UKW-Technik?

[Nico Hoffmann]

Hallo,

ich habe hier ein paar Probleme mit der UKW-Elektronik.

Das muß ich etwas ausholen...

Ich habe beruflich mit Kernspintomografie zu tun, also Bildgebung mit
Magnetresonanztomografie. Das Nutzsignal, aus dem die Bilder
rekonstruiert werden, werden mit 'Spulen', also Antennenelementen aus
geschickt angeordneten Leiterstreifen, die mit Kapazitäten abgestimmt
sind, gewonnen.
Die Spulen sind mit einer 50 Ohm-BNC-Kabeln ans Gerät angeschlossen,
die Spinresonsnzfrequenz liegt bei unserem Gerät etwas über 60 MHz,
plusminus ein paar Hertz Bandbreite.
Üblicherweise (Patienten) verwendet man natürlich Produktspulen des
Herstellers, wovon es ein ganzes Sortiment gibt.

In meinem speziellen Fall ist aber da nichts wirklich passendes dabei
(es geht auch nicht um Patienten), sodass ich selber eine Spule bauen
müßte. Gerätetechnisch ist das möglich, das habe ich schon ausprobiert.

Nur mit der Abstimmung habe ich Probleme! Um brauchbare Ergebnisse zu
bekommen, muß die Spule bei 60 MHz eine Impedanz von 50 Ohm (reell!)
haben. Derzeit ist etwas folgendes realisiert:

||
-----||-------+-------+-----+
|| | | |
| ### ---
----- ### | |
----- ### | |
| ### ---
| | |
--------------+-------+-----+

Also ein bedämpfter Parallelresonanzkreis, der über einen Kondensator
angeschlossen ist. Die Kondensatoren sind variabel. Der
Dämpfungswiderstand ist unbekannt, aber dürfte in der Größenordnung
Kiloohm liegen, und soll die Verluste zusammenfassen, die der
Schwingkreis durch Abstahlung an seine Umgebung hat (Gewebe, Wasser,
etc).
Die Schaltung ist in der Literatur so vorgeschlagen. Problem: Ich
komme damit nicht auf 50 Ohm Impedanz, und ich wüßte auch nicht wie.

Der Schwingkreis ist auf die Spinresonanzfrequenz abzustimmen, und hat
dort eine hohe Impedanz (modulo dem parallelen Verlustwiderstand, aber
der ist auch meilenweit von 50 Ohm entfernt). Ich verstehe auch nicht
ganz, wie ich mit dem Längskondensator abstimmen soll?
Die ganze Anordnung ist doch entweder hochohmig und reell, oder
niederohmig und kapazitiv, aber nie reell und 50 Ohm...?
Oder übersehe ich da was?

N.
--
Nico Hoffmann - oxensepp(at)gmx.de

Thank you for that movie in some approved
details of your wicked screensaver application!

 

[R.Freitag]

Nico Hoffmann wrote:

Hallo,

ich habe hier ein paar Probleme mit der UKW-Elektronik.

Das muß ich etwas ausholen...

Ich habe beruflich mit Kernspintomografie zu tun, also Bildgebung mit
Magnetresonanztomografie. Das Nutzsignal, aus dem die Bilder
rekonstruiert werden, werden mit 'Spulen', also Antennenelementen aus
geschickt angeordneten Leiterstreifen, die mit Kapazitäten abgestimmt
sind, gewonnen.
Die Spulen sind mit einer 50 Ohm-BNC-Kabeln ans Gerät angeschlossen,
die Spinresonsnzfrequenz liegt bei unserem Gerät etwas über 60 MHz,
plusminus ein paar Hertz Bandbreite.
Üblicherweise (Patienten) verwendet man natürlich Produktspulen des
Herstellers, wovon es ein ganzes Sortiment gibt.

In meinem speziellen Fall ist aber da nichts wirklich passendes dabei
(es geht auch nicht um Patienten), sodass ich selber eine Spule bauen
müßte. Gerätetechnisch ist das möglich, das habe ich schon ausprobiert.

Also, du brauchst für einen Tomographen eine einzelne Empfangseinheit, die
dem gezeichneten Schaltplan entspricht und eine Impedanz von 50 Ohm hat.

