VNA oder nanoVNA wozu ist sowas gut?

      "The proof of the pudding is in the eating" - nicht wahr?



      Also habe ich die Anpassung mit den beiden Impedanztrafos (Un-UN) umgesetzt.



      Jede der beiden Spulen ist mit 20 Windungen - Abgriff - danach nochmal 31 Windungen bewickelt, wie vorstehend im Schaltplan abgebildet. Ich habe sehr dünnen CuL-Draht mit nur 7/100 mm Durchmesser verwendet. Ich hätte damit auch 100 Windungen aufbringen können, ohne dass die Wicklung auf dem kleinen Spulenkern zu dick geworden wäre.

      Vorteil: Je mehr Windungen insgesamt (bei beibehaltenem Windungsverhältnis) um so besser wird S11. Den Spulenkern darf man ganz herein drehen, grössere Permeabilität verbessert S11 nochmals.
      Nachteil: Mit mehr Windungen steigt auch die parasitäre Kapazität und die Bandbreite schwindet. Die Isolation zwischen Ein- und Ausgang ist bei weitem nicht so gut wie bei der LC-Filter-Anpassung. Dadurch ist der verfügbare Dynamikbereich bei der LC-Anpassung wesentlich grösser als bei der Trafo-Anpassung. Ein Unterschied macht sich aber nur jeweils bei > 38 dB unter dem Durchlassmaximum bemerkbar, ist also für die Auswahl / Selektion von Keramikfiltern nicht wirklich ausschlaggebend. Vielleicht stehen auf der kleinen Mess-Platine die beiden Trafos (Spulenkörper) zu nahe zusammen und trotz Abschirmbecher macht sich daher eine Kopplung zwischen Eingangs- und Ausgangstrafo bemerkbar. In dem Fall wäre eine länglichere Platine mit grösserem Abstand zwischen beiden Trafos günstiger. Stelle ich einen Eisenwinkel (Möbelwinkel) zwischen die beiden Spulen, verbessert sich die Isolation zwischen Ein- und Ausgang um 2,5 dB, von -38 dB auf -40,5 dB, etwas unerwünschte Kopplung ist also vorhanden. Man baut und lernt dabei.

      Hier S11 für die Mess-Platine mit der Impedanztrafo-Anpassung:




      Die parasitäre Kapazität der Wicklung und nicht perfekte Spuleneigenschaften machen sich deutlich bemerbar (Andreas hatte schon darauf hingewiesen). Statt theoretisch bis zu über 100 MHz, ist die praktisch nutzbare Bandbreite bis auf 40- 50 MHz begrenzt. Das kann auch am Spulenkern liegen, meine Spulenkörper sind für 10 MHz vorgesehen, die Permeabilität könnte also bei wesentlich grösserer Frequenz zu stark abnehmen, um damit auf 100 MHz kommen zu können. Da für diese Anwendung aber nur der Bereich 9-11 MHz interessiert, ist die erzielte Bandbreite allemal mehr als ausreichend. Deutlich besser als mit der LC-Anpassung, die doch nur auf einen relativ engen Bereich um das Maximum der Durchlasskurve beschränkt ist.



      Die spannende Frage ist nun, was zur Beurteilung der Filter anhand ihrer Durchlasskurven besser ist (was gibt den tatsächlichen Verlauf besser wieder?).
      Nachstehend habe ich die Messung der S21 (Betragswert, lineare Ordinate ) Durchlasskurven mit beiden Testboards zum Vergleich abgebildet. Lineare statt logarithmischer dB-Skala, a) weil man auch linear beim Wobbeln misst und b) weil bei logarithmischem Massstab (in dB) der obere Bereich der Durchlasskurve stark gestaucht wird und daher dieser für die -3 dB Bandbreite und Symmetrie wichtige Bereich schlechter erkennbar ist.



      Ich habe vier verschiedene 10,7 MHz Keramikfilter mit Bandbreite von ca. 200 kHz verglichen.
      Die untereinander stehenden Durchlasskurven gehören jeweils zum selben Filter.
      Die Marker stehen auf -3 dB (zur Bestimmung der Bandbreite und der grüne Marker auf Mittenfrequenz.

