Direkte Messung des EIGEN-INTERMODULATIONSABSTANDES von IP-MESSPLÄTZEN mittels Hilfe eines ZWEIKANAL-QUARZFILTERS MIT HYBRIDCOMBINER

 

Um mit einem Meßplatz das IMDR und somit den IP eines RX messen zu können, muß der Zweiton-Meßplatz besser sein als das Meßobjekt. In der Literatur findet man zur Überprüfung vor allem die Messung mit ohmschem Combiner[1]. Weiters gibt es neuerdings eine Direkt-Messung mit Einkanal-Quarzfilter, zur Unterdrückung der beiden Signalträger[2]. Da im Sperrbereich das Quarzfilter hochohmig ist, kann es zu einer Verstimmung der Brücke im Combiner kommen. Ein Zweikanal-Quarzfilter mit Hybridcombiner und seinem über mehrere MHz breiten konstanten Eingangswiderstand von 50 Ohm, ist die ideale Lösung für exakte Messungen bis in den High-End-Bereich.

 

Aufmacherfoto: Meßaufbau mit Zweitongenerator links, Eichleitung und Quarzfilter in der Mitte sowie Vorverstätker und Spektrumanalysator SNA-1(W&G) rechts.

 

Einleitung

Angefangen von einem Fernsteuerempfänger in 1959, bereits mit Transistoren, über Amateurfunkempfänger mit 9 MHz / 50 kHz -ZF in 1968, bis zu meinem RX mit Schaltmixer(IP3= +50 dBm) in 2007, hat mich der Bau von Empfängern[3] immer sehr fasziniert. Erstmalige Messungen zur Großsignalfestigkeit habe ich beim RX mit Plessey-IC in 1977 mit Hilfe von zwei FET-Quarzoszillatoren und einem Combiner DVS von R&S durchgeführt.

Bei der Modifikation des FT1000 in 2004 mit einem Roofingfilter[4], kam dann der vorher angeführte Meßplatz mit einem Eigen-IMDR3 von -103 dB schon an seine Grenzen: Bei einem IMDR3 vor dem Umbau von -98dB(20 kHz Spacing), ergab sich ein IP3 von +18dBm.

Angespornt durch meinen 2x120m V-Beam, war spätestens durch den Bau von meinem RX mit Schaltmixer(IMDR3 = -120 dB und IP3 = +50 dBm)[3] in 2005 klar, daß ich einen besseren IP-Meßplatz aufbauen mußte. Ich übernahm hierbei teilweise den Aufbauvorschlag von DJ7VY aus [5], wobei ich bis heute keinen besseren Aufbauvorschlag entdecken konnte.

  

Beschreibung des Blockschaltbildes vom IP-Meßplatz:

 

Bild 1: Blockschaltbild vom IP2/IP3 – Meßplatz

 

Die beiden extrem rauscharmen FET-Quarzoszillatoren werden mit -6dB ATT von den Verstärkereingängen entkoppelt, zwecks besserer Anpassung und um ev. unerwünschte Resonanzen zu vermeiden.Die Ausgänge der rauscharmen und hochlinearen 31dB Verstärker werden mit je 10 dB ATT mit den Eingängen des Combiners verbunden, wodurch sich der Eigen-IMDR3 um 20 dB erhöht. Die Brückenschaltung im Homemade-Combiner besitzt zwischen IN1 und IN2 eine Isolation von -57dB und eine Durchgangsdämpfung von -6dB. Direkt in der Brückenschaltung sitzt ein -3dB ATT und gleich an der BNC-Ausgangsbuchse ein 6dB ATT, um störende  kapazitive Einflüsse der Meßkabel möglichst zu reduzieren. Sehr wichtig ist noch eine genügend gute Filterung und somit Entkopplung der Versorgungsspannungen von den Oszillatoren und Verstärkern, um das hohe IMDR3 zu erreichen!

 

Indirekte Messung des Eigen-IMDR3 mittels Ohmschem-Combiner:

 

Bild 2a: Blockschaltbild mit Ohmschem-Combiner, incl. Pegelkalibrierung

 

Wie aus Bild 1 zu ersehen, wurde in Bild 2a der hochwertige Homemade-Combiner durch einen Ohmschen-Combiner mit 3 x 16,7 Ohm ersetzt, um das IMDR3 zwischen den Verstärkerausgängen messen zu können. Dieser besitzt bei 50 Ohm – Abschlüssen jeweils -6 dB ATT zwischen je 2 Anschlüssen. Hierbei muß noch die auf Bild 2a angeführte Pegelkalibrierung vorgenommen werden,

  

Bild 2b: Ausgangssignal der beiden Verstärker bei Pout = 2 x +25 dBm mit „Ohmschen-Combiner“ am SNA-62(W&G); Meßpegel = +25dBm(Pout) -6dB(Comb) -19dB(Eichleitung) = 0dBm

 

Wie in [1] und Bild 2b ersichtlich, ergab sich bei der 2-Ton-Messung mit Ohmschem-Combiner, bei einem Verstärker-Ausgangspegel von 2 x +25 dBm,  am Spektrumanalysator ein IMDR3 von ca. -60dB. Davon müssen dann die 6 dB Dämpfung zwischen IN1 und IN2 vom Ohmschen-Combiner abgezogen werden, womit sich das IMDR3 der Verstärkerausgänge zueinander mit -54 dB berechnet.  

