Test von Abschlusswiderständen (Dummy-Loads)

Wie testet man ein Dummy Load
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Wie testet man eigentlich, ob ein Dummy-Load gut funktioniert?

(alternative Namen: HF-Lasten, Sumpf oder Dummy-Lasten für Koaxial-Anschlüsse)

Was bedeutet hier eigentlich "funktionieren"? Das Load sollte in einem bestimmten Frequenzbereich möglichst viel der hineingelangten Leistung absorbieren - also in Wärme umwandeln! Den Rest wird es nämlich wieder zur Signalquelle zurück reflektieren, was sehr störend sein kann.

Und was ist nun "möglichst viel"? Als Minimum verlange ich eine Absorption von 99% der eingespeisten Leistung. Das bedeutet, dass das reflektierte Signal 20dB kleiner sein muss als das hineingelangte Signal. Für kritische Anwendungen wären 99,9% Absorption wünschenswert, was 30dB Dämpfung der reflektierten Welle entspricht. Bei Frequenzen bis zu 6 GHz sind 20dB für ein normales Dummy-Load durchaus erreichbar. Bei deutlich höheren Frequenzen muss man Abstriche machen.

Dazu muss sich das Dummy-Load eigentlich nur wie ein 50-Ohm-Widerstand verhalten. Genau dass fällt ihm aber mit zunehmender Frequenz schwer, da sich dann die induktiven und kapazitiven Anteile des verwendeten Widerstandes störend bemerkbar machen. Ein Dummy-Load ist also keine einfache Konstruktion und erfordert spezielle Widerstände und technisches Verständnis in der Konstruktion. Damit ist auch klar, dass der Bau eines 20MHz-Loads trivial ist (ein marktüblicher Widerstand genügt), die Sache aber im Gigaherz-Bereich kompliziert wird. Deshalb war ich gespannt, wie sich die auf Ebay von chinesischen Händlern angebotenen No-Name-Loads wohl schlagen würden, diese sind nämlich mit 6 GHz spezifiziert, was mich etwas verwunderte.

Da die absorbierte Leistung in Wärme gewandelt werden muss, gibt es für jedes Dummy-Load natürlich auch eine maximale Last. diese wird unter anderem dadurch bestimmt, dass die Wärme durch die Oberfläche des Loades und eventuell durch Kühlkörper oder sogar durch Flüssigkeitskühlung abgeführt werden muss. Bei 1W ... 2W benötigt man normalerweise keine Kühlkörper, und mit dieser Größenordnung (und darunter) beschäftige ich mich hier.

Wenn man also wissen will, wie gut ein Dummy-Load ist, dann fallen mir erst mal 4 Möglichkeiten ein
- Markenware kaufen und in das Datenblatt schauen
- Network-Analyzer
- SWR-Bridge (SWV-Brücke)
- Richtkoppler
- Zirkulator

Diese Abbildung ist das Ergebnis der Vermessung eines Billig-Dummy-Loads eines chinesischen Ebay-Händlers. Die etwas dickere weiße Linie (die dritte von oben) entspricht einer Dämpfung von 0dB. Die vertikale Skala ist 10dB pro Kästchen, sie geht also von 20dB Verstärkung (oben) bis 80dB Dämpfung (unten). Die Frequenz geht von etwa 0 Hz (20 MHz) bis 6 GHz mit einer Skalierung von 500 MHz pro Kästchen. Bei sehr tiefen Frequenzen (nahe DC) erreicht das "Dummy-Load" etwa 35dB Dämpfung, bei 200 MHz sind es noch 20dB, bei 500 MHz sind es nur noch 12dB und bei 6 GHz nahezu 0dB. Dieses China-Gadged ist wohl ein Scherzartikel. Als Abschlusswiderstand ist es ab 200 MHz nicht zu gebrauchen. Warum das so ist, sieht man hier.

So sieht das Ergebnis eines Markenproduktes aus. Bis 3 GHz ist die Dämpfung über 40dB, und dann bis 6 GHz immer noch besser als 30dB. Da gibt es nix zu meckern.

