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Forum: HF, Funk und Felder Komplexer Widerstand mit Richtkoppler messen


Autor: ---- (Gast)
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Hallo,

ist es mit einem Richtkoppler möglich den Betrag und die Phase eines 
Abschlusswiderstandes/Last zu ermitteln?

Gruss

Autor: Aahh (Gast)
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Zumindest den Betrag wenn man Leistungen messen kann.

Was soll's denn werden ?

Autor: ---- (Gast)
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Wir möchten eine Spule über ein L-Glied auf 50 Ohm "matchen", dazu 
müssen wir aber die Impedanz der Spule kennen. Da in unserem Fall die 
Induktivität der Spule von der Signalleisung abhängt und die Leistung 
>50dBm ist, können wir diese nicht mit einem Netzwerk Analyzer messen. 
Ich möchte nun Versuchen die Impedanz (R + JX) mittels Richtkoppler zu 
bestimmen.

Autor: ---- (Gast)
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Habe im Internet Selbstbau "vector network analyzer" gefunden die auch 
einen Richtkoppler verwenden. Die haben aber noch einen zusätzlichen 
Anschluss um durch den DUT zu messen. Ich vermute, dieser Anschluss wird 
für S21 gebraucht. Meine Aufgabe sollte sich aber IMO mit S11 messen 
lassen.

Sehe ich das richtig, dass man mit einem Richtkoppler den komplexen 
Widerstand einer Spule messen kann?

Autor: Martin Laabs (mla)
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Kann man -  wenn man den Amplituden und Phasenbezug zweier Signale 
zueinander messen kann.

Viele Grüße,
 Martin L.

Autor: Tom (Gast)
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Vorschlag:

Die Last mit dem Richtkoppler messen. Dann einen C parallelschalten, und 
nochmal messen. Wert des C je nach frequenz.

Zwei Gleichungen, zwei Unbekannte.

Autor: ---- (Gast)
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Habe mir überlegt, die Amplituden und Phasen-Differenz des Richtkopplers 
bei offener Leitung zu messen und per Software abzugleichen. Danach mit 
Spule Messen und den Widerstand berechnen. Ich hoffe nur, dass das genau 
genug wird.

Autor: Dieter (Gast)
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***Da in unserem Fall die
Induktivität der Spule von der Signalleisung abhängt und die Leistung***



Das ist ja eine interessante Spule...

Autor: Aehh (Gast)
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Einen Abschluss matchen bedeutet die reflektierte Leistung zu 
minimieren. Also, die Leistung am Reflextorport mit einem Powersensor 
messen.

Autor: Hewlett (Gast)
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unbekanntes L und ein bekanntes C in Serie.
Der Dip beim Wobbeln am Richtkoppler (niederohmige Serienresonanz) 
ergibt die Resonanzfrequenz.

Autor: Stefan E. (sende_de)
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---- schrieb:
> Wir möchten eine Spule über ein L-Glied auf 50 Ohm "matchen", dazu
> müssen wir aber die Impedanz der Spule kennen. Da in unserem Fall die
> Induktivität der Spule von der Signalleisung abhängt und die Leistung
> über 50dBm ist, können wir diese nicht mit einem Netzwerk Analyzer messen.
> Ich möchte nun Versuchen die Impedanz (R + JX) mittels Richtkoppler zu
> bestimmen.

Wahrscheinlich wollt ihr nicht die Spule auf 50 Ohm anpassen, sondern 
die wie auch immer geartete Last, die an die Spule angekoppelt ist, 
oder? Die Impedanz Last zu messen ist nicht ganz trivial, besonders wenn 
sie sich mit der Leistung verändert. Eine erste Idee bekommst Du, wenn 
Du mit einem Oszilloskop den Strom (HF-Stromsensor) und die Spannung auf 
der Speiseleitung misst. Über den gemessenen Phasenwinkel kannst Du 
theoretisch alles andere ausrechnen. Praktisch wird es gemein, da dieser 
in der Nähe von 90° liegt und die Rechnung ungenau wird. Über welche 
Frequenz reden wir den hier überhaupt?

Gruß, Stefan

Autor: ---- (Gast)
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Wir wollen mit einem L Glied die Impedanz auf 50 Ohm transformieren. Wir 
haben die Spule bereits mit dem "vector network analyzer" ausgemessen 
und (2+j84) Ohm, bei entsprechender Frequenz, erhalten. Aus diesem Wert 
könnte man das L Glied berechnen und die Sache währe erledigt.

Die Spule ist um ein Glasrohr gewickelt, in dem sich ein Gas befindet. 
Bei einer gewissen magnetischen Feldstärke ionisiert das Gas und wird zu 
Plasma. Dadurch ändert sich die Impedanz der Spule, liegt vermutlich bei 
der veränderten Permeabilität von Plasma zu Gas.

