Hf-Leistungsmesser
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Ein Hf-Leistungsmesser oder Hf-Leistungsmessgerät (engl. RF Power Meter) ist ein Messgerät, mit dem die auf einer Leitung fliessende oder an einem Abschlusswiderstand anstehende Hochfrequenz-Leistung gemessen werden kann.
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1. Grundlagen
In der Elektrotechnik wird die Leistung üblicherweise als das Produkt der gemessenen Spannung und des gemessenen Stroms berechnet:
P = U x I (für Gleichstrom) bzw.
P = 0,5 x Uo x Io x cos(phi) = Ueff x Ieff x cos (phi) für Wechselstrom.
In der Hochfrequenztechnik ist diese Form der Leistungsbestimmung meist nicht durchführbar. Insbesondere macht die Messung des Hf-Stroms und der Phasenverschiebung zwischen Spannung und Strom bei höheren Frequenzen Schwierigkeiten. Statt dessen wird die (Wirk-) Leistung häufig über die Messung einer einzigen elektrischen Grösse (z. B. Spannung) und entsprechender Berechnung und Kalibrierung ermittelt. Des weiteren werden Leistungsmessungen hier meist nur an einem definierten Abschlusswiderstand (z.B. 50 Ohm) oder an einer entsprechend angepassten Last durchgeführt.
2. Ausführungsformen von Hf-Leistungsmessgeräten
Hf-Leistungsmessgeräte lassen sich in zwei Kategorien einteilen, Endleistungs-Messgeräte und Durchgangsleistungs-Messgeräte.
2.1. Endleistungs-Messgeräte
Endleistungs-Messgeräte bestehen aus einem Abschluss-Widerstand für die Hf-Quelle bzw. für die dazwischen geschaltete Übertragungsleitung und einem elektrischen Wandler (z.B. Dioden-Gleichrichter oder Thermo-Umformer), der ein Gleichspannungs-Signal für die Anzeige erzeugt. Das eingespeiste Hf-Signal wird im Endleistungs-Messgerät "verbraucht", d.h. in Wärme umgewandelt. Zur Messung grösserer Leistungen ist daher ein Leistungs-Abschlusswiderstand oder Leistungs-Dämpfungsglied Teil des Messgerätes.
2.2. Durchgangsleistungs-Messgeräte
Durchgangsleistungs-Messgeräte entnehmen einer Leitung, die zwischen Quelle und Verbraucher geschaltet ist, nur einen sehr kleinen Teil der Leistung, der dann zur Anzeige gebracht wird. Sie dienen daher hauptsächlich zur Überwachung der Leistungs-Übertragung von einer Hf-Quelle (z.B. Sender) zu einem Verbraucher (z.B. Antenne), ohne diese Übertragung wesentlich zu beeinflussen. Hierfür ist ein Koppelelement nötig, welches einen kleinen Teil der Leistung ohne Beeinflussung der Leitung auskoppelt. Als Koppelelemente werden Richtkoppler, kapazitive Spannungsteiler und induktive Koppelschleifen verwendet. Am Ausgang des Koppelelementes ist dann ein Endleistungs-Messgerät für kleine Leistungen nach 2.1. angeschlossen.
Richtkoppler haben neben der Kopplungs-Eigenschaft noch die weitere Eigenschaft, die auf einer Leitung fliessende Leistung nur in einer Richtung auszukoppeln. Daher kann mit ihnen die vorlaufende und rücklaufende Leistung an einer (evtl. fehlangepassten) Last getrennt gemessen werden. Dazu muss entweder der Richtkoppler für die Rücklauf-Leistung umgedreht werden, oder es müssen zwei Richtkoppler mit entgegengesetzter Kopplung hintereinander geschaltet werden. In einem sogenannten Stehwellenmessgerät sind zwei Richtkoppler in dieser Anordnung mit entsprechenden Endleistungs-Messgeräten kleiner Leistung kombiniert. Solche Geräte werden häufig auch als "Leistungsmesser" (Power Meter) angeboten.
