-
Anordnung zur Leistungsmes sung sehr kurzwelliger Hochfrequenzenergie
Bei
der Leistungsmessung sehr kurzwelliger Hochfrequenzenergie, die mittels einer Meßgleichrichterstrecke,
vorzugsweise einer Diode, durchgeführt wird, handelt es sich unter Umständen um
die Messung sehr hoher Spannungen. Das ist vor allen Dingen dann in der Regel der
Fall, wenn es sich um die Ermittlung der Momentanleistung bei der Erzeugung von
impulsmäßig gesteuerten Ultrakurzwellen handelt.
-
Mit einer für vorliegenden Zweck gebräuchlichen Diode können Spitzenspannungen
Usi, bis zu 200 Volt gemessen werden, ohne die Röhre der Gefahr einer Zerstörung
auszusetzen.
-
Für die Leistung gilt: N = Usp2 1 2R T2 Wenn der Transformationsfaktor
t = I gesetzt und R =Z = 70 Ohm gewählt wird, entspricht einer Spitzenspannung von
200 V eine Leistung von etwa 290 Watt.
-
Sollen größere Leistungen angezeigt bzw. gemessen werden, dann muß
eine Diode besonderer Ausführung, die mit einer größeren Spannung belastet werden
kann, verwendet werden. Gemäß der Erfindung wird aber dieser getätetechnische Mehraufwand
dadurch vermieden, daß der Meßgleichrichterstrecke ein Spannungsteiler vorgeschaltet
wird, der die Hochfrequenzspannung herabsetzt.
-
Die nachfolgenden Ausführungen zeigen, daß die Verwendung eines Spannungsteilers
in dem angegebenen Sinne noch weitere praktische Vorzüge mit sich bringt.
-
Ein Ausführungsbeispiel in besonders einfacher Form zeigt schematisch
die Fig. I. Über die Koaxial-
leitung 12, I3 ist der aus dem gewendelten
Innenleiter 15 und dem beispielsweise exponentiellen Außenleiter 14 bestehende Spannungsteiler
stoßstellenfrei an die Hochfrequenzenergieleitung angeschlossen, in der die zu messende
Hochfrequenzenergie vorhanden ist. Die Meßgleichrichterstrecke II ist, wie bereits
früher vorgeschlagen wurde, über eine einstellbare Leitung angekoppelt.
-
Eine weitere Ausführungsmöglichkeit der erfindungsgemäßen Lehre zeigt
in schematischer Weise die Fig. 2. Bei diesem Ausführungsbeispiel liegt der Spannungsteiler
16 im Zuge der Leitung 12, 13.
-
Innen- und Außenleiter auf der Ausgangsseite des Spannungsteilers
sind mit I7, I8 bezeichnet, und der exponentielle Abschluß dieser Leitung ist mit
I9, 20 gekennzeichnet. II ist wiederum die über eine einstellbare Leitung angeschlossene
Meßdiode.
-
Diese Anordnung besitzt den Vorteil, daß der Spannungsteiler als
Teil für sich der Messung zugänglich ist und sein Teilerverhältnis nach der bei
den Meßsendern üblichen Methode (K. Fränz, Die Messung der Empfängerempfindlichkeit
bei kurzen elektrischen Wellen. H. F. T. 59, 105, I942) durch Vorschaltung von einen
Überlagerungsempfänger und Vergleich mit einem ZF-Spannungsteiler bestimmt werden
kann. Auch die Meßdiode als Teil für sich ist dann leichter eichbar und universeller
zu verwenden.
-
Die beiden Anordnungen gemäß Fig. 1 und 2 erfordern immerhin noch
einen ziemlich erheblich mechanischen Aufwand durch die Längeneinstellung der Diodenvorsatzleitung.
Der größte Nachteil aber ist die für jede Frequenz notwendige jeweils andere Längeneinstellung
der Vorsatzleitung. Für den speziellen Zweck der Impulsspitzenleistungsmessung ist
daher die im folgenden beschriebene Anordnung zweckmäßiger, die keinerