SWR Brücke 1 bis 3000MHz DL3BUS

-- ist die 0-dB Linie jetzt die erste Linie unterhalb der oberen Randlinie und damit die der Brücken-loss bei etwas 12 dB bei 1 MHz mit steigender Tendenz und ~-20dB bei 2100MHz

ja die Trackingleistung ist -10dBm das ist eine Linie unterhalb der obersten..

directivity ist jetzt besser als vorher... da war ja die Dämpfungslinie nicht drauf..
der Knick ist vermutlich eineResonanz im Gehäuse..

Willi baut noch 2 Brücken, davon eine mit N-Connectoren für Antennenmessungen
dann können wir vergleichen

Willi hat die "Serienproduktion" begonnen...
das ist die 2. Brücke
lila = Dämpfung
rot = 1 meter Koax offen
schwarz = directivity

Hallo Eric,

zum Jahreswechsel hatte ich ein paar Stunden Zeit gefunden, eine Brücke mir Rigid-Koax zu bauen.

Da in der Simulation das Zusammenschalten der Leitungen bezüglich parasitärer Induktivitäten kritisch war, habe ich mir eine andere Anordnung überlegt, in der alle Himmelsrichtungen genutzt werden und so die Symmetrie weiter verbessert werden kann.

Die Brücke benutzt gepaarte 51 Ohm Widerstände und einen externen 50 Ohm Koax Referenzwiderstand. Für die Ferritdrosseln kam 1,2mm Durchmesser Rigid-Koax mit konfektionierter Zweiloch-SMA-Flanschbuchse und ein 1,2mm Durchmesser Kupferlackdraht zum Einsatz. Die Ferrite sind die bekannten Würth Ferrite (2x 9 Stck.), die mittels LC-Meter selektiert wurden.

Messergebnisse:
Frequenz/ Directivity/ peak-peak Ripple:
1,5 MHz... 4 MHz = 40dB/ n.a.
4 MHz... 1 GHz = 50dB/ 1dB
1 GHz... 3 GHz = 40dB/ 2dB

Bildschirmfoto Advantest TR4173:
Sorry für den verschwommenen Eindruck. Ich arbeite noch daran, dies besser hinzukriegen.
Startfrequenz 1,8GHz, Stopfrequenz 4,6GHz, Markerpunkt 3GHz
Es ist die echte Directivity zu erahnen (4 Kästchen sind 40dB, Normalisierung mit offenem Messport durchgeführt-> gerade Display-Line ). Es ist zu sehen, dass die Directivity unterhalb 3GBz >40dB ist und oberhalb 3GHz sehr schnell verschwindet.

Mikroskopfoto:
Es ist in der Draufsicht die Kreuzung des Referenzport, Messport, Detektorport und der Phantomdrossel zu sehen. Der Generatorport geht über die zwei 51Ohm Widerstände nach unten weg. Die Widerstände sind auf einem 2mm breitem Streifen aus 0,5mm dickem, doppelseitig Cu-beschichtetem Leiterplattenmaterial aufgelötet. Der Streifen ist am Deckelboden mit dem Innenleiter einer bündig abgeschnittenen SMA-Flanschbuchse verlötet.
Der ungeschirmte Innenleiter der Detektorport-Drossel ist in dieser Anordnung nur 0,5mm lang!!

Foto offene Brücke:
Ich habe die Directivity der Brücke mit einem Cu-Streifen (Kapazität von Phantomdrossel zum Gehäuse am Kreuzungspunkt) und einem Streifen Ferrit (Teil eines zweiteiligen Flachband Klammerferrits von Conrad) tunen können.

Vorerst soviel auf die Schnelle. Mit dem Ripple bin ich noch nicht ganz zufrieden. Laut Simulation und Messung an der R&S-ZRB2 sollten 1dB bis 3GHz machbar sein. Im Leiterplattenstreifen steckt warscheinlich noch zuviel Kapazität.

73, Ralf

Hallo Eric,

ich habe noch mal ein wenig getuned und möchte Dir das Ergebnis nicht vorenthalten.

Und zwar ist bei der Directivity noch etwas herauszuholen. Ab 40dB Directivity wird es zwar akademisch, aber es hat so schön funktioniert.
Symmetrie ist alles! Deshalb war ein zweiter "Ferritbalken" auf der anderen Seite nötig und die Ferriperlen der Phantomdrossel ließen sich um 1mm dichter an den Kreuzungspunkt schieben, nachdem ich den Lötkleks verkleinert hatte (linker Zweig im Mikroskopbild).
Dann konnte ich schon fast "unheimliche" 60dB Directivity von 10MHz... 2GHz messen. s.Bildschirmfoto Bis 2,5GHz sind es noch 50dB und dann sinkt die Directivity in einer Geraden auf 36dB bei 3GHz. Darüber wird der Wert quasi unbrauchbar.
Deinen Tipp mit der Beleuchtung werde ich mal probieren. Der TR4173 kann auf den GPIB Bus plotten. Dazu möchte ich mir noch einen GPIB Bus Grabber von EMSYSTECH kaufen. Dann gibt es elektronische Bilder.

