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Anordnung von Strahlungsquelle und Strahlungsmeßort in einem zur Messung
von elektromagnetischen oder akustischen Wellen dienenden abgeschirmten Meßraum
Die'Erfindung bezieht sich auf die Anordnung von Strahlungsquelle und -meßort in
einem abgeschirmten Meßraum. Diese dient zur Messung von elektromagnetischen oder
akustischen Wellen.
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Derartige Meßräume werden z. B. bei der Messung von Störstrahlungen
oder bei Untersuchungen der Richtcharakteristik von Antennen oder Schallgebern benötigt.
Um äußere Einflüsse wie Fremdstrahlungen od. dgl. vom wellenempfangenden Meßgerät
abzuhalten, ist es bekannt, derartige Messungen oder Untersuchungen in einem abgeschirmten
Raum durchzuführen. Handelt es sich beispielsweise um elektromagnetische Wellen,
dann besteht die Abschirmung des Raumes aus elektrisch gut leitfähigem Material.
Die Wände des Meßraumes bestehen aus derartigem Material oder sind damit ausgekleidet.
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Damit die Messungen in Anpassung an den »freien« Raum durchgeführt
werden können, ist es darüber hinaus notwendig, den Meßraum mit wellenabsorbierenden
Wandverkleidungen zu versehen.
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Bei einem Schallmeßraum sind zu diesem Zweck in bekannter Weise die
Wände mit schallschluckendem Material verkleidet.
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Bei Messungen von elektromagnetischen Wellen oder Antennenuntersuchungen
werden die Wände mit elektromagnetischen Wellen dämpfenden Stoffen versehen. Derartige
Stoffe, im folgenden Absorber genannt, bestehen z. B. aus kegelförmigen Gebilden,
die bausteinartig nebeneinander an den Wänden angeordnet sind und deren Spitzen
in Richtung zum Rauminneren weisen. Diese Kegel besitzen wellendämpfende Eigenschaften;
sie bestehen also aus einem Material, z. B. in Kunststoff eingebettetem Graphit,
bei dem der elektrische Widerstand von der Kegelspitze zur Kegelbasis, die sich
an der Wand befindet, abnimmt. Ferner ist es bekannt, die Absorber aus senkrecht
aufeinanderstehenden, mit elektrisch leitfähigen Schichten belegten Hartpapierplatten
oder ähnlichen Gebilden in Hohlleiterart zusammenzustellen.
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In der Praxis ist es nun nicht möglich, die mit Absorbern versehenen
Wände vollkommen reflexionsfrei zu gestalten. Dies wäre nur dann möglich. wenn im
Abstand von4 von der Reflexionswand ein Ab-4 sorber mit dem Wellenwiderstand ZO
= 377 Ohm angebracht wäre. Derartige Absorber wirken allerdings nur für eine bestimmte
Frequenz reflexionsfrei. Bereits benachbarte Frequenzen werden durch die Veränderung
des Wellenwiderstandes für diese Nachbarfrequenzen nicht mehr reflexionsfrei. Werden
daher die Messungen und Untersuchungen durchgeführt
bei verschiedenen Frequenzen,
z. B. über ein bestimmtes Frequenzspektrum, dann sind die Absorberwände vorteilhaft
derart ausgelegt, daß der Reflexionsfaktor für dieses gesamte Frequenzgebiet einen
möglichst niedrigen Wert erreicht. Die Absorber sind daher breitbandig ausgelegt
und reflektieren im allgemeinen etwa 100/o der auftreffenden Feldstärke. Der Einfallswinkel
spielt überdies eine nicht unwesentliche Rolle für die Größe des Reflexionsfaktors.
Da in einem aus Raumgründen kastenartig gestalteten Meßraum, der nahezu vollständig
mit Absorbern verkleidet ist, die von einer Strahlungsquelle ausgesandten Strahlen
teilweise mehrfach reflektiert werden, ehe sie am Strahlungsmeßort auftreffen, wird
das Meßergebnis durch diese Reflexionen verfälscht. Es ergeben sich bei einem Reflexionsfaktor
der Absorber von etwa 100/o Abweichungen der Meßergebnisse im Verhältnis zum »freien
Raum« bis zu etwa 50°/o.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, die durch Reflexionen an
den mit Absorbern verkleideten Wänden hervorgerufene Störstrahlung am Strahlungsmeßort
weitgehend zu vermeiden.