3. Mess-Wandler
3.1. Dioden-Gleichrichter
Der am häufigsten verwendete Messwandler zur Umwandlung der Hf-Leistung in eine Gleichspannung zur Anzeige ist der Dioden-Gleichrichter. Eine Halbleiter-Diode (in früheren Zeiten auch eine Röhren-Diode) richtet die an einem Abschluss-Widerstand anstehende Hf-Spannung gleich. Bei genügend grossem Ladekondensator auf der Gleichspannungseite und hochohmigem Messgerät lädt sich dieser ungefähr auf den Scheitelwert der Wechselspannung auf. Bei geringen Ansprüchen an die Messgenauigkeit kann hieraus bereits die Hf-Leistung berechnet werden. Die Grösse des Ladekondensators (bzw. der Zeitkonstanten aus Lade-Kondensator und Gleichstrom-Abschluss) bestimmt auch, ob der Momentanwert der Hf-Spannung, der Mittelwert bei Amplitudenmodulation oder der Spitzenwert (PEP) angezeigt wird.
Bei Gleichspannungs-Ankopplung der Diode an den Abschlusswiderstand ergibt sich keine untere Grenzfrequenz, dafür muss die davor liegende Schaltung eine Gleichspannung an der Diode tolerieren. Ein Koppelkondensator beseitigt dieses Problem, erzeugt aber eine untere Grenzfrequenz. Es existieren auch Dioden-Gleichrichter mit einem Drossel-Eingang, die auch ohne ohmschen Widerstand in einem gewissen Frequenzbereich eine "hinreichende" Anpassung erzielen.
Leider haben die meisten Dioden auch bei höheren Spannungen einen "Richtwirkungsgrad" < 1 , so dass dieser in die Berechnung mit einfliessen muss oder eine Kalibrierung mit einem geeichten Messgerät erforderlich ist. Weiterhin erzeugt die Dioden-Kapazität eine Frequenzabhängigkeit, die eine Kalibrierung erforderlich macht.
Die Kennlinie einer Halbleiter-Diode ist im Durchlass-Bereich nur für grosse Spannungen (U > 1V) linear, für kleinere Spannungen dagegen quadratisch. Daher lassen sich mit einfachen Mitteln nur Hf-Gleichrichter für kleine Spannungen (<1V) oder für grosse Spannungen (ca. 1...50V) realisieren, ohne eine spannungs-/leistungs-abhängige Kalibriertabelle vorhalten zu müssen.
Um bei kleinen Spannungen einen möglichst grossen Teil des quadratischen Bereichs einer Diode ausnutzen zu können, wird an diese häufig ein logarithmischer Gleichspannungs-Messverstärker angeschlossen. Auf diese Weise lässt sich eine lineare dB-Skala realisieren.
Zur Lösung des Kennlinien-Problems werden in moderneren Messgeräten Vergleichsschaltungen (Komparatoren) eingesetzt. Die Hf-Gleichrichter-Spannung wird mit einem Dioden-Gleichrichter verglichen, der mit einer bekannten variablen Spannung niedriger Frequenz gespeist wird. Bei Gleichheit der Spannungen wird die bekannte Nf-Spannung angezeigt. Beispiele dafür sind die von der Firma Rohde & Schwarz hergestellten Hf-Spannungs-/Leistungs-Messgeräte URV, URV-2, URV-3, URV-4, URV-5/NRV-5.
Die Kompensation der Frequenzabhängigkeit von Dioden-Gleichrichtern lässt sich nur mit einer Kalibriertabelle verwirklichen. In modernen Messgeräten (z.B. R&S URV-5/NRV-5, NRP; HP/Agilent 4416...4419) kann über die Frontplatte oder das Rechner-Interface eine Frequenz eingegeben werden, die einen entsprechenden Wert der in einem ROM abgelegten Kalibrier-Tabelle aufruft. Die Kalibrier-Tabellen, die in jeden Messkopf individuell eingebaut werden, ermöglichen auch eine Kompensation von Dioden-Streuungen und amplitudenabhängigen Kennlinien und bieten damit deutlich erhöhte Messgenauigkeiten.
