-
Die Erfindung betrifft eine Schaltung zur gleichzeitigen Betrags-
und Phasenmessung des Reflexionsfaktors oder einer damit im Zusammenhang stehenden
Kenngröße eines Meßobjektes, insbesondere eines solchen der Koaxialtechnik, deren
Wirkungsweise auf der Erfassung einer von dem Meßobjekt reflektierten, von einem
Hochfrequenzgenerator erzeugten Meßfrequenzwelle mittels eines Wellenleitergebildes
und einer mit niederfrequenter Drehzahl rotierenden Koppelschleife beruht. Dabei
wird gattungsmäßig weiterhin vorausgesetzt, daß die rotierende Koppelschleife in
Synchronsteuerverbindung mit der Intensitätssteuerung des Schreibstrahls eines als
Auswerteeinrichtung dienenden oszillographischen Kreisdiagrammschreibers steht,
dessen Ablenksysteme über einen Gleichrichter mit quadratischer Kennlinie und einen
Bandpaß durch ein von dem Wellenleitergebilde abgeleitetes Signal angesteuert werden.
-
Es ist eine Kopplungsanordnung mit einem Phasenrichtkoppler sowie
eine damit aufgebaute Reflexionsfaktor- bzw. Impedanzmeßschaltung bekannt (deutsche
Auslegeschrift 1115 798), deren Wirkungsweise ebenfalls auf der Erfassung einer
von dem Prüfling reflektierten Welle eines Hochfrequenzgenerators mittels eines
Wellenleitergebildes und einer mit niederfrequenter Drehzahl rotierenden Koppelschleife
oder Koppelblende beruht. Ferner steht auch hier die rotierende Koppelschleife oder
Koppelblende in Synchronsteuerverbindung mit der Intensitätssteuerung des Schreibstrahls
eines als Auswerteeinrichtung dienenden oszillographischen Kreisdiagrammschreibers,
dessen Ablenksysteme über einen Gleichrichter mit quadratischer Kennlinie und einen
Tiefpaß oder Bandpaß durch ein von dem Wellenleitergebilde abgeleitetes Signal angesteuert
werden. Diese bekannte Schaltung ist jedoch nicht für den Wellenlängenbereich der
Koaxialtechnik geeignet, da das hier verwendete Wellenleitergebilde wegen durch
die Wirkungsweise grundsätzlich bedingter Zusammenhänge aus zwei sich kreuzenden
und durch ein Koppelloch verbundenen Hohlraumresonatoren besteht. Die Anwendung
dieser bekannten Einrichtung ist also auf den Wellenlängenbereich der Hohlleiter
beschränkt.
-
Ferner ist für Aufbau und Wirkungsweise dieser bekannten Einrichtung
wesentlich, daß durch die im Bereich des Koppelloches zwischen den sich kreuzenden
Wellenleitern rotierende Koppelschleife oder Koppelblende eine Amplitudenmodulation
der ausgekoppelten Welle entsprechend der niederfrequenten Rotation des Koppelorgans
erfolgt. Das modulierte und demgemäß ein entsprechendes Frequenzgemisch enthaltende
Ausgangssignal wird über einen quadratischen Gleichrichter an einem Ausgang des
zweiten, über das Koppelloch gespeisten Wellenleiters entnommen und hierbei demoduliert,
wobei unter anderem eine der doppelten Rotationsfrequenz entsprechende Signalkomponente
entsteht und anschließend durch einen Tiefpaß bzw. einen niederfrequent abgestimmten
Bandpaß ausgefiltert und der Auswerteeinrichtung zugeführt wird. Diese aufeinanderfolgende
Modulation und Demodulation sowie die Ubertragungseigenschaften des Koppelloches
zwischen den Wellenleitern haben eine Abhängigkeit der Meßgenauigkeit des Reflexionsfaktors
von der Meßfrequenz sowie von anderen bei der Modulation entstehenden Frequenzkomponenten
zur Folge, die sich nur unter Einhaltung einer Vielzahl entsprechender Bedingungen
ausgleichen läßt.