      Obere Zeile: LC-Anpassung
      Untere Zeile: Impedanztrafo (Un-Un) Anpassung








      Filter 1
      Einfügedämpfung: LC-Anpassung = -3,8 dB // Trafo-Anpassung = -3,7 dB
      Mittenfrequenz: LC-Anpassung =10,720 MHz // Trafo-Anpassung = 10,720 MHz
      Bandbreite (-3 dB) LC-Anpassung = 198 kHz // Trafo-Anpassung = 202 kHz
      Symmetrie am Maximum: LC-Anpassung = gut // Trafo-Anpassung = gut

      Filter 2
      Einfügedämpfung: LC-Anpassung = -4,7 dB // Trafo-Anpassung = -4,6 dB
      Mittenfrequenz: LC-Anpassung =10,718 MHz // Trafo-Anpassung = 10,718 MHz
      Bandbreite (-3 dB): LC-Anpassung = 195 kHz // Trafo-Anpassung = 193 kHz
      Symmetrie am Maximum: LC-Anpassung = gut // Trafo-Anpassung = gut

      Filter 3
      Einfügedämpfung: LC-Anpassung = -4,2 dB // Trafo-Anpassung = -4,1 dB
      Mittenfrequenz: LC-Anpassung =10,726 MHz // Trafo-Anpassung = 10,730 MHz
      Bandbreite (-3 dB): LC-Anpassung = 198 kHz // Trafo-Anpassung = 194 kHz
      Symmetrie am Maximum: LC-Anpassung = gut // Trafo-Anpassung = gut

      Filter aus RF-Demo-Kit
      Einfügedämpfung: LC-Anpassung = -5,15 dB // Trafo-Anpassung = -5,2 dB
      Mittenfrequenz: LC-Anpassung =10,725 MHz // Trafo-Anpassung = 10,725 MHz
      Bandbreite (-3 dB): LC-Anpassung = 201 kHz // Trafo-Anpassung = 200 kHz
      Symmetrie: LC-Anpassung = unsymmetrisch, in höherfrequenter Flanke verbreitert // Trafo-Anpassung = etwas unsymmetrisch, in höherfrequenter Flanke etwas verbreitert


      Schlussfolgerungen:
      • Die Einfügedämpfung ist mit der Trafo-Anpassung tendenziell um 0,1 dB kleiner (besser) als mit der LC-Anpassung. Das liegt daran, dass die LC-Anpassung bereits 0,1 dB Verlust mit sich bringt (durch Simulation bestätigt), die ich nicht herausgerechnet habe. Dieser winzige Unterschied ist in der Praxis unerheblich. Zeigt aber die Genauigkeit der Messungen. Die Trafo-Anpassung gibt den präziseren Wert.
      • Die Unterschiede der ermittelten Mittenfrequenzen zwischen LC-Anpassung und Trafo-Anpassung liegen innerhalb der Ablesegenauigkeit (ca. +/- 5 kHz).
      • Die Unterschiede der Bandbreite zwischen LC-Anpassung und Trafo-Anpassung liegen ebenfalls innerhalb der Ablesegenauigkeit (ca. +/- 7 kHz)
      • Unterschiede in der Symmetrie zwischen LC-Anpassung und Trafo-Anpassung sind kaum wahrnehmbar. Beide Anpassungen liefern gut übereinstimmende Duchlasskurven.


      Gruß
      Reinhard

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      L-Glied abstimmbar

      Zuerst ermittelte ich mit RFSim die idealen Werte für exakt 50 Ω bei 10,7 MHz.
      Da kommt man auf 1,76 µH und 106,7 pF, etwas unhandlich.
      Dann schaute ich, ob man bei Reinhards Aufbau noch was herausholen kann.
      Da nahm ich 1,73 µH und 108,2 pF statt 10 pF parallel zu 100 pF.
      Siehe Bild, sieht schon besser aus.
      Ein Strich bedeutet -5 dB, oben fing ich bei der Skalierung mit 0 dB an.
      Mit Absicht ließ ich die Simulation im engen Bereich von 10,2 bis 11,2 MHz laufen.
      Ich würde den 10 pF wieder ausbauen und dafür einen Trimmer 3...13 pF einlöten.

