Hochfrequenz-Messtechnik


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Messgeräte

Was dem Mechaniker Hammer und Zange sind, das sind für den Elektroniker das Multimeter und das Oszilloskop. Und beides hat in der HF-Technik so gut wie keine Bedeutung!

Mit dem Multimeter prüft man vielleicht noch Betriebsspannungen, für HF-Parameter taugt es aber nichts.

Und das Oszilloskop? Dafür gäbe es schon Anwendungen, aber um z.B. ein 5 GHz Signal mit dem Oszi darzustellen, müsste dieser auch 5 GHz Bandbreite haben. Seine ADCs sollten also mindestens 10 Gigasamples (besser wäre 50 GS) können. Aber schon Oszis mit 1GHz Bandbreite kosten deutlich über 10.000 €, und sowas ist nicht wirklich gut genug. Selbst die Messkabel des Oszis kosten bei solchen Bandbreiten tausende Euro. Das bleibt also den Profis vorbehalten.

Aber eigentlich kann man auf das Oszilloskop auch ganz gut verzichten. Es dient ja dazu, die Form einer Schwingung im Zeitverlauf zu sehen. In der HF-Technik geht man aber davon aus, dass alle Schwingungen sinusförmig sind, und Abweichungen davon nur scheinbar durch die Überlagerung mehrerer sinusförmigen Signale entstehen. Was man also messen muss ist Frequenz und Amplitude, und das möglichst von mehreren Signalen auf einem Anschluss gleichzeitig. Und das macht der Spektrumanalyser viel besser als ein Oszi.

Hochwertige HF-Messtechnik ist erstaunlich langlebig, wie man an den Beispielfotos dieser Seite sehen kann. Alles, auf dem z.B. "Hewlett Packard" steht, wurde spätestens 1999 hergestellt, denn in jenem Jahr benannte sich die Firmensparte in "Agilent" um (und produzierte die Geräte mit neuem Logo weiter). Solche Geräte wurden nicht selten über 10 Jahre lang produziert, und Jahrzehnte lang genutzt. Ist ja auch alles nicht ganz billig.


Spektrumanalyser/Spektrumanalysator (SA)

Der Spektrumanalysator ist in der HF-Technik in etwa das, was bei niedrigeren Frequenzen das Oszilloskop ist. Er erlaubt es in kurzer Zeit einen Überblick über das HF-Spektrum zu bekommen. Während der Oszi auf seinem Display den Verlauf der Spannung über die Zeit anzeigt, zeigt einem der Spektrumanalysator den Verlauf der Leistung über die Frequenz.
Im Prinzip ist der Spektrumanalysator ein schmalbandiger Funkempfänger, der immer wieder von einer (vom Bediener festgelegten) tiefen Frequenz zu einer hohen Frequenz scannt, und dabei kontinuierlich die empfangene Leistung misst und im Display als Grafik darstellt. Das dargestellte Bild zeigt dann an, auf welchen Frequenzen ein Signal entdeckt wurde, und wie stark es war.

Ein sinnvolles Extra ist der sogenannte Tracking-Generator (TG). Dieser erzeugt während des Scanvorganges immer genau die Frequenz, welche der Empfangsteil des Spektrumanalysators gerade zu empfangen versucht, und stellt diese Frequenz an einer Ausgangsbuchse bereit. Schließt man nun ein zu prüfendes Objekt (z.B. ein Frequenzfilter) zwischen diesem TG-Ausgang und dem Spektrumanalysator-Eingang an, dann stellt die vom Spektrumanalysator erzeugte Grafik den Frequenzgang des angeschlossenen Objektes dar. Schneller kann man Filter kaum testen.

Der Preis eines Spektrumanalysators hängt stark von seiner Maximalfrequenz ab. Bei preiswerten chinesischen Herstellern (z.B. Rigol) beträgt der Neupreis etwa 1000 € pro 1 GHz.

Das Foto zeigt einen klassischen Spektrumanalysator aus den 90'ern. Der Griff belegt, dass das 19 kg-schweren Gerät mit seiner Anzeigeröhre für den mobilen Einsatz gedacht war. Im Bastler-Labor leistet er immer noch gute Dienste. Er erreicht 6,5 GHz und hat einen Trackinggenerator, der bis 2,9 GHz geht.