Der Ripple von Klaus und Willi´s Brücke ist schon gut. Die 3dBpp bekommt man, wenn man im Design vieles richtig macht. Ein erreichbarer Wert ist 1dBpp (25dB Anpassung), wenn man etwas gegen die eigentlich noch zu niederohmigen Ferritdrosseln unternimmt.
Der Designer von R&S gab schon den Tipp. (Eric, Du hattest ja die Appnote gefunden) Die Brückenwiderstände können zur Kompensation hochohmiger gemacht werden. Ich benutze eine Induktivität von ca. 7nH (Draht oder PCB-Streifenleitung) je 51Ohm Widerstand. Wenn die Gehäusemasse zu dicht an die Ferrite kommt, dann vermute ich, dass die 1dBpp nicht breitbandig ereichbar sind, weil die Ferritdrosseln dann noch niederohmiger (kapazitiver Nebenschluß) werden.

73, Ralf

Serienproduktion war etwas übertrieben,
Willi hat ein Stück für mich, eine Brücke für sich und
eine weitere mit N-Connectoren ist geplant

Hallo Brückenbauer,

nach meinen letzten Brückenexperimenten, möchte ich vom Fortschritt bei der Optimierung der Qualität meiner 66mm Bridge durch Tuning berichten.

Zur Verbesserung der Directivity habe ich einen kleinen Blechstreifen an den Mantel des Messport-Koax gelötet, der einen kleinen Kondensator zur Phantomdrossel bildet. s. Schaltplan C2
Dieser Kondensator ist bei vielen anderen Brückenprojekten auch zu sehen und bringt wirklich was.

Weiterhin wurde zur Verbesserung der Directivity die Lage der Ferritperlen auf dem Koax variiert. Dabei wurde jeweils immer die ganze Kette verschoben. Die Ferrite stoßen nicht an den Schirm der Koaxleitungen an und haben einen unterschiedlichen Startpunkt. s. Mikroskopbild.

Für die Verbesserung der Directivity ist ein kurzer (ca. 5mm lang) CuL Draht parallel zum freien Innenleiter des Messport-Mikrokoax (im Schaltplan L1) gelötet worden. Im Mikroskopbild ist es der krückstockförmige Draht und im Schaltplan C1.
Zuvor probierte ich kleine Fähnchen aus Cu-Folie, um C1 zu formen. Dies brachte keinen Erfolg, da diese ebenfalls eine große Streukapazität zum Gehäuse mit sich brachten und so bei Verbesserung der Portanpassung die Directivity der Brücke verschlechterten.

Ich experimentierte auch mit dem Abstand der Ferritdrosseln und fand, dass das parallele Führen auf den ersten 2,5cm einen leichte Verbesserung der Portanpassung bringt und keinen Effekt auf die Directivity hat.

Die Brückenwiderstände sind gewendelte 0204 Minimelf Widerstände mit relativ hoher Serieninduktivität. Meine Simulationen zeigten einen positiven Effekt dieser Induktivität auf die Verbesserung der Messportanpassung und wurden deshalb so ausgewählt.

Zum Schluß experimentierte ich mit schwarzem leitfähigem Schaumstoff und mit Ferritplatten. Der Schaumstoff brachte bei mir keine Verbesserung. Die Ferritplatte, die am Kopfende unter dem Powersplitter eingeklebt ist, brachte eine leichte Verbesserung der Directivity und Portanpassung im mittleren Frequenzbereich um 1,5GHz. Typ: Flachbandkabel Ferritkern RFP1-26-10; Conrad Nr. 502111

Für die Messungen, die im 2.Teil folgen, benutzte ich 50 Ohm Präzisions Abschlüsse aus einem Kalibration-Kit von Rohde&Schwarz bzw. 50 Ohm Abschlüsse von Huber+Suhner, um verschiedene Abschlüsse zu vergleichen.

Bis bald,
73 de Ralf

Hallo Brückenbauer,

hier kommen die Messungen zu den Bildern.