-
Ferner ist eine Einrichtung zur selbsttätigen Wiedergabe von Reflexionsfaktoren
bzw. Impedanzen in Zeigerdarstellung bekannt (IRE Transactions on Microwave Theory
and Techniques, Januar 1955, S. 22 bis 30), deren Wirkungsweise auf der Uberlagerung
einer Bezugswelle und einer von dem Prüfling reflektierten Welle in einem speziellen
Wellenleitergebilde, nämlich einem Hybridkoppler, mit Summen- und Differenzbildung
zwischen den beiden Wellen beruht. Ein entsprechendes Summen- und Differenzsignal
wird dann nach gesonderter quadratischer Gleichrichtung addiert, wodurch sich ein
der Realkomponente des Reflexionsfaktors entsprechendes Ausgangssignal ergibt. Ferner
ist hier noch ein zweiter, ähnlich aufgebauter Uberlagerungszweig erforderlich,
in welchem die reflektierte Welle und die Bezugswelle vor der Summen- und Differenzbildung
eine im Vergleich zu dem ersten Uberlagerungszweig um 90" unterschiedliche Phasenlage
erhalten. Nach der Summen- und Differenzbildung sowie gesonderter quadratischer
Gleichrichtung und anschließender Addition der beiden Signale ergibt sich in dem
zweiten Uberlagerungszweig ein der Imaginärkomponente des Reflexionsfaktors entsprechendes
Ausgangssignal. Die beiden Ausgangssignale können dann grundsätzlich unmittelbar
den Ablenksystemen eines Oszillographen zugeführt werden, wobei die Strecke zwischen
dem ausgelenkten Leuchtpunkt und dem Nullpunkt den Zeiger des komplexen Reflexionsfaktors
darstellt.
-
Für dieses Meßprinzip ist also eine Modulation grundsätzlich nicht
erforderlich und wird allenfalls aus Gründen der Wiedergabetechnik vorgesehen.
-
Dem steht jedoch der in vielen Anwendungsfällen als Nachteil zu betrachtende,
hohe apparative Aufwand für die Hybridkoppler mit den zugehörigen Einstellvorrichtungen
sowie für die beiden gesonderten Uberlagerungszweige mit je einem derartigen Koppler
gegenüber. Außerdem ist auch diese Einrichtung auf die Anwendung im Wellenlängenbereich
der Hohlleiter beschränkt.
-
Weitere bekannte Einrichtungen zur Bestimmung des Reflexionsfaktors
(deutsche Patentschrift 955 710, deutsche Auslegeschriften 1009720, 1022684 und
1 048 344) beruhen auf der Feststellung des Amplitudenverlaufes von stehenden Wellen
in Meßleitungen mit entsprechendem Reflexionsabschluß. Einrichtungen dieser üblichen
Art, die im übrigen ebenfalls in der Anwendung auf den Wellenlängenbereich von Hohlleitern
beschränkt sind, ermöglichen keine selbsttätige Zeigerdarstellung der gesuchten
komplexen Größe und sind außerdem allgemein mit vergleichsweise hohen Meßungenauigkeiten
behaftet.
-
Aufgabe der Erfindung ist in diesem Zusammenhang die Schaffung einer
Reflexionsfaktormeßschaltung mit selbsttätiger Wiedergabe in Zeigerdarstellung,
die bei einfachem Aufbau keine grundsätzliche Beschränkung hinsichtlich des anwendbaren
Meßfrequenzbereiches aufweist. Die erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe kennzeichnet
sich bei einer Schaltung der eingangs genannten Art hauptsächlich durch folgende
Bestandteile bzw. Merkmale: a) Als Wellenleitergebilde sind ein erster und ein zweiter
Verzweigungswellenleiter mit je einem an den Hochfrequenzgenerator angeschlossenen
ersten Zweig sowie mit je einem gegenüber dem ersten im Winkel versetzt angeordneten
zweiten und dritten Zweig vorgesehen;
b) der zweite Zweig eines
jeden Verzweigungswellenleiters ist reflexionsfrei abgeschlossen, während der dritte
Zweig des ersten Verzweigungswellenleiters mit dem Meßobjekt und der dritte Zweig
des zweiten Verzweigungswellenleiters zur Erzeugung eines mit der Meßfrequenz rotierenden
magnetischen Drehfeldes in der Weise abgeschlossen ist, daß die am Verzweigungspunkt
gemessene Eingangsimpedanz des dritten Zweiges einen dem räumlichen Versetzungswinkel
dieses Zweiges gegenüber dem ersten Zweig mindestens teilweise entsprechenden Phasenwinkel
aufweist; c) der erste Verzweigungswellenleiter ist mit einer verstellbaren Koppelschleife
versehen, die in einer Stellung mit dem ersten Zweig sowie in einer anderen Stellung
gleichzeitig mit dem zweiten und dritten Zweig dieses Verzweigungswellenleiters
gekoppelt ist und in diesen beiden Stellungen Ausgangswechselspannungen liefert,
deren Verhältnis dem komplexen Reflexionsfaktor des Meßobjektes entspricht; d) die
mit niederfrequenter Drehzahl rotierende Koppelschleife ist mit dem magnetischen
Drehfeld des zweiten Verzweigungswellenleiters gekoppelt und liefert eine Ausgangswechselspannung,
deren Frequenz von der Meßfrequenz um die Rotationsfrequenz abweicht; e) die Ausgänge
der beiden Koppelschleifen sind über den Gleichrichter und den Bandpaß mit den Ablenksystemen
des Kreisdiagrammschreibers verbunden, wobei der Durchlaßbereich des Bandpasses
auf die Rotationsfrequenz der Koppelschleife des zweiten Verzweigungswellenleiters
abgestimmt ist.