Foto

Viele moderne Oszilloskope haben ein Feature, dass FFT genannt wird. Dabei wird das vom ADC des Oszilloskops digitalisierte Signal nicht direkt auf dem Display dargestellt, sondern erst durch eine Fast-Fourier-Transformation in ein Frequenzspektrum umgerechnet, und das dann angezeigt. Das Ergebnis ist dann der Anzeige eines Spektrumanalysators  sehr ähnlich. Die in dieser Betriebsart maximal angezeigte Frequenz ist durch die Samplefrequenz des ADC begrenzt, und kann deshalb mit einem guten Spektrumanalysators nicht konkurrieren. Trotzdem ist es gutes Feature, das zu mindestens bis zu einigen hundert Megahertz seine Berechtigung hat.
Da so eine FFT nicht in der Zeit durch das Frequenzband läuft, sondern alle Frequenzen gleichzeitig ermittelt und anzeigt, ist es nicht möglich so eine FFT zusammen mit einem Tracking-Generator zu verwenden. Der passende Ersatz dafür ist eine Rauschquelle.



Frequenzmesser/Frequenzzähler

Wer einen Spektrumanalysator sein eigen nennt, brauch nicht unbedingt einen Frequenzmesser. Der Spektrumanalysator misst schließlich auch die Frequenz, und kann das sogar dann, wenn mehrere Frequenzen im Signal enthalten sind für jede einzelne Frequenz tun. Der Frequenzmesser ist allerdings genauer, und oft wohl auch preiswerter. Man sollte aber immer daran denken, dass er immer nur die Frequenz des größten Signals misst, falls mehrere Frequenzen gleichzeitig präsent sind. Und  bei einem stark modulierten (z.B. getastetem) Signal versagt er auch.
Frequenzzähler bis 1,3 GHz (und z.T. bis 2,4 GHz) sind noch für erträgliche Geldmengen zu bekommen. Darüber wird es aber problematisch. Aber vielleicht findet man ja irgendwo noch ein altes Schätzchen wie z.B. einen HP5347A.

Das nebenstehende Foto zeigt ein Kombigerät, das einen Frequenzmesser mit einem Leistungsmesser verbindet. Es ist hier im Frequenzzählermode und misst gerade 9 GHz mit einer Auflösung von 1 Hz. Damit das auch mit einer dazu passenden Genauigkeit passiert, habe ich im eine präzise Referenzfrequenz von 10 MHz durch das linke Kabel zugeführt. Der Signalgenerator, der die 9 GHz erzeugt ist mit der gleichen Referenzfrequenz synchronisiert. Im Ergebnis haben wir 1 Hz Abweichung in der Anzeige, dass schafft man nicht mit einem Spektrumanalysator Wenn es um Genauigkeit geht, ist der Frequenzzähler doch überlegen.

Und so ganz nebenbei erkennt man den Wert einer stabilen Referenzfrequenz im Labor.
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Leistungsmesser/Powermeter (PM)

Wer einen Spektrumanalysator sein eigen nennt, brauch nicht unbedingt einen Leistungsmesser. Der Spektrumanalysator bestimmt schließlich auch die Leistung. Der Leistungsmesser ist aber deutlich genauer. Es ist aber tückisch, wenn am Messanschluss mehrere Signale gleichzeitig anliegen. Während der Spektrumanalysator Frequenz und Leistung für jedes Signal separat anzeigt, misst der Leistungsmesser die Summe aller Leistungen.

Bei einem Leistungsmesser will man kein langes Signalanschlusskabel haben, da dieses ja mit seinen Verlusten die Messung verfälschen würde. Deswegen sind Leistungsmesser entweder kleine handliche Geräte, oder sie bestehen aus einem Grundgerät und einem daran mit einem ausreichend langen Kabel angeschlossenem Messkopf (Sensor). Dann kann der Messkopf so dicht wie möglich an die Leistungsquelle heran.

