Direktanzeigendes Stehwellen-Messgerät
Bei den einfachen SWR-Messgeräten für die SWR-Messung ist je nach
Sendeleistung zuerst eine Kalibrierung auf die vorlaufende Spannung Uv=100% und
anschließende eine Umschaltung auf die rücklaufende Spannung Ur zum
Ablesen des SWR notwendig. Mit Hilfe der folgenden Schaltung kann man sich das
SWR, ohne das zuvor beschriebene Handling, direkt anzeigen lassen.
Die dazu erforderliche Berechnung übernimmt eine kleine analoge
Rechenschaltung (Dividierer). Die Rechenschaltung ist nicht neu; sie stammt aus
einer Zeit in der es noch keine Mikroprozessoren oder preiswerte
Logarithmier-ICs zur Ausführung einer Division gab. Sie arbeitet nach dem
Prinzip, dass die Entlade-/Ladezeit vom Kondensator C6 des gesteuerten
Integrators IC1 umgekehr proportional zum Verhältnis von |Ur|/ (Uv-Ur)
ist. Die Beziehungen zwischen den Zeiten und den Spannungen sind wie folgt:
t1 ~ 1 / (Uv - Ur) = A
t2 ~ 1 / |Ur| = B
T = t1 + t2 ~ 1 / (Uv - Ur) +
1 / |Ur| = A + B
Der relative Strom I_rel durch das Anzeigeinstrument ergibt sich zu:
I_rel = t1 / T ~ A / (A+B)=1 / (1 + B/A) = 1 / [1 + (Uv - Ur) / Ur ] = Ur / Uv
I_rel [%] = 100% x Ur / Uv
Die Zuordnung des SWR Wertes zum Strom I_rel erfolgt grafisch, d.h bei der Kalibrierung der Anzeigenskala. Bei Ur = 0 fließt kein Strom und das Instrument zeigt ein SWR von 1 an. Ur = 0,5 x Uv ergibt einen Stromfluß über 50% der Periodendauer T. Der Zeiger geht in die Mittelstellung, was einem SWR von 3 entspricht. Die 100% Endstellung (SWR = Unendlich) wird bei Ur = Uv eingenommen.
Abb.1: Schaltplan des SWR-Messgerätes
Funktionsweise
Das als Fensterkomparator verwendete Timer IC NE555 steuert den Lade- und Entladevorgang des Kondensators C6. Wenn der Transistor VT1 sperrt, beginnt die Entladephase t1. Sobald die Ausgangsspannung des OPs den 1/3 Schwellwert des NE555 unterschreitet, geht der Pegel an den beiden Ausgängen 7 und 3 nach "High". Der Schalttransistor VT1 bewirkt jetzt einen Kurzschluss von Uv, so dass damit nur noch -Ur wirksam ist. C6 wird nun aufgrund der negativen Spannung -Ur aufgeladen. Nach der Zeit t2 überschreitet die Ausgangsspannung von IC1 den 2/3 Schwellwert des Komparators. Der Pegel an den beiden Ausgänge 7 und 3 wechselt nach "Low". VT1 sperrt nun wieder und der zuvor beschriebene Vorgang wiederholt sich. "High" an Pin 3 bedeutet keinen Stromfluss und "Low" einen durch R9 auf 100 uA begrenzten Stromfluss durch das Drehspulinstrument.
Abb. 2: Signalverlauf am OP- und Timer-Ausgang
Das Anzeigeinstrument bildet den Mittelwert aus den Stromimpulsen. Es reagiert in einem weiten Bereich nur auf das Verhältnis von t1/t2 und nicht auf die Frequenz f. Bei Spannungen kleiner als 0,2 V fängt der Zeiger etwas an zu zittern, da die Frequenz durch die hohe Lade- und Entladezeit sehr gering geworden ist. Wenn keine Sendesignal vorhanden ist, bewirkt der geringe Strom durch den 2,2 MOhm Widerstand das das Instrument ein SWR von 1 und nicht den Wert Unendlich anzeigt. Das Reflektometer in der Schaltung ist für eine Senderleistung von 0,5...10 Watt ausgelegt. Für höhere Leistungen ist das Reflektometer entsprechend zu modifizieren.