-
Hierbei empfiehlt sich im allgemeinen eine Ausführung der erfindungsgemäßen
Schaltung in der Weise, daß die beiden Verzweigungswellenleiter als T-Verzweigungsglieder
mit jeweils zueinander fluchtenden zweiten und dritten Zweigen sowie hierzu senkrecht
angeordnetem ersten Zweig ausgebildet sind und daß der erste Zweig eines jeden T-Verzweigungsgliedes
als an den Hochfrequenzgenerator angeschlossener Speisezweig, der zweite Zweig als
reflexionsfrei abgeschlossener Wirkzweig und der dritte Zweig bei dem ersten T-Verzweigungsglied
als mit dem Meßobjekt abgeschlossener Meßzweig sowie bei dem zweiten T-Verzweigungsglied
als mit einem Reflexionsglied abgeschlossener Reflexionszweig vorgesehen ist.
-
Im Gegensatz zu der einleitend zuerst behandelten, bekannten Reflexionsfaktormeßschaltung
mit einem rotierenden Koppelorgan zwischen zwei sich kreuzenden Wellenleitern wird
bei der erfindungsgemäßen Schaltung durch die mit dem magnetischen Drehfeld des
zweiten Verzweigungswellenleiters zusammenwirkende, rotierende Koppelschleife keine
Amplitudenmodulation des ausgekoppelten Signals bewirkt, sondern lediglich eine
konstante Frequenzverschiebung um den Betrag der Rotationsfrequenz. Der Verzweigungswellenleiter
mit seiner rotierenden Koppelschleife arbeitet dabei erfindungsgemäß als Drehfeldfrequenzwandler
nach Art einer ständergespeisten Induktionsmaschine, an deren Läuferwicklung ebenfalls
die Summe bzw. Differenz zwischen der Ständerspeisefrequenz und der Rotationsfrequenz
des angetriebenen Läufers entsteht. Bei der erfindungsgemäßen Schaltung wird das
magnetische Drehfeld
auf einfache Weise durch den zweiten Verzweigungswellenleiter
mit seinen gegeneinander räumlich im Winkel versetzten Zweigen erzeugt, so daß am
Ausgang der rotierenden Koppelschleife ein Signal mit der Summe bzw. Differenz zwischen
der eingespeisten Meßfrequenz und der Rotationsfrequenz der Koppelschleife entsteht.
Hieraus ergibt sich, daß die Wirkungsweise der erfindungsgemäßen Schaltung keinerlei
Einschränkung auf eine bestimmte Wellenleiterform, z. B. Koaxialleiter oder Hohlleiter,
bedingt, da sich ein magnetisches Drehfeld bei entsprechender räumlicher Versetzung
und Phasenverschiebung der Ströme in den verschiedenen Zweigen unabhängig von dem
Aufbau der Wellenleiter selbst erzeugen läßt.
-
Der erste Verzweigungswellenleiter der erfindungsgemäßen Schaltung
liefert in der einen Stellung der zugehörigen, verstellbaren Koppelschleife an deren
Ausgang eine Hochfrequenzspannung, deren Phasenlage bei normiertem oder eingeprägtem
Speisestrom im wesentlichen nur von der Impedanz im ersten Zweig bzw. Speisezweig
abhängt, während in der anderen Stellung der Koppelschleife Betrag und Phase des
durch das Meßobjekt bestimmten Reflexionsfaktors direkt in das Ausgangssignal eingehen.
