Einfache HF-Rauschbrücke zur Impedanzanalyse (Teil 3)

Hier der dritte Teil des Selbstbaus einer HF Rauschmessbrücke. Soweit erstmal fertig. Das Gehäuse aus Platinenmaterial ist zusammengebaut und darf auch gerne lackiert sein. Auch eine schöne Skala würde gut aussehen. Es fehlt lediglich eine 2,1 mm Hohlbuchse, die ist zur Zeit nicht lieferbar.

HF Rauschbrücke

HF Rauschbrücke

HF Rauschbrücke

HF Rauschbrücke

Schaltungsbeschreibung

Die Schaltung ist relativ einfach und schon vielfach in den letzten Jahrzehnten veröffentlicht. Immer leicht abgewandelt, so hat sie doch vier zentrale Elemente:

  1. Rauschquelle
    Die Zener-Diode hat von Natur aus bereits einen breitbandigen Eigenrauschpegel von etwa 40µV im Bereich von 10 bis 30 MHz, der hier mehrfach verstärkt werden soll.
  2. Verstärkerstufe
    Dieses breitbandige Rauschen wird über einen dreistufigen Verstärker gebildet durch Q1, Q2 und Q3 und seinen einfach dimensionierten Widerständen an den Auskoppeltrafo geführt. Die Hochfrequenz wird durch Koppelkondensatoren zwischen den einzelen Stufen weiter gereicht.
  3. Auskopplung
    Der Auskoppeltrafo Tr1 wurde auf einen Ringkern (eigentlich) trifilar mit 9 Windungen aus 0,5 mm Cu-Lackdraht gewickelt.
    Platine Koppeltrafo Montagehilfe

    Montagehilfe Trafo

    Dabei ist unbedingt auf eine saubere Symmetrie zu achten, damit die Messbrücke später nicht “schielt” und ein sauberes Brückennull erzeugt. Falls man dies im Abgleich später feststellt, so ist der Trafo noch einmal neu zu wickeln. Ich habe die drei Drähte nicht verdrillt, sondern zusammen parallel nebeneinander gewickelt. Dieser Trafo bestimmt auch die Lautstärke des Rauschsignals im Empfänger. Bei mir am Kenwood TS-870S erzeugt diese Schaltung von 160m – 10m fast durchgängig ein Signal von mind. S9+10 bis +40dB. Der Trafo wurde nach einem Vorschlag von Dipl.-Ing. Max Perner, DL7UMO aus einem Artikel der Zeitschrift Funkamateur 8/95 entnommen. Ebenso die kleine Platinenvorlage zum Verbinden der Drahtenden als Montage- und Verdrahtungshilfe. Hier oben im Bild.

  4. Messbrücke
    Um nur den Wirkwiderstand zu ermitteln reicht eigentlich das Potentiometer P1 aus. Um aber auch die Blindwiderstände zu auszuweisen, wurden die Kondensatoren C1 und C2 hinzugefügt. Ich habe sie in Parallelschaltung geschaltet, sie können aber auch genauso gut in Serie geschaltet werden. Dabei ist auf folgendes zu achten:P1 ist so zu wählen, dass 50 Ohm in einem weiten Bereich zu erreichen sind. Hier ist der Vorschlag 100 Ohm. Ich habe aber ein 250 Ohm Poti gewählt, dann kann man auch höhere Wirkwiderstände ermitteln. Mit dem Messobjekt (Antenne) eines 50 Ohm Systems befindet sich dann der Regler bei Brückennull (Rauschminimum) eben auch in der 50 Ohm Stellung. Höhere Werte für das Poti sind nicht zu empfehlen.C2 ist abhängig von C1. Er ist halb so groß, wie der Drehkondensator C1. Ich habe hier einen AM/FM-Drehko von etwa 265pF genommen. Danach habe ich dann den C2 ausgemessen und einen 122pF Keramikkondensator (Aufdruck 150pF) gefunden. Damit bekomme ich dann etwa auf der Hälfte des Regelbereiches die Nullstellung der Kondensatorbrücke.

Schaltplan

HF Rauschmessbrücke Schaltplan

HF Rauschmessbrücke Schaltplan

Das Gerät kann entweder über ein 12V-Netzteil oder einer 9V-Batterie mit Strom versorgt werden.

Abgleich

Der Messeingang ist mit einem 50 Ohm Widerstand kurzzuschließen. In der 50 Ohm-Stellung des Potentiometers R und Mittelstellung des Drehkondensators C ist auf allen Frequenzen ein Rauschminimum zu ermitteln. Hier sollte die Messbrücke im Gleichgewicht sein. Die Skalenwerte habe ich zunächst mit Multimetern ermittelt, grob eingestellt und dann nach obigem Abgleich fixiert. Die Voreinstellung war also schon ganz gut.

Bestimmen der Resonanzfrequenz von (50 Ohm-) Antennen

An der Messbuchse X schließt man nun eine Antenne an. Die Rauschbrücke sollte dabei direkt am Speisepunkt der Antenne angeschlossen werden. Da das in der Praxis in der Regel nicht möglich ist, behilft man sich hier mit einem 50 Ohm-Kabel, das auf der erwarteten Resonanzfrequenz die halben Wellenlänge oder ein Vielfaches davon aufweist. Damit wird dann der Fußpunktwiderstand im Speisepunkt zum anderen Ende des Kabels – meistens im Shack – transportiert.

