Dummy load voor veilige zendertests

Een dummy load vervangt tijdens een zendertest de antenne door een bekende elektrische belasting. Het radiofrequente vermogen wordt daarin vrijwel volledig in warmte omgezet, zodat de zender nauwelijks energie uitstraalt. De eindtrap werkt daardoor onder beheerste omstandigheden en metingen worden beter vergelijkbaar. Een passende impedantie, vermogenswaarde en koeling blijven daarbij onmisbaar.

Hoe vervangt een dummy load de antenne?

Wie spreekt over een zender zonder antenne testen, bedoelt dat de antenne door een geschikte belasting wordt vervangen. Een lege antennebus is geen veilige testopstelling. De zender ziet dan een open verbinding, waardoor het opgewekte signaal aan het uiteinde van de transmissielijn wordt teruggekaatst. Door de plaats van de antenne in te nemen, laat de dummy load de zender elektrisch een normale belasting zien zonder het signaal voor radiocommunicatie uit te stralen.

In de meeste zendinstallaties bedraagt de nominale impedantie 50 ohm. De uitgang van de zender, de coaxkabel, meetapparatuur en kunstbelasting zijn dan allemaal voor die waarde ontworpen. Andere systemen bestaan eveneens. In delen van de omroep-, video- en kabeltechniek komt 75 ohm voor, zodat niet iedere afsluitweerstand zonder meer uitwisselbaar is.

In de kunstbelasting gedraagt het afsluitende element zich zo veel mogelijk als een zuivere weerstand. Anders dan een antenne is het niet bedoeld om een bruikbaar elektromagnetisch veld te vormen. Het grootste deel van de energie eindigt als warmte in een weerstandselement, koellichaam, olie of koelwater. Die warmte moet veilig worden afgevoerd; bij een langdurige test is de thermische constructie minstens zo belangrijk als de weerstandswaarde op het typeplaatje.

Waarom een gewone weerstand niet volstaat

Op de werkbank kan een weerstand met de multimeter precies 50 ohm meten en bij radiofrequenties toch een andere belasting vormen. Aansluitdraden en interne verbindingen veroorzaken inductie, terwijl onderdelen en behuizing ook een kleine capaciteit hebben. Deze eigenschappen reageren op de frequentie van het signaal en veranderen samen de impedantie. Wat op de korte golf nog goed bruikbaar is, kan op de 70-centimeterband daardoor een aanzienlijk deel van het vermogen reflecteren.

Daarom wordt een RF-dummy load niet alleen op gelijkstroomweerstand ontworpen. De plaatsing van het weerstandselement, de afmetingen van de geleiders, de connector en de overgang naar de behuizing bepalen samen het gedrag. De fabrikant hoort een frequentiebereik en een maximale staandegolfverhouding op te geven. Zonder die gegevens zegt het opschrift 50 ohm weinig over de bruikbaarheid op de gekozen amateurband.

Met een vector-netwerkanalyser kan de aanpassing over een frequentiegebied worden gecontroleerd. Daarbij blijft de zender uitgeschakeld en losgekoppeld. De analyser meet hoeveel van zijn eigen kleine testsignaal door de belasting wordt teruggekaatst. Zo wordt zichtbaar of een zelfgebouwde of oudere dummy load op 3,5 MHz nog goed werkt, maar op 430 MHz naast weerstand ook merkbare inductieve of capacitieve eigenschappen vertoont.

Hoe ontstaan reflectie en SWR?

Door een transmissielijn bewegend hoogfrequent vermogen reageert op iedere verandering van impedantie. Wanneer een kabel van 50 ohm eindigt in een belasting van eveneens 50 ohm, kan het vermogen daar vrijwel zonder reflectie worden opgenomen. Wijkt de afsluiting af, dan loopt een deel van de golf terug naar de bron. De heen- en teruglopende golf vormen langs de kabel een patroon van hoge en lage spanning en stroom.

Voor de verhouding tussen belasting en lijn wordt de reflectiecoëfficiënt gebruikt. In gewone notatie geldt: reflectiecoëfficiënt = (belastingsimpedantie min lijnimpedantie) / (belastingsimpedantie plus lijnimpedantie). Zijn beide impedanties gelijk, dan is de uitkomst nul. De voorwaartse golf wordt dan in het ideale model geheel door de afsluiting opgenomen, zonder dat een tweede golf door de kabel naar de zender terugloopt.