-
Im ersten Fall ergibt sich somit ein Bezugssignal, im zweiten Fall
dagegen das eigentliche Meßsignal. Auch hier ist die induktive Auskopplung beider
Signale von dem speziellen Aufbau des Verzweigungswellenleiters unabhängig, so daß
grundsätzlich keine Beschränkung hinsichtlich des Frequenzbereiches besteht.
-
Die Ausgangssignale beider Koppelschleifen werden erfindungsgemäß
gemeinsam dem quadratischen Gleichrichter zugeführt, d. h. also zunächst additiv
überlagert und dann am Gleichrichter demoduliert.
-
Hierbei entsteht, wie sich mathematisch zeigen läßt, eine Signalkomponente
mit der einfachen Rotationsfrequenz, deren Phasenlage in bezug auf den Ausgang des
Hochfrequenzgenerators bzw. dem gemeinsamen Eingang beider Verzweigungswellenleiter
in der ersten Stellung der verstellbaren Koppelschleife nur den Phasenwinkel zwischen
den Strömen in den Speisezweigen der beiden Verzweigungswellenleiter und in der
zweiten Stellung der verstellbaren Koppelschleife nur die Summe des letztgenannten
Phasenwinkels und des Reflexionsfaktor-Phasenwinkels enthält. Nach Isolierung dieser
Frequenzkomponente durch den Bandpaß gibt der Kreisdiagrammschreiber also in der
ersten Stellung der Koppelschleife eine Bezugslage und in der zweiten Stellung dieser
Koppelschleife den Reflexionsfaktor selbst nach Betrag und Phase bis auf einen Maßstabsfaktor
unmittelbar wieder. Es ergibt sich also durch einfache Demodulation eine absolute
Frequenzunabhängigkeit sowie - durch praktische Untersuchungen bestätigt eine hochgenaue
Aufzeichnung bzw. Messung des Reflexionsfaktors bzw. hieraus mit Hilfe der bekannten
Reflexionsfaktordiagramme die Impedanz des Meßobjektes. Im einzelnen kann die erfindungsgemäße
Schaltung vorteilhaft derart ausgeführt werden, daß die verstellbare Koppel schleife
des ersten T-Verzweigungsliedes in ihrer ersten Stellung parallel zu dem Speisezweig
und in ihrer zweiten Stellung parallel zu dem Wirkzweig und dem Meßzweig angeordnet
ist.
-
Diese Merkmale gestatten eine einfache, im wesentlichen ebene Ausbildung
der verstellbaren Koppelschleife, die in ihrer zweiten Stellung symmetrisch mit
dem Wirkzweig und Meßzweig des zugehörigen Verzweigungswellenleiters gekoppet ist,
so daß sich
die vom Verzweigungspunkt aus in diese beiden Zweige
einlaufenden Wellen infolge der Reflexionsfreiheit des Wirkzweiges kompensieren
und somit in der Koppelschleife nur die vom Meßobjekt reflektierte Welle wirksam
ist.
-
Eine Weitetbildung der erfindungsgemäßen Schaltung kennzeichnet sich
dadurch, daß der Reflexionszweig des zweiten T-Verzweigungsgliedes durch ein gemäß
dem räumlichen Versetzungswinkel gegenüber dem Speisezweig einstellbares Reflexionsglied
abgeschlossen ist. Auf diese Weise läßt sich die Phasenlage der Stromwelle im Reflexionszweig
des zweiten Verzweigungswellenleiters genau auf den räumlichen Versetzungswinkel
zwischen Speisezweig und Reflexionszweig einjustieren und somit ein weitgehend symmetrisches
Drehfeld erzielen. Als einstellbares Reflexionsglied wird dabei zweckmäßig z. B.
ein Kurzschlußschieber vorgesehen. Hinsichtlich der Wirksamkeit des magnetischen
Drehfeldes empfiehlt sich dabei eine Ausführung in der Weise, daß der Kurzschlußschieber
auf einen Abstand vom Verzweigungspunkt des T-Verzweigungsgliedes eingestellt ist,
welcher wenigstens annähernd einem ungeradzahligen Vielfachen einer Achtelwellenlänge
der Meßfrequenzwelle entspricht. Im übrigen ermöglicht das einstellbare Reflexionsglied
in einfacher Weise auch die Einstellung der Phasenlage des magnetischen Drehfeldes
und damit die Einstellung des Bezugszeigers auf dem Kreisdiagrammschreiber in eine
gewünschte Nullage.