Nur mit der Abstimmung habe ich Probleme! Um brauchbare Ergebnisse zu
bekommen, muß die Spule bei 60 MHz eine Impedanz von 50 Ohm (reell!)
haben. Derzeit ist etwas folgendes realisiert:

||
-----||-------+-------+-----+
|| | | |
| ### ---
----- ### | |
----- ### | |
| ### ---
| | |
--------------+-------+-----+

Also, der Kondensator dient nur der Kopplung, er sollte für die Nennfrequenz
keinen nennennswerte Behinderung darstellen. Es verbleibt der Rest, der
eine Impedanz von 50 Ohm darstellen soll, und zwar reell. Dann stimme den
Paralellkreis auf die Frequenz ab und stelle den Widerstand auf 51 Ohm ein.
Was spricht dagegen?

Robert

 

[Lars Mueller]

Nico Hoffmann wrote:

Der Schwingkreis ist auf die Spinresonanzfrequenz abzustimmen, und hat
dort eine hohe Impedanz (modulo dem parallelen Verlustwiderstand, aber
der ist auch meilenweit von 50 Ohm entfernt). Ich verstehe auch nicht
ganz, wie ich mit dem Längskondensator abstimmen soll?
Die ganze Anordnung ist doch entweder hochohmig und reell, oder
niederohmig und kapazitiv, aber nie reell und 50 Ohm...?
Oder übersehe ich da was?

Hallo Nico, mit was mißt du denn die Impedanz?

Gruß Lars

 

[Stefan Broering]

Ich hoffe mal, dass ich mich hier nicht blamiere. Hab mal vor ca. 15 Jahren
Hochfrequenztechnik studiert und bin seit ca. 25 Jahren Funkamateur ,
weiß aber trotzdem eigentlich nicht genau, wie das geht

Also: Irgendein Gebilde, das ausschließlich aus idealen Spulen und idealen
Kondensatoren besteht, wird bei keiner Frequenz eine Impedanz von 50 Ohm
reel haben und ein Blindwiderstand von 50 Ohm bei irgendeiner Frequenz hilft
dir auch nicht weiter. Dein Ersatzschaltbild muß also irgendwo einen reelen,
d.h. verlustbehafteten Widerstand aufweisen. Das ist im Zweifelsfall der
"Patient" oder das Meerschweinchen, das du in die Nähe deiner Spule /
Antenne bringst, oder einfach die Umgebung, in die Energie abgestrahlt wird.

Deshalb dürfte nicht nur die Resonanzfrequens deines Schwingkreises, sondern
auch der Durchmesser, die Windungszahl deiner Spule (Antenne) und der
Abstand zu deinem Meerschweinchen bzw. dessen Größe und Beschaffenheit einen
Einfluss auf die Impedanz haben.

Dein Meerschweinchen (reeller Widerstand) ist dann quasi parallel zu deiner
Spule geschaltet und in der Lage, die eingestrahlte Energie in Wärme
umzuwandeln.

Igendwie so ähnlich muß das funktionieren , ist aber wirklich schon lange
her ...

Gruß

Stefan

 

[Jens Dierks]

Hallo,

Nico Hoffmann schrieb.

Nur mit der Abstimmung habe ich Probleme! Um brauchbare Ergebnisse zu
bekommen, muß die Spule bei 60 MHz eine Impedanz von 50 Ohm (reell!)
haben.

Besser gesagt, die Gesamtschaltung muß 50 Ohm haben

Derzeit ist etwas folgendes realisiert:

||
-----||-------+-------+-----+
|| | | |
| ### ---
----- ### | |
----- ### | |
| ### ---
| | |
--------------+-------+-----+

Also ein bedämpfter Parallelresonanzkreis, der über einen Kondensator
angeschlossen ist. Die Kondensatoren sind variabel. Der
Dämpfungswiderstand ist unbekannt, aber dürfte in der Größenordnung
Kiloohm liegen, und soll die Verluste zusammenfassen, die der
Schwingkreis durch Abstahlung an seine Umgebung hat (Gewebe, Wasser,
etc).

Aaalso, die Schaltung ist vermutlich eher ein Serienschwingkreis
als ein paraleller, der paralell-C ist daher mehr zur Feinabstimmung
vorhanden.
Durch die Serienresonanz bekommt man eine Spannungserhöhung an
der Spule und der R (paralell zu den Anderen Verlusten) wird
auf 50 Ohm heruntertransformiert.
Das ganze muß allerdings sehr sorgfältig mit den C's abgestimmt
werden.
Man könnte erstmal die Induktivität und den Gleichstromwiderstand
der Spule messen und dann die Schaltung mit einem Programm wie
RFSim99 (kostenlos) simulieren.