Aufbau:

Ferrite: je Zweig 1x Epcos Siferrit-T38 Typ B64290L0038X038 ur=10000 AL=4090 +-30% (Da=10mm, Di=6mm, h=4mm), 9x Würth 74270013 ur=620 Da=3,5mm, Di=1,3mm, l=5mm

Widerstände: 2x Minimelf-0204 49,9 Ohm 1% (Da=1,3mm, l=3,5mm) mit Wendelschliff

Koax: 2x 22cm (10Wdg.) Mikro-PTFE-Koax (Da_PTFE-Mantel=1,2mm,
Da_Dielektrikum=0,55mm, Da_Innenleiter=0,16mm CuAg,
Geflecht: 8 Bündel je 6x 0,07mm CuAg, ca. 80% Flächenabdeckung)
2x Semi-Flex UT141 mit SMA-Stecker (Da_Mantel=3,6mm CuSn, Da_Dielektrikum=3,0mm PTFE, Da_Innenleiter=1,0mm CuAg)

Gehäuse: http://www.weissblech-gehaeuse.de Typ 3 (66x48x24mm) Rahmen überlappend punktgeschweisst mit 2 Deckeln

Buchsen: 2x SMA Zweiloch-Flanschbuchse mit langem Dielektrikum (Da_Dielektrikum=4mm PTFE, Da_Innenleiter=1,3mm CuZnAu rund)

S21 Messung:
- mit NWA ZVR und Full Two Port Calibration
- NWA Port1 an Generatorport der Brücke
- NWA Port2 an Detektorport der Brücke
- "precision S21" mit R&S Abschlüssen an Referenzport und Messport der Brücke,
andere S21 Messung mit R&S Abschluß an Referenzport und H+S Abschluß an Messport

S11 Messung:
- NWA Port1 an Messport
- R&S Abschluß an Referenzport
- H+S Abschlüsse an Generatorport und Detektorport

Optimierungsziel:
- Frequenzbereich 100kHz ... 3GHz
- Directivity 45dB
- Messportanpassung 25dB

Zusammenfassung Messungen

Grunddämpfung: Generator -> Detektor = 12dB
-3dB Eckfrequenz: Generator -> Detektor = 3GHz

Directivity:
45dB, 100kHz… 200kHz
50dB, … 500MHz
45dB, … 2GHz
40dB, … 2,5GHz
35dB, … 3GHz

Anpassung Messport:
17dB, 100kHz… 300kHz
26dB, … 900kHz
30dB, … 250MHz
20dB, … 2GHz
17dB, … 3GHz

Auswertung:
Der Frequenzbereich von 100kHz bis 3GHz konnte noch nicht ganz mit den gewünschten Parametern Messportanpassung und Directivity erreicht werden. Gleichwohl sind die Ergebnisse schon gut brauchbar. Der Frequenzbereich 300kHz ... 1GHz entspricht schon den Designvorgaben. Unterhalb 300kHz fällt lediglich die Messportanpassung ab, was hinnehmbar ist.
Im Frequenzbereich oberhalb 1GHz sind Resonanzstellen im System vorhanden (Gehäuseabmessungen, Leitungslängen), welche die Directivity oberhalb 2,5GHz verschlechtern. Vielleicht könnte ein kleineres Gehäuse etwas bringen.
Die Messportanpassung katte ich schon einmal besser gesehen, als ich einen 12Ohm Widerstand in das Detektorport-Koax eingebaut hatte. Dies könnte ein Ansatzpunkt sein, weiterzuoptimieren, um auch 25dB Messportanpassung zu kommen. Oder auch die 50 Ohm Brückenwiderstände zu vergrößern, wie es in der R&S Application Note steht. Allerdings besteht dabei die Gefahr, daß sich die Directivity wieder verschlechtert, wie ich mehrfach beobachten konnte.

Bis bald,
73 de Ralf

Gallo Ralf,

ich habe mich einbischen gespielt mit deine Gehause und die untersten resonanzen, ich habe die ausgerechnet. Meine formulen ergaben frequenzen 3,86GHz; 6,65GHz und 6,99GHz. Es gibt noch vielle andere als Vielfachtungs faktoren (zum beispiel 5,52GHz), also alle hoeher.

73, Janko

Hallo eric,

gerne!

73, Janko

(Habe falsch resultat, richtig ist 1,677 GHz), HI

Hallo Janko,

vielen Dank für Deinen Hinweis zur formelmäßigen Berechnung der Gehäuseresonanz.

Ich habe mal die Maße meines Gehäuses in die Formel eingesetzt und komme bei 65mm Länge, 45mm Breite und 25mm Höhe des Hohlraumes auf einen Resonanzfrequenz von ca. 4GHz und 6,5GHz.

In meinen S21 Messungen (Directivity) sehe ich einen Bereich um 1,5GHz, wo die Directivity etwas schlechter ist. Bei 2,5GHz ist eine ausgeprägte "Resonanzstelle" zu sehen, wo die Directivity besonders gut wird. Und bei 4GHz ist die Directivity wieder schlechter.

