Ein tinySA Schutzadapter schützt den empfindlichen HF-Eingang vor Gleichspannung und zu hohen Signalpegeln. Der Hersteller gibt zum Beispiel für das Modell ZS-406 als Maximalwerte +6 dBm Hochfrquenzleistung und 5 Volt Gleichspannung an.
Hier beschreibe ich den Selbstbau eines Schutzadapters mit einfachen Mitteln.
Ein Funkgerät mit nur 1 Watt Ausgangsleistung liefert +30 dBm – das ist mehr als das 100-fache der zulässigen Leistung.
Statische Entladung:
Vor dem Anschließen einer Antenne oder eines Koaxkabels sollte eine eventuell vorhandene Ladung abgebaut werden (z.B. Innenleiter kurz mit Masse verbinden).
Für Messungen an Sendern, Verstärkern oder unbekannten HF-Signalen ist ein zusätzlicher tinySA Schutzadapter sinnvoll. Er deckt den Frequenzbereich von 1,8 MHz bis 2,4 GHz ab und hat eine Dämpfung von 10 dB.
Die vorgestellte Schaltung kombiniert drei Schutzfunktionen:
- DC-Block gegen Gleichspannung
- 10 dB Dämpfungsglied zur Pegelreduzierung
- antiparallele Schutzdioden zur Begrenzung hoher HF-Spannungen
- Für die meisten Messungen kann der Schutzadapter am Messgerät verbleiben.
- Nur bei bekannten Signalen, wenn der Signalpegel sicher innerhalb der Herstellergrenzen liegt und die zusätzliche Dämpfung nicht gewünscht ist,
sollte ohne Schutz gemessen werden.. - Beim TinySA wird die Dämpfung per Menu einmalig eingetragen und anschließend bei der Pegelanzeige berücksichtigt.
Gesamtschaltung
1. DC-Block
Der erste Teil der Schaltung trennt Gleichspannung vom HF-Eingang. Dafür kommt ein 4,7-nF-Kondensator zum Einsatz. Seine Kapazität bestimmt im Wesentlichen die untere Grenzfrequenz, während bei hohen Frequenzen die äquivalente Serieninduktivität (ESL) und damit die Serienresonanzfrequenz (SRF) relevant werden.
Untere Grenzfrequenz
Für ein 50-Ω-System bilden Quelle und Eingang zusammen 100 Ω. Bei maximal 0,5 dB zusätzlicher Dämpfung darf der kapazitive Blindwiderstand etwa 35 Ω betragen.
Der Spannungsfaktor für 0,5 dB lautet:
Damit ergibt sich für den Blindwiderstand:
Die erforderliche Kapazität bei 1,8 MHz beträgt:
Ein idealer 4,7 nF Kondensator hat in einem 50 Ohm System eine untere 3 dB Grenzfrequenz von ca. 340 kHz. Bei 1,8 MHz verursacht er nur noch 0,15 dB Dämpfung.
Der gewählte Standardwert von 4,7 nF bietet damit ausreichend Reserve für den vorgesehenen unteren Frequenzbereich ab 1,8 MHz.
Die Rechnung zeigt gleichzeitig den grundsätzlichen Zusammenhang: Soll die untere Grenzfrequenz weiter abgesenkt werden, muss die Kapazität entsprechend größer gewählt werden.
Obere Frequenzgrenze
Jeder reale Kondensator besitzt neben seiner Kapazität auch eine kleine Induktivität, die hauptsächlich durch Bauteilanschlüsse und den internen Aufbau entsteht. Der Kondensator besitzt deshalb eine Serienresonanzfrequenz (SRF).
Unterhalb der Serienresonanz dominiert die kapazitive Eigenschaft. An der Resonanz wird die Impedanz minimal. Oberhalb der Resonanz verhält sich das Bauteil zunehmend induktiv. Für einen DC-Block in einem 50-Ω-HF-Messpfad ist deshalb entscheidend, dass die gewünschte obere Frequenz noch ausreichend weit unterhalb der Serienresonanz des verwendeten Kondensators liegt.