      Andreas
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      Was bedeutet DL2JAS? Amateurfunk, www.dl2jas.com
      Ich hatte die Überlegung auch angestellt und wollte ursprünglich statt der 110 pF - wie Du auch gefunden hast - 108 oder109 pF einsetzen. Ich hatte aber 8, bzw. 9 pF nur in schlechterer Kerko-Qualität verfügbar. Daraufhin habe ich den Einfluss auf die Durchlasskurve (S21) simuliert und zwischen 108 pF und 110 pF keinen Unterschied (weniger als die Strichbreite im Plot) gefunden. Deshalb habe ich C bei 110 pF belassen. Wenn ich kann, vermeide ich Trimmer. Der Nachteil der feinen Einstellbarkeit ist die grössere Anfälligkeit.

      Gruß
      Reinhard

      Dieser Beitrag wurde bereits 3 mal editiert, zuletzt von „oldiefan“ ()

      Möge mein Vorschlag eine Anregung für Nachbauer sein!

      Bin ich vorhin nicht darauf eingegangen, es gibt noch eine Tücke.
      Bei Ferrit ist nicht selten µ und damit die Induktivität frequenzabhängig.
      Misst man mit üblichen LCR-Metern, ist eine unangenehme Überraschung möglich.
      Damit meine ich den Bereich der Spezifikation beim Ferrit, außerhalb ist klar.

      Andreas
      Was bedeutet DL2JAS? Amateurfunk, www.dl2jas.com
      Schon klar.
      U.a. deshalb habe ich die Durchlasskurven, die mit der LC-Anpassung gemessen wurden, mit denen der Impedanztrafo-Anpassung verglichen.
      Beim Impedanztrafo hängt die Transformation ja nicht von der Induktivität (also der Kern-Permeabilität und dessen Frequenzabhängigkeit) ab.

      Es geht mir bei dieser Aufgabe ja um die Messung der Durchlasskurven mit einer möglichst einfachen Testplatine, verlustfrei, ohne Notwendigkeit eines Verstärkers, jederzeit sofort einsatzbereit, zuverlässige Messung in wenigen Minuten.

      Wenn bei der gewählten LC-Anpassung oder der gewählten Trafo-Anpassung etwas "daneben" wäre, sollte ich einen systematischen Unterschied bei den Durchlasskurven zwischen LC- und Trafo-Anpassung erwarten. Die erhaltenen Kurven sind aber - wie oben gezeigt - trotz grundlegend verschiedener Anpassmethoden übereinstimmend.

      Dass mit den beiden unterschiedlichen Methoden (LC- und Trafo-Anpassung) quantitativ gleiche Ergebnisse resultieren, deutet für mich auf keinen Anhaltspunkt für einen Fehler. Sonst müsste in beiden Anpassmethoden jeweils ein Fehler vorliegen, der zum quantitativ selben Ergebnis führt. Das ist m.E. nicht sehr wahrscheinlich.


      Fehlermöglichkeiten (nicht unbedingt abschliessend):

      LC-Methode
      Fehlbestimmung der Induktivität und/oder Frequenzgang der Induktivität (bei Impedanztrafo Methode ausgeschlossen)
      Fehlmessung der Kapazität (ist hinreichend genau bis zu < 1 pF messbar) oder Frequenzgang der Kapazität (bei Kerko Kl. I hinreichend gering, bei Impedanztrafo-Methode ausgeschlossen)
      Parasitäre Induktivität (im Bereich bis 20 nH ggf. möglich, hier (bei 10 MHz) unkritisch)

      Impedanztrafo-Methode
      Fehler im Windungszahlverhältnis (möglich für +/- 0,5 Windungen bei beiden Teilwicklungen ergibt Einfluss von < +/- 10% auf die Ein-bzw. Ausgangsimpedanz, unkritisch (bei LC-Methode nicht möglich)
      Frequenzabhängigkeit der Kernpermeabilität (hat keinen Einfluss auf das Impedanzverhältnis, korrekte Impedanztransformation)
      Parasitäre Kapazitäten der Trafo-Wicklungen (bei LC-Methode nicht möglich)
      Kopplung der Felder beider Trafos (erhöht den Grundpegel unter der Durchlasskurve, verändert aber nicht die Form in der Nähe des Maximums, bei LC-Methode nicht möglich)
      Parasitäre Induktivität (im Bereich bis 20 nH ggf. möglich, hier (bei 10 MHz) unkritisch)


      Gruß
      Reinhard

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