Messtechnik für Funkamateure

Man kommt nicht darum herum – irgendwann will man wissen, warum eine Antenne nicht funktioniert, oder ein Verstärker nicht verstärkt, und dann muss man messen. Messen bedeutet Gewissheit und zuverlässige Kenntnis über den Zustand eines Systems. Oder? Ja, das ist eine lange Geschichte…

 

Welche Messtechnik braucht ein Funkamateur?
Um mal ganz einfach anzufangen, ohne Hochfrequenztechnik – ein Multimeter wäre gut. Das muss nichts super-edles sein, aber die Stromaufnahme eines kleinen Gerätes sollte es schon messen können. Oder die Spannung eines Netzteiles. Spannung ist noch einfach, beim Strom wird es über 10 A schon schwieriger, da braucht man spezielle Messtechnik, zum Beispiel eine Strommesszange. Das ist nun nichts was man mal so eben kauft, aber vielleicht wäre das eine gute Anschaffung für den Ortsverband, wo sich dann jedes Mitglied die Zange ausleihen kann?

Soll es ein digitales oder analoges Multimeter sein?
Wie immer – es kommt drauf an. Will man sich verändernde Werte messen so ist eine Analoganzeige unschlagbar, weil man viel schneller Trends erkennen kann (Wert steigt, Wert sinkt usw.) Kommt es hingegen auf den exakten Wert drauf an, so ist ein digitales Instrument leichter ablesbar.
Und – ein älteres Analoginstrument kann noch einen Vorteil bieten: Nämlich einen weitaus höheren Innenwiderstand als ein Digital-Multimeter. Das ist dann von Bedeutung, wenn man sehr kleine Spannungen an Quellen mit geringer Belastbarkeit messen möchte. Mit einem hohen Innenwiderstand belastet das Instrument die Quelle kaum, der Messwert wird nicht verändert. Will man die Batteriespannung eines Akkus messen, kommt es nicht so drauf an, der hat einen geringen Innenwiderstand und kommt auch mit einer Belastung durch ein Messgerät mit geringem Innenwiderstand klar.

Die Empfehlung geht also in Richtung eines einfachen Digitalmultimeters mit Durchgangsprüfer (Pieper). So kann man Fehler in der Verschaltung und Stromversorgung leicht finden. Wer sich mit dem Selbstbau von Geräten befasst dem hilft ein Analog-Multimeter oft sehr viel.

Und die HF-Technik?
Das gebräuchlichste Messinstrument für die Funktechnik ist ein Stehwellenmessgerät, ein SWR-Meter. Es misst die Leistung die vom Funkgerät zur Antenne gesendet wird, und wieviel davon durch schlechte Anpassung reflektiert wird und wieder zurück zum Funkgerät kommt. Also das Verhältnis von hin- und rücklaufender Leistung, deswegen spricht man vom “Standing Wave Ratio“. Noch genauer spricht man vom VSWR, Voltage SWR, denn eigentlich misst man die Spannung auf dem Koaxialkabel. Wenn man nun noch die Impedanz des Kabels kennt, kann man leicht auf die Leistung umrechnen, und die zeigt das SWR-Meter auch an.
Der typische Anwendungsfall ist also die Überwachung der Antenne. Hat die eine gute Anpassung oder nicht? Selbst wenn man keine eigenen Antennenexperimente macht, sollte man das SWR im Auge behalten. Denn eine schlechte Anpassung führt zu hoher, reflektierter Leistung, und die kann im Extremfall das Funkgerät beschädigen.

Aber jedes Funkgerät hat doch ein SWR Meter eingebaut, warum noch ein externes Gerät?
Stimmt, die Funkgerätehersteller bauen seit vielen Jahren (genauer: seit der Nutzung von Transistorendstufen) eine SWR-Messbrücke in das Funkgerät ein. Das geschieht zum Schutz der Endstufe. So wird bei zu viel zurücklaufender Energie die Sendeleistung reduziert, im Extremfall bis auf fast Null. Der Haken am eingebauten Instrument: Man hat es nicht immer sichtbar, weil die Anzeige oft auf andere Messwerte umgeschaltet werden kann, zum Beispiel auf Ausgangsleistung oder den Kompressionsgrad usw. Und falls man eine Endstufe hinter dem Funkgerät hat, so ist das eingebaute Messinstrument fast völlig nutzlos. Denn das ‚sieht‘ nur die gute Anpassung der Endstufe, nicht aber die der Antenne. Deswegen ist ein externes SWR-Messgerät oft sehr viel flexibler und geeigneter im täglichen Einsatz.