Die Serienresonanz lässt sich zwar aus den Datenblattangaben für Kapazität und ESL abschätzen:
In einem Hobbyprojekt hat man jedoch meist keine genauen Daten vorliegen. Schneller zum Ziel führt eine Kontrolle durch Messung. Dabei ist insbesondere auf einen deutlichen Anstieg der Dämpfung beziehungsweise eine Auffälligkeit im Frequenzgang zu achten.
Beim verwendeten 0805-Kondensator wurde im aufgebauten Adapter ein ausreichend glatter S21-Frequenzgang bis etwa 3 GHz gemessen. Damit ist der Kondensator für den vorgesehenen Bereich von 1,8 MHz bis 2,4 GHz geeignet.
2. Das 10 dB Dämpfungsglied
Der zweite Teil der Schaltung ist ein Dämpfungsglied in T-Konfiguration. Es hat zwei Aufgaben:
- das Signal für den tinySA zu reduzieren
- einen definierten 50-Ω-Abschluss zwischen Quelle und Messgerät aufrechtzuerhalten
Das Pad besteht grundsätzlich aus drei Widerstandselementen. Es werden Widerstände der E24 Reihe in der SMD-Bauform 0805 verwendet.
- zwei Serienwiderstände im Signalweg
- einem Widerstand nach Masse in der Mitte
Warum mehrere Widerstände?
Statt jeweils einen einzelnen Widerstand mit dem erforderlichen Wert zu verwenden, werden hier immer zwei Widerstände parallel geschaltet. Das hat mehrere praktische Vorteile. Die genauen Widerstandswerte lassen sich mit leicht verfügbaren Standardwerten, zum Beispiel aus der E24 Reihe, realisieren. Außerdem verteilt sich die Verlustleistung auf mehrere Bauteile und reduziert damit die thermische Belastung des einzelnen Widerstands.
| Position | Widerstand |
|---|---|
| Serie, Eingang | 30 Ω + 180 Ω parallel |
| Shunt | 68 Ω + 75 Ω parallel |
| Serie, Ausgang | 30 Ω + 180 Ω parallel |
Bei den Serienwiderständen ergibt die Parallelschaltung:
Für den Querwiderstand ergibt sich:
Wie funktioniert das Dämpfungsglied?
Es reduziert die am Ausgang anliegende Spannung und damit auch die Leistung.
Eine Dämpfung von 10 dB bedeutet:
Am Ausgang liegen bei angepasster Quelle und Last nur noch 10 % der Eingangsleistung an.
Beispielsweise werden aus:
- 1 W Eingang → 100 mW Ausgang
- 100 mW → 10 mW
- 10 mW → 1 mW
Für die Spannung gilt bei gleicher Impedanz:
Die HF-Spannung wird also auf etwa 31,6 % reduziert. Das ist für den später folgenden Diodenschutz wichtig: Die Dioden müssen nicht das gesamte Eingangssignal verarbeiten, sondern sehen bereits das durch das Pad reduzierte Signal.
3. Schutzdioden
Hinter dem Dämpfungsglied befinden sich zwei antiparallel geschaltete HF-Dioden. Sie begrenzen positive und negative Signalspitzen und schützen damit den Eingang des Messgerätes vor zu starken Signalen.
Bei kleinen Signalen bleiben die Dioden weitgehend hochohmig und beeinflussen die Messung nur wenig. Steigt die Eingangsspannung jedoch an, beginnen die Dioden zu leiten. Die HF-Leistung wird dann nicht mehr vollständig an den Eingang des TinySA weitergegeben.
Wichtig: Die Dioden sind dabei nicht als alleiniger Schutz gedacht. Entscheidend ist die Kombination aus DC-Block + 10 dB Dämpfungsglied + Diodenbegrenzung.