Dazu müssen die  je 10 dB ATT in Bild 1 zwischen Verstärkerausgängen  und Combiner dazugezählt werden. Schlußendlich ergab sich mit der Isolation des Homemade-Combiners von -57 dB, beim IP-Meßplatz nach Bild 1, theoretisch in Summe ein Eigen-IMDR3 von:  (-54dB) +(-2x10 dB) + (- 57dB) = -131 dB.

Da ja bei den hohen Pegeln nicht sicher war, ob nicht der Combiner ev. schon teilweise in Sättigung ging, habe ich damals angenommen daß der Meßplatz mindestens -125 dB kann, da ich die Messungen am RX mit IMDR3 = -120 dB problemlos durchführen konnte: Wenn sich durch Änderung des Meßpegels mittels Eichleitung das IMDR3 nicht mehr ändern würde, wäre dies das IMDR3 des Meßplatzes und somit RX besser als der IP-Meßplatz. Dies war jedoch nicht der Fall. Man kann mit dieser Methode also auch mit einem sehr guten RX einen weniger guten IP-Meßplatz ausmessen, wie von mir auch für einen OM aus DL, mit meinem RX in 2020 durchgeführt.

Generell sollten bei IP-Messungen zwischen Combiner und Meßobjekt(hat nicht immer 50 Ohm) möglichst 15 -20 dB Abschwächer sein(incl. Eichleitung), damit man die Brücke im Combiner nicht verstimmt.

 

Direkte Messung mit der Hilfe von Quarzfilter:

 

Bild 3a: Zweikanal-Quarzfilter im Gehäuse: Da die 8mm Distanzbolzen zur Montage der Printplatte bereits einen zu hohen induktiven Widerstand bilden, um die Printplatte gut zu erden, mußte diese mit zusätzlichen Cu-Folien an der Gehäuseseitenwand geerdet werden. Dies war unbedingt notwendig, um eine Weitabselektion von 80 dB zu erreichen. Aus gleichem Grunde wurde nach dem 1. Quarz eine Schirmwand eingelötet 

 

Bild 3b: Printplatte von unten gesehen: Die Massefläche in der Mitte wurde mit 6 Stk Lötstützpunkten mit der Massenoberseite verlötet. Durch die seitliche Anbindung derselben mit der Außenmasse, direkt unter der Schirmwand, konnte beim 9 MHz-Filter die Weitabselektion auf 90dB erhöht werden

 

Dachte immer wieder über die Möglichkeit einer Direkt-Messung meines Meßplatzes nach, die ich dann in einer Publikation von DC4KU in [2] gefunden habe. Er verwendet ein 9 MHz Einkanal-Quarzfilter von KVG um die beiden Meßträger zu unterdrücken, um dann mit dem Spektrumanalysator das IM3 – Produkt im Durchlaßbereich messen zu können. Da das Einkanal-Quarzfilter im Sperrbereich hochohmig ist, kommt es zur Totalreflexion der Meßträger, Fehlanpassung derselben und somit zu einer Verstimmung der Combinerbrücke! Durch die Einfügung von 20 - 25dB ATT zwischen Combiner und Quarzfilter, kann der Fehler auf  bis zu 1dB reduziert werden. Dadurch verringert sich jedoch stark vom MDS weg gerechnet, der meßbare Dynamikbereich, was bei Meßplätzen, ohne zusätzliche Verstärker Probleme bringt.

 

Bild 4:  Reflexionsdämpfung vom Einkanal-Quarzfilter: Bei den eingezeichneten Trägerfrequenzen von 7010 kHz und 7030 kHz beträgt diese nur -0,4 dB. Es herrscht also Totalreflexion

 

 

Bild 5: Reflexionsdämpfung vom Zweikanal-Quarzfilter: Bei den eingezeichneten Trägerfrequenzen von 7010 kHz und 7030 kHz ergaben sich mindestens  -19 dB, was etwa einem Wellenwideratndsgerechtem-Abschluß entspricht

 

In meinem Homemade-RX verwende ich gleich nach dem Schaltmixer zur breitbandigen 50 Ohm- Anpassung auf 9 MHz ein 2-Kanal-Roofing-Quarzfilter mit Hybridcombiner[6], welches über mehrere MHz einen konstanten Eingangswiderstand besitzt. Mit so einem Filter, welches ich auf  7050 kHz mit Billigquarzen vom FA aufgebaut habe und mit den Trägerquarzen auf  7010 kHz und 7030 kHz, konnte ich nun nach vielen Jahren endlich sicher meinen Meßplatz direkt ausmessen!