-
Die Erfindung wird weiter an Hand des in den Zeichnungen veranschaulichten
Ausführungsbeispiels erläutert. Hierin zeigt F i g. 1 den Aufbau einer erfindungsgemäßen
Reflexionsfaktormeßschaltung im Prinzipschaltbild, F i g. 2 die konstruktive Ausführung
eines T-Verzweigungsgliedes mit rotierender Koppelschleife und F i g. 3 einen Schnitt
des T-Verzweigungsgliedes gemäß Linie III-III in F i g. 2.
-
Gemäß F i g. 1 speist ein Hochfrequenzgenerator 1 über einen Verteiler
2 ein Paar von T-Verzweigungsgliedern 5 und 10 mit je einem ersten oder Speisezweig
4 bzw. 3 und hierin angeordnetem Entkopplungs- und Anpassungswiderstand. Die Ströme
in den beiden Speisezweigen sind mit L und bezeichnet. Die zweiten, mittelpunktseitig
gespeisten Zweige 6 bzw. 11 der beiden T-Verzweigungsglieder sind als Wirkzweige
vorgesehen und mit dem (reellen) Wellenwiderstand ZO reflexionsfrei abgeschlossen.
-
Der dritte, ebenfalls mittelpunktseitig gespeiste Zweig 7 des T-Verzweigungsgliedes
5 ist mit dem Meßobjekt7a, d. h. mit der zu messenden Impedank zu abgeschlossen.
Mit dem T-Verzweigungsglied 5 ist eine verstellbare Koppelschleife 9 verbunden,
die sich von Hand in eine senkrechte, mit dem Speisezweig koppelnde und in eine
horizontale, mit dem Wirk- und Meßzweig koppelnde Stellung bringen läßt. Diese Koppelschleife
ist nur induktiv angekoppelt, jedoch elektrisch durch eine Abschirmung 8 von dem
T-Verzweigungsglied entkoppelt.
-
Bei dem mit einer rotierenden Koppelschleife 14 zusammenwirkenden
T-Verzweigungsglied 10 ist der dritte, ebenfalls mittelpunktseitig gespeiste Zweig
mit einer Impedanz belastet, und zwar in der Weise, daß die mittelpunktseitige Eingangsimpedanz
+jZO oder -jZo beträgt. Im Beispielsfall ist dieser Zweig mit einem Kurzschlußschieber
12 als einstellbarem Reflexionsglied abgeschlossen, der auf eine Leitungs-
länge
von n 28 (n = ganz und ungerade, i = Wellenlänge) eingestellt wird. Die Koppelschleife
14 ist mit dem magnetischen Drehfeld in der Weise gekoppelt, daß die Drehachse dieser
Koppelschleife senkrecht zu der Ebene des zugehörigen T-Verzweigungsgliedes angeordnet
ist. Zur elektrischen Entkopplung ist eine Abschirmung 13 vorgesehen. Die Koppelschleife
14 wird von einem Synchronmotor 16 mit einer niederfrequenten Drehzahl p (Umdrehungen
pro Sekunde) gleich- oder gegensinnig zum magnetischen Drehfeld angetrieben.
-
Im Beispielsfall ist angenommen, daß die Einrichtung, insbesondere
also die Verzweigungswellenleiter mit ihren verschiedenen Zweigen und die hiermit
verbundenen Anschlüsse und Wellenleiter in Koaxialtechnik ausgeführt sind. Grundsätzlich
kommt ebenso eine Ausführung der Einrichtung mit ihren Wellenleitern in Form von
Hohlraumresonatoren bzw.
-
Hohlleitungen in Betracht. Ebenso ist grundsätzlich eine Anwendung
auf niedrigere Meßfrequenzen als diejenige der Koaxialtechnik möglich, wobei an
Stelle der Abschlußleitung mit Kurzschlußschieber 12 gegebenenfalls ein Drehkondensator
oder eine einstellbare Induktivität treten kann.