Um die Impedanz im Einsatz bestimmen zu können, müssen wir die Spule mit 
hoher Leistung betreiben. Die Frequenz von ~13.5 MHz ist vorgegeben 
(freies Band). Wird nicht einfach sein direkt den Strom und die Spannung 
zu messen, daher die Idee mit dem Richtkoppler.

Über weitere Vorschläge bin ich dankbar.

Autor: Stefan E. (sende_de)
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---- schrieb:
> Wir wollen mit einem L Glied die Impedanz auf 50 Ohm transformieren. Wir
> haben die Spule bereits mit dem "vector network analyzer" ausgemessen
> und (2+j84) Ohm, bei entsprechender Frequenz, erhalten. Aus diesem Wert
> könnte man das L Glied berechnen und die Sache währe erledigt.

Das ist kein größeres Problem und eine durchaus übliche Impedanz für 
eine solche Applikation. Vom Generator aus gesehen zuerst 1150 pF gegen 
Masse und dann 158 pF in Serie mit der Last. Dann passt es. Bei 1000 
Watt hast Du dann beispielsweise knapp 2 kV an der Spule und einen Strom 
von 22 A. Bauteile müssen also entsprechend dimensioniert werden.

> Die Spule ist um ein Glasrohr gewickelt, in dem sich ein Gas befindet.
> Bei einer gewissen magnetischen Feldstärke ionisiert das Gas und wird zu
> Plasma. Dadurch ändert sich die Impedanz der Spule, liegt vermutlich bei
> der veränderten Permeabilität von Plasma zu Gas.

Sag doch gleich, dass Du ein ICP-Quelle (inductive coupled plasma) 
anregen willst. Dann weiss ich wenigstens, worum es geht... ;-)

> Um die Impedanz im Einsatz bestimmen zu können, müssen wir die Spule mit
> hoher Leistung betreiben. Die Frequenz von ~13.5 MHz ist vorgegeben
> (freies Band). Wird nicht einfach sein direkt den Strom und die Spannung
> zu messen, daher die Idee mit dem Richtkoppler.
>
> Über weitere Vorschläge bin ich dankbar.

Du hast mit folgendem Problem zu kämpfen: Bevor das Plasma zündet, hat 
Deine Spule eine andere Impedanz als nach dem Zünden des Plasmas. Du 
musst aber zunächst die Impedanz der "kalten Spule" anpassen, um eine 
ausreichend hohe Feldstärke zu erzeugen damit das Plasma zu zünden. Nach 
dem Zünden des Plasmas ändert sich die Impedanz sprunghaft und Du musst 
neu abstimmen. (Üblicherweise geht der Realanteil der Impedanz nach 
oben, der Imaginärteil verändert sich i.d.R. nur leicht). Auch während 
des Prozesses ändert sich die Impedanz ständig und ist von vielen 
Faktoren wie Prozessgas, -druck, -fluss, HF-Leistung und Target 
abhängig. Normalerweise wird hierfür ein automatisches Anpassnetzwerk 
(Automatching) verwendet, dass ständig die Impedanz misst und über 
variable Komponenten (meist Kondensatoren) nachstimmt. Die 
Impedanzmessung erfolgt normalerweise mit einem sogenannten Phasen- und 
Amplitudendetektor, der ständig HF Strom und Spannung sowie Phasenwinkel 
misst.

Willst Du ein solches Matching selber bauen oder suchst Du nach einer 
kommerziellen Lösung?

Viele Grüße,

Stefan

Autor: ---- (Gast)
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> Sag doch gleich, dass Du ein ICP-Quelle (inductive coupled plasma)
> anregen willst. Dann weiss ich wenigstens, worum es geht... ;-)

Schön mit diesem Problem nicht alleine zu sein :-)


> Willst Du ein solches Matching selber bauen oder suchst Du nach einer
> kommerziellen Lösung?

Wir haben bereits ein automatisches "Match Network" von VarioMatch im 
Einsatz. Leider ist dessen Einstellbereich begrenzt. Wir müssen mit 
Zusatzkondensatoren nachhelfen, damit das Matching klappt. Die Impedanz 
und Anordnung der Zusatzkondensatoren bestimmen wir durch ausprobieren, 
was sehr viel Zeit in Anspruch nimmt. Da viel geforscht wird und daher 
an der Anlage Änderungen vorgenommen werden, ändert sich auch oft die 
Spule, was die Anpassung des Matching zur Folge hat.

Wir möchten daher die Induktivität der Last kennen um das Matching 
berechen zu können, daher die Idee die Last auszumessen.


