Messung der Güte eines Schwingkreises

Hallo allerseits,

mal eine Frage an die Profis

Wie kann man mit dem VNA die Güte eines Schwingkreises messen?

Wenn ich den Schwingkreis als Parallelresonanz in die Transmissionsmessung hänge, bekomme ich zwar eine adäquate Kurve, in der sich auch diverse Änderungen am Schwingkreis (z.B. Tausch von Keramik-C gegen Glimmer-C) wiederspiegeln, aber die Bandbreite ist immer viel zu breit (einige hundert kHz,bei ca. 2MHz Resonanzfrequenz , bei -3dB gemessen). Die -+45° Phasenschnitte liegen allerdings viel enger beienander.

Man kann das Ganze übrigens auch in etwa der Größenordnung mit RFSim99 nachbilden.

Ich denke, der 50Ohm-Detektoreingang (wie auch der 50Ohm DDS-Ausgang) bedämpfen den Schwingkreis, sodass hier unmöglich eine Leerlaufgüte bestimmt werden kann.

Andere Frage mit gleichem Hintergrund: Wie kann ich mit einem LC-Schwingkreis einen Preselektor bauen, wenn die niederohmigen Eingangswiderstände den Kreis bedämpfen und so die Filtergüte vermiesen?

Die Sache ist sicher prinzipiell ganz einfach, aber momentan hab ich irgendwie eine Verstopfung in den Denkgängen

Danke und 72/73

Ralf, DL4MW

Hallo und danke für die schnellen Antworten!!!

@dl5sdc:

Der Link ist ja wirklich prima.

DL3NRV

Ich muss wohl erst mal etwas zur Anwendung sagen.

Das Ganze soll sozusagen ein Notchfilter für 160 und 80m werden. Wir haben hier in Ilmenau die Ehre, mit DH0HQ/DA0HQ die "German Head Quarter"-Station beim Contesten in Rufweite zu haben und das überfordert die Eingangsteile mancher neuer DSP-Tcvr's (mein 12+ Jahre alter TS450 kann das noch ab...). Ich habe so gerade eine Studienarbeit an einer Schule laufen, die dazu Voruntersuchungen machen soll, ob man mit reiner passiver Elektronik ein so trennscharfes Filter bauen kann, mit dem man beim Contest eine (in der Regel frequenzunveränderliche Station) soweit bedämpfen kann, dass man da 20kHz oder so daneben wieder funken kann. Das Ganze kann dabei ruhig durchgängig 20dB Dämpfung haben, nur soll es einen steilen Notch (wunschgemäß am besten nochmal mindestens 40dB) geben.

Wenn ich dich richtig verstanden habe, muss man also mit einen induktiven oder kapazitiven Spannungsteiler für eine möglichst geringe Ankopplung sorgen, damit der Schwingkreis nicht bedämpft wird. Aber ich durchschau nicht,wie das mit einer 50Ohm-Anpassung zu machen ist. aber vielleicht kommt es da nicht so drauf an, wenn ich dafür quasi meine 20dB Basisdämpfung verbraten kann.

zur RFSim99: ich dachte gerade, bei realen Bauteilen macht sich dieses Programm gut, weil man ja dort die Spulengüte (und das dahinterstehende Modell) eingeben kann. Die Möglichkeit mit einem Ersatzwiderstand hat man ja immer, nur wächst dieser real ja mit der Frequenz und gerade dieses Verhalten kann man ja bei RFSim99 direkt einstellen.

Wie auch immer, ich war doch überrascht, wie gut sich die Simulationsergebnisse mit den Messungen gedeckt haben. Das hat mir jedenfalls mut gemacht, statt mit weiteren Messungen planlos rumzuprobieren (bzw. zu probieren lassen) erst mal das Zielgebiet mit einer Simulation abzugrasen...

73 Ralf

Zitat

für die vorgesehene Anwendung nimmst Du einfach einen Saugkreis.

Ja Dietmar, genau so war der Plan.

Ursprünglich hatten wir auch die Quarzfilteridee (tnx M0ERA), aber wenn man dafür keine Stino-Standardquarze für ein paar Cent nehmen kann, wird es eben doch sehr teuer. Wenn man den Preis für zwei Bänder sieht, kann man auch gleich gebrauchte TS450/850 kaufen, da hat man gleich einen hierfür funktionierenden Tcvr

Da entstand eben die Idee, es mit einem Hochgüte-LC-Kreis als Notch zu versuchen. Eine magnetische Antenne hat schließlich auch hinreichende Trennschärfe (als Bandpass).