Generell gibt es drei unterschiedliche Arten von Sensoren in Leistungsmessern:

  • Dioden-Messkopf
  • Thermokoppler-Messkopf
  • Logarithmische Detektoren
Das Foto zeigt ein klassisches Powermeter HP437B mit dem per Kabel angeschlossenen Thermokoppler-Messkopf. Durch Wechsel des Messkopfes lässt sich der Messbereich ändern.
foto

Thermokoppler-Messkopf
Der Standard für HF-Leistungsmessung war lange Zeit der Thermokopplermesskopf. Das ist im Prinzip ein Abschlusswiderstand/Dummy-Load mit korrekter Impedanz (meist 50 Ohm) in den das zu messende Signal eingespeist wird. Der Widerstand erwärmt sich durch die absorbierte Leistung. Die Temperatur wird von einem Thermoelement in eine Gleichspannung gewandelt, und diese wird dann gemessen. Solche Messköpfe erlauben eine Leistungsmessung bis hinab zu -30dBm (also 1 µW). Ist die HF-Leistung amplitudenmoduliert (also z.B. getastet), dann ermittelt so ein Messkopf die Durchschnittsleistung, da er sich ja nicht beliebig schnell erwärmen und wieder abkühlen kann.
Man braucht den Messkopf, das Basisgerät und das Verbindungskabel. Am teuersten sind dabei die Messköpfe (> 200 €). Auch auf dem Gebrauchtmarkt kommen da schnell 1000 € zusammen. Die Messköpfe werden leider gelegentlich durch Überlastung zerstört. Beim Kauf also aufpassen!

Das Foto zeigt einen Thermokopplermesskopf HP8481A (ohne Kabel und Grundgerät) mit einem Messbereich von -30dBm bis +20dBm bei Frequenzen von 50 MHz bis zu 18 GHz.


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Dioden-Messkopf

Moderne Leistungsmesser benutzen spezielle Diodenpärchen als Detektor. Gegenüber den Thermokopplermessköpfen reagieren diese viel schneller. Mit USB-Anschluss und geeigneter Software kann man sich den Leistungsverlauf z.B. bei HF-Pulsen schon fast wie auf einem Oszilloskop anschauen (nicht die HF selber, sondern deren Hüllkurve). Außerdem sind solche Messköpfe auch empfindlicher, einige gehen herab bis zu -70dBm (0,1 nW).
Bessere Detektoren kombinieren zwei oder gar drei unterschiedlich empfindliche Diodenpärchen, und erweitern damit den Messbereich noch einmal deutlich. Kostet leider richtig Geld.

Der hier abgebildete NRP8SN von Rohde&Schwarz geht bis 8 GHz und arbeitet von -70dB bis hinauf zu +23dB. Diese Dynamik von 93dB schafft er mit Hilfe von 3 Diodenpfaden. Dank USB und Webserver benötigt er kein Grundgerät, sondern wird per PC bedient. Der Preis von 4000€ ist leider außerhalb der finanziellen Reichweite von Bastlern. Vielleicht kaufen wir uns so was mal als Gebrauchtgerät in 20 Jahren. Ob es dann aber noch PCs mit USB gibt, auf denen die passende Software läuft, ist sehr fraglich. (Den jetzigen Laptop also später nicht wegwerfen sondern im Keller für die Zukunft einlagern!)

Aber schon für das oben abgebildete etwas angegraute Powermeter HP437B gibt es mit dem HP8484A einen Diodenmesskopf, der Leistungen bis hinab zu -70dBm  messen kann.

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Logarithmische Detektoren

Für ca. 10 € bekommt man bei Ebay Testplatinen mit SMA-Buchse und dem Schaltkreis AD8318. Dieser Chip kann im Frequenzbereich von 1 MHz bis 8 GHz Signalpegel von -50 dB (10 nW) bis 0 dB (1 mW) recht linear in eine Spannung wandeln. Der Fehler überschreitet dabei nicht 1 dB (ca. 20%). Damit lässt sich ein sehr preiswerter, wenn auch nicht sehr präziser Leistungsmesser aufbauen.
Findige Chinesen haben den Chip inzwischen mit einem Microcontroller und einem OLED-Display, Mikro-USB-Anschluss und (Windows-) Software verheiratet, und bieten das für ca. 30 € auf Ebay an. („8GHz RF Power Meter 1-8000Mhz OLED -55~-5 dBm + Sofware RF Attenuation Value“) Das ist als Leistungsmessgerät nicht toll, aber deutlich besser als gar nichts. Getestet habe ich so ein OLED-Power-Meter nicht.

Während die meisten Messgeräte als Anschluss eine N-Buchse haben, besitzen Leistungsmesser oft einen N-Stecker.