In der Mittenstellung beider Regler, bzw. dort, wo 50 Ohm Wirkwiderstand R und Stellung 0 des Kondensators C ermittel wurde, wird nun das Rauschminimum im Empfänger ermittelt. Hier befindet sich dann die Resonanzfrequenz der Antenne. Sollte die Resonanzfrequenz nun außerhalb des gewünschten Amateurfunkbandes liegen oder möchte man die Antenne innerhalb eines Bandes auf eine gewünschte Resonanzfrequenz trimmen, so verfährt man wie im nächsten Absatz beschrieben.

Abstimmen von Antennen

Wenn man die Antenne auf eine gewünschte Frequenz abstimmen möchte, so wird der Empfänger auf die gewünschte Frequenz eingedreht. Mit der Rauschbrücke wird nun an beiden Reglern abwechselnd das Rauschminimum eingestellt. Optimalerweise sollte dies die zuvor ermittelte Mittenstellung der Regler sein (R=50, C=0).

Meine Bazooka für das 40m-Band z.B. zeigt am Ende des Kabels (ich weiß gar nicht wie lang es ist) einen Fußpunktwiderstand von 120 Ohm und eine induktive Reaktanz (XL). Dies bedeutet, dass die Antenne nicht gut angekoppelt ist und man könnte überlegen, ob man hier einen 1:2 Balun am Speisepunkt einfügt. Und es bedeutet, dass die Antenne noch zu lang ist. Bei der vorigen Messung habe ich die Resonanzfrequenz bei etwa 6490 kHz ermittelt, anstatt bei 7100 kHz. Natürlich kann ich erst eine sauberere Messung bekommen, wenn ich das Zuleitungskabel auf auf die halbe Wellenlänge getrimmt habe. Das wird auch die erste Aktion sein, sobald die Temperaturen es draußen wieder zulassen.
Erfahrungsgemäß soll ein solcher Dipol frei hängend in etwa ¼λ Höhe gespannt sein. Denn der Fußpunktwiderstand am Speisepunkt beträgt erst in dieser Höhe 50 Ohm. Das kann bei einem 80m-Dipol schon mal 20m sein.

Die Formel hierzu lautet:

\displaystyle \boxed{ L = \frac{150 \cdot V_{k} \cdot n}{f}}

wobei
150 = Wert der Lichtgeschwindigkeit (300) / 2
L = geometrische Länge in Meter [m]
Vk = Verkürzungsfaktor des verwendeten Antennenkabels (RG58, 213 = 0,663)
n = Multiplikator für das Vielfache der halben Wellenlänge
f = Frequenz in Megahertz [MHz]

Besipiel:

L = 150 * 0,663 * 1/ 7,0 = 14,207m
L = 150 * 0,663 * 1/ 7,1 = 14,007m
L = 150 * 0,663 * 1/ 7,2 = 13,813m

Ist diese Länge des Kabels nicht ausreichend, so errechnet man hiervon die Vielfache, um auf die gewünschte Länge zu kommen. Hier also bei 7,1 MHz 28,01m, 42,02m, 56,03m usw. Wenn die minimale Länge des Kabels 60m sein muss, so beträgt das nächste passende Vielfache 70,04m.

Um die Möglichkeit des Kürzens zu berücksichtigen, nimmt man statt des Verkürzungsfaktors von 0,663 einen höheren Wert, z.B. 0,7. Dann kann man immer noch etwas kürzen.

Merke:
C im XL-Bereich (induktive Reaktanz) = Antenne zu lang (L=zu Lang)
C im XC-Bereich (kapazitive Reaktanz) = Antenne zu kurz (C=zu Curz)

Halbwellenkabel

Natürlich kann man das Zuleitungskabel selbst auch mit der Rauschmessbrücke ausmessen und trimmen. Dazu hängt man das vermeintliche Halbwellenstück etwas über dem Boden ausgestreckt auf (ca. 1m) und schließt es am Ende kurz. Man dreht das R auf 0 Ohm, C in die 0-Stellung, und den Empfänger auf die zu erwartende Frequenz. Nun dreht man C solange, bis am Empfänger das Rauschen auf Minimum springt. Achtung, das Rauschminimum kann hier sehr schmal sein, vielleicht nur wenige 10 Hz.

Viertelwellenkabel

Man verfährt hier genauso, wie mit dem Ausmessen des Halbwellenkabels, jedoch lässt man hier das Ende offen und erhält somit Rauschminimum. In die Formel ist dann für die Lichtgeschwindigkeit der Wert 75 statt 150 einzusetzen.

Weitere Einsatzmöglichkeiten (nach DH3KH)

  • Messung von Schwingkreisen und somit
    • Berechnung von unbekannter Induktivität L (bei bekanntem C)
    • Berechnung von unbekannter Kapazität C (bei bekanntem L)
  • Messung von Anpassgliedern auch Matchbox-Tuning
  • Messung von Eingangswiderständen über den Messbereich der Rauschbrücke hinaus durch Kunstgriff möglich, z.B. über Lambda/4 Leitung oder zusätzlichem Ohmschen Widerstand, siehe hierzu Rothammel Anwendungsbeispiele Antennaskop.
  • Messung des Wellenwiderstandes von Speiseleitungen.

Abschließend

NIE die Sendetaste drücken, solange die Rauschbrücke am Antenneneingang angeschlossen ist. Dies führt unweigerlich zur Zerstörung der Rauschbrücke und ist für den Sender ebenfalls nicht gesund!

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