Momentan hab ich sozusagen als Vorstudie einen Gymnasial-Schüler in einer Facharbeit darauf angesetzt, auszuprobieren, wie sich bei Schwingkreisen die Güte hochtreiben lässt.

Ich bin inzwischen etwas fortgeschritten. Wie man es auch treibt, offensichtlich kann man in meinem interessierenden Gütebereich nicht mehr so einfach am Schwingkreis messen. Man versaut sich durch die Messung jedesmal die Bandbreite. Unter 200kHz sind wir nicht gekommen und auch die Ansätze mit Koppel-C oder Anzapfungen sehen nicht wirklich gut aus.

Durch eine losere Ankopplung des Messgerätes (geht auch einfach mit hochohmigeren Widerständen) erhöht man durchgehend die Dämpfung und senkt dadurch virtuell die Bandbreite (indem man quasi von oben her die Kurve abschneidet). Die Notchtiefe bleibt aber gleich, d.h. man hat außer einem gleichmässigeren (schlechten) Durchlassbereich nichts gewonnen.

ABER: Ich habe inzwischen herausgefunden, dass ich für die Bestimmung der Güte die Bandbreite gar nicht messen muss. Ich hab ja ein analytisch beschreibbares Impedanz-Netzwerk und durch Messung der Resonanzfrequenz und vorzugsweise der "Notchtiefe" kann ich die Spuleninduktivität und den Verlustwiderstand berechnen. Alle anderen Größen kenn ich mit hinreichender Genauigkeit. Daraus ergibt sich dann auch rechnerisch die Güte. Ich habe also insofern falsch gedacht, als dass ich in der analytischen Auswertung der Messung mein Messgerät mit einrechnen muss und nicht versuchen soll, den Einfluss des Messgerätes zu eliminieren.

Problem 1 gelöst. :]

Allerdings ist dann noch der reale Aufbau, der ja zwangsläufig wie die Messung den Kreis bedämpfen wird. Geht also so doch nicht (so einfach). Als Lösung fällt mir da nur ein mehrkreisiger Aufbau (3 Kreise, quasi Pi oder T-Struktur) ein, bei dem sich die Impedanz transformieren lässt. Darüber muss ich noch etwas intensiver nachdenken, aber momentan schätze ich die Abstimmung ehr kritisch ein. Auch wenn man im Contest das Teil meist nur einmal auf eine Frequenz einstellen müsste.

Danke an alle Mitdiskutierer, das macht echt Spass hier im Forum.

73 Ralf

M0ERA

Hallo Daniel,

Zitat

was passiert wenn Du die Messung mit einem Rauschgenerator machst

ja mit einer Rauschbrücke oder einem Wobbelgenerator würde man das in etwa so messen können. Allerdings muss man den Generator ganz lose ankoppeln (über Dämpfungsglied) und zur Messung kann man das Teil auch nicht direkt mit dem Transceiver verbinden weil dessen 50Ohm-Eingang wieder den Kreis bedämpfen würde. Abhilfe schafft hier quasi das Abhören des Kreises über eine Antenne (sehr lose Ankopplung) oder über einen Hochohm-FET-Tastkopf.

Ich habe allerdings gerademal keinen Rauschgenerator da, dafür aber einen VNA. Mit dem müsste sich das ja auch messen lassen, und mittlerweile weiss ich ja auch wie (siehe mein letztes Posting)

Womit wir bei Eric1 wären

eric1

Zitat

Und außerdem sprachst Du früher von einer Messung mit einem VNA. Da ich nicht weiss welcher es ist, kann ich keinen genauen Tipp geben, aber z.B. der von N2PK errechnet aus Rs und Xs direkt das Q der Spule für jeden Frequenzpunkt und da ist die 50Ohm Bedämpfung egal (weil herausgerechnet) somit weiss man was man überhaupt mit dem Bauteil erreichen kann

Ich bin fast geneigt zu sagen: Welchen VNA denn sonst?