 

Bild 6a: Prinzip-Schaltung des Zweikanal-Quarzfilters mit Hybridcombiner	Bild 6b: Detail-Schaltplan des Quarzfilters: Die beiden Filterzweige sollen getrennt abgeglichen  und erst dann mit den zwei Combinern zusammengeschaltet werden

 

Beschreibung der Prinzip-Schaltung des Zweikanal-Quarzfilters mit Hybridcombiner:

 Durch den Combiner am Eingang wird das IM-Signal auf beide Kanäle aufgeteilt und in der Phase gegenteilig um + Phi und -Phi phasenverschoben. Nach durchlaufen der beiden Filterzweige in Durchlaßrichtung, werden die aufgeteilten Signale durch den Ausgangscombiner wieder phasenrichtig addiert und ergeben das IM-Ausgangs-Nutzsignal. Die beiden Meßträger-Signale, ebenfalls gegenteilig phasenverschoben,  werden vom Filter(Sperrichtung) voll reflektiert und über den Combiner phasengleich am 50 Ohm – Widerstand addiert und dort verbraucht. Richtung Eingang erscheinen durch den Combiner die beiden Reflexionen  gegephasig und heben sich somit auf!

 

 

Bild 7: Gesamt-Durchlaßkurve vom Zweikanal-Quarzfilter

 

Bild 8:  Weitabselektion: Die 80 dB Absenkung der beiden Meßträger ermöglichen erst die IMDR3-Messung mit dem Spektrumanalysator SNA-1(W&G)

 

Beschreibung vom Blockschaltbild des Meßaufbaus mit Pegelplan und der Messungen:

 

Bild 9: Blockschaltbild vom Meßaufbau mit Pegelplan

 

Da der Ausgangspegel des IP-Meßplatzes 0 dBm beträgt, entspricht die Stellung der Eichleitung dem Meßpegel in  - dBm. Meßpegel der Sendesignale sind rot gezeichnet. Meßpegel des IM-Signals ist grün gezeichnet. Um die notwendige Empfindlichkeit zu erreichen, wurde dem Spektrumanalysator SNA-1(W&G), ein extrem rauscharmer Vorverstärker mit +32 dB Verstärkung vorgeschaltet(2x J310 in Kaskade und 50 Ohm / +20 dB IC(NE 5205). Zwecks besserer Anpassung und Vermeidung von ungewollten Resonanzen, wurde zwischen Q-Filter und Vorverstärkereingang ein 3 dB ATT eingeschliffen. Der Anpaßadapter von 50 auf 75 Ohm mit seinen 5,7 dB Dämpfung, muß beim Spektrumanalysator berücksichtigt werden

 

Bild 10: Mit SNA-1(W&G) auf 7050 kHz gemessenes IM3(-120,9 dBm) vom IP-Meßplatz, bei Pin= 2x -11 dBm.

 

Messungen: Bei -15 dBm beginnend, wurde der Pegel des Zweitonsignals in dB-Schritten erhöht und es wurde aus dem Rauschen des SNA-1 heraus ein IM-Signal sichtbar. Bei -13 dBm wurde der erste IM-Meßwert festgehalten und alle weiteren bei jeder dB-Stufe ansteigend bis -9 dBm(siehe Tabelle 1). Von -13 dBm bis -11 dBm war ein annähernd linearer Zusammenhang, also mißt man hier den IMDR3 des Meßplatzes. Jedoch ab -11 dBm bis -9 dBm ergab eine Erhöhung des Meßpegels um +1dB, eine IM-Pegel Erhöhung von ca. +3dB(3. Ordnung), wofür das Quarzfilter verantwortlich ist. Daraus kann man nun den IP3 des Quarzfilters berechnen:

IP3 = IMDR3/2 -Pin = (130dB : 2) +(-11 dBm) = +54 dBm

IP3 am Meßplatzausgang: (130dB : 2) + (+- O dBm) = +65 dBm

 

Tabelle 1: Gemessenes IMDR3 in Abhängigkeit vom Zweiton-Sendepegel

Signalpegel-Filtereingang	[dBm]	2x -13	2x -12	2x -11	2x -10	2x -9
IM-Signal SNA-1 Eingang	[dBm]	-123,5	-122,2	-120,9	-117,9	-114,9
IM-Signal Filtereingang	[dBm]	-143,6	-142,3	-141,0	-138,0	-135,0
IMDR3-Filtereingan	[dB]	-130,6	-130,3	-130,0	-128,0	-126,0

  