Ich habe zur Überprüfung der Resonanzfrequenzen (Eigenmoden genannt) HFSS angeworfen und das Gehäuse mit einem an beiden Enden mit der Metallbox verbundenen Draht (2mm Durchmesser) simuliert. Und siehe da, der Simulator bringt bei den ersten 3 Eigenmoden 2,3GHz, 4,05GHz und 6,58GHz.
2,3 GHz ist die Lambda/2 Resonanz des Koaxialresonators aus Gehäuse und Draht bestehend.
Die Feld- und Oberflächenstromverteilungen habe ich angehangen.

Eine anschauliche Erklärung, warum und an welcher Stelle im Frequezbereich die Directivity von den Resonanzen abhängt, habe ich noch nicht.

Hat jemand eine Idee?

73, Ralf

Hallo Brückenfreunde,

nachdem Eric dankenswerter Weise die hochauflösenden Bilder eingestellt hat, möchte ich die Messkurven zeigen, die ich nun mit dem GPIB-USB Konverter aus meinem Advantest TR4173 herausbekomme.

Ich möchte breitbandige Messungen von 0... 4,6GHz zeigen, was der maximale Messbereich des Tracking Generators ist.

Bild 1:
Es ist die Grunddämpfung der Brücke zu sehen. Diese liegt prinzipbedingt etwa bei min. 12dB und vergrößert sich wegen der Dämpfung der sehr dünnen eingebauten Koaxialleitung (ca. 15cm lang) um 3dB bei 3,3GHz.
Dieser Grundfrequenzgang und die Grunddämpfung wird üblicherweise mittels Normalisierung der Messkurve bei halbwegs modernen Messgeräten geglättet.

Alle weiteren Bilder benutzen die Normalisierungsfunktion. Der schwarze Balken ein Kästchen vom oberen Rand beinhaltet also 12... 15dB Grunddämpfung je nach Frequenz.

Bild 2:
Im Bild ist die Directivity der Brücke dargestellt. Es wurden zwei möglichst identische externe SMA Abschlüsse verwendet. In der Regel begrenzt die Breitbandigkeit dieser Widerstände die Messung oberhalb 1GHz. Bei Einbau eines 50 Ohm SMD Widerstandes (z.B. 2x 100 Ohm parallel) würden sich etwas schlechtere Werte ergeben.
Werte: 50dB bis 700MHz; 40dB bis 2,4GHz; 30dB bis 3,5GHz

Bild 3:
Hier wird die Qualität der Quellenanpassung überprüft. Mit einem 2m langen RG142 Koax Kabel (hochwertiges Teflon Kabel mit starrem Innenleiter und guter Formstabilität), das am Ende offen gelassen wurde (Kurzschluß am Ende ist genauso gut und verschiebt nur die Wellen) wird eine Welligkeit sichtbar. Die Wellenperiode hängt von der Länge des Kabels ab. Die Amplitude ist eine Funktion der Übereinstimmung des Wellenwiderstandes vom Kabel und der Quelle (hier Messbrücke).
Die Welligkeit liegt bei 1... 3dB und hängt damit zusammen, dass die Ferritdrosseln mit steigender Frequenz nicht mehr hochohmig genug sind. Dies passiert, wenn die Ferrite an bedämpfender Wirkung verlieren (>1GHz) und gleichzeitig die Drosseln vom Gehäuse umschlossen werden und so einen sukzessiven kapazitiven Kurzschluß darstellen. Die Drosselimpedanz pendelt sich mit dem relativ großen Abstand zum umgebenden Gehäuse bei ca. 200 Ohm ein. Es verbietet sich demnach die Drosseln direkt auf das Gehäuse oder eine Trägerplatine mit Kupferbeschichtung aufzulegen. Auch ein dickeres Koax bringt eine kleinere Impedanz und schlechtere Quellenanpassung.

Im Bild 4 ist die Umrechnung von Welligkeit und Quellenanpassung dargestellt.
Diese Welligkeit läßt sich nicht durch Normalisierung beseitigen, da sich die Wellenberge und -täler zwischen dem Kurzschlußfall und dem Leerlauffall in der Frequen verschieben. Nur mit einer verktoriellen Kalibrierung, wie dies beim Vector Network Analyzer der Fall ist, läßt sich diese Unzulänglichkeit verbessern.

Bild 5:
Wenn, wie üblich, ein Messkabel zwischen Messbrücke und Messobjekt verwendet wird, dann sieht das Directivity Messergebnis anders aus. Dann dominiert das Messkabel, wenn die Messbrücke ausreichend gut ist. Das hier verwendete Messkabel mit 1m Länge (Fa. Astrolab, hochwertig mit low Density PTFE, Mantel aus Metallfolie und sehr hochwertigen SMA Steckern) wurde mit 50 Ohm abgeschlossen.
Damit lassen sich Anpassungsmessungn von 30dB bis 1GHz und von 25dB bis 3,5GHz machen.