Und wonach wähle ich ein SWR-Meter aus, nach welchen Kriterien?
Erstens nach der benötigten Frequenz, und zweitens nach der maximalen Leistung, die man messen möchte. Gut wäre eine auf verschiedene Messbereiche umschaltbare maximale Leistung. Dann evtl. noch die Art der Anschlüsse (N oder PL), wie klein ist es (Urlaub!), hat es ein gut ablesbares Instrument, Hintergrundbeleuchtung usw. usf.

Typische SWR-Messbrücken haben einen Messbereich von Kurzwelle bis in den unteren UKW-Bereich (2m, VHF, so bis 150 MHz). Die maximale Leistung ist meist auf 200 W begrenzt. Damit kommt man also prima durchs Funkerleben, wenn man sich auf diese Bänder (Kurzwelle, 2m) beschränkt und keine große Leistung macht.
Apropos große und kleine Leistung: Man darf sich über die Genauigkeit einfacher SWR-Meter keinen großen Illusionen hingeben. Die Anzeige ist oft nicht genauer als bis zu einem Fehlerwert von 5 bis 10% des maximalen Messwertes. D.h. das ein SWR-Meter, das max. 200 W messen kann, einen Fehler von 10 bis 20 Watt anzeigen kann! Das ist nicht tragisch, solange man das weiß. Und für QRP ist es deshalb unerlässlich, dass ich das Messgerät auch auf kleinere Messbereiche umschalten kann, denn sonst gehen meine 5 W Sendeleistung einfach im Fehler der Anzeige unter. Wenn ich das SWR-Meter hingegen auf max. 20 W umschalten kann, dann ist der Messfehler vernachlässigbar.

Für höhere Frequenzen wird die Messtechnik immer etwas aufwendiger, so auch bei einem SWR-Messgerät. Spätestens ab dem 70cm Band wird ein eigenes Gerät nötig, und will man bis in den GHz Bereich messen wird es teuer und schwer ein geeignetes Messgerät zu finden. Das liegt auch an den geringen Leistungen, die auf höheren Frequenzen verwendet werden. Eine Messbrücke für mehrere hundert Watt ist leichter zu bauen als eine für ein paar Milliwatt. Auf jeden Fall muss das SWR-Meter dann schon N-Buchsen haben.

Spezielle Messgeräte haben abgesetzte Sensoren. So wird die Stationsverkabelung einfacher, die Anzeige des SWR-Meters muss nicht mehr nahe der Antennenleitung stehen, sondern kann irgendwo untergebracht werden. Andere Geräte bieten eine sehr genaue Messung, nicht nur für die Leistung sondern auch für den Modulationsgrad uva. Werte. Solche Messinstrumente sind natürlich teurer und stehen nicht mehr in großer Auswahl zur Verfügung.

 

Erstes Fazit:
Neben einem Multimeter gehört eine brauchbare, einfache SWR-Messbrücke in jedes Shack, zumindest für die wichtigsten Bänder und angepasst an die verwendete Leistung. Höherwertige Geräte braucht man nur, wenn man viel selber baut oder sehr hohe Ansprüche an die Sauberkeit des Signales hat, zum Beispiel als große Multi/Multi Contest-Station.

Und darüber hinaus, was gibt es außer SWR-Metern noch?
Der technische Fortschritt hat es möglich gemacht, das uns heute messtechnische Möglichkeiten zur Verfügung stehen, die noch vor wenigen Jahren so teuer war wie ein Mittelklasse-Auto. Die Rede ist von sogenannten Netzwerk-Analysatoren, speziell von Vector Network Analysatoren (VNA).