Bij een open of kortgesloten uiteinde is de absolute waarde van de reflectiecoëfficiënt één. Al het vermogen keert dan in het ideale model terug en de theoretische SWR loopt op tot oneindig. Open en kortgesloten lijken tegengesteld, maar verschillen vooral in de verdeling van spanning en stroom langs de kabel. Werkelijke kabels hebben verlies, maar dat maakt een open uitgang nog niet geschikt voor een zendtest.

Uit de absolute waarde van de reflectiecoëfficiënt volgt de SWR: SWR = (1 plus de absolute waarde van de reflectiecoëfficiënt) / (1 min de absolute waarde van de reflectiecoëfficiënt). Een perfecte aanpassing heeft een SWR van 1 op 1. In de praktijk ligt de waarde iets hoger door de dummy load, kabel, connectoren en meetapparatuur. Een vaak genoemde waarde van 1,5 op 1 kan voor gewoon zendwerk aanvaardbaar zijn, maar vormt geen algemene kwaliteitsgrens. Bij nauwkeurige laboratoriummetingen en hoge frequenties worden strengere eisen gesteld.

Wat gereflecteerd vermogen in de zender doet

Terugkerend vermogen wordt niet simpelweg als een pakketje energie door de eindtransistor opgeslokt. De voorwaartse en gereflecteerde golven bepalen samen welke spanningen en stromen op verschillende plaatsen in het uitgangscircuit ontstaan. Afhankelijk van de lengte van de kabel en de fase van de reflectie kan de eindtrap met een hoge spanning, een hoge stroom of een ongunstige reactieve belasting worden geconfronteerd.

Veel moderne transceivers meten het gereflecteerde vermogen en regelen bij een slechte aanpassing terug. Soms daalt het uitgangsvermogen, soms onderbreekt een beveiliging de uitzending. Dat beperkt de kans op schade, maar verandert een onjuiste belasting niet in een verantwoorde testmethode. Oudere transistorzenders en buizenapparatuur kunnen minder bescherming hebben, terwijl ook relais, condensatoren en uitgangsfilters door overspanning of verhitting beschadigd kunnen raken.

Welke metingen maakt een dummy load mogelijk?

Voorspelbaarheid maakt de kunstbelasting waardevol. Een antenne reageert op zijn omgeving, weersinvloeden, kabelverlies en de plaatsing ten opzichte van masten, gebouwen of voertuigen. Zulke invloeden kunnen een fout in de zender nabootsen of juist verbergen. Door de hele antenneketen tijdelijk te vervangen, kan eerst één heldere vraag worden beantwoord: levert de zender onder een bekende belasting wat hij volgens zijn specificaties moet leveren?

Voorwaarts en gereflecteerd vermogen

Tussen zender en dummy load wordt doorgaans een directionele wattmeter geplaatst. De meter onderscheidt het signaal dat naar de belasting loopt van het deel dat terugkomt. Bij 100 watt voorwaarts en 4 watt gereflecteerd vermogen is de absolute reflectiecoëfficiënt gelijk aan de wortel uit 4 gedeeld door 100. De uitkomst is 0,2, wat overeenkomt met een SWR van 1,5 op 1.

Op het meetvlak wordt in dat voorbeeld ongeveer 96 watt aan de belasting overgedragen. Die aftreksom geldt alleen wanneer beide vermogens op hetzelfde referentievlak zijn bepaald. Verlies in kabels en adapters, de richtwerking van de meter en de plaats van de meting beïnvloeden het resultaat. Een lage SWR bewijst bovendien alleen dat de belasting goed is aangepast. Zij zegt niet dat de zender het juiste vermogen levert of een schoon spectrum produceert.

Bij foutzoeken bewijst dezelfde opstelling haar waarde. Werkt de zender op de dummy load goed, maar zakt het vermogen zodra de antenne wordt aangesloten, dan verschuift de aandacht naar voedingslijn, connectoren, tuner en antenne. Blijft de afwijking bestaan met een bekende goede belasting, dan zijn de zender, voeding of meetinstrumenten verdacht. De onderzoeker hoeft dan niet langer alle onderdelen tegelijk te verdenken en kan de keten stap voor stap doormeten.

Spectrum en modulatie

Voor onderzoek aan harmonischen en andere ongewenste signalen wordt het hoofdvermogen naar de dummy load geleid. Een richtkoppelaar tapt een nauwkeurig bepaald deel af voor een spectrum- of signaalanalyser. Dat meetinstrument mag vrijwel nooit rechtstreeks op een krachtige zenderuitgang worden aangesloten. Zijn gevoelige ingang is bedoeld voor kleine meetsignalen en kan door een zendvermogen van tientallen of honderden watts vrijwel onmiddellijk beschadigd raken.