Ich habe das mit einem anderen Programm (eigentlich für
Lautsprechweichen) mal ausprobiert, sollte möglich sein die
Parameter hinzubekommen.

Die Schaltung ist in der Literatur so vorgeschlagen. Problem: Ich
komme damit nicht auf 50 Ohm Impedanz, und ich wüßte auch nicht wie.

Wiegesagt, der reelle Widerstand wird heruntertransformiert.

Gruß Jens

 

[Norbert Hahn]

On 11 Dec 2003 18:53:44 GMT, Nico Hoffmann <spam-muelleimer@gmx.net>
wrote:

Die Schaltung ist in der Literatur so vorgeschlagen. Problem: Ich
komme damit nicht auf 50 Ohm Impedanz, und ich wüßte auch nicht wie.

Transformieren!

Die ganze Anordnung ist doch entweder hochohmig und reell, oder
niederohmig und kapazitiv, aber nie reell und 50 Ohm...?
Oder übersehe ich da was?

Die Spule und der Kondensator bilden einen Resonanzkreis, der bei
richtiger Abstimmung eine reelle Impadanz hat. Wenn die zu hoch ist
kann man das ableitende Kabel an eine Anzapfung der Spule anschließen.
Wenn die Spule insgesamt 10 Windungen hat und die Ableitung wird an
die 2. Windung angeschlossen (und an die Masse natürlich), dann ist
die Spannung an der 2. Windung nur 1/5 der gesamten Spannung, der
verfügbare Strom dort aber 5x so hoch, so dass die Ableitung dann
1/25 der Schwingkeisimpedanz sieht.

Wie andere schon geschrieben haben muss die Belastung der Spule
durch das Messobjekt berücksichtigt werden, im Zweifelsfalls also
mehrere Anzapfungen und Umschaltmöglichkeit vorsehen.

Norbert

 

[Jens Dierks]

Norbert Hahn schrieb:

Die Spule und der Kondensator bilden einen Resonanzkreis, der bei
richtiger Abstimmung eine reelle Impadanz hat. Wenn die zu hoch ist
kann man das ableitende Kabel an eine Anzapfung der Spule anschließen.

Braucht man nicht, das geht schon alleine durch den Serienkondensator.
Bei einem unbelasteten (oder nur schwach bedämpften) Serienschwingkreis
würde die Impedanz allerdings sehr klein werden, das kann man aber mit
dem Kondensator paralell zur Spule beeinflussen: größerer C parallel
-> höherer Widerstand bei Resonanz, grösserer C in Serie -> kleinerer R.
Wenn man einen C größer macht muß man den zweiten kleiner machen, ist
auch klar - zusammen müssen sie ja die Resonanzfrequenz mit L ergeben.

Gruß Jens

 

[Martin Schönegg]

Hallo Nico,
google mal nach einem Skript "Grundlagen der Hochfrequenztechnik" (ich hab
das Karlsruger Skript jetzt leichre auf die Schnelle nicht gefunden, ich
meine aber, dass es im Netz liegt) In diesen Teilen wird die Anpassung durch
L & C beschrieben. Ist nicht allzuschwer zu verstehen. Du musst eben Deine
Spule als Antenne und nicht als Schwingkreis verstehen und diese anpassen.

Martin
P.S. Der Tip mit dem rf-Programm geht in die selbe Richtung

 

[Martin Schönegg]

Hallo Nico,
google mal nach einem Skript "Grundlagen der Hochfrequenztechnik" (ich hab
das Karlsruger Skript jetzt leichre auf die Schnelle nicht gefunden, ich
meine aber, dass es im Netz liegt) In diesen Teilen wird die Anpassung durch
L & C beschrieben. Ist nicht allzuschwer zu verstehen. Du musst eben Deine
Spule als Antenne und nicht als Schwingkreis verstehen und diese anpassen.

Martin

P.S. Der Tip mit dem RFSim99-Programm geht in die selbe Richtung

Man könnte erstmal die Induktivität und den Gleichstromwiderstand
der Spule messen und dann die Schaltung mit einem Programm wie
RFSim99 (kostenlos) simulieren.

Ich habe das mit einem anderen Programm (eigentlich für
Lautsprechweichen) mal ausprobiert, sollte möglich sein die
Parameter hinzubekommen.

Das mit dem Lautsprecherprogramm würde ich mal vergessen, dann nimm lieber
Spice dafür.