Diese Domäne der Messtechnik war bis vor einigen Jahren fast ausschließlich den großen Messgeräteherstellern wie Rohde & Schwarz, Hewlett-Packard, Tektronix oder Wandel & Goltermann vorbehalten. Der Grund lag in der sehr aufwendigen Sensor – und Auswertetechnik. Natürlich existieren diese Firmen auch heute noch (teilweise) und haben ihren Markt, aber 80% der typischen HF-Messungen im Amateurfunk sind heute mit Geräten machbar, die manchmal keine 100 € mehr kosten. Der Grund für diesen radikalen Wandel ist der Fortschritt in der Halbleitertechnik. So sind zum einen Chips für hohe Frequenzen heute deutlich preiswerter herzustellen und einfacher einzusetzen als früher. Dazu kommen extrem viel leistungsfähigere Prozessoren, die es uns erlauben komplexe messtechnische Aufgaben und Berechnungen selbst in kleinen, batteriebetriebenen Geräten schnell und stromsparend zu erledigen.

VNA erobern den Markt
Ungefähr um die 2010er Jahre kamen die ersten Netzwerk-Analysatoren auf den Markt, die preislich in einem Bereich lagen, der es den meisten Funkamateuren möglich machte, sich sowas zuhause zu leisten. Das waren meistens noch Geräte, die einen PC mit spezieller Software zur Auswertung benötigten. Als Beispiel sei hier der „MiniVNA“ von Mini Radio Solutions aus Italien genannt. In Deutschland bot (und bietet auch heute noch) die Fachzeitung „Funkamateur“ eigene Entwicklungen wie den FA-NW an. Diese Geräte waren zunächst gute Sensoren mit geeigneter Schnittstelle zum Computer (über USB). Die eigentliche Berechnung und Darstellung der Messwerte wurde von einem Programm auf dem PC erledigt.

Aber die Entwicklung geht immer weiter. Mittlerweile sind Geräte wie der NanoVNA auf dem Markt, die auch ohne PC arbeiten. Sie haben ein eigenes Display, meistens ein Touch-Display und arbeiten komplett eigenständig mit einem Akku. Die USB Schnittstelle wird nur noch zum Laden des Akkus verwendet, und um gelegentlich die Messergebnisse auf den PC zu ziehen, um sie zu archivieren.

Diese Vector Network Analyser eignen sich für sogenannte Vierpol-Messungen, also Messungen die ein selbsterzeugtes Signal in ein Messobjekt, zum Beispiel ein Filter, einspeisen und auf der anderen Seite das veränderte Signal wieder abnehmen und analysieren. Hier ist also auch ein Signalgenerator mit eingebaut. Zu erkennen sind solche Analysatoren unter anderem daran, dass sie zwei HF-Buchsen haben, eine zur Ausgabe des Messsignales, eine zweite zur Aufnahme des Ausgangssignales. Solche Vierpol-Messungen sind in der HF-Messtechnik seit vielen Jahren standardisiert, man bezeichnet diese Messwerte als Streuparameter (S-Parameter). Die typischen und standardisierten Messvorgänge messen Faktoren wie die Reflektion am Eingang oder die Transmission eines Kabels oder Filters und werden mit Bezeichnungen wie S11, S21 usw. beschrieben. Durch die Standardisierung kann man diese Messwerte leicht vergleichen und in anderer Software weiterverarbeiten. Außerdem lassen sich andere Daten bequem aus diesen Parametern errechnen, zum Beispiel die komplexe Impedanz ‚Z‘.

Typische Vertreter dieser preiswerten VNA sind der NanoVNA-F V2 mit Sensorik bis 3 GHz, oder auch der aus Italien stammende MetroVNA Deluxe der bis 250 MHz einsetzbar ist.

Einen VNA braucht man nur, wenn man tiefer in die HF-Technik einsteigen möchte, und auch Geräte wie Filter, Verstärker, Mischer usw. selber bauen möchte. Natürlich kann man auch einfach Kabel damit messen, zum Beispiel die Länge eines unbekannten Rings Koaxialkabels ermitteln. Oder man misst eine Antenne, das SWR und die Anpassung. Aber das geht auch einfacher!