So sieht nun das Messergebnis aus, wenn am Richtkopplerausgang kein Messobjekt angeschlossen ist. Gemessen wird von 900 MHz bis 2,9 GHz und die eingespeiste Leistung beträgt -10,1dBm. Die horizontale Skala beträgt 200 MHz pro Kästchen (0,9 ... 2,9 GHz). Die vertikale Skala geht von 0dBm am oberen Rand bis -80dBm am unteren Rand. Man sieht im gesamten Frequenzbereich ein Signal von ca -20 dBm. Dass ist auch logisch. Das -10dBm-Signal geht fast verlustfrei (1 dB insertion loss) durch den Richtkoppler zum offenen Anschluss (wo später das Load zum Test angeschlossen werden wird) wird dort vollständig reflektiert und läuft in den Richtkoppler wider hinein. Am Messausgang wird dieses zurücklaufende Signal mit 10dB Dämpfung (das ist der spezifische "Coupling" Wert des eingesetzten Richtkopplers) ausgekoppelt und mit den Sepktrumanalyzer gemessen. Es sollten dort also etwa -21 dBm ankommen. Und genau das sehen wir auch. Würde ein perfektes Dummy-Load angeschlossen werden, dann würde dieses die gesamte Leistung absorbieren, nichts würde zurück-reflektiert werden und nichts wäre zu messen. Natürlich gäbe es immer noch das Rauschen des SA, und deshalb wäre die Messkurve irgendwo bei -70dBm auf dem Display, denn so stark ist das Rauschen in etwa. (bei der verwendeten Bandbreite des SA) Allerdings ist auch der Richtkoppler nicht perfekt. Er wird auch einen Teil der hinlaufenden Welle ohne Umweg direkt zum Messausgang hindurchlassen. Laut Datenblatt, ist dieses störende Signal um mindestens 20dB bedämpft (Directivity), das ergäbe also mit den -10dBm Eingangsleistung und den 10dB Ausgangsdämpfung zusammen etwa -40dBm. Die Linie sollte also unterhalb von -40dBm verlaufen. Wie tief genau, das wissen wir aber nicht, dazu fehlen uns genauere Daten über den Richtkoppler. Die 20dB Direktivität sind ja nur der Mindestwert, und außerdem ist dieser Wert garantiert frequenzabhängig. Nun gut. Wir haben alles vorbereitet und uns überlegt, was wir erwarten können. Wir sind bereit zur richtigen Messung.
Hier sehen wir das Ergebnis einer Messung eines Marken-Dummy-Loads mit N-Anschluss (Kathrein K6226 111, max. 2,5GHz). Gemessen wurde von 900 MHz bis 2,9 GHz (also etwas außerhalb der maximalen Frequenz des Loads). In den Richtkoppler wurde eine Leistung von -10 dB eingespeist. Die zusätzliche Dämpfung beträgt im gesamten Frequenzbereich 25dB bis 20dB, wobei die höhere Dämpfung in der unteren Frequenzhälfte auftritt. Wieviel des gemessenen Signals kommt nun vom Dummy-Load und wieviel stammt aus dem Richtkoppler? Der Hersteller des Loads gibt an: 0 – 1,0GHz:  28,3dB 1 – 2,0GHz:  23dB 2 – 2,5GHz:  20,8dB und diesem Hersteller vertraue ich. Mit einem idealen Richtkoppler müsste das Resultat am linken Rand des Fotos etwa 5dB tiefer liegen und im restliche Bild etwa 2 dB tiefer. Wir sehen also schon die durch den Richtkoppler verursachten Störungen. Das Verfahren eignet sich also nur, um besonders schlechte Dummy-Loads mit weniger als 20dB zu identifizieren. Aber genau solche habe ich ja herumliegen :)
Hier sehen wir das Ergebnis einer Messung des Fake-Dummy-Loads mit N-Anschluss. Gemessen wurde von 900 MHz bis 2,9 GHz. In den Richtkoppler wurde eine Leistung von -10 dB eingespeist. Im linken Teil des Display, etwa vom 900 MHz bis 1,5 GHz sehen wir eine Dämpfung von ca 10dB und darüber von ca 4 dB. Mit dem Networkanalyzer hatte ich in diesem Frequenzbereich etwa 8dB bis 3dB gemessen. Die Abweichung der Messmethode beträgt also ca 1 ... 2 dB. Das ist gar nicht mal schlecht. Dafür ist das Load extrem schlecht.
Das ist nun das Billig-China-SMA-Dummyload. Bis ungefähr 1,5 GHz erreicht es etwa 18dB Dämpfung, danach bricht die Dämpfung zusammen. Bei 2.5 GHz sind es keine 10dB mehr. Das Messverfahren reicht eindeutig aus, um unbrauchbare Dummy-Loads zu identifizieren. Bei Dämpfungen von deutlich über 20dB ist das Verfahren nicht mehr gut genug, da der Richtkoppler zu viel Leistung auf dem Wege zum Dummy-Load in den Messausgang übersprechen lässt.

Autor: sprut
erstellt: 16.02.2019