Nochmal ein Wort zur Messgenauigkeit. Richtige Leistungsmesser (egal ob mit Thermokoppler oder Dioden) erreichen eine Genauigkeit von ca. 0,02dB, das ist etwa 0,5%. Logarithmische Detektoren schaffen nur etwa 1dB, das sind etwa -20% bzw. +25%. Ein Logarithmischer Detektor ist also wirklich eher ein Detektor als ein Messgerät.

Solange man keinen weiten Leistungs-Messbereich braucht, kann man auch einen HF-Detektor zur Bestimmung der Leistung verwenden.



Vektorieller Netzworkanalyzer (VNA / NA)

Das ist der Inbegriff von Nerd-Porn. Es gibt kaum ein cooleres Messgerät als einen VNA, aber der ist auch recht teuer.
Gleich mal vorneweg: es geht hier nicht um Computernetzwerke. Vielmehr wird jede elektronische Schaltung, und damit auch ein einfaches Kabel als Netzwerk mit mehreren Ein-/Ausgängen – sogenannten Ports – betrachtet. Ein normales Kabel hat z.B zwei Enden – also zwei Ports.

Ein VNA hat mindestens zwei Anschlüsse (teurere auch mal vier) für ein zu prüfenden Objekt, das dann also auch maximal zwei Anschlüsse besitzen darf. Die Anschlüsse (Ports) des VNA verbindet man mit den Anschlüssen des Messobjektes, und dann testet der VNA über einen festzulegenden Frequenzbereich, was an beiden Ports herauskommt, wenn man ein Signal in Port 1 oder Port 2 einspeist. Dabei werden Amplituden und Phasen an beiden Ports bestimmt. (Es gibt auch NA - also ohne V - diese können die Phase nicht messen, was eine starke Einschränkung ist.)

Die Anzeige erfolgt dann ähnlich wie beim SA, man kann aber wählen, was man genau sehen möchte. Zum Beispiel kann man sich anzeigen lassen, was beim Port 2 herauskommt, wenn am Port 1 was eingespeist wird. Dass heißt dann S21. (Die Ziffern stehen für die Portnummern.)
Wenn man wissen will, was am Port 1 nicht hineingeht, weil es reflektiert wird (Impedanz-Problem) und deshalb zum Port 1 zurückkommt, dann schaut man sich S11 an. In der selben Logik gibt es noch S12 und S22. Am abgebildeten Gerät ist das mit einer Grafik zwischen den beiden Port-Anschlüssen schön illustriert. (Die Sxx-Werte nennt man Streuparameter.)

S21 kennt man normalerweise auch aus Transistordatenblättern, und steht dort für die Verstärkung. Und das passt auch. Die Verstärkung ist ja das, was am Ausgang des Verstärkers (Port 2) herauskommt, wenn man am Eingang (Port 1) was einspeist.
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Das ist ja alles in „Frequency-Domain“ (keine Ahnung wie das auf Deutsch heißt). In den Darstellungen ist also die X-Achse immer für die Frequenz und die Y-Achse für die Leistung. Gute VNA (aber nicht die NA) können auch in „Time-Domain“ arbeiten. Dann steht die X-Achse für die Zeit. Die dabei errechneten Diagramme haben eine Zeitauflösung von 100 ps oder besser. Dann kann man z.B. genau sehen, an welcher Stelle im zu testenden Objekt wievielt reflektiert wird. Da erkennt man sogar die einzelnen Verbindungsstellen in einer Steckverbindung. Wie ich schon schrieb: Nerd-Porn!

So eine Präzision ist nur möglich, wenn man das Gerät regelmäßig kalibriert (der Begriff ist hier etwas ungenau). Und regelmäßig bedeutet - genau genommen - vor jeder Nutzung. Schließlich sind da die Eigenheiten des Gerätes, Anschlusskabel, mit denen das Testobjekt angeschlossen werden soll, und oft noch Adapterstücke. Die will man ja alle nicht ausmessen. Folglich müssen sie vom VNA herausgerechnet werden. Der kann das nur, wenn man ihn zuerst diese Dinge einmal ausmessen lässt, ohne dass das Testobjekt dabei ist. Diese Prozedur wird Kalibrierung genannt. (Das hat aber mit der regelmäßigen Kalibrierung in einem Kalibrierlabor nichts zu tun.)