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Die Erfindung bei der Anordnung von Strahlungsquelle und -meßort
in einem abgeschirmten Meßraum zur Messung elektromagnetischer oder akustischer
Wellen, dessen im wesentlichen spiegelnd reflektierenden Wandungen mindestens teilweise
mit wellenabsorbierenden Stoffen verkleidet sind, besteht in einer derartigen Asymmetrie
der Anordnung von Strahlungsquelle in bezug zum Strahlungsmeßort, daß sich die nur
einmal zwischen Quelle und Meßort
an den Wandungen reflektierten
Wellen durch Interferenzen am Meßort im wesentlichen auslöschen.
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Der Meßraum ist z. B. derart kastenförmig gestaltet, daß bei rechteckförmiger
Grundfläche die Wandungen im wesentlichen parallel bzw. rechtwinkelig zueinander
verlaufen.
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Die Erfindung ist jedoch nicht auf eine rechteckige Basis beschränkt.
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Im folgenden ist die Erfindung an Hand der F i g. 1 bis 4 näher erläutert:
In Fig. 1 ist die rechteckige Grundfläche eines bereits bekannten Störstrahlungsmeßraumes
schematisch dargestellt, wobei die dieWandungen darstellenden Randlinien als mit
Absorbern verkleidete Wände aufzufassen sind. Der Meßraum hat Seitenwände mit einer
Länge b und Rückwände mit einer Länge a. In bekannter Weise wurde bisher die Strahlungsquelle
A im Abstand r1 vom Strahlungsmeßort B mit diesem symmetrisch in der Mitte des Meßraums
angeordnet. In diesem Fall trifft ein direkter Strahl 1 von der Strahlungsquelle
A, beispielsweise einer Sendeantenne, in Richtung der Koordinate y am Strahlungsmeßort
B, beispielsweise einer Empfangsantenne, auf. Darüber hinaus erreichen den Strahlungsmeßort
B einmal reflektierte Wellen 2a und 2 b über die Seitenwände und 3 a und 3 b über
die Rückwände. Zum anderen wird die Messung am Strahlungsmeßort B durch mehrfach,
z. B. zweifach reflektierte Strahlen 4a bis 4f verfälscht. Der Einfallswinkel der
am Meßort B auftreffenden Strahlen zum direkten Strahl 1 ist mit çE, Z. B. beim
Strahl 2 b mit ÇE2o, b bezeichnet.
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In Fig. 2 ist als Beispiel ein Meßaufbau angegeben, bei dem in die
Leitung zwischen Sender 5 und Sendeantenne 6, z.B. einer Breitwand-Rundstrahlantenne,
ein kontinuierlich regelbares koaxiales Dämpfungsglied 7 und ein koaxialer Richtungskoppler
8 eingeschaltet sind. Mit Hilfe des koaxialen Dämpfungsgliedes 7 wurde bei den Messungen
die Spannung an der Sendeantenne konstant gehalten.
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Mit dem an einem Spannungsmesser 9 angeschalteten Richtungskoppler
10 wird die Sendespannung gemessen. Die Spannung an der Empfangsantenne 11 wird
über einenTastkopf 12 mit einem zweiten Spannungsmesser 13 gemessen. Die bei den
Messungen im Absorberraum empfangene Spannung wird zu der bei der entsprechenden
Frequenz erhaltenen Eichspannung ins Verhältnis gesetzt. Dieses Ver-U nat@@@@ se@
v = .
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UEich U ist Empfangssspannung im Absorberraum, UEtch ist die Empfangsspannung
im »freien Raum«.
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Besitzt der Meßraum z.B. gemäß Fig. 3 eine Seitenwandlänge b = 2
m und eine Rückwandlänge a = 1,1 m, sind die Sende- und Empfangsantenne im Abstand
r1 = 1 m symmetrisch bei Ao bzw. Bo im Meßraum angeordnet, und beträgt die Höhe
des Meßraums 0,5 m, dann wurden folgende Ergebnisse gemäß F i g. 4, Kurve a festgestellt:
Die Kurve a des Verhältnisses der Spannungen an der Empfangsantenne im voll ausgekleideten
Absorberraum zum »freien« Raum läßt erkennen, daß neben einer Grundschwingung G
mit einer sogenannten »Schwingungsweite« von etwa 710 Mllz und einer Oberschwingung
0 mit einer »Schwingungsweite« von etwa 300 MHz auftritt. Daraus läßt sich vermuten,
daß ein direkter Zusammenhang zwischen der »Schwingweite« und dem Umweg, den die
Welle
zwischen A und B nimmt, besteht. Die an den Absorberwänden geschwächt reflektierten
Wellen überlagern sich mit den direkten. Ein Energiemaximum tritt dann auf, wenn
die reflektierte Welle gleichphasig mit der direkten Welle eintrifft, d. h. wenn
der Umweg r z.B. der Strahlen 2 und 3 gemäß F i g. 1 um eine Wellenlänge 2 oder
ein ganzzahliges Vielfaches der Wellenlänge 2 länger ist als der direkte Weg: Max.:
#r = n . #.