 

[Jens Dierks]

Hallo,

Martin Schönegg schrieb:

Das mit dem Lautsprecherprogramm würde ich mal vergessen, dann nimm lieber
Spice dafür.

Klar, das war nur zum schnellen ausprobieren inwieweit man mit den C's
den Widerstand beeinflussen kann.
Aber wie du schon gesagt hast, Antennenanpassung ist ein gutes Stichwort.

Jens

 

[Martin Schönegg]

Na, ja, zwischen einem System, welches für den Bereich 15-20000 Hz
konzipiert ist und einer Anwendung, die bei 60.000.000 Hz betrieben wird
leigen eben schon ein paar Nullen. Ob die Randbedingungen dann noch stimmen,
mag sein, oder auch nicht. Im Prinzip könnte es schon gehen, je nach dem wie
das Programm geschrieben ist.

Martin

 

[Jens Dierks]

Na, ja, zwischen einem System, welches für den Bereich 15-20000 Hz
konzipiert ist und einer Anwendung, die bei 60.000.000 Hz betrieben wird
leigen eben schon ein paar Nullen. Ob die Randbedingungen dann noch stimmen,
mag sein, oder auch nicht. Im Prinzip könnte es schon gehen, je nach dem wie
das Programm geschrieben ist.

Das weiß ich zufälligerweise ;-), aber da ich die Spulenparameter
eh nicht kenne und die Anzeige nur bis 30kHz reicht, habe ich das
eben bei niedriger Frequenz simuliert - das Prinzip funktioniert
dort genauso.

Jens

 

[Rolf Bombach]

Nico Hoffmann wrote:

Also ein bedämpfter Parallelresonanzkreis, der über einen Kondensator
angeschlossen ist. Die Kondensatoren sind variabel. Der
Dämpfungswiderstand ist unbekannt, aber dürfte in der Größenordnung
Kiloohm liegen, und soll die Verluste zusammenfassen, die der
Schwingkreis durch Abstahlung an seine Umgebung hat (Gewebe, Wasser,
etc).
Die Schaltung ist in der Literatur so vorgeschlagen. Problem: Ich
komme damit nicht auf 50 Ohm Impedanz, und ich wüßte auch nicht wie.

Der Schwingkreis ist auf die Spinresonanzfrequenz abzustimmen, und hat
dort eine hohe Impedanz (modulo dem parallelen Verlustwiderstand, aber
der ist auch meilenweit von 50 Ohm entfernt). Ich verstehe auch nicht
ganz, wie ich mit dem Längskondensator abstimmen soll?
Die ganze Anordnung ist doch entweder hochohmig und reell, oder
niederohmig und kapazitiv, aber nie reell und 50 Ohm...?
Oder übersehe ich da was?

Die Spule ist nicht einfach eine Induktivität, sie ist
deine Antenne!

--
mfg Rolf Bombach

 

[Nico Hoffmann]

R.Freitag schreibt:

Nico Hoffmann wrote:

Nur mit der Abstimmung habe ich Probleme! Um brauchbare Ergebnisse zu
bekommen, muß die Spule bei 60 MHz eine Impedanz von 50 Ohm (reell!)
haben. Derzeit ist etwas folgendes realisiert:

||
-----||-------+-------+-----+
|| | | |
| ### ---
----- ### | |
----- ### | |
| ### ---
| | |
--------------+-------+-----+


Also, der Kondensator dient nur der Kopplung, er sollte für die Nennfrequenz
keinen nennennswerte Behinderung darstellen. Es verbleibt der Rest, der
eine Impedanz von 50 Ohm darstellen soll, und zwar reell. Dann stimme den
Paralellkreis auf die Frequenz ab und stelle den Widerstand auf 51 Ohm ein.
Was spricht dagegen?

Habe ich dann nicht einen Signalverlust durch den 51-Widerstand?

Es wär kein großes Problem, sozusagen parallel zum Verlustwiderstand
einen ohmschen Widerstand einzubauen, aber der dämpft doch sehr stark?

N.
--
Nico Hoffmann - oxensepp(at)gmx.de

Thank you for that movie in some approved
details of your wicked screensaver application!

 

[Nico Hoffmann]

Norbert Hahn schreibt:

On 11 Dec 2003 18:53:44 GMT, Nico Hoffmann <spam-muelleimer@gmx.net
wrote:

Die Schaltung ist in der Literatur so vorgeschlagen. Problem: Ich
komme damit nicht auf 50 Ohm Impedanz, und ich wüßte auch nicht wie.

Transformieren!