> Üblicherweise geht der Realanteil der Impedanz nach oben, der
> Imaginärteil verändert sich i.d.R. nur leicht

Konntest du das messen oder hast du Informationen darüber gefunden? So 
wie es scheint ist weniger die Permeabilität sondern eher die Erwärmung 
der Spule der Grund. Wenn wir die Einflüsse auf die Spule kennen würden, 
könnten wir uns die aufwändige Messung sparen.

Gruss Samuel

Autor: Christoph Kessler (db1uq) (christoph_kessler)
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Beitrag "RLC Messung mit AVR"
da hatte ich mal ein Schaltbild aus den UKW-Berichten gepostet das über 
Strom- und Spannungsmessung komplexe Impedanzen im Kurzwellenbereich 
misst.

Autor: ---- (Gast)
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Gute Idee das mit den Transformern. Die Umsetzung wird aber aufwändiger 
sein als mit dem Richtkoppler. Habe heute mit der Software zur 
Auswertung begonnen, mal schauen was dabei rauskommt.

Autor: Stefan E. (sende_de)
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---- schrieb:
>> Sag doch gleich, dass Du ein ICP-Quelle (inductive coupled plasma)
>> anregen willst. Dann weiss ich wenigstens, worum es geht... ;-)
>
> Schön mit diesem Problem nicht alleine zu sein :-)

Damit kann man sogar seine Brötchen verdienen. ;-)

>> Willst Du ein solches Matching selber bauen oder suchst Du nach einer
>> kommerziellen Lösung?
>
> Wir haben bereits ein automatisches "Match Network" von VarioMatch im
> Einsatz. Leider ist dessen Einstellbereich begrenzt. Wir müssen mit
> Zusatzkondensatoren nachhelfen, damit das Matching klappt. Die Impedanz
> und Anordnung der Zusatzkondensatoren bestimmen wir durch ausprobieren,
> was sehr viel Zeit in Anspruch nimmt. Da viel geforscht wird und daher
> an der Anlage Änderungen vorgenommen werden, ändert sich auch oft die
> Spule, was die Anpassung des Matching zur Folge hat.

Das Variomatch kenne ich ganz gut. Hatte schon einige 100 davon in den 
Händen. Welches Modell habt ihr denn genau?

>> Üblicherweise geht der Realanteil der Impedanz nach oben, der
>> Imaginärteil verändert sich i.d.R. nur leicht
>
> Konntest du das messen oder hast du Informationen darüber gefunden?

Dafür habe ich beruflich die passende Messtechnik zur Verfügung. Bei 
Interesse bitte PM.

> So wie es scheint ist weniger die Permeabilität sondern eher die
> Erwärmung der Spule der Grund. Wenn wir die Einflüsse auf die Spule
> kennen würden, könnten wir uns die aufwändige Messung sparen.

Wenn das Plasma noch nicht gezündet hat, wird der größte Teil der 
Energie auf Grund ohmscher Verluste in Wärme umgesetzt. Deshalb ist die 
Spule bei höheren Leistungen i.d.R. auch wassergekühlt. Erst nach dem 
Zünden des Plasmas geht dann ein (erschreckend kleiner) Teil dort 
hinein.

Viele Grüße,

Stefan

Autor: ---- (Gast)
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> Das Variomatch kenne ich ganz gut. Hatte schon einige 100 davon in den
> Händen. Welches Modell habt ihr denn genau?

Wir besitzen den VM 1000 und den VM 1500, weiss aber nicht welcher 
eingebaut ist.


> Dafür habe ich beruflich die passende Messtechnik zur Verfügung. Bei
> Interesse bitte PM.

Es ist mir gelungen die Signale des Richtkopplers auszulesen und den 
Widerstand zu berechnen. Wenn ich nächste Woche Zeit habe, werde ich die 
Spule an der Maschine ausmessen. Mal sehen was dabei herauskommt.

Autor: Stefan E. (sende_de)
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---- schrieb:
>> Das Variomatch kenne ich ganz gut. Hatte schon einige 100 davon in den
>> Händen. Welches Modell habt ihr denn genau?
>
> Wir besitzen den VM 1000 und den VM 1500, weiss aber nicht welcher
> eingebaut ist.

Wenn die Bezeichnung der VM nicht auf ...-ICP endet, handelt es sich 
erst einmal um Matchings für kapazitive Plasmen. Natürlich kann man 
damit auch induktive Lasten anpassen, wenn man die Hauptspule 
entsprechend klein macht oder komplett kurzschließt.

>> Dafür habe ich beruflich die passende Messtechnik zur Verfügung. Bei
>> Interesse bitte PM.
>
> Es ist mir gelungen die Signale des Richtkopplers auszulesen und den
> Widerstand zu berechnen. Wenn ich nächste Woche Zeit habe, werde ich die
> Spule an der Maschine ausmessen. Mal sehen was dabei herauskommt.