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Ein Energieminimum ergibt sich dagegen, wenn die reflektierte Welle
gegenphasig, d. h. um 2 oder ein ungeradzahligesVielfaches davon verschoben mit
der direkten am Punkt B eintrifft.
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Min.: #r = (n + ½)#.
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Dazwischen liegen Stellen, an denen die reflektierte Welle die direkte
nicht verändert. Das sind die sogenannten Nullstellen.
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Nullstellen: #r = (1, 3, 5...)n . #/4.
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Als #r wird die Länge bezeichnet, um die der Weg der reflektierten
Welle länger ist als der der direkten.
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A r2,3 = r2,3 - i:i' r1 ist die Länge des direkten Strahls 1, r2
3 ist die Länge des reflektierten Strahls 2, 3.
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Hat man zwei Strahlen, die den Weg r1 und r2 von der Sendeantenne
A zur Empfangsantenne B zurücklegen, wobei r2 größer als r1 ist, so tritt eine Überlagerung
auf, wenn die Wellenlänge ;timax =dL n wird, wobei sich dr ergibt als A r = r2 -
r1.
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Da dies die erste Überlagerung darstellt, ist n gleich 1. Wird die
Frequenz erhöht, so tritt ein Minimum bei einer Wellenlänge von
auf, wobei ebenfalls n gleich 1 ist. Die zweite Überlagerung tritt bei n gleich
2 auf usw. Die AtmaX entsprechende Frequenz ergibt die »Schwingungsweite«.
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Man kann also aus Au may ermitteln, in welchen Abständen die Überlagerungen
auftreten. Sind nun die Antennen A und B nicht, wie in bekannter Weise, symmetrisch
oder willkürlich im Meßraum, sondern erfindungsgemäß derart angeordnet, daß sich
die Strahlen 2a und 2b sowie die Strahlen 3a und 3b gegenseitig durch Interferenz
auslöschen, so läßt sich eine Ausbreitung der Welle zwischen den Antennen finden,
die nur wenig vom »freien Raum« abweicht.
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Obwohl zunächst anzunehmen ist, daß diese Interferenz nur in einem
engbegrenzten Frequenzbereich eine Kompensation ermöglicht, hat sich überraschenderweise
ergeben, daß die Abweichung auch in einem großen Frequenzbereich klein gehalten
wird.
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Die Antennen sind in weiterer Ausbildung der Erfindung aus den Punkten
symmetrisch zur Raummitte in x- und y-Richtung derart verschoben angeordnet,
daß
die Ausbreitung über die Wege 2a und #1 2b um beispielsweise oder ein ungerades
Viel-2 faches von il verschieden ist, und die Ausbreitung über die Wege 3 a und
3 b um 22 oder ein ungerades 2 #2 Vielfaches von verschieden ist.Dabei sollen #/1
und #/2 2 nicht gleich sein, sondern insbesondere im Verhältnis 1: 2 oder 2 : 1
zueinander stehen.
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In F i g. 3 ist dargestellt, daß durch Verschiebung der Strahlungsquelle
A aus dem Punkt Ao zum Punkt A1 und des Strahlungsmeßortes B aus dem Punkt Bo nach
dem Punkt B1 die Länge des Strahls 2a gegenüber der Länge des Strahls 2b vergrößert
ist.
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Hierdurch kommt eine Phasenverschiebung dieser beiden Strahlen gegeneinander
zustande.
x | x ist die Länge der seitlichen Verschiebung, r1 der Abstand der Antennen. Die
Differenz der Länge der beiden Strahlen errechnet sich nach # U2 = - r'2a.
