meetbruggen en SWR Analysers, is de dipmeter  nog steeds een onmisbaar instrument in de radio shack. Want wie kan er voor zijn hobby honderden Euro´s besteden aan een SWR analyser? Daarom zijn dipmeters een gewild artikel op de tweedehands markt en heeft MFJ nog steeds dipmeters in het assortiment naast het SWR analyser geweld.

Antennes en coax stubs dippen

Toch is het gebruik van de dipmeter niet altijd even makkelijk. Zo lukt het mij bijvoorbeeld niet altijd om de resonantie frequentie van antennes nauwkeurig te bepalen met een dipmeter. De dip is meestal heel zwak en moeilijk waarneembaar. Hetzelfde probleem heb ik bij het meten van de resonantiefrequentie van een ¼ golf coax stub, vooral bij de lagere frequenties. De traditionele manier om dat te meten, is door de dipmeter met de antenne of coax kabel te koppelen via een koppel spoel van 1 à 3 windingen.

Antennes en coax dippen volgens de handleiding van de dipmeter..

Nadeel is dat je met deze methode niet de resonantiefrequentie van de antenne of coax meet, maar die van de combinatie antenne/ koppelspoel of coax/ koppelspoel. Vooral op de hogere frequentie gebieden (VHF) is deze invloed duidelijk merkbaar en kan een afwijking geven van dik 10%.

Koppelspoel met 3 windingen – Veel invloed op gemeten frequentie.

Koppelspoel met 1 winding – Erg zwakke ´dip´.

Coax dippen met koppelspoel.

SWR Analysers als die van MFJ en Autek gebruiken hiervoor een meetbrug en een instelbare RF signaal generator. Zou het mogelijk zijn om met de dipmeter als signaal generator een dergelijke meetbrug aan te sturen?

Leader LIM-870 impedantiemeter en LDM-815 dipmeter.

Het antwoord is "Ja".  Sterker nog, ik heb dit niet zelf bedacht. Bij mijn dipmeter (een Leader LDM-815) heb ik een RF impedantie meetbrug; de Leader LIM-870. Met deze meetbrug is het mogelijk om de impedantie te bepalen van een willekeurige belasting bij een bepaalde frequentie. Andersom, kan de LIM-870 ook ingesteld worden op een vaste impedantie (bijvoorbeeld 50 Ohm), waarna met de dipmeter de frequentie gezocht wordt waarop Zx gelijk is aan de ingestelde impedantie. Het is een brug van Wheatstone, waarin niet een variabele weerstand maar een variabele condensator gebruikt wordt. Een meetinstrument geeft de mate van onbalans weer. Het is de bedoeling de meetbrug met de dipmeter van een hoogfrequent signaal te voorzien ter excitatie. De te meten antenne wordt aangesloten op de meetklemmen en de brug wordt met de variabele condensator in evenwicht gebracht. Helaas is de gevonden ‘dip’ doorgaans heel breed bij frequenties boven de 100 MHz. De impedantie is dus slechts bij benadering vast te stellen. Eenmaal bepaald, kan de impedantie direct omgerekend worden naar een waarde voor de staande golf verhouding.

De RF brug uit de LIM-870.

Nu is er nog een nadeel; Deze LIM-870 is nog slechter te verkrijgen dan een dipmeter. Net als voor de dipmeter is zelfbouw dan ook een aantrekkelijke optie.

Klakkeloos nabouwen van de LIM-870 is moeilijk, vooral vanwege de toepassing van een speciale variabele condensator. In de midden positie hebben beide helften van de condensator dezelfde waarde. Door de rotor uit het midden te draaien, is neemt de ene condensator in waarde toe, terwijl de ander afneemt. Maar ook omdat de werking van het origineel niet optimaal is boven de 100 MHz is nabouw niet aantrekkelijk. Is er niet een andere oplossing?

SWR Analysers werken met een meetbrug en gebruiken elektronica om de gemeten waarden om te rekenen naar SWR en impedantie. De variabele condensatoren uit de LIM-870 brug zijn hierin vervangen door vaste weerstanden. In analysers als die van Autek en MFJ wordt een 50 Ohm brug gebruikt (blauw getekend in het schema). Voor het berekenen van de eigenschappen van Zx worden 3 elektrische spanningen gemeten. U1 (het groene circuit) is de spanning op de vaste helft van de brug. U2 (in rood) is een maat voor de onbalans van de brug en dus voor het verschil tussen Zx en de 50Ω referentie. Helaas is met alleen U1 en U2 niet te bepalen of Zx groter of kleiner is dan de referentie. Hiervoor is een derde spanning nodig: U3 (In geel) is een maat voor de absolute grootte van Zx. Uit U1, U2 en U3 laat zich de SWR en de complexe waarde van Zx bepalen. De enige onbekende blijft de waarde van het complexe deel van Zx. Is Zx capacitief of Inductief? Dát laat zich bepalen door de frequentie te veranderen. Als Zx toeneemt met de frequentie, dan is Zx inductief. Neemt Zx af, dan is deze capacitief.

Bij metingen aan systemen anders dan 50 ohm, zorgt de elektronica voor het omrekenen van de meetwaarden van een  50 naar bijvoorbeeld 300 Ohm systeem.

Een RF brug uit een SWR analyser.

Indien alleen het bepalen van de resonantie frequentie van de antenne van belang is dan kan een vereenvoudigde brug toegepast worden. Een brug met een enkele indicatie voor de SWR van de antenne. We gebruiken alleen het blauwe deel (de brug) en het rode deel (U2) van het schema.

Voordelen van de vereenvoudigde brug: De dip op de resonantie frequentie is veel dieper (van volle schaaluitslag naar nul bij een antenne die 1:1 loopt!) en de invloed van de koppelspoel op de meting is geheel verdwenen.

Nadelen zijn er ook. Door het ontbreken van U1 is het nodig om de SWR meter telkens te kalibreren op de meet frequentie en wordt niet meer gecorrigeerd voor invloed van Zx op de excitatie spanning. Omdat U3 ook ontbreekt, is niet meer te bepalen of Zx groter of kleiner is dan 50 Ohm.

RF uitgang op Dipmeter

Als RF bron gebruik ik de frequentieteller uitgang van de dipmeter. Deze uitgang is op de meeste dipmeters niet standaard aanwezig. In de RAM heeft al eens een ontwerp gestaan om een dergelijke uitgang op de dipmeter te maken, of zelfs de gehele dipmeter zelf te bouwen. Toch wil ik hier een ander – iets gecompliceerder - schema voorstellen. De hoogfrequent buffer bestaat uit een dual gate MOSFET die de LC kring in de dipmeter zo min mogelijk belast. Deze wordt gevolgd door een bipolaire transistor, die het uitgangsvermogen nog wat verhoogt. Dat uitgangsvermogen bedraagt hooguit een paar milliwatt. Dit is echter al voldoende om een RF impedantie meet brug aan te sturen.

Nu is het zo dat de oscillator van de dipmeter maar 1mA stroom verbruikt, terwijl de versterker voor de frequentieteller uitgang wel 10mA trekt! Ik heb daarom een kleine schakeling gebouwd die de versterker alleen aan schakelt, als er een belastingsweerstand op de uitgang aangesloten is. Is de uitgang niet belast, dan schakelt de versterker uit en spaart zo de (dure) batterij in de dipmeter. De hele aan/ uit schakeling bestaat uit niet veel meer dan een enkele transistor BC-557. Met de 50k instel potmeter wordt een zo hoog mogelijke –vervorming vrije- uitgangsspanning ingesteld. De waarde van de 27k weerstand is zo gekozen dat de spanning op de collector van de BF-199 op ongeveer de halve voedingsspanning ligt. De benodigde waarde is afhankelijk van de versterking van de gebruikte transistor.

RF uitgang voor een dipmeter.

Buffer in de LDM-815 gebouwd

LET OP: In de versterker op de foto maak ik gebruik van een transistor met andere aansluiting dan de BF199. De BF199 moet als volgt aangesloten worden:

Hoogfrequent brug

De hoogfrequent brug bestaat uit een 3-tal 50 Ohm weerstanden en een aansluiting voor de antenne. De brug is in balans als de aangesloten antenne een weerstand (Zx) heeft van precies 50 Ohm. De spanning op het knooppunt R1/R2 is dan gelijk van grootte en fase aan die op knooppunt R3/Zx. De detector die tussen deze twee knooppunten zit (D1), geeft een spanning af van 0 Volt (DC). Bij elke andere waarde van Rx is de brug uit balans wat resulteert in een spanning groter dan 0 Volt van de detector. De 50 Ohm weerstanden worden steeds gevormd door twee 100 Ohm 1% SMD weerstanden parallel te schakelen.

Schema RF Impedantie brug

TL082

Als detector gebruik ik een germanium puntcontact diode AA116. Hoewel de RF spanning ruim onder de drempelwaarde blijft van de diode (200mV), geeft de detector toch een gelijkspanning af als de brug in onbalans is. De diode opereert in het niet-lineaire gebied rond de 0 Volt. Omdat de weerstand van de diode in doorlaatrichting toch iets lager is dan die in sperrichting, geeft de detector ook een gelijkspanning af als de RF piekspanning onder 200mV blijft! Shottky dioden voldoen in deze opstelling minder dan de oude vertrouwde germanium diode.

De DC spanning ligt in de orde van grootte van 50 millivolt bij maximale onbalans (Zx is open of kortsluiting) en kan niet zwaar belast worden. Een OPAMP TL-082 buffert de detector spanning en versterkt deze voldoende om een 300mV VU meter vol uit te sturen (7,8x). De TL-082 bevat twee OPAMPs in een behuizing. De ene OPAMP verzorgt de virtuele aarde, die op precies de helft van de voedingsspanning ligt. De andere OPAMP is geschakeld als niet-inverterende gelijkspanningsversterker. De versterkingsfactor wordt bepaald door de verhouding tussen de twee weerstanden; A = 1 + (R7/R6).

De mate van onbalans van de meetbrug is een maat voor de impedantie Zx en dus ook voor de staande golf verhouding (SWR) van de antenne. De meter kan van een schaal met SWR waarden voorzien worden. Het meest betrouwbaar is de aangegeven waarde onder de SWR 1:2,0. Waarden hoger dan 1:3,0 zijn slechts te beschouwen als een grove indicatie van de ware SWR. Door de relatief hoge uitgangsimpedantie van de RF versterker in de dipmeter is de absolute nauwkeurigheid van de meting daar niet groot. In de grafiek is dit mooi te zien. De grafiek geeft de gemeten SWR en de theoretische waarde (SWR Ref) weer als functie van een reële Zx, bij een frequentie van 10 MHz.

Tolerantie van de SWR meter aanwijzing bij verschillende waarden voor Zx.

Afsluit weerstanden van verschillende waarden.

Bouwen

De gelijkspanningsversterker rond een TL082 dual OPAMP wordt opgebouwd op een stukje gaatjesprint. Gezien het relatief kleine aantal onderdelen is dat gemakkelijk te doen. De elektronica vindt een plaats achter de schaal van de VU meter. Gebruik een IC voetje voor de OPAMP, zodat deze niet beschadigd wordt tijdens het solderen. De ontkoppelcondensator moet dicht bij de voedingsspanning aansluiting van de OPAMP geplaatst worden. Verder is de opbouw niet kritisch.

DC Versterker achterop de VU meter.

Test de schakeling door de voedingsspanning aan te sluiten. De VU meter moet nauwelijks uitslaan als er op de ingang geen signaal aanwezig is. Bij een ingangssignaal van rond de 40 mV zal de VU meter volledig uitslaan. Pas de vesterkingsfactor van de OPAMP aan indien dit niet het geval is.

De printplaat met versterker, VU meter, 9 Volt batterij en RF meetbrug passen precies in een behuizing van 25 x 65 x 90mm. De behuizing van het prototype is een hergebruikte behuizing van aluminium, maar natuurlijk voldoet ook een nieuw doosje, of een behuizing gemaakt van printplaat.