Gerade das vorgeschaltete Pad reduziert die Belastung der Dioden erheblich. Das liegt nicht allein an der Dämpfung, sondern auch am nichtlinearen Verhalten der Dioden. Mit zunehmender HF-Spannung nimmt deren dynamischer Widerstand stark ab. Die Dioden stellen dann für das vorgeschaltete Dämpfungsglied eine immer niederohmigere Last dar. Dadurch entsteht ein Fehlabschluss. Die Impedanz am Ausgang des Dämpfungsgliedes entspricht dann nicht mehr den vorgesehenen 50 Ω. Ein Teil der ankommenden HF-Leistung wird deshalb bereits am Pad reflektiert bzw. in den Widerständen des Dämpfungsgliedes in Wärme umgesetzt. Gleichzeitig kann wegen der niederohmigen Dioden weniger Leistung an den tinySA-Eingang gelangen.
Je höher die Eingangsspannung, desto stärker leiten die Dioden, desto niederohmiger wird die Last am Pad und desto stärker wird der Signalpegel am TinySA begrenzt.
Die Schutzwirkung beruht somit nicht auf einer festen „Klemmspannung“ der Dioden. Vielmehr ergibt sich der tatsächlich am tinySA anliegende Pegel aus dem Zusammenspiel von Eingangsleistung, Pad, Diodenkennlinie und der 50-Ω-Eingangsimpedanz des Messgerätes.
Auswahl der Schutzdioden
Für die Schutzschaltung kommen grundsätzlich schnelle HF-Schottky-Dioden infrage. Von den bei mir vorhandenen Dioden erschien die HSMS-8202 für diese Anwendung besonders geeignet. Sie wurde ursprünglich als Mikrowellen-Schottky-Diode für Mischer- und Detektoranwendungen entwickelt und besitzt daher für einen Schutz wichtige HF-Eigenschaften.
- geringe Sperrschichtkapazität: Sie belastet den 50-Ω-Eingang bei kleinen Signalen nur wenig und minimiert die zusätzliche Dämpfung bei hohen Frequenzen.
- niedrige Durchlassspannung: Die Begrenzung setzt bereits bei relativ kleinen HF-Spannungen ein.
- niedriger dynamischer Widerstand: Bei zunehmendem Diodenstrom wird die Diode schnell niederohmig.
- geringe parasitäre Induktivität: Bei Frequenzen bis 3 GHz müssen auch die Anschlussinduktivitäten berücksichtigt werden.
- ausreichende HF-Tauglichkeit: Die Diode muss ihre Begrenzungswirkung auch im vorgesehenen Frequenzbereich noch zuverlässig zeigen.
Die HSMS-8202 erfüllt diese Anforderungen gut. Das Datenblatt gibt eine Gesamtkapazität von nur 0,26 pF, eine Durchlassspannung von 250 bis 350 mV bei 1 mA und einen dynamischen Widerstand von 14 Ω bei 5 mA an.
Die geringe Kapazität ist insbesondere für den oberen Frequenzbereich wichtig. Die Diode stellt bei kleinen Signalen zunächst hauptsächlich eine kapazitive Last dar. Mit zunehmender HF-Spannung gewinnt dagegen die nichtlineare Strom-Spannungs-Kennlinie an Bedeutung: Der Diodenstrom steigt an und der dynamische Widerstand sinkt. Genau dieses Verhalten wird für die Begrenzung ausgenutzt.
Die HSMS-8202 ist allerdings keine Leistungsdiode. Ihre maximale Verlustleistung beträgt laut Datenblatt 75 mW und die Sperrspannung 4 V. Deshalb soll die Diode die zugeführte Leistung nicht allein aufnehmen. Das vorgeschaltete 10-dB-Dämpfungsglied übernimmt den größten Teil davon.
Das Gehäuse der HSMS-8202 enthält zwei antiparallele Dioden. Es handelt sich um die SMD-Bauform SOT-23 mit drei Anschlüssen.