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In ähnlicher Weise werden die Strahlen 3 a und 3 b durch Verschiebung
in y-Richtung gegenseitig kompensiert. Die Interferenz von r2 a und r2b ergibt bei
bestimmten Frequenzen die Kompensation der beiden Strahlen. An den Stellen der gegenseitigen
Auslöschung muß #U = #/2, 3 #/2, 5 #/2 usw. sein. Wird J U = A, 2R, 3# usw., so
verstärken sich die Strahlen r2a und r'2b bzw. r3a und r'3b maximal. In dem dargestellten
Beispiel wurden die Antennen um dx = 2,3 cm verschoben. Die Strahlen 2a und 2 b
löschen sich dann bei der Frequenz f = 1,8 0Hz gegenseitig aus. Die maximalen Abweichungen
im beobachteten Frequenzgebiet gegenüber den symmetrischen Anordnungen sind dabei
von +40 auf # 10% gesunken.
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In der F i g. 4 ist der Verlauf der Meßwerte in Abhängigkeit von
der Frequenz eines Absorberraumes mit seither bekannter symmetrischer Antennenanordnung
und eines erfindungsgemäß mit verschobener Antennenanordnung versehenen Meßraumes,
bei dem die reflektierten Strahlen gegenseitig optimal kompensiert sind, angegeben.
Es zeigt sich, daß die bei den bekannten Meßräumen gemessenen Abweichungen dv vom
freien Raum gemäß der Kurve a bei einem erfindungsgemäßen Meßraum gemäß der Kurve
ß bedeutend verringert werden können.
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Bei Absorberräumen, bei denen die Decke und der Boden mit Absorbern
verkleidet sind, können erfindungsgemäß die dort reflektierten Strahlen ebenfalls
durch Verschiebung der Antennen in der Höhe kompensiert sein. Ist dagegen nur die
Decke mit Absorbern bekleidet, wie es z.B. für Störschutzmeßräume vorgesehen ist,
so wird der dort reflektierte Strahl mit den Strahlen 2a und 2b bzw. 3a und 3b oder
mit allen vier Strahlen kompensiert. In diesem Fall wird der am Boden reflektierte
Strahl miteingeeicht.
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Da der an der Decke reflektierte Strahl durch die seitliche Verschiebung
4 x und #y mitkompensiert werden soll, ist die Bestimmung der zur Kompen-
sation
nötigen Verschiebung 4 x und #y nur noch teilweise richtig. Die entsprechende Korrektur
wird erfindungsgemäß nach folgendem Verfahren vorgeschlagen: Zunächst wird nach
der bereits angegebenen Methode die seitliche Verschiebung bestimmt 1,#x; #y.
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Danach wird bei dieser Stellung der Antennen das Verhältnis v in
Abhängigkeit von der Frequenz gemessen. Sodann werden die Messungen wiederholt,
wobei die Orte der Antennen nach folgendem Schema um jeweils den gleichen Betrag
# (z. B. 1 cm) verschoben werden: 2,#x + #; #y + #.
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3,4x+(3; dy-a.
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4, #x - #; #y - #.
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5, #x - #; #y + #.
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Aus den bei diesen fünf Antennenstellungen gemessenen Kurven ermittelt
man die »Bewertung« des Raumes bei den verschiedenen Antennenstellungen.
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Die Ergebnisse werden in einer Tabelle zusammengestellt. Beim Vergleich
der auf diese Weise ermittelten »Bewertungen« wird festgestellt, welcher Ort der
Antennen zu wählen ist, um eine verbesserte Kompensation zu finden.
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Es hat sich auch gezeigt, daß bei der Festlegung der Orte der Strahlungsquelle
und des Strahlungsmeßortes der Einfallswinkel zu beachten ist. Dieser Einfallswinkel
<PE soll möglichst klein gehalten werden. Messungen an einem 6O0-MHz:-Absorber
haben ergeben, daß Einfallswinkel bis zu etwa 420 noch zulässig sind. Es ist vorteilhaft,
diesen zulässigen Einfallswinkel nicht zu überschreiten, da andernfalls die Abweichungen
von der Meßkurve eines »freien« Raumes zunehmen. Bei der Bemessung des Meßraums
wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, folgende Beziehungen zu verwenden: r1 Raumbreite
b = , tg#0 Raumlänge a = r1 sin #0 Raumhöhe über der Ebene: Strahlungsquelle - Strahlungsmeßort
h' = 2 t'l 2tg(p0 Der zulässige Einfallswinkel #0 soll weniger als 420 betragen.