Beispiel:
| Uv [V] | Ur [V] | Ur/Uv | I_rel [%] | Stehwellenverhältnis SWR |
|---|---|---|---|---|
| 1 | 0 | 0/1 | 0 | 1 |
| 1 | 0,2 | 0,2/1 | 20 | 1,5 |
| 1 | 0,5 | 0,5/1 | 50 | 3 |
| 1 | 0,75 | 0,75/1 | 75 | 7 |
| 1 | 0,8 | 0,8/1 | 80 | 9 |
| 1 | 0,9 | 0,9/1 | 90 | 19 |
| 1 | 1 | 1/1 | 100 | Unendlich |
| 2 | 0,4 | 0,4/2 | 20 | 1,5 |
| 2 | 0,5 | 0,5/2 | 25 | 1,66 |
| 2 | 1 | 1/2 | 50 | 3 |
| 3 | 1 | 1/3 | 33 | 2 |
| 3 | 1,5 | 1,5/3 | 50 | 3 |
| 3 | 2 | 2/3 | 66 | 5 |
Die Tabelle zeigt, dass der Quotient Ur/Uv bei unterschiedlichen Absolutwerten von Ur und Uv den gleichen Anzeigewerte ergibt.
Spannungsversorgung
Das SWR-Messgerät benötigt eine unstabilisierte Spannung von Ub = 7....15 V. Der Operationsverstärker TL071 und der Timer NE555 erhalten eine stabile Spannung von 6 V. Die Amplitude des erzeugten Sägezahn und die Stromimpulse durch das Instrument sind damit unabhängig von Ub. Eine +3V Referenzspannung ermöglicht den symetrischen Betrieb des OPs mit nur einer Speisespannung. Die Stromaufnahme der Schaltung beträgt ca. 8 mA. Für Batterieberieb empfiehlt sich die stromsparende CMOS Ausführung des NE555.
Stückliste
| Bauteil | Wert |
|---|---|
| P1 | 10 kOhm 10-Gang Spindel-Potentiometer |
| R1, R2 | 56 Ohm |
| R3 | 560 Ohm |
| R4 + R5 | 2 x 100 kOhm in Reihe |
| R6, 7 | 100 kOhm |
| R8 | 22 kOhm |
| R9 | 56 kOhm |
| R10 | 2,2 MOhm |
| R11 | 10 kOhm |
| C1 | 3 .. 20 pF Trimmerkondensator |
| C2 | 100 pF |
| C3, 4, 5, 6 | 4,7 nF |
| C7, 10, 11 | 0,1 uF |
| C8, 9 | 100 uF, 10 V |
| D1, 2 | BAT42 |
| VT1 | 2N5179 |
| T1 | T50-2, 1 Wdg. prim. / 50 Wdg. sek. |
| Dr1 | FT37-43, 15 Wdg. |
| IC1 | TL071 |
| IC2 | NE555 oder CMOS Typ |
| IC3 | 78L06 |
| M | Drehspulinstrument 100 uA |
Abgleich
Für den Abgleich gibt man einfach über je ein Potentiometer eine Spannung von +2 V an den Uv Anschluss und -1 V an den Ur Anschluss. Die Spannungsangaben sind auf die +3 V Referenzspannung bezogen. Die Potis sind für den Abgleich zwischen GND und +6 V anzuordnen. Gegenüber GND gemessen sind es somit +5 V und +2 V. Die SWR-Rechnung ergibt:
SWR = (Uv + Ur) / (Uv - Ur) = (2V + 1V) / (2V - 1V) = 3 / 1 = 3.
Da die Beträge (Uv - Ur) und |-Ur| gleich sind, ist
auch das Impuls/Pausenverhältnis gleich (symetrische Rechteckspannung an
Pin 7 von IC2). Der Zeiger des Messinstrumentes sollte nun in der 50% Stellung
stehen, was dem zuvor berechneten SWR von 3 entspricht. Bei einer Abweichnung
von der Mittelstellung muss zu R9 ggf. eine Reihen- oder Parallelwiderstand
angeordnet werden.
Das Reflektometer wird bei 1 bis 2 Watt Senderleistung mit C1 auf minimale
Spannung Ur abgeglichen. Der ANT-Anschluss erhält dazu eine ohmsche Last
von 50 Ohm.