Honderd watt komt op de logaritmische dBm-schaal overeen met 50 dBm; 0 dBm staat daarbij voor 1 milliwatt en iedere 10 dB betekent een factor tien in vermogen. Met een koppelfactor van 40 dB verschijnt aan de meetuitgang van de richtkoppelaar theoretisch 10 dBm, oftewel 10 milliwatt. Extra kabelverlies en verzwakking zijn daarin nog niet verwerkt. Het maximale zendervermogen, de werkelijke koppelfactor en alle toleranties moeten daarom vóór het inschakelen worden doorgerekend.

Ook het frequentieverloop van de koppelfactor, kabels en verzwakkers hoort bij de beoordeling. Wanneer het meetpad een tweede harmonische sterker dempt dan de draaggolf, lijkt het zenderspectrum schoner dan het werkelijk is. Een overstuurde analyser kan bovendien zelf schijnbare mengproducten voortbrengen. Correctiefactoren moeten daarom bekend zijn en het instrument moet sterke en zwakke signalen tegelijk kunnen onderscheiden. De dummy load maakt zo’n geleide meting mogelijk, maar vertelt niets over het stralingspatroon of het werkelijk uitgestraalde vermogen van een antenne.

Duurtest van de eindtrap

Tijdens een korte proef kan een zender normaal werken en na enkele minuten toch terugregelen. Halfgeleiders, filters, voeding en koellichamen warmen niet allemaal even snel op. Een voldoende zware dummy load maakt een duurtest mogelijk zonder langdurig een draaggolf door de ether te sturen. Door uitgangsvermogen, gereflecteerd vermogen, voedingsstroom en temperatuur gelijktijdig te volgen, worden thermische afwijkingen zichtbaar voordat zij als een volledige storing optreden.

Modulatie en inschakelduur maken veel verschil. FM, een ongemoduleerde draaggolf en digitale modes met een hoge inschakelduur kunnen dicht bij het volle gemiddelde vermogen blijven. Bij enkelzijband met spraak ligt het gemiddelde doorgaans lager, terwijl korte pieken wel het ingestelde topvermogen bereiken. Een belasting die een spraakproef gemakkelijk doorstaat, kan bij een lange digitale uitzending alsnog oververhit raken.

Waarom eindigt zendvermogen als warmte?

Hoewel een goed aangepaste dummy load de eindtrap een normale belasting biedt, krijgt hij zelf vrijwel de volledige energiestroom te verwerken. Voor een sinusvormig signaal aan een zuiver resistieve belasting van 50 ohm is de effectieve spanning gelijk aan de wortel uit vermogen maal weerstand. De effectieve stroom is de wortel uit vermogen gedeeld door weerstand. Deze berekening laat zien dat een goede aanpassing hoge spanningen, grote stromen en warmte niet wegneemt.

Bij 100 watt ontstaat ongeveer 70,7 volt effectief en loopt 1,41 ampère. De top van de sinus bereikt ongeveer 100 volt. Bij 1.000 watt loopt dit op tot circa 224 volt effectief, 4,47 ampère en een piekspanning van ongeveer 316 volt. Connectoren, kabels en schakelaars moeten deze waarden eveneens kunnen verdragen, want niet alleen het weerstandselement voert het RF-vermogen.

Ook de testduur telt mee. Vermogen maal tijd geeft de omgezette energie. Honderd watt gedurende tien minuten levert 60 kilojoule warmte op; één kilowatt gedurende vijf minuten komt uit op 300 kilojoule. De energie verdwijnt dus niet zodra het radiosignaal de belasting bereikt. Zij verhoogt de temperatuur van het weerstandselement, de behuizing en uiteindelijk de omringende lucht of koelvloeistof.

Continu vermogen is iets anders dan piekvermogen

Vermogensspecificaties kunnen continu vermogen, gemiddeld vermogen, kortstondige belasting of een toegestane piek beschrijven. Die waarden zijn niet onderling verwisselbaar. Een precisieterminatie kan bijvoorbeeld een zeer korte puls van 100 watt doorstaan, maar gemiddeld slechts enkele watts als warmte afvoeren. Alleen het hoogste getal op een gegevensblad lezen kan daardoor een kostbare vergissing opleveren.