In modernen Geräten werden auch weitere Massnahmen zur Vergrösserung des Messbereichs (Messdynamik) eingesetzt, wie z.B. Gleichrichter-Schaltungen mit mehreren hintereinandergeschalteten Dioden für höhere Spannungen oder parallele Dioden-Gleichrichter für unterschiedliche Amplituden-Bereiche.
Die Vorteile von Dioden-Messköpfen liegen in der hohen Empfindlichkeit (bis -70dBm) und bei modernen Mehr-Dioden-Köpfen in dem sehr grossen Dynamik-Bereich. Dagegen sind sie nicht geeignet für die Messung nicht-sinusförmiger Signale (z.B. bei Puls-Modulation) und starkem Oberwellen-Gehalt.
3.2. Logarithmischer Verstärker/Detektor
Die Messdynamik eines Dioden-Gleichrichters mit nachfolgendem logarithmischen Gleichspannungsverstärker kann noch deutlich übertroffen werden durch eine Schaltung, die näherungsweise einem logarithmischen Hf-Verstärker mit nachfolgendem Gleichrichter entspricht. In der Realität besteht diese aus einer grösseren Anzahl von hintereinander geschalteten linearen Hf-Verstärkern, wobei am Ausgang jedes Verstärkers ein Dioden-Detektor sitzt. Die einzelnen Verstärkerstufen gehen bei steigender Eingangs-Amplitude von hinten an nacheinander in Begrenzung. Die Gleichspannungssignale der Detektoren werden über ein Widerstands-Netzwerk so addiert, dass die Ausgangsspannung näherungsweise logarithmisch der Eingangsamplitude folgt und eine dB-lineare Anzeige möglich ist.
Solche Schaltungen wurden zuerst in den Zf-Verstärkern von Spektrum-Analysatoren und Radar-Empfängern eingesetzt. Mit diskreten Bauelementen war es nur in engen Frequenzbereichen möglich, die dB-Linearitätsanforderungen zu erfüllen. Heute sind jedoch hochintegrierte Analogschaltungen auf dem Markt, die bei einer Messdynamik von 60 - 90 dB sehr grosse Frequenzbereiche abdecken und dazu noch erheblich preiswerter sind als die früheren diskret aufgebauten Schaltungen. Mit diesen lassen sich auf einfache Weise Kleinleistungs-Messgeräte mit grossem Dynamik-Bereich und grossem Frequenzbereich aufbauen. Beispiele für solche ICs sind die Analog-Device-Typen AD8307 (P= -75...+17dBm, f=0,1...500MHz) und AD8317 (P= -55 ...+5dBm, f=1 - 8000 MHz).
3.3. Thermische Umformer
Wenn ein Hf-Strom durch einen ohmschen Widerstand fliesst, so wird dieser erwärmt, und der Temperaturanstieg kann als Mass für die eingespeiste Hf-Leistung verwendet werden. Der Vorteil der thermischen Leistungs-Sensoren liegt in der prinzipbedingten Messung der wahren Wirkleistung unabhängig von Kurvenform (nicht-sinusförmige Signale), Modulation (insbes. AM und Puls-Modulation) und Oberwellengehalt.
Nach diesem Messprinzip arbeiten zwei Typen von thermoelektrischen Sensoren. Beim ersten Typ ändert sich der Widerstandswert des von der Hf durchflossenen Widerstandes mit der Temperatur, und dieser wird mit einer Gleichspannungs-Messbrücke gemessen. Solche Messgeräte werden i.a. Bolometer genannt. Beim zweiten Typ erwärmt sich ein (temperaturunabhängiger) Abschlusswiderstand, und dessen Temperaturerhöhung wird mit einem separaten thermoelektrischen Wandler, typisch mit einem Thermoelement, gemessen. Daneben gibt es für grosse Leistungen noch eine Abart des zweiten Typs, die kalorimetrische Messung. Hier wird die gesamte thermische Leistung des Abschlusswiderstandes in einem nach aussen abgeschlossenen Flüssigkeitsbad über die Temperaturerhöhung bestimmt. Solche Verfahren kommen in Kalibrier-Instituten als Primär-Normale zur Anwendung, ausserdem bei der direkten Leistungsmessung an grossen Sendern.