Aber Scherz bei Seite. Ja ich hab mir einen N2PK-VNA gebaut und benutze sowohl WinVNA als auch Exceter. Bei Exceter hatte ich auch gefunden, dass er R_S C_S und direkt Q als Achsenbeschriftung liefern kann, jedoch geht das bei mir nicht im Transmissionsmodus. Im Reflexionsmodus ist das vielleicht verfügbar, jedoch wäre da der Dynamikbereich durch die Brücke viel kleiner. OK, ich weiss jetzt inzwischen, wie ich das analytisch zu Fuß berechnen kann, Das ist ganz OK so und mein Schüler will ja auch was zu tun haben

Wie oben geschrieben, ich war zu vernagelt, um an eine rechnerische Herangehendsweise zu denken und nahm an, irgendwie die Sache direkt messen zu können.

Das DJ1UGA-Buch habe ich (noch!!) nicht. Aber auch unabhängig vom FA-NWT erscheint mir das immer sinnvoller.

Für das Problem der praktischen Ankopplung als reales Filter werde ich erst mal noch ein wenig rumsimulieren. Meine gegenwärtigen Vorstellungen neigen sich auch zu der (inversen) Lösung im vhfbpf.pdf Aber soweit ist das alles noch nicht gediehen. Erst mal soll mein Schüler seine Schwingkreise optimieren und dann sehen wir weiter.

Tnx und schönes Wochenende an alle

73 Ralf

Zitat

wir testen gerade eine Beta von myVNA (eine neue SW für den N2PK-VNA), die es erlaubt mit einem dual detector (den die meisten haben, weil sie das Board von Ivan nutzen) simultan Transmission- und Reflektionsmessungen vorzunehmen und dort findest Du für die Reflektionsparameter den gleichen Komfort wie bei Exeter,...

Hallo Eric1

das hört sich ja wirklich interessant an. Exceter ist zwar gängig, aber so richtig gut zu bedienen ist das nicht. Deshalb würde ich doch einer neuen Software erwartungsvoll entgegensehen...

Ich habe (momentan) nur eine Single-Detektor-Version. Als ich mit dem VNA Projekt begonnen habe, gab es Ivans-Boards noch nicht (war gerade im Endstadium) und ich war zugegebenermassen auch zu geizig. Ich hab mir das Originalboard selbst geätzt und dann erstmal zwei Abende lang Durchkontaktierungen gelötet... Das hat man nun vom Geiz

Aber das kann ja noch irgendwann werden, vorbereitet ist es schon. Allerdings wäre dann wohl erst mal Ivans 70cm-Konverter dran.

Zitat

wann ist eine Luftspule optimal ?

Wenn man an die anvisierte unteren Kurzwellenbändern denkt, kristallisiert sich jetzt ehr eine Spule mit großem Eisenpulverkern (T157-2 oder so) als recht gut heraus. Der Kern macht kaum Verluste und die Drahtlänge ist gegenüber einer Luftspule deutlich kürzer (was wieder einem besseren L/C-Verhältnis zu gute kommen kann). auch wenn der Formfaktor des Kerns für ein Empfangsfilter irrsinnig ist, kommt der größenbedingte bessere Al-Wert der Güte doch zu Gute (was für ein Satz...)

Zumindest deuten wohl alle bisherigen Messungen in die Richtung, auch wenn ich selbst die Auswertung der Messungen bisher noch nicht gesehen habe.

Tnx fürs fleissige Mitdiskutieren es vy 72/73

Ralf

Zitat

Warum moechtest Du die Guete eines Saugkreises moeglichst unbedaempft messen, wenn Du planst, ihn in einer 50 Ohm-Umgebung zu benutzen? Offensichtlich habe ich das Problem nicht verstanden

Hallo Daniel,

leider hast du das schon richtig verstanden.

Es gibt zwei Probleme, jetzt will ich erst mal einen Schüler sozusagen eine Grundlagenarbeit über Güte im Bereich von 1.8-4 MHz mache lassen. Dafür wäre die Leerlaufgüte schon angemessen.

Und dann will ich das Nutzen, um ein Filter daraus zu machen. Ich dachte, ich mess einfach bei 50Ohm und bekomm da gleich eine Lösung für beide Probleme. Ja schon, aber der 50Ohm-Zweig versaut die Sache aber schon dermaßen, dass an weiteren "Forschungen" zur Güte nicht zu denken ist. Deshalb muss ich erstmal Problem 1 abspalten und mich später um eine mögliche Einbindung als Filter kümmern. Bin schon etwas desillusioniert, aber da ist sicher noch was zu machen, halt wohl nicht mit einem einzelnen Kreis.