Die ganze Anordnung ist doch entweder hochohmig und reell, oder
niederohmig und kapazitiv, aber nie reell und 50 Ohm...?
Oder übersehe ich da was?

Die Spule und der Kondensator bilden einen Resonanzkreis, der bei
richtiger Abstimmung eine reelle Impadanz hat. Wenn die zu hoch ist
kann man das ableitende Kabel an eine Anzapfung der Spule anschließen.

Richtig. Ich habe aber noch zusätzliche Randbedingungen (mein erstes
Posting war da nicht gnaz vollständig)

Die Spule besteht aus einer einzigen Windung und dient gleichzeitig
zum Abstrahlen und Empfangen der Signale. Das ist ein etwa
handtellergroßer rund ausgeschnittener Streifen aus dünnem
Kupferblech. Größer geht nicht, dicker auch nicht wirklich, und die
Biegsamkeit kommt mir entgegen.

Wenn die Spule insgesamt 10 Windungen hat und die Ableitung wird an
die 2. Windung angeschlossen (und an die Masse natürlich), dann ist
die Spannung an der 2. Windung nur 1/5 der gesamten Spannung, der
verfügbare Strom dort aber 5x so hoch, so dass die Ableitung dann
1/25 der Schwingkeisimpedanz sieht.

Ich müßte also meine 'Einzelwindung' irgendwo in der Mitte anzapfen...
Wie bewerkstellige ich den Anschluß des Koaxkabels an die Spulenmitte,
ohne dass ich an der Anschlußstelle Sprünge im Wellenwiderstand
verursache, die mir stehende Wellen in der Zuleitung erzeugen?
So ein Problem hatte ich, als ich probeweise an ein 50-Ohm-Kabel zwei
BNC-Stecker drangelötet hatte.



N.
--
Nico Hoffmann - oxensepp(at)gmx.de

Thank you for that movie in some approved
details of your wicked screensaver application!

 

[Norbert Hahn]

Nico Hoffmann <spam-muelleimer@gmx.net> wrote:

Die Spule und der Kondensator bilden einen Resonanzkreis, der bei
richtiger Abstimmung eine reelle Impadanz hat. Wenn die zu hoch ist
kann man das ableitende Kabel an eine Anzapfung der Spule anschließen.

Richtig. Ich habe aber noch zusätzliche Randbedingungen (mein erstes
Posting war da nicht gnaz vollständig)

Die Spule besteht aus einer einzigen Windung und dient gleichzeitig
zum Abstrahlen und Empfangen der Signale. Das ist ein etwa
handtellergroßer rund ausgeschnittener Streifen aus dünnem
Kupferblech. Größer geht nicht, dicker auch nicht wirklich, und die
Biegsamkeit kommt mir entgegen.

Die Alternative dazu ist, statt der angezapften Spule zwei Kondensatoren
in Serie zu benutzen, da die genau so transformieren. Praktisch ein
Kondensator mit Anzapfung. Der Schwingkreis sieht natürlich die
Reihenschaltung der Kondensatoren, die Transformation bezieht sich
auf das Verhältnis. Ich hatte es nur vergessen, vorher zu erwähnen.

Ich müßte also meine 'Einzelwindung' irgendwo in der Mitte anzapfen...
Wie bewerkstellige ich den Anschluß des Koaxkabels an die Spulenmitte,
ohne dass ich an der Anschlußstelle Sprünge im Wellenwiderstand
verursache, die mir stehende Wellen in der Zuleitung erzeugen?
So ein Problem hatte ich, als ich probeweise an ein 50-Ohm-Kabel zwei
BNC-Stecker drangelötet hatte.

Wenn die Spule nur aus einer Windung besteht, kann man sie nicht
anzapfen. Es gibt zwar in Bauanleitungen auch halbe Windungen, weil
das physisch so realisiert ist, in der Physik dagegen gibt es nur
einen wie auch immer geschlossenen Stromkreis.

Zurück zu den Kondensatoren. Wenn z.B. der Schwingkreis einen
Kondensator von 100 pF braucht, kann man 2 Kondensatoren 220 pF
in Reihe schalten (der Schwingkreis "sieht" dann 110 pF) und am
unteren Kondensator das abführende Kabel anlöten. Da sich die
Spannung über die Kondensatoren gleich verteilt, bekommt das
Kabel die halbe Schwingkreisspannung bei doppeltem Strom. Somit
"sieht" das Kabel 1/4 der Schwingkreisimpedanz.

Norbert