De RF meetbrug wordt opgebouwd rond de twee BNC chassisdelen. Deze worden eerst gemonteerd op de deksel van de behuizing. Pas daarna wordt de RF meetbrug opgebouwd. Bij het prototype bedraagt de afstand tussen de twee BNC bussen 25mm, maar dit is niet kritisch. Verwijder overtollig teflon van de bussen en kort de middencontacten in tot ze circa 3mm uitsteken. Tussen deze twee BNC bussen gaan we een RF Impedantie meetbrug opbouwen op een stukje dubbelzijdig epoxy printplaat van 15 diep, 40mm breed en 1,5mm dik. De printplaat eerst op maat maken, zodat de deze aan de twee BNC bussen vast gesoldeerd kan worden. Het koperpatroon gaan we met een scherp Stanley mesje uitsnijden. Maak een 3mm breed spoor vrij tussen de twee middencontacten van de BNC bussen. Dit geeft een stripline met een impedantie van ongeveer 50 Ohm. Heel kritisch komt dat niet; de grootste afmeting is veel kleiner dan de golflengte op de hoogste frequentie.

Soldeer de strip nu vast aan de bussen. De massa van de bussen moet zowel aan de boven als onderzijde van de printplaat vast gesoldeerd worden. De rest van het patroon maken we al solderende op maat. Voor de meetbrug gebruik ik SMD onderdelen. Vanwege de geringe afmetingen hebben deze onderdelen doorgaans prima eigenschappen op VHF en UHF. De brug is met deze op bouw geschikt tot zo´n 500MHz.

Verbind allereerst de onder en bovenzijde van de printplaat met elkaar met een stukje koper folie aan beide korte zijden.

Onderbreek het 3mm dikke spoor vlak bij de rechter BNC bus. Plaats twee 100 Ohm SMD weerstandjes over de onderbreking. Samen vormen deze weerstanden R3. Maak een montage eiland vrij naast de stripline. Dit dient als steunpunt voor het knooppunt R1/R2. Zowel R1, R2 als R3 worden gevormd door twee parallel geschakelde weerstanden van 100 Ohm. Bij R1 en R3 worden deze weerstanden naast elkaar en bij R2 bovenop elkaar geplaatst vanwege ruimtegebrek. R2 is de referentie waaraan de antenne gespiegeld wordt. Om deze weerstand van een goede verbinding met massa te voorzien is nabij deze weerstand wederom een koperfolie aangebracht tussen de boven- en de onder-zijde van de printplaat. Meet na plaatsing van elk onderdeel door of er ongewenste verbinding zijn ontstaan. Maak de 3 resterende eilandjes en soldeer de twee 470p condensatoren, de twee 10k Ohm weerstanden en de 1n condensator. De Germanium diode komt zwevend bovenop de SMD onderdelen. Buig de pootjes voorzichtig om, de glazen behuizing barst vrij snel.

Printlayout en componenten opstelling.

Twee BNC bussen op de frontplaat.

RF Impedantie brug. Begin met het plaatsen van R3.

Ook R1 vind een plaatsje op de printplaat.

R2 Dient als referentie voor Zx. Zorg voor een goede verbinding met massa.

De twee 470p condensatoren (roze, zonder opschrift).

RF Impedantie brug gereed.

Schaalverdeling

Tot slot, wordt de VU meter van een nieuwe schaal voorzien. De schaal in de tabel geeft de staande golf verhouding aan van de antenne. De schaalverdeling redelijk nauwkeurig in het gebied van 1:1 tot 1:3. Daarboven neemt de nauwkeurigheid snel af.

In de tabel is aanwijzing 1,00 de volle schaal uitslag van de VU meter, en 0,00 de aanwijzing van de meter zonder dat de dipmeter aangesloten is. Door de offset spanning van de OPAMP kan deze laatste waarde iets afwijken van de mechanische ´0´ van de meter.

Gebruik

Uw nieuwe aanwinst, is stelt U in staat om de volgende metingen te verrichten. Zelfstandig of in combinatie met een dipmeter:

·         Werkfrequentie bepalen van antenne.

·         Staande golf verhouding bepalen van een antenne.

·         De resonantie frequentie van een stuk coax kabel bepalen.

·         Bepalen van verkortingsfactor van voedingslijnen

·         Relatieve veldsterktemeting

Denk tijdens het gebruik van de SWR meetbrug aan de invloed van sterke signalen op de meting. Als andere antennes in de buurt van de te meten antenne gebruikt worden om te zenden, kan dit de meting nadelig beïnvloeden.

De SWR meter in gebruik als veldsterktemeter

PE2ER.nl