Bij gepulste signalen wordt zowel naar de piek als naar het gemiddelde gekeken. Een ideale puls van 100 watt met een inschakelduur van één procent vertegenwoordigt gemiddeld 1 watt. Daarmee is de belasting niet automatisch geschikt voor iedere pulsbron. Ook pulslengte, herhalingsfrequentie en eventuele grenzen voor spanning of stroom kunnen bepalend zijn.

Bij langdurige uitzendingen of een warme werkruimte is een bruikbare vermogensreserve altijd verstandig. Er bestaat echter geen vast percentage dat voor iedere belasting en iedere signaalvorm klopt. De gegevens van de fabrikant blijven leidend. Sommige apparaten moeten bij een hogere omgevingstemperatuur, grotere hoogte of beperkte luchtstroom aanzienlijk lager worden belast.

Welke soorten dummy loads bestaan er?

Droge dummy loads gebruiken een RF-weerstand met een metalen koellichaam. Ze zijn compact en geschikt voor veel metingen aan portofoons, mobiele transceivers en zendapparatuur met een bescheiden vermogen. De behuizing kan snel heet worden, vooral wanneer de aangegeven waarde slechts voor korte tests geldt. Vrije lucht rond de koelribben is daarom onderdeel van een goede opstelling.

Bij oliegevulde belastingen bevindt het weerstandselement zich in een isolerende vloeistof. De olie verdeelt de warmte over de metalen behuizing en vergroot de thermische massa. Daardoor kan de temperatuur langzamer oplopen en kan een groter vermogen worden verwerkt. Zo’n load is zwaarder, moet in de voorgeschreven stand staan en mag niet worden gebruikt wanneer hij lekt of onvoldoende gevuld is.

Geforceerde luchtkoeling voert de warmte met een ventilator af. De opgegeven continue vermogenswaarde geldt alleen wanneer die luchtstroom aanwezig is. Een defecte ventilator, dichtgeslibde opening of te kleine vrije ruimte kan de belastbaarheid fors verlagen. Een temperatuurschakelaar en bewaking van de ventilator zijn daarom bij grote installaties geen overbodige voorzieningen.

Watergekoelde dummy loads worden toegepast bij vermogens van enkele kilowatts tot ver daarboven. Stromend water neemt de warmte dicht bij het weerstandselement op en voert haar uit de ruimte af. Debiet, druk en inlaattemperatuur horen daardoor bij de elektrische specificatie. Eerst moet de waterstroom op gang zijn, daarna mag het RF-vermogen worden ingeschakeld. Na de test blijft het water zo nodig nog even doorstromen.

Voor microgolfmetingen bestaan kleine precisieterminaties die over een groot frequentiegebied een uitstekende aanpassing bieden, maar vaak weinig gemiddeld vermogen opnemen. Een lage SWR en een hoge maximale frequentie maken zo’n onderdeel dus niet geschikt voor een zendertest van 100 watt. Precisie, bandbreedte en belastbaarheid leggen verschillende eisen aan de constructie op. Iedere uitvoering is daarom voor een bepaalde meettaak en vermogensklasse bedoeld.

Hoe wordt een veilige testopstelling opgebouwd?

Vooraf worden de impedantie, frequentie, het maximale gemiddelde vermogen, piekvermogen, de modulatie, testduur en connector van de zender vastgesteld. Daarna wordt ieder onderdeel in de keten gecontroleerd. Dummy load, wattmeter, richtkoppelaar, coaxkabel en verloopstukken moeten alle voor het toegepaste vermogen en frequentiegebied geschikt zijn. De laagste belastbaarheid bepaalt de grens van de complete opstelling, ook wanneer de kunstbelasting zelf veel meer vermogen kan verwerken.

Controleer voor gebruik of connectoren schoon, onbeschadigd en goed vastgezet zijn. Een losse overgang kan plaatselijk heet worden, vonken of een sterke reflectie veroorzaken. Bij geforceerde koeling moet de ventilator draaien en moet de lucht vrij kunnen stromen. Een watergekoelde load krijgt pas vermogen nadat debiet, druk en temperatuur in orde zijn.

Begin waar mogelijk met laag vermogen. Lees voorwaarts en gereflecteerd vermogen af en stop wanneer de SWR onverwacht hoog is. Eerst worden kabels, richting van de wattmeter en connectoren gecontroleerd. Meer vermogen gebruiken in de hoop dat de aanwijzing zich herstelt, vergroot vooral de kans dat een klein defect een groter defect wordt.