3.3.1. Bolometer
Bolometer sind der ältere Typ von thermischen Leistungsmessern, sie sind heute weitgehend durch den zweiten Typ des thermoelektrischen Wandlers ersetzt worden. Der Bolometer-Sensor besteht aus einem i.a. sehr kleinen temperaturabhängigen Widerstand. Die meistens benutzte Ausführungsform benutzt einen Halbleiter-Widerstand mit stark negativem Temperaturkoeffizienten, der Thermistor genannt wird. Daneben gibt es noch die sog. Baretter, Metalldrähte mit positivem Temperaturkoeffizienten (z.B. dünne Platin-Drähte).
Die Widerstandsmessung erfolgt in einer automatisch abgeglichenen Messbrücke, in der der Thermistor mit einem variablen Gleichstrom so versorgt wird, dass die zugeführte Gleichstrom-Leistung genau die Hf-Leistung kompensiert. Dadurch wird die Leistungsmessung auf eine Gleichstrommessung zurückgeführt. Bei moderneren Thermistor-Messköpfen wird eine zweite gleichartige Brücke zur Temperatur-Kompensation benutzt und die Differenz der beiden Brückensignale ausgewertet. Dieses Verfahren besitzt eine hohe Genauigkeit und Langzeit-Stabilität, dafür sind Messbereich und Messdynamik sehr klein. Typisch liegt die Dynamik bei etwa 20 ... 30 dB, die maximale Eingangsleistung bei 0 ... 10 dBm.
Thermistor-Sensoren boten erstmals die Möglichkeit, Leistungen im Mikrowellenbereich in Hohlleitern zu messen. Dazu wurde eine sehr kleine Thermistor-Pille an dünnen Drähten vor einem Viertelwellen-Kurzschluss im Hohlleiter gehaltert. Problematisch ist hier wie auch bei koaxialen Ausführungen die Anpassung über einen grossen Frequenzbereich, da Hf- und Gleichstrom-Anforderungen im selben Bauelement erfüllt sein müssen. Ausserdem sind diese Messköpfe empfindlich gegen stärkere mechanische Belastungen und Ausbrennen durch elektrische Überlastung.
3.3.2 Thermoelektrische Wandler (engl. Thermocouple Sensor)
Bei der moderneren thermoelektrischen Messmethode sind der Hf-Abschluss-Widerstand und die Temperaturmessung voneinander getrennt, so dass insbesondere der Hf-Abschluss auf minimale Reflexion optimiert werden kann. Zusammen mit den heutigen Möglichkeiten der Miniaturisierung (Dünnschicht-Technik) können gut angepasste Abschlusswiderstände bis weit über 50 GHz realisiert werden. Die Temperaturmessung geschieht durch ein Thermo-Element, welches nur thermisch mit dem Abschlusswiderstand verbunden sein muss. Die Ausgangsspannung des Thermo-Elements ist in weiten Bereichen proportional zur Hf-Eingangsleistung. Allerdings ist sie so klein (typisch 160 nV/uW), dass eine driftarme Verstärkung nur mit Zerhacker-Verstärkern möglich ist. In älteren thermoelektrischen Messgeräten werden auch temperaturabhängige Widerstände in Brückenschaltung zur Temperaturmessung am Abschlusswiderstand verwendet (z.B. R&S-NRS).
Der thermoelektrische Wandler-Typ bietet neben optimalen Anpassungsbedingungen einen hohen Dynamik-Bereich sowie Robustheit gegen Überlastung und mechanische Einflüsse. In modernen Messgeräten besitzen die thermischen Sensoren ebenso wie die Dioden-Sensoren eingebaute Kalibrier-Tabellen (ROM) zur Kompensation von Frequenzabhängigkeiten und Nichtlinearitäten.