BTW. Wenn man einen Rauschgenerator mit 50Hz einschleift ergeben sich wohl auch keine anderen Verhältnisse als mit einem VNA. Der VNA ist eben teurer, misst dafür aber auflösender und war in meinem Fall vorhanden.

Zitat

Uebrigens sind auch im Hilberling sehr grosse Ringkerne eingebaut.

Das hatte ich damals auch gelesen und im Hinterkopf behalten. Deswegen habe ich für diese Sache auch gleich ein paar Kerne bestellt. Schon verrückt, welche Details sich einprägen.

vy 73

Ralf

Hallo Eric,
hallo ihr anderen Mitleser,

ja, die Arbeit ist durch, auch wenn noch etwas weiterer Klärungsbedarf besteht. Man könnte die ganze Arbeit zwar hier veröffentlichen, aber erstens wurde sie die Zielgruppe "Deutschlehrer" geschrieben und zweitens möchte ich das jetzt nicht ohne Rücksprache machen.

Aber zu den wichtigsten Ergebnissen, hier mal durch mich gefiltert und bewertet:

Es ist gelungen, bei ungefähr 3.5MHz (Ziel war 80m-Band oder 160m), einen Parallelschwingkreis mit einer Güte von etwas über 320 "zu züchten". Aufgebaut war er mit einem Glimmer-C (reichelt) und mit einer Spule, gewickelt mit 0.8mm-Druchmesser versilberter Kupferdraht auf einem großen Eisenpulverkern (Amidon T184-2).

Bei einem Parallelschwingkreis wird die Güte besser, wenn C größer und L kleiner ist. Insofern hat überraschenderweise der Aufbau der Spule selbst nicht den durchschlagenden Einfluss, d.h. ich habe den im Vorfeld bedeutsamer eingeschätzt.

Dafür stellten sich die Kondensatoren als sehr kritisch heraus. Was anderes außer Glimmer (und natürlich Luft) geht überhaupt nicht. Und schon ein zweiter parallel geschalteter C drückt die Güte im aktuellen Aufbau auf etwa 260. Will man die Resonanzfrequenz abgleichen bzw. ändern, führt kein Weg an einem teueren Luftdrehko vorbei.

Wenn man an der Spule weiterarbeiten will, könnte man die Drahtstärke weiter erhöhen. Das hat relativ viel gebracht. Auch versilberter Draht bringt überschlagsweise mehr als die 10% die er durch die höhere Leitfähigkeit des Silbers bringen müsste. Das würde dafür sprechen, dass das Silber die Verluste weiter senkt, indem es gegenüber Kupfer ggf. für die ja nur oberflächlich fliessenden Ströme auch durch eine bessere - d.h. glattere - Oberfläche bietet. Aber man müsste dies nochmal genauer nachrechnen. Versilberter Draht lohnt also.

Die Kerne selbst haben gar keinen so großen Einfluss, wie ich anfangs angenommen hatte. Gegenüber einer Luftspule ist es doch besser, einen Kern zu verwenden, da dabei die Drahtlänge drastisch kleiner wird. Kann aber sein, dass sich dies bei exorbitant dicken Drähten wieder bessert. Jedenfalls, war der große Eisenpulverkern erwartungsgemäß die beste Wahl. Größe ist hier auch bei QRP wegen des größeren Al-Wertes erforderlich. Aber überraschenderweise hat sich auch ein an für sich verlustbehafteter Ferrit gar nicht mal schlecht geschlagen. Die Kernverluste werden eben zum Teil durch die niedrigeren Drahtwiderstände wett gemacht (weniger Windungen erforderlich).

Ja, das ist so aus dem Bauch und dem Gedächtnis heraus. Für mich war der relativ große Einfluss des Kondensators eine Überraschung und der ehr moderate Einfluss des Kernmaterials.

Bei der praktischen Anwendung als Preselectorfilter (müsste dann dreikreisig werden) sind wir noch nicht weiter, da (wie immer) bisher die Zeit gefehlt hat und ich momentan auch auf eine ehr bezahlbare Quelle für geeignete Luftdrehkos oder -trimmer warte

vy 73

Ralf

P.S. ich hab leider nicht den Nerv, da so am Ball zu bleiben, aber was sich in letzter Zeit auf der VNA-Strecke getan hat ist ja "voll super".