Leiterplatte – Prototyp
Um den tinySA Schutzadapter bis zu hohen Frequenzen einsetzbar zu machen, muss der Aufbau kompakt und mit korrekten Impedanzen erfolgen. Dafür eignet sich eine kleine FR4 Platine. Bei 0,8 mm Dicke ist eine Leiterbahn mit 50 Ohm Impedanz etwa gleich breit wie SMD-Bauteile der Bauform 0805.
Für einen ersten Test wurde lediglich eine durchgehende Leiterbahn mit SMA-Buchsen erstellt und vermessen. Im folgenden Schritt wurde dann eine Platine mit den Bauteilen bestückt und vermessen. Im Vergleich zu der durchgehenden Leiterbahn lassen sich die Auswirkungen erkennen, welche durch die Bauteile verursacht werden. Hier sind keine unerwarteten Effekte aufgetreten. Es hat sich auch gezeigt, dass zwei Durchkontaktierungen mit Holhlnieten in der Mitte der Platine für eine gute Masseanbindung reichen. Gegen mechanische Beschädigungen und zur Isolierung habe ich den Schutzadapter mit einem Schrumpfschlauch überzogen.
Messungen
Zum Test wurde bei 1,2 GHz eine schnelle Messreihe durchgeführt um zu sehen , ob die Schutzwirkung den Überlegungen entspricht. Ohne Schutzdioden bleibt die Dämpfung mit etwa 9,7 dB konstant. Mit Schutzdioden beträgt sie bei kleinen Pegeln zunächst ebenfalls etwa 10 dB, steigt bei zunehmender Eingangsleistung jedoch deutlich an und erreicht bei +15,4 dBm bereits 12,2 dB. Die Messung zeigt damit anschaulich das gewünschte nichtlineare Begrenzungsverhalten der Schutzschaltung.
| Eingangsleistung | Ausgangsleistung ohne Dioden | Dämpfung ohne Dioden | Ausgangsleistung mit Dioden | Dämpfung mit Dioden |
| 0,6 dBm | -9,1 dBm | 9,7 dB | -9,3 dBm | 9,9 dB |
| 6,0 dBm | – | – | -4,1 dBm | 10,1 dB |
| 11,8 dBm | 2,1 dBm | 9,7 dB | 1,0 dBm | 10,8 dB |
| 15,4 dBm | 5,7 dBm | 9,7 dB | 3,2 dBm | 12,2 dB |
Messungen mit den nanoVNA
Alle Diagramme haben einen Frequenzbereich von 10 MHz bis 3000 MHz.
Die Welligkeit wird hauptsächlich durch den Messaufbau verursacht, insbesondere durch die Eingangsimpedanz des nanoVNA.
Die Dämpfung bei niedigenen Signalpegeln entspricht der Berechnung. Von 1 MHz bis über 1 GHz werden 10 dB +/- 0,5 dB erreicht.
Der Kurvenverlauf im Smith-Diagramm deutet darauf hin, dass die Impedanz der Leitung etwas zu niedrig ist. Die Anpassung wird deshalb zu höheren Frequenzen hin schlechter. Für meine Zwecke ist das aber ausreichend und höher als 2,4 GHz messe ich in der Regel nicht, dort beträgt die Rückflussdämpfung noch ca. 15 dB.
Der Signalpegel, bei dem gerade die für den tinySA maximal zulässige Eingangsleistung von +6 dBm erreicht wird, soll in einer späteren Messung noch ermittelt werden. Vorerst gehe ich davon aus, dass Signale bis zu +20 dBm (das entspricht 100 mW) keinen Schaden verursachen.
Zusammenfassung
Ein tinySA Schutzadapter besteht aus nur wenigen preiswerten Elementen. Auf einer kleinen Leiterplatte kann er leicht selbst aufgebaut werden. Im alltäglichen Gebrauch ist das empfindliche Messgerät zu einem gewissen Grad gegen zu hohe HF-Pegel , Gleichspannungen und statische Aufladungen geschützt.