Dafür braucht man ein Kalibrier-Kit. An der Stelle sollte man sagen, das der typische VNA mit N-Anschlüssen für die beiden Ports ausgeliefert wird. Daran schraubt der Nutzer N-SMA-Adapter und daran möglichst kurze hochwertige Kabel mit SMA-Steckern. Und das Kalibrier-Kit, passt nun oft genau an die SMA-Stecker an den beiden Kabelenden. (Es ist bezeichnend, dass oft SMA-Kalibrier-Kits (bzw. robustere 3,5mm Versionen) geliefert werden, obwohl der VNA ja eigentlich N-Anschlüsse hat.)

Das Kit besteht mindestens aus 5 Teilen:
- einem „Short“, das ist eine Buchse mit einem Kurzschluss
- einem „Open“, das ist eine Buchse mit Nichts drin
- einem „Match“, das ist ein 50-Ohm Abschlusswiderstand
- einem "Through", das ist eine direkte Verbindung zwischen zwei Buchsen
- einem Datenträger mit Kalibrierdaten dieses Kits (Floppy oder USB-Stick)
Oft gibt es das Ganze in einer weiblichen und einer männlichen Ausführung zusammen in einer schönen Holzkiste.

Der VNA führt einen während der „Kalibrierung“ durch eine Prozedur, in der man der Reihe nach „Short“, „Open“ und „Match“ an jedes der beiden Messkabel anschließt und letztendlich beide Kabel mit dem "Through"-Verbinder verbindet. Dadurch kann der VNA genau ausmessen, wie sich der Testaufbau ohne Testobjekt (das fehlt ja noch) verhält. Nur werden dabei auch die Teile des Kalibrier-Kits mit ausgemessen. Die könnte man herausrechnen, wenn sie perfekte „Short“, „Open“ und „Match“ wären. In der Hochfrequenztechnik ist aber nichts perfekt. Zum Glück gibt es den Datenträger mit Kalibrierdaten, auf dem festgehalten ist wie short das „Short“ und wie open das „Open“ ist, und wie sehr das „Match“ wirklich matched. Dadurch kann der VNA nun die Kalibrier-Kit-Bauteile genau herausrechnen.
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Der VNA ist nun bereit. Ein Kalibrier-Kit allein kostet auch schon 1000 €. Ein 20 Jahre alter, gut-erhaltener VNA für 3 GHz (oder mehr), kommt immer noch auf 5000€ (oder mehr :)

Es gibt auch Kalibrieradapter, die intern die "Open", "Short", Match und "Through" enthalten, und dazu noch vom VNA gesteuerte Schalter, die diese automatisch an die Ports schalten können. So einen Adapter schraubt man nur ein Mal an den VNA, und dann läuft die Kalibrierung automatisch. Dummerweise kostet so ein Adapter mehrere tausend Euro. Rechts im Bild sieht man so ein Gerät. Die roten "Gnubbel" sind Steckerschutzkappen aus Silikon. Es ist gute Praxis Stecker von gerade nicht benutzten Geräten mit solchen Kappen vor Feuchtigkeit und Schmutz zu schützen. Im Foto des manuellen Kalibrierkits darüber sieht man das auch. Dort sind die Schutzkappen blau.


In der Anwendung von VNA und Spektrumanalyser fällt deutlich ein Unterschied auf: Mit dem Spektrumanalyser misst man oft (wenn auch nicht immer) in einer aktiven Schaltung herum. Der VNA testet dagegen ein Bauteil, das sich nicht in einer größeren Schaltung befindet. Er ist eher ein Bauteiltester.

Neben den großen Desktop-Geräten gibt es auch kleine USB-gesteuerte VNAs, die über einen PC bedient werden müssen. Soetwas bietet z.B. miniRadiosolutions an, und möchte für die 3-GHz-Version etwa 450 €. Das klingt interessant, ich habe es aber nicht getestet, und kann das Gerät daher nicht beurteilen.
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Es gibt auch billige VNAs aus chinesischer Fertigung , die vor allem auf den Amateurfunkmarkt zielen. Unter dem Namen nanoVNA wird seit einiger Zeit für ca. 60€ ein kleines Kästchen vertrieben, das als einfacher VNA bis 500 MHz dienen soll. Damit lässt sich der SWR einer Amateurfunkantenne bestimmen und damit die Antenne dann exakt auf das gewünschte Frequenzband optimieren.