-
Von den Ausgängen der beiden Koppelschleifen 9 und 14 ist jeweils
einer geerdet, während die beiden anderen über Koaxialleitungen mit entsprechenden
Eingängen eines zur additiven Uberlagerung der Ausgangssignale dienenden, ebenfalls
in Koaxialtechnik ausgeführten T-Gliedes 15 verbunden sind.
-
Das überlagerte Ausgangssignal dieses T-Gliedes wird über einen quadratischen
Gleichrichter 17, einem auf die Rotationsfrequenz p als Mittelfrequenz abgestimmten
Bandpaß 30 und einem Verstärker31 einer Auswerteeinrichtung 18 zugeführt, die im
wesentlichen aus einem Kreisdiagrammschreiber mit einer Kathodenstrahlröhre 18 d,
einem 90°-Phasenschieber 18c und einem Impulsgenerator 18e zur Helligkeitssteuerung
des Schreibstrahles besteht.
-
In F i g. 2 und 3 ist eine beispielsweise konstruktive Ausführung
einer drehbaren Koppelschleife in Verbindung mit einem T-Verzweigungsglied in Koaxialtechnik
veranschaulicht. Diese Ausführung kommt grundsätzlich sowohl für die Zweistellungskoppelschleife
9 wie auch für die rotierende Koppelschleife 14 in Betracht, wobei im ersten Fall
eine Handverstellung der Koppelschleife und im zweiten Fall eine nicht dargestellte
Antriebsverbindung mit dem Synchronmotor vorzusehen ist.
-
In F i g. 2 und 3 ist in dem von oben zur Verzweigungsstelle 21 führenden
Speisezweig des T-Verzweigungsgliedes ein Anpassungswiderstand 29 angedeutet.
-
Die beiden mittelpunktseitig gespeisten Zweige sind in Fig.2 horizontal
und nach links bzw. rechts abgehend angedeutet. Senkrecht zu den beiden letztgenannten
Zweigen ist gemäß F i g. 3 im Bereich der Verzweigungsstelle 21 eine Koppelöffnung
mit einem elektrischen Schirm 22 angeordnet, hinter dem die Koppelschleife 23 mit
ihrer zur Ebene des T-Verzweigungsgliedes senkrechten Drehachse liegt. Die Koppelschleife
23 ist in einem drehbar gelagerten Stutzen 25 angeordnet, der einerseits über einen
Schleifkontakt 27 mit Masse bzw. über ein Anschlußstück 26 mit dem Außenleiter einer
abgehenden Koaxialleitung und andererseits mit einem Anschluß der Koppelschleife
23 verbunden ist. Der andere Anschluß der Koppelschleife ist über eine Isolierdurchführung
24
und einen Schleifkontakt 28 mit dem Mittelleiter der abgehenden Koaxialleitung verbunden.
Für einen Bereich der Meßfrequenz zwischen 25 bis 1000 MHz umfaßt die Koppelschleife
z. B. vier Windungen und für einen Bereich von 500 bis 2500 MHz nur eine Windung,
während für einen Bereich unterhalb von 25 MHz zweckmäßig eine weitere Wicklung
vorgesehen wird.
-
Die Wirkungsweise der dargestellten Einrichtung wird wie folgt erläutert:
Bei waagerecht eingestellter, d. h. mit Wirk- und Meßzweig des T-Verzweigungsgliedes
5 gekoppelter Koppelschleife 9 lautet deren Ausgangswechselspannung in der Schreibweise
als komplexer Zeiger: @ @ Zx-Z0 @@@@@@@@ Zx+Zo = K1#Rx#I1#exp (j 2 # ft) (1) und
bei senkrechter, d. h. mit dem Speisezweig gekoppelter Koppelschleife: Vr = K1 #
I1 # exp (j2#ft). (2) Dabei ist Rx = Rx # exp (j#) der komplexe Reflexionsfaktor,
wie er sich durch die Impedanz Z des Meßobjektes 7a ergibt. Ferner ist in diesen
Gleichungen I1 der komplexe Zeiger de sin den Speise-Zweig des T-Verzweigungsgliedes
5 eintretenden Stromes, f die Meßfrequenz, d. h. diejenige des Hochfrequenzgenerators
1, und kl der Kopplungsfaktor zwischen der Koppelschleife 9 und T-Verzweigungsglied
5.