Mit den von Dir ermittelten 84 Ohm liegst Du bei 13.56 MHz bei ziemlich 
genau 1 µH. Das ist für eine ICP-Applikation bei dieser Frequenz ein 
vernünftiger und sinnvoller Wert. Lass mal hören, was Deine Versuche 
ergeben haben.

Viele Grüße,

Stefan

Autor: der_Schmied (Gast)
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Hallo zusammen,

man kann die Impedanz gut messen, indem man viermal jeweils in 
lambda/8-Abständen kapazitiv aus der 50-Ohm-Zuleitung auskoppelt und die 
Pegel misst. Würde das mit vier Detektordioden machen, da diese schnell 
reagieren. Die Ankopplung sollte wegen der hohen Leistungen schwach 
sein. Aus den vier Messwerten kann dann die Impedanz am Ende der Leitung 
berechnet werden. Also kurz gesagt, man kann den komplexen 
Reflexionsfaktor durch Messung von vier skalaren Größem ermitteln.

Grüße,
Der Schmied

Autor: hmmm (Gast)
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> ist es mit einem Richtkoppler möglich den Betrag und die Phase eines
> Abschlusswiderstandes/Last zu ermitteln?

Die Phasenverschiebung zwischen "Urück" und "Uhin",
kannst Du doch mit einem schnellen Scope messen (beide Signale auf 2 
Kanäle und die Phase dann ablesen).

Wie hast Du es denn jetzt gemacht?

Autor: Roland Gesche (Gast)
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Hallo,

für diese Messaufgabe gibt es spezielle Geräte, z. B. die V/I Probe von 
ENI/MKS, die Zscan von AE und noch ein paar weitere.

Man kann das auch mit Richtkopplern und einem Vektorvoltmeter oder einem 
Netwerkanalyzer messen. Das Vektorvoltmeter ist von der Auswertung und 
Kalirierung etwas mühselig. Beim Netzwerkanalyzer ist die Frage, ob das 
Signal aus dem Analyzer selbst stammt und verstärkt wird oder ob das 
Signal aus einem externen Generator kommt. Im letzteren Fall muß der 
Netzwerkanalyzer für die Messung von externen Signalen geeignet sein.

Wie schon gesagt, liegt ein Problem im Impedanzsprung bei der Zündung 
des Plasmas. Der entsteht dadurch, daß mit der Plasmazündung plötzlich 
ein leitfähiges und verlustbehaftetes Medium auftaucht. welches die 
Impedanzverhältnisse drastisch verändert. Der Effekt ist bei ICP 
(inductive coupled plasma) geringer als bei CCP (capacitive coupled 
plasma), aber immer noch deutlich. Dazu kommt die Temperaturdrift, die 
ist aber viel geringer.

Dann ist die Plasmaimpedanz noch nichtlinear und zeigt eine Hysterese, 
aber das ist hier (noch) nicht das Problem.

Ein automatisches Anpasungsnetzwerk ist hier das Anpassmittel der Wahl. 
Es muß aber wirklich ein automatisches sein, also eines, daß ohne 
Kondenstorschrauben und Spulenbiegen funktioniert. Ja, das gibt es.

Ich könnte evtl. bei bBdarf eine Hilfestellung geben und vielleicht auch 
mal eine Messung oder einen Test vermitteln.

Gruß
Roland

Autor: ---- (Gast)
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Vielen Dank für die vielen Vorschläge. Ist schon Interessant zu sehen 
wie viele Wege es gibt so was zu messen. Aber ich habe eine Lösung, die 
sehr gut Funktioniert. Bei meinem Aufbau werden die Signal vom 
Richtkoppler mittels Transientenrecorder gemessen. Habe mir ein Programm 
geschrieben, welches die Parameter der Sinus Signale mittels Levenberg 
Marquardt (FIT) ermittelt. Aus den Phasen und Amplituden wird direkt die 
Impedanz berechnet.

Da die Anlage im Moment im Einsatz ist, liegt der Messaufbau schon seit 
fast einem Monat ungebraucht herum. Daher weiss ich noch nicht was beim 
Zünden des Plasmas passiert.


@Roland Gesche
> Ich könnte evtl. bei bBdarf eine Hilfestellung geben und
> vielleicht auch mal eine Messung oder einen Test vermitteln.

Wenn die Anlage frei ist und ich mich mit dieser Sache wider 
beschäftigen muss, komme ich gerne auf diese Angebot zurück.

Gruss Samuel

Autor: Chris Sei (diddan)
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Hallo Leute,
mich interessiert das ICP-Zünden auch. Würd mir gerne so einen Ofen 
bauen, wie geht das?

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