500 MHz war mir zu wenig, aber dann kamen Versionen für höhere Frequenzen auf den Markt. Im Jahr 2022 erschien dann der (offensichtlich auf der Idee des nanoVNA basierende) liteVNA, der bis 6,3 GHz arbeiten soll. Obwohl er das Dreifache eines nanoVNA kostet, war er damit für mich interessant, und ich kaufte einen bei einem europäischen Shop. Auf Ebay findet man vom nanoVNA viele Versionen, und es ist mir unmöglich einzuschätzen, welches Produkt ein "Original", eine schlechte Kopie, eine gute Kopie oder Schrott ist. Ich erwarte beim liteVNA eine ähnliche Entwicklung, und wollte beim Kauf sicher gehen.

Der liteVNA wird in zwei Versionen (62 und 64) hergestellt, die sich in der Displaygröße unterscheiden. Das größere Gerät (siehe Foto) hatte dann auch mehrt Platz für einen größeren internen Akku. Zum Lieferumfang gehört ein Stift für den Touchscreen, zwei kurze SMA-Kabel, ein USB-Kabel (zum Laden) und ein sehr einfaches "Kalibrierkit".

Bei allen diesen Geräten ist nur der Port1 aktiv. Damit können nur S11 und S21-Messungen gemacht werden. Das ist für die meisten Zwecke aber ausreichend. Die Software unterstützt auch SWR-Messungen, Time-Domain-Darstellung und Smith-Chart. Natürlich muss so ein einfaches Tool in der Messgenauigkeit und dem Dynamikbereich im Vergleich zum Profigerät große Abstriche machen, aber mich hat der liteVNA absolut positiv überrascht. Mit keinem anderen Tool in meiner Werkstatt kann ich SWR-Messungen oder S11-Messungen so schnell und einfach durchführen.
liteVNA




Signalgenerator

Hat man kein Signal, dann kann man auch nichts messen. Deshalb ist ein Signalgenerator nicht gerade unwichtig.

Während Signalgeneratoren, die nur für wenige Megahertz ausgelegt sind, auch Rechteck-, Sägezahn- und Dreieckschwingungen ausgeben können, erzeugt ein typischer Signalgenerator im Hochfrequenzbereich erst einmal nur sinusförmige Schwingungen. Oft gibt es noch die Möglichkeit, dem Signal eine Amplituden-, Frequenz- oder Phasenmodulation aufzuprägen. Arbritary-Generatoren (die also beliebig frei programmierbare Wellenformen erzeugen können) sind hier nicht mehr üblich.

Das liegt schon daran, dass man sich über die Form eines Signals hier keine Gedanken mehr macht - alles ist Sinus. Eine Nicht-Sinus-Schwingung wird immer als Summe mehrerer Sinusschwingungen verstanden, die verschiedene Amplituden und Frequenzen haben. Und es ist wahr: jedes periodische Signal kann man aus Sinus-Signalen zusammensetzen.

Die Ausgangsleistung eines Signalgenerators wird in dBm angegeben und eingestellt. Die Maximalleistung typischer Generatoren übersteigt selten +10dBm. Der Ausgang ist meist eine N-Buchse.

Das erste Foto zeigt einen typischen Signalgenerator von Agilent, der von 9 kHz bis 3,2 GHz geht. Der Ausgangspegel geht bei dieser Version bis fast +20 dBm. Interessant (und technisch sehr aufwendig) ist aber auch, dass man den Pegel bis auf -130 dBm absenken kann. Um so ein Gebrauchtgerät für deutlich weniger als 1000 € zu ergattern braucht man aber Glück.

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Deshalb ist das interessanteste am Markt z.Z. der ERASynt-micro von Erainstruments. Das ist ein kleines Handgerät mit USB-Stromversorgung und LCD-Touchscreen, das Frequenzen von 12,5 MHz bis 6,4 GHz bei Pegeln von -50 bis +15 dBm ausgibt. Beim Design wurde auf geringes Phasenrauschen geachtet, und das ganze ist auch noch Open-Source. Als Europäer ist man mit 225 $ dabei. Mir gefällt besonders, dass das kleine Kästchen (im Gegensatz zu vielen USB-Gadgets) ohne PC-Steuerung auskommt. Die Bedienung erfolgt nämlich über das Touch-LCD, das fast die gesamte Frontseite einnimmt.