Bequem und einfach zu bedienende Antennen-Analysatoren!
Die gleichen Gründe, die die HF-Messtechnik verkleinert und preiswert gemacht haben, haben auch zu der Entwicklung leichter und einfach zu bedienender Antennen-Analysatoren geführt. Denn um die Anpassung einer Antenne zu ermitteln benötigt man nicht die oftmals etwas aufwendigere und komplexe Messtechnik eines Vector Network Analysers. Hier reicht ein Messgerät mit nur einer Buchse. So werden das erzeugte Signal und die Aufnahme des Messwertes über den gleichen Anschluss durchgeführt. Damit ist zwar keine Durchgangsmessung (=Vierpol-Messung) vom Eingang zum Ausgang eines Kabels, Filters oder Verstärkers möglich. Aber dafür wird die nun stattfindende Zweipol-Messung mit nur einer Buchse sehr viel einfacher.

Diese Messgeräte wurden hauptsächlich mit dem Ziel der einfachen und schnellen Bedienung entwickelt. Denn hier geht es darum, draußen an der Antenne schnell eine Fehlerursache zu finden. Gerade bei schlechtem Wetter möchte man das schnell und unkompliziert erledigen, ohne mit einem empfindlichen VNA hantieren zu müssen.

Ein typischer Vertreter dieses Messgerätes ist der analog arbeitende MFJ-259, den es bereits seit vielen Jahren gibt, und der aufgrund seiner einfachen Bedienung auch heute immer noch Freunde findet. Komplett digital, mit farbiger Anzeige und Messtechnik bis hin zur Darstellung eines Smith-Diagramms bieten hingegen die Geräte von RigExpert aus der Ukraine. Hier steht eine große Auswahl an tragbaren Analysern zur Verfügung, die sich hauptsächlich nach der maximal nutzbaren Frequenz und der Ausstattung wie Farbanzeige, Bluetooth usw. unterscheiden.  Auch MFJ bietet mittlerweile digitale Messtechnik an, zum Beispiel den MFJ-225 oder MFJ-226.

 

Fazit – was ist nun also zu empfehlen?
Messtechnik ist komplex, und man kann auch heute noch viel Geld für Spitzentechnik ausgeben. Und wir haben hier noch längst nicht alles besprochen, denn was ist mit einem Oszilloskop? Wann ist ein MSO/DSO sinnvoll? Wer braucht einen Spektrumanalyser?
Aber wie gesagt, mittlerweile reicht auch ein Amateurfunk-Budget für die meisten HF Messaufgaben. 

Unsere Empfehlung:

  • Ein Digitalmultimeter mit Durchgangsprüfer für die einfache Fehlersuche in der Verkabelung und Stromversorgung gehört für jeden Funkamateur zur Pflicht.
  • Ein analoges Multimeter mit hohem Innenwiderstand ist schon die Kür und nur nötig, wenn man selber baut.
  • Ein SWR-Meter gehört heute in jede Stationsausrüstung. Man muss es ja nicht immer in die Antennenleitung eingebaut haben, aber es ist gut, wenn man wenigstens eines in der Schublade hat.
  • Ein VNA wie der NanoVNA-F V2 ist extrem hilfreich, wenn man viel an Kabeln und Filtern messen möchte, wenn man selber Verstärker baut oder abgleicht, oder immer wiederkehrende Aufgaben (Kabellänge?) automatisieren möchte. Eher die Kür also…
  • Ein Antennen-Analyser ist für jeden Funkamateur, der Antennen selber baut, oder kommerziell gebaute Antennen justieren und messen möchte, eigentlich schon Pflicht. Man denke hier auch an den Urlaub, wo man schnell eine funktionierende Portabelantenne abgleichen möchte. In vielen Fällen kann man sich mit einem SWR-meter behelfen, aber das ist doch eher umständlich.

Messen in der HF-Technik macht Spaß und bringt Gewissheit, wo vorher nur herumgeraten wurde. Die eigene Faszination dieser Geräte liegt darin, das hier meistens das derzeit technologisch Beste angewandt wird, was die Industrie zu bieten hat. Als Funkamateur kommt man lange ohne sehr spezielle Messtechnik aus, manche auch ein Leben lang. Aber irgendwann geht es dann doch los. Und dann ist gute Beratung wichtig, wie WiMo sie am Telefon, per Mail oder auch hier im Blog bietet.