IMDR3-Filtereingang = IM-Signal  -  Signalpegel  = -141dBm - (-11dBm) = -130dB

 

Von -13dBm bis -11dBm (linearer Bereich) : Meßplatz dominant

Von  -11dBm bis -9dBm (3. Ordnung) : Quarzfilter dominant

 

Wie aus dem Pegelplan in Bild 1 und Tabelle 1 ersichtlich, ergab sich bei Trägerquarzen von 7010 kHz und 7030 kHz, für 20 kHz Spacing, ein Eigen-IMDR3 des IP-Meßplatzes von -130 dB. Es ergibt sich somit im Vergleich zur Indirekten-Messung mit Ohmschen-Combiner nur ein Unterschied von 1 dB. Diese genaue Übereinstimmung von einem IMDR3 bei den hohen Meßpegeln ist für mich , mit mehr als 60 Jahren HF-Erfahrung, eher als Zufall zu bewerten!!!

Voraussetzung für ein richtiges Ergebnis ist natürlich ein entsprechend hoher IP3 des Quarzfilters und eine genügende Weitabselektion für die Meßsignal-Frequenzen von -80 dB. Um diese -80 dB reduziert sich nach dem Quarzfilter das IMDR3 auf : -144 -(-91) = -53dB. Dieses IMDR3 bleibt vom Quarzfilterausgang bis zum Eingang des SNA-1 konstant. So konnte ich nun problemlos mit meinem SNA-1 von W&G den IP-Meßplatz messen, obwohl der SNA-1  nur ein Eigen-IMDR3 von gut 70 dB besitzt. Die 130 dB des Meßplatzes wären ohne Quarzfilter wohl nicht direkt zu messen gewesen!!!

 

Mit den 7100 kHz und 7150 kHz Trägerquarzen(von Fa. QT aus DL) ergab sich bei 50 kHz Spacing ein IMDR3 von -134 dB. Weiters habe ich noch mit restlichen Quarzen(QT) vom RX, für Kontrollzwecke auf 9MHz noch ein gleiches Filter aufgebaut, wobei sich mit 8900 kHz und 8950 kHz Trägerquarzen(QT) auf 9 MHz, für 50 kHz Spacing, ebenfalls ein IMDR3 = -134 dB ergab.

Bei 20 kHz Signalabstand hat offensichtlich das Quarzfilter noch einen kleinen Einfluß: Das IMDR3 = -134 dB bei 50 kHz Spacing entspricht dann eher dem tatsächlichem Eigen-IMDR3 meines IP-Meßplatzes

 

Fazit:

Da sich derzeit die besten kaufbaren Amateurfunk-Geräte bei einem IMDR3 von etwas über -110 dB bewegen(Sherwood-Liste), wird der von mir in 2005 aufgebaute IP-Meßplatz, wohl noch für viele Jahre entsprechen, weil man bei den gemessenen Eigen-IMDR-Werten annehmen kann, daß man RX sicher bis zu einem IMDR3 = -125 dB bis -130 dB messen kann!!

 

Stückliste für Quarzfilter

6 x Q  : 7050 kHz Quarz, HC-18/U, vom FA

2 x Ü  : T50-10, 2x16Wdg / 0,5 mm CuL(bifilar)

6 x T   : Folientrimmer, 3-18pF, 7,5 mm Durchmesser

6 x C1 :   27pF, ATC-Kond oder Polystyrol

4 x C2 : 100pF, detto

4 x C3 : 150pF, detto

8 x C4 :   82pF, detto

4 x R1 : 100 R, SMD-1206

2 x R2 : 1K8, detto

Printplatte: 67,5 x 57,5 mm, Lochrasterplatte mit einseitigen Lötaugen, beidseitig mit Cu-Folie beklebt und mit Messer massefreie Inseln ausgeschnitten.

Weißblechgehäuse: 80 x 65 x 30 mm, mit gefedertem Deckel, Gehäusetrennwand nach 1. Quarz

4 x Gewindebolzen M3, 8 mm lang

2 x BNC-Flanschbuchsen (angelötet)

 

Literatur und Bezugsquelle

[1] www.oe3hkl.com / HF-Measurements / IP2 + IP3 Meßplatz (Zweiton-Generator)

[2] Schnorrenberg, W., DC4KU: Intermodulationsfestigkeit von HF-Zweitongeneratoren.           FUNKAMATEUR 69 (2020) H. 9, S 748-751

[3] www.oe3hkl.com / RX-Homemade

[4] www.oe3hkl.com / TRX-Modification`s / FT 1000 -MODI

[5] Martin, M., DJ7VY: Verbesserung des intermodulationsfreien Dynamikbereichs von Empfängereingangsteilen im Kurzwellenbereich. CQ-DL (1982) H 2, S 66 - 69

[6] https://martein.home.xs4all.nl/pa3ake/hmode/roofer_cw.html