4. Beispiele von Hf-Leistungsmessgeräten
4.1 Endleistungs-Messgeräte
Endleistungs-Messgeräte für höhere Leistungen bestehen aus einem Abschlusswiderstand entsprechender Leistung, einem einfachen Dioden-Gleichrichter und einem Anzeige-Instrument, welches entsprechend der Diodenkennlinie in W oder dBm kalibriert ist. Beispiele für kommerzielle Geräte sind das NRA von Rohde&Schwarz sowie ähnliche Geräte von BIRD.
Natürlich lassen sich auch Endleistungs-Messgeräte kleiner Leistung durch Vorschalten eines kalibrierten Leistungs-Dämpfungsgliedes für die Messung grosser Leistungen verwenden. Durchgangsleistungs-Messgeräte mit Richtkopplern oder kapazitiven Spannungsteilern (z.B. R&S-URV) lassen sich mit einem Leistungs-Abschlusswiderstand am Ausgang ebenfalls als Endleistungs-Messgeräte betreiben.
Typische Geräte für kleine Leistungen wurden und werden z.B. von den Firmen HP (Hewlett-Packard, seit 2000 Agilent) und R&S (Rohde & Schwarz) hergestellt. Ein sehr bekanntes älteres Messgerät für Koaxial- und Hohlleiter-Thermistor-Messköpfe ist das HP-432A. Es wurde ab ca. 1970 hergestellt und bot erstmalig eine Temperaturkompensation der Thermistor-Brückenschaltung. Da es wegen seiner Stabilität und Genauigkeit insbesondere in Kalibrier-Labors sehr beliebt war, wurde es bis 2001 hergestellt. Es ersetzte ein älteres Gerät (HP-430) aus den fünfziger/sechziger Jahren, welches nur mit unkompensierten Thermistor-Messköpfen arbeitete.
Der grösste Fortschritt wurde jedoch durch die Einführung thermoelektrischer Messköpfe erreicht. Eines der ersten bekannten Geräte dieses Typs war im Jahre 1973 das HP-435A, ein analog anzeigendes Gerät, welches mit thermischen Messköpfen der Serie HP-848x arbeitet (z.B. HP-8481A, 10MHz-18GHz, -30...+20dBm). In den Folgejahren bis 1989 wurden mehrere digital anzeigende Geräte mit HP-IB (GPIB) entwickelt, die mit den gleichen Messköpfen arbeiten (HP-436A, HP-438A, HP-437B) und sehr lange im Lieferprogramm waren. Auch neueste Geräte (HP/Agilent E4416...E4419) können an diese Köpfe angeschlossen werden. In die 848x-Serie wurden später auch Dioden-Messköpfe aufgenommen, die eine höhere Empfindlichkeit bieten (-70...-20dBm) und kompatibel mit den thermischen Messköpfen sind. Neueste Geräte verwenden Messköpfe mit Kalibriertabellen und teilweise auch Impuls-Messmöglichkeiten.
Auch R&S stellte ab ca. 1970 ein modernes thermisches Leistungs-Messgerät für den Hf- und Mikrowellen-Bereich her (NRS). Später wurde dieses durch die digitale Geräteserie URV-5, NRV-5, NRVS, NRVD ersetzt. Diese arbeiten wahlweise mit thermischen oder Dioden-Messköpfen, wobei jeder Messkopf eine eigene ROM-Kalibriertabelle enthält. Weiterhin können diese Geräte mit Dioden-Durchgangsköpfen arbeiten, wie sie später für die URV-Serie beschrieben werden. Modernste Geräte (NRP) können ausser mit thermischen und Dioden-Köpfen auch mit Sampling-Köpfen verwendet werden, die eine zeitliche Impuls-Auflösung für impulsmodulierte und digitale Modulationsformen (Mobilfunk) gestatten.
4.2. Durchgangsleistungs-Messgeräte
Für den Kurzwellen- und VHF/UHF-Bereich wird auf dem Amateurfunkmarkt eine grosse Anzahl von einfachen Durchgangsleistungs-Messgeräten angeboten, die meistens aus zwei Richtkopplern, zwei Dioden-Gleichrichtern und einem meist analogen Anzeigeinstrument bestehen und auch als Stehwellenmessgerät benannt und verwendet werden. Sie benötigen keine Stromversorgung. Die Leistungs-Messbereiche reichen von einigen W bis zu einigen 100W, wobei wegen der nichtlinearen Dioden-Kennlinien für jeden Messbereich eine eigen Skala vorgesehen ist. Die Anzeige ist nur in beschränkten Frequenzbereichen frequenzunabhängig, was durch entsprechende Beschaltung der Dioden-Detektoren, bei teuereren Geräten auch durch entsprechende Richtkoppler erreicht wird.
Auch im kommerziellen Bereich gibt es eine Reihe von bekannten Durchgangsleistungs-Messgeräten. Berühmt ist das BIRD-Model-43. Es handelt sich um ein Grundgerät mit einer Koaxial-Leitung und einem analogen Anzeige-Instrument. Von der Frontplatte aus wird in die Koaxial-Leitung ein Messkopf eingesteckt, in dem die Richtkoppler-Koppelleitung und der Dioden-Detektor untergebracht ist. Durch Drehen des Messkopfes um 180 Grad lässt sich vor- und rücklaufende Leistung messen. Für unterschiedliche Frequenz- und Leistungsbereiche werden unterschiedliche Messköpfe verwendet. Eine Stromversorgung ist nicht erforderlich.
Auch Rohde&Schwarz lieferte ab den fünfziger Jahren eine Reihe von einfachen Richtkoppler-Leistungsmessgeräten für verschiedene Frequenz- und Leistungsbereiche (NAN, NAK, NAD). Hier war der Richtkoppler mit Dioden-Detektoren und das Anzeigeinstrument durch eine Leitung verbunden. Ab ca. 1970 wurden Kompaktgeräte für verschiedene Frequenz- und Leistungsbereiche hergestellt, die Richtkoppler, Diodengleichrichter und batteriebetriebene Messverstärker mit Anzeige in einem Gehäuse vereinen (NAU, NAS) bzw. mit getrennten Messköpfen arbeiten (NAP, NRT).
Eine Sonderstellung nehmen die Geräte der Serie URV von Rohde&Schwarz ein. Es handelt sich hier um Hf-Millivoltmeter, an die neben einem Hf-Tastkopf auch ein koaxialer Durchgangskopf angeschlossen werden kann. Dieser Durchgangskopf ist im Wesentlichen eine Koaxial-Leitung, an deren Innenleiter von der Seite her eine Diode direkt angeschlossen ist. An die Gleichspannungs-Seite der Diode ist ein Gleichspannungs-Verstärker bzw. eine (bereits in 3.1. beschriebene) Vergleichsschaltung mit einer zweiten Diode, die mit Nf gespeist wird, angeschlossen. Hiermit können Spannungen bis 10V bzw. Leistungen bis 2W (33dBm) auf der Leitung im Durchgang bis ca 1,6 GHz gemessen werden. In späteren Ausführungen wurde auch ein Durchgangskopf mit kapazitivem 20dB-Spannungsteiler vor der Diode hergestellt. Hiermit lassen sich 100V bzw. 200W/53dBm auf der Leitung messen. Auch für die neueren R&S-Messgeräte (URV-5, NRV-5, NRVS, NRVD, ) sind Durchgangsköpfe dieser Art erhältlich.
Das Prinzip des koaxialen Dioden-Durchgangskopfes findet sich auch schon in älteren R&S-Messgeräten, teils nur mit einfachem Diodengleichrichter und Anzeige-Instrument, teils als Zubehör zu Röhrenvoltmetern.
5. Literatur
(1) Hewlett-Packard Application Note 64-1: Fundamentals of RF and Microwave Power Measurements (1977), Update: Application Note 64-1A (1998)
(2) Agilent Application Note 64-1C: Fundamentals of RF and Microwave Power Measurements (2001)
(3) Rohde & Schwarz: Spannungs- und Leistungsmesstechnik, Grundlagen, Begriffe, Produkte (1999)