-
Aus den Gleichungen (1) und (2) ergibt sich, daß Vh und Rx einander
proportional sind, wenn Vr konstant bleibt.
-
An dem T-Verzweigungsglied 10 ergibt sich je nach der Einstellung
des Kurzschlußschiebers bzw. des Abschlußwiderstandes auf +jZ0 oder -jZ0 ein im
uhrzeigersinn bzw. im Gegenuhrzeigersinn rotierendes magnetisches Drehfeld. Die
Frequenz der Ausgangswechselspannung der Koppelschleife 14 unterscheidet sich demgemäß
von der Meßfrequenz um die Rotationsfrequenz p. Für den Zeiger der Ausgangswechselspannung
gilt somit folgende Beziehung: Vr = K2 # I2 exp [j2#(f # p)]. (3) Hierin ist 12
der Zeiger des in den Speisezweig des T-Verzweigungsgliedes 10 eintretenden Stromes
und K2 der Kopplungsfaktor zwischen der Koppelschleife 14 und dem T-Verzweigungsglied
10.
-
Wie sich mathematisch zeigen läßt, enthält die Ausgangswechselspannung
des quadratischen Gleichrichters als Demodulationsprodukt unter anderem eine Komponente
mit der Rotationsfrequenz p, in deren Amplitude das Produkt der Beträge der beiden
Ströme 1, und 12 auftritt, während in dem Phasenwinkel die relative Phasenverschiebung
t zwischen den beiden Strömen 1, und 12 auftritt.
-
Des weiteren ist diese niederfrequente Komponente sowohl hinsichtlich
der Amplitude wie auch der Phasenlage von der Stellung der Koppelschleife 9 abhängig,
und zwar in der Weise, daß in der Amplitude dieser Komponente bei horizontaler Stellung
der Faktor Rx und im Phasenwinkel der Komponente der Phasenwinkel des Reflexionsfaktors
Rx additiv auftritt. Bei senkrechter Stellung der Koppelschleife 9
und wiederum normiertem
oder eingeprägtem Speisestrom entfällt der Einfluß des Reflexionsfaktors in der
Amplitude und im Phasenwinkel. Im einzelnen gilt für den komplexen Zeiger dieser
Komponente bei horizontaler Koppelschleife 9: Eh = 2K1 # K2 # K3 # Rx # I1 # I2
# exp(j2#pt # j # # #) ; (4) bei senkrechter Koppelschleife 9 gilt für den Zeiger
der niederfrequenten Komponente: Ev = 2 k1 # K2 # K3 I1 # I2 # exp (j2#pt # j#).
(5) In diesen Beziehungen ist K3 ein Dämpfungsfaktor, welcher entsprechende Einflüsse
in dem Uberlagerungskanal über den quadratischen Gleichrichter und dem Bandpaß 30
berücksichtigt.
-
Die ausgefilterte und verstärkte Niederfrequenzkomponente wird in
ihrer der jeweiligen Stellung der Koppelschleife 9 entsprechenden Form in der Auswerteeinrichtung
18 dem Vertikalablenksystem des Oszillographen 18d unmittelbar und dem Horizontalablenksystem
über einen 90°-Phasenschieber 18c zugeführt. Infolgedessen durchläuft der Leuchtpunkt
auf dem Schirm des Oszillographen mit der Frequenz einen Kreis, dessen Radius entsprechend
den beiden Stellungen der Koppelschleife 9, d. h. bei Vorliegen der demodulierten
Niederfrequenzkomponente in der Form Ek bzw. E@ dem Produkt Rx # I1 # I2 bzw. AI1
# I2 proportional ist. Mit Hilfe der Helligkeitssteuerung des Schreibstrahls über
den Impulsgenerator 18e, der zusammen mit dem Synchronmotor 16 von einer gemeinsamen
Wechselstromquelle 19 gespeist bzw. angesteuert wird, erfolgt die Ausblendung eines
Punktes aus dem jeweils geschriebenen Kreis auf dem Oszillographenschirm, dessen
Winkellage dem Phasenwinkel # + # bzw. # der demoduliertne Niederfrequenzkomponente
Eh bzw. E, entspricht. Zwischen dem Koordinatennullpunkt des Schreibstrahls bzw.
