Micro-powermeter met diode-detector

Ik was eens benieuwd waar je tegen aan liep bij het meten van vermogens in de orde van  -80 tot +20dBm. Dat is 10 pW en bij een load van 50 ohm 22,4uVac RMS. Dat is dus 0,0000224V wisselspanning en dan wil je dat ook nog eens over een zo groot mogelijk frequentie bereik.
+20dBm is 2,26Vac RMS en 100mW. Je moet dus een spanning over die load meten die een factor 100.000 verschil geeft.

Je kunt op diverse manieren vermogen meten. De mooiste is die waarbij je het vermogen direct omzet in warmte in een weerstand en die warmte meet. Dan meet je echt gedissipeerd vermogen. Dat kan op diverse manieren. Zelfs door water te verwarmen. Dat gaat met deze vermogens natuurlijk wat lastiger. Het kan ook mbv een zogenaamde thermistor of bolometer. Dit heb ik ook geprobeerd te maken maar dat werkte alleen goed vanaf zo’n 0dBm. (zie elders bij zelfbouw)
Een voor ons amateurs goed reproduceerbare vorm is de diode detector. Je struikelt over de schema’s maar de diodes bepalen het resultaat. Diodes werken namelijk ook prima als condensator en dat betekent dat het signaal er zo doorheen gaat dus niet iedere diode werkt even goed. Schottkey, germanium en krystaldiodes zijn de eerste keus. Ben je alleen in 0-30MHz ge├»nteresseerd dan voldoet een 1n4148 ook. Ook moet je object een zo goed mogelijke 50 ohm load zien. Ga je over de drempelspanning van de diode heen dan wordt zijn weerstand natuurlijk heel laag. Als die parallel aan je load staat heb je dus een probleem. Je gaat bij de genoemde diodes al bij zo’n -10dBm over de drempel heen. Dat bepaalt dus je bovenste bereik. Voor grotere vermogens zorg je daar en tegen dat je wel er boven blijft maar dan kies je voor een enkele serie diode.
Je kunt een diode in serie zetten en een 50 ohm weerstand en condensator parallel. Je kunt ook een diode parallel zetten. Met een diode heb je enkelzijdige gelijkrichting. Met een diode parallel (shunt) en een in serie krijg je dubbele gelijkrichting. Er belangrijk want je praat over mini-spanninkjes. Daarna moet dat ruisarm en driftvrij versterkt worden. Een LM324 maakte meting tot -45dBm mogelijk maar een enorme drift en offset. Met een CA3040 ging het veel beter alleen niet lager dan -35dBm. Nu zijn dat ook redelijk zinloze waarden voor de zelfbouwer. Een oscillator die -30dBm doet is niet iets wat geweldig is. Voor een SA, VNA of wobbelaar detector is dat echter onaanvaardbaar. Daar wil je soms van -110 tot +30dBm meten.

Dat DC signaal verloopt lineair maar je geeft het weer in logaritmische waarden op een lineaire schaal. Je detector bepaalt de onderwaarde die je kan meten, de instrumentatieversterker of je dat ook kan gebruiken. De DC spanning na de detector moet logaritmisch worden versterkt. Je kan ook de detector logaritmisch maken. Dat heb ik eerst gedaan en werkte prima voor wat hogere vermogens maar niet lekker onder de 0dBm. Een diode als niet lineaire terugkoppeling bij de opamp werkt goed. Het maakt wel veel uit wat voor diode.
Ik had een meter waarbij ik een verdeling van 10dB volle schaal wilde. Dat lukte het best met 2 1n4007’s achter elkaar.

Ik wilde eerst het hele bereik ook in een keer kunnen pakken. Dat lukt bijna niet zonder echte log-amp (een stuk of wat van die trappen achter elkaar) Nu heb ik gekozen voor het laagste bereik wat de opamp aan kan (-30 tot -20) weer te geven. Dat betekent dat ik tot op 0,1dB resolutie kan meten. Met behulp van een verzwakker kan ik dus ook hogere vermogens weergeven met precies de zelfde schaalverdeling. De versterker krijgt immers altijd -30 tot -20dBm aangeboden.

De detector bestaat uit een stukje microstrip afgesloten met twee 47 ohm smd weerstanden en een serie weerstand om op 50 ohm te komen. De diodes zijn dan zo kort mogelijk op de strip gesoldeerd. Met BAT85 diodes kom ik nu tot -45dBm detectie.

De detector

Ik heb uiteindelijk een detector gemaakt met een enkele S-band diode. Met een symmetrische voeding kwam deze tot beter dan -60dBm maar de voeding was niet stabiel genoeg. De ingang is 50 ohm tot over 1GHz. Hij meet nu -40 tot -10dBm wat ik kan omschakelen naar 0dB tot -40dBm.

Het kastje met mislukte bedrukking

This entry was posted in measurement projects. Bookmark the permalink.

Comments are closed.