Die auf den ersten Blick recht hohe Minimalfrequenz von 12,5 MHz liegt am verwendeten Chip LMX2572 von TI. Der funktioniert nämlich erst ab dieser Frequenz. Intern erzeugt er mit einem VCO eine einstellbare Frequenz zwischen 3,2 GHz und 6,4 GHz. Braucht man eine kleinere Frequenz als 3,2 GHz, dann kann man sie mit einem internen Teiler um einen Faktor zwischen 2 und 256 herunterteilen. Die niedrigste VCO-Frequenz geteilt durch den größten Teiler ergibt  3,2 GHz / 256 = 12,5 MHz. (Das Prinzip ist ähnlich wie beim Chip ADF4351, der 2,2 GHz bis 4,4 GHz erzeugen kann, und diese bis auf minimal 35 MHz herunterteilen kann.)
Durch die digitale Frequenzteilung ist bei Frequenzen unterhalb von 3,2 GHz also mit Oberwellen im Ausgangssignal zu rechnen. Bei einer eingestellten Ausgangsfrequenz von unter 500 MHz sieht das Spektrum schon fast wie ein Frequenzkamm aus. Bei höheren Frequenzen (>2GHz) gibt es aber nur wenige Harmonische, und deren Pegel ist auch ausreichend klein. Die folgenden Spektren wurden bei der Einstellung 0dBm aufgenommen, die etwas kleineren Pegel liegen an den Kabelverlusten:

ERASynt

Der maximale Ausgangspegel erreicht bis hinauf zu 6,4GHz die versprochenen +15dBm. Die Abweichung zwischen eingestelltem und ausgegebenem Pegel ist überschreitet 1 dB kaum einmal. Wird der Pegel auf -50 dBm gestellt, dann sieht man bei ~48,8 MHz, ~98 MHz und ~195 MHz Störsignale mit etwa -47 dBm. Normalerweise stören die nicht, in diesem Fall sind sie aber größer als das Nutzsignal.

Erainstruments ist leider kein Großhersteller, sondern hat während ich das hier schreibe (September 2019) gerade einmal 200 ERASynt-micro produziert. 

Wer etwas basteln will, kann sich einen Signalgenerator mit Hilfe von chinesischen Evaluationsplatinen und etwas PIC-Technik selber bauen.

Für den Anfang mag es aber auch ein auf den ADF4351 basierender Signalgenerator als nackte Platine tun.



Rauschquelle

 
Normalerweise ist Rauschen ja störend, und meist will man es vermeiden. Trotzdem gibt es Rauschquellen, und die haben auch einen Nutzen, und zwar z.B. als Behelfs-Tracking-Generator-Ersatz für den Spektrumanalysator.
Im Gegensatz zu einem richtigen Tracking-Generator erzeugt eine Rauschquelle einfach alle Frequenzen (bis zu ihrer Maximalfrequenz) gleichzeitig. Speist man das Rauschen der Rauschquelle in ein Frequenzfilter, und schaut sich den Filterausgang mit einem Spektrumanalysator an, so sieht man sofort, welche Frequenzen das Filter hindurch lässt. Das auf dem Spektrumanalysator-Display zu sehende Spektrum, ist die Durchlasskurve des Filters. Genau dafür würde man sonst einen Tracking-Generator verwenden. Aber leider hat nicht jeder Spektrumanalysator einen solchen.

Verwendet man anstelle eines Spektrumanalysators einen Oszi mit FFT-Funktion, dann ist eine Rauschquelle sogar der perfekte Ersatz für den Tracking-Generator (der mit der FFT zusammen nicht funktionieren kann).

Keine billige Rauschquelle wird über das ganze Frequenzband gleichmäßig rauschen, und am oberen Ende des spezifizierten Frequenzbandes lässt die Rauschleistung stark nach, aber für grobe Messungen mag das reichen.

Rauschquellen die deutlich über 3 GHz kommen, kosten viele hundert Euro, das ist eher Spezialequipment für Profis.

Chinesische Ebay-Händler fluten den Markt mit Billigrauschquellen (15 ... 25 €), die aber kaum 2 GHz überschreiten.



Nahfeldsonde

Elektronischer Geräte können Strahlung aussenden, die andere Geräte stören. Um soetwas zu vermeiden, müssen im Design Vorkehrungen getroffen werden. Im Rahmen der Optimierung und Problembeseitigung muss natürlich auch gemessen werden, ob störende Strahlung abgestrahlt wird, und welche Bauelemente die Störstrahler sind. Das passiert im Rahmen sogenannter EMV-Mesungen (EMV = Elektromagnetische Verträglichkeit). Für den Bastler ist das alles eigentlich nicht so relevant. Wer aber Geräte in den Handel bringen will, muss sich hier an geltende Vorschriften halten.