Tijdens een duurtest blijven temperatuur, koeling en gereflecteerd vermogen onder toezicht. Ook een correct berekende belasting kan door een defecte ventilator of geblokkeerde waterstroom oververhit raken. Hete oppervlakken moeten buiten bereik blijven en rondom grote belastingen is voldoende afstand nodig. Na uitschakeling van de zender krijgt het koelsysteem tijd om de opgeslagen warmte af te voeren.

RF-veiligheid blijft eveneens relevant. Een dummy load beperkt de bedoelde uitstraling sterk, maar maakt de werkplek niet volledig veldvrij. Slechte afscherming, beschadigde kabels, open meetpoorten en ondeugdelijke adapters kunnen energie lekken. Bij hoog vermogen blijven afstand en afscherming nodig en kan een veldmeting passend zijn. Het ontbreken van een antenne bewijst alleen dat de opstelling niet doelbewust uitstraalt, niet dat rondom kabels en verbindingen geen enkel radiosignaal meetbaar is.

Wat kan een dummy load niet aantonen?

Op de kunstbelasting werkt de zender met een bekende, vrijwel zuiver resistieve afsluiting. Een echte antenne kan daarnaast inductieve of capacitieve eigenschappen hebben, waardoor spanning en stroom niet meer precies tegelijk hun hoogste waarde bereiken. De eindtrap ziet dan een samengestelde belasting en kan anders reageren dan tijdens de 50-ohmtest. In gespecialiseerde meetopstellingen kan een instelbare belasting zulke afwijkende impedanties gecontroleerd nabootsen.

Ook kabelverlies, antennerendement, versterking, polarisatie en stralingsrichting blijven buiten beeld. De dummy load laat niet zien wat een metalen mast, voertuigcarrosserie, natte boom of gebouw met het antennesysteem doet. Mantelstromen en instraling in apparatuur worden evenmin nagebootst. Een goede uitslag is daarom een belangrijke eerste controle, geen volledige goedkeuring van het complete zendstation.

Daarom verloopt een zorgvuldige beoordeling in lagen. Eerst wordt de zender op de dummy load getest, daarna volgen coaxkabel, aanpassingsnetwerk en antenne. Metingen aan uitgestraald vermogen, stralingspatroon of elektromagnetische compatibiliteit vragen uiteindelijk een geschikte antenne en een gecontroleerde meetomgeving. Juist doordat de dummy load de antenne tijdens de eerste test buitenspel zet, kan hij over die eigenschappen geen uitsluitsel geven.

Conclusie

Tijdens afregeling, onderhoud en foutzoeken vormt de dummy load een gecontroleerde RF-belasting, geen noodoplossing voor een lege antennebus. Zij biedt de eindtrap een bekende impedantie, neemt het geleverde vermogen op en maakt metingen aan vermogen, SWR, spectrum en temperatuur herhaalbaar. De zender kan daardoor eerst afzonderlijk worden beoordeeld, voordat kabel, tuner en antenne de uitkomst beïnvloeden.

De veiligheid hangt af van de volledige meetketen. De juiste impedantie alleen is niet genoeg; frequentiebereik, gemiddeld en piekvermogen, testduur, connectoren en koeling moeten eveneens kloppen. Een geslaagde dummy-loadtest zegt veel over de zender onder nominale omstandigheden, maar niets over de prestaties van kabel en antenne. Die onderdelen verdienen daarna hun eigen meting.

Bronnen en meer informatie

1. Steer, Michael (2019). Microwave and RF Design: Transmission Lines. Volume 2. Third Edition. NC State University. ISBN 978-1-4696-5692-2. DOI 10.5149/9781469656939_Steer.
2. Teppati, Valeria, Andrea Ferrero en Mohamed Sayed (red.) (2013). Modern RF and Microwave Measurement Techniques. Cambridge University Press. ISBN 978-1-107-03641-3. DOI 10.1017/CBO9781139567626.
3. Pozar, David M. (2012). Microwave Engineering. Fourth Edition. John Wiley & Sons. ISBN 978-0-470-63155-3. DOI 10.1002/9781118213636.
4. Panahi, Mohammad Ali, Sajjad AbdollahRamezani, Gholamreza Ebrahimzadeh Ardakani en Reza Safian (2015). An Efficient High Power RF Dummy-Load. IEEE Microwave and Wireless Components Letters, 25(6), 409–411. DOI 10.1109/LMWC.2015.2421824.