dem Kreismittelpunkt und den in den beiden Stellungen der Koppelschleife 9 ausgeblendeten
Leuchtpunkten auf dem Kreisumfang können nun unmittelbar zwei Zeiger abgegriffen
werden, welche einerseits den komplexen Reflexionsfaktor und andererseits einen
durch die Ströme in den Speisezweigen der beiden T-Verzweigungsglieder nach Betrag
und Phase bestimmten Bezugszeiger wiedergeben. Erfolgt nun die Aufzeichnung innerhalb
einer auf dem Oszillographenschirm angebrachten, bekannten Reflexionsfaktorkarte,
etwa eines Smith-Diagramms, so ergibt sich außer der unmittelbaren Zeigerdarstellung
des Reflexionsfaktors eine unmittelbare Ablesung der Impedanz Z des Meßobjektes
7a nach Betrag und Phase. Die Bezugsfläche der Messung liegt dabei an der Verzweigungsstelle
des T-Verzweigungsgliedes 5.
-
Die Handhabung der Einrichtung gestaltet sich wie folgt: 1. Der Kurzschlußschieber
12 wird auf ein ungeradzahliges Vielfaches der Achtelwellenlänge eingestellt; 2.
das Meßobjekt 7a mit der Impedanz wird angeschlossen; 3. bei senkrechter Stellung
der Koppelschleife 9 wird die Phasenlage der Ausgangssignale des Impulsgenrators
18e für die Helligkeitssteuerung des Oszillographen so eingestellt, daß der Leuchtpunkt
auf
dem Oszillographenschirm eine Lage einnimmt, welche innerhalb des Smith-Diagramms
einem Reflexionsfaktor mit dem Betrag 1 und dem Phasenwinkel 0° entspricht.
-
Bei waagerechter Koppelschleife 9 wird nun unmittelbar der Zeiger
R bzw. über das Koordinatennett des Smith-Diagramms die Impedanz, des Meßobjekts
dargestellt.
-
Zur Einstellung des Kurzschlußschiebers 12 auf n er 8 ergibt sich
für eine erfindungsgemäße Schaltung 8 folgende einfache Methode: Der.Bandpaß 30
ist hinsichtlich seiner Durchlaßbereichsmittelfrequenz zwischen den Frequenzen p
und 2p umschaltbar ausgeführt. Der Kurzschlußschieber 12 wird dann bei der Mittelfrequenz
2p so eingestellt, daß die auf dem Oszillographenschirm erscheinende Ellipse auf
einen Punkt zusammenschrumpft. Die so erhaltene Stellung des Kurzschlußschiebers
ist dann die für den weiteren Meßvorgang maßgebende. Bei einer Einstellung des Kurzschlußschiebers
gemäß 8 wird das horizontale Ablenksystem der Oszillographenröhre in bezug auf die
Einstellung gemäß 3-8 umgepolt.
-
Zusammenfassend ergeben sich für die erfindungsgemäße Einrichtung
folgende besondere Vorteile: 1. Große Frequenzbereiche von z. B. 25 bis 1000 MHz
oder 500 bis 2500 MHz können ohne Umstellung der Meßeinrichtung erfaßt werden.
-
2. Auch bei vergleichsweise niedrigen Meßfrequenzen von z. B. weniger
als 25 MHz ist die Einrichtung anwendbar.
-
3. Zur Speisung der Einrichtung sind übliche Hochfrequenzgeneratoren
verwendbar.
-
4. Es ist eine hohe Meßgenauigkeit erreichbar, vor allem auch wegen
der einfachen und genauen Reproduzierbarkeit der als Vergleichsnormale dienenden
Wellenwiderstände der an die T-Verzweigungsglieder angeschlossenen Wellenleiter.
-
5. Die Einrichtung kann leicht zur Ausführung von Vierpolmessungen
abgewandelt werden, wenn nämlich die Anschlüsse des T-Verzweigungsgliedes5 und der
Koppelschleife 9 durch Eingang und Ausgang des Vierpols ersetzt werden.
-
Es ergibt sich dann eine unmittelbare Anzeige des komplexen Ubertragungsmaßes
des Vierpols.
-
6. Wegen des einfachen Aufbaus und der entsprechenden Handhabung
läßt sich die erfindungsgemäße Einrichtung besonders leicht in Form von tragbaren
Geräten ausführen.