Für die Messung verwendet man magnetische (H-Field) und elektrische (E-Field) Miniantennen, die man in geringem Abstand über Platinen und Bauteile führt, um Strahlungsquellen zu lokalisieren. Das Antennensignal wird dann (meist um 20 ... 30dB verstärkt) einem Spektrumanalysator oder Oszilloskop zugeführt. Die kleinen Antennen nennt man Nahfeldsonden (Near-Field-Probes), und professionelle Sonden mit definierten Parametern kosten hunderte Euro. Dabei ist ihr Grunddesign sehr simpel.

Ich benutze eine magnetische DIY-Sonde aus einem Stück RG402-Koaxkabel.

Es spricht Vieles dafür, mit DIY-Sonden oder anderen Billigsonden die größten Problemstellen im eigenen Design zu erkennen und zu beseitigen, bevor man für die offizielle EMV-Qualifikation in ein teures EMV-Labor geht. Man spart teure Laborzeit und damit viel Geld.

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Software Defined Radio (SDR)

SDR sind seit einigen Jahren in Mode, und dabei handelt es sich (trotz des Namens) natürlich erst mal um Hardware. Meist ist es eine kleine Box mit einem Koaxial-Eingang (bevorzugt SMA) und einem USB-Anschluss für den PC. Drinnen befindet sich ein Empfänger, der das HF-Eingangssignal auf eine niedrigere Zwischenfrequenz (ZF) herunter mischt, dann digitalisiert und den digitalen Datenstrom per USB an den PC überträgt. Das sind noch Rohdaten, die eine Bandbreite von mehreren 10 MHz umfassen können. Diese Hardware ist also erst die erste Hälfte eines Empfängers, die zweite Hälfte wird dann in Software im PC erledigt. Das kann dann z.B. ein weiteres Heruntermischen und Demodulieren sein.
Die Software muss natürlich auch die Steuerung des SDR (z.B. die Frequenzeinstellung…) übernehmen.

Etwas bessere SDR haben auch noch einen Senderkanal eingebaut, können also HF erzeugen.


Das billigste auf dem SDR-Markt nennt sich SDR1090. Das ist eigentlich ein DVB-T-Empfänger in der Größe eines übergewichtigen USB-Stick, mit dem man seinen PC fernsehtauglich machen sollte. Man kann ihn aber auch als einfachen SDR verwenden. Er hat nur einen Empfangskanal, seine maximale Eingangsfrequenz ist nur 1,7 GHz, die Bandbreite des digitalen Datenstroms ist nur ca. 2 MHz und seine HF-Eingangsbuchse ist leider nicht SMA (soll ja eigentlich eine Fernsehantenne dran) sondern ein 75 Ohm-Antennenstecker. Aber das ganze kostet auch nur 10 ... 20€.

Ich muss betonen, dass sich nicht jeder DVB-T-Stick eignet, sondern nur solche mit RTL2832U-Interfacechip und E4000 oder R820T Tuner-Chip. Das schreiben Hersteller normalerweise ja nicht auf die Verpackung, aber man findet gelegentlich Anbieter, die genau mit dieser Eigenschaft werben.

Ich habe inzwischen auch schon spezielle SDR-Versionen solcher Sticks gesehen, die cooler aussehen, einen SMA-Eingang haben aber auch mehr kosten. (25€)

Der Name des Sticks ( SDR1090.) geht auf dessen der Anwendung zum Empfang von ADS-B-Signalen zurück. Diese werden von Flugzeugtranspondern auf der Frequenz 1090 MHz abgestrahlt.

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Der SDR-Standard in der Hobbyszene ist der HackRF-One. Der hat SMA-Anschlüsse, kann empfangen und senden (aber nicht gleichzeitig), verträgt bis zu 6 GHz und hat eine Bandbreite von 20 MHz. Für 160 € bekommt man chinesische Kopien und für 300 € das Original.

Mit aktueller Firmware kann man den HackRF-One auch als einfachen Spektrumanalysator verwenden.
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Softwareseitig gibt es einige Speziallösungen, aber das mächtige Universaltool ist GNURadio.



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Autor: sprut
erstellt: 16.02.2019
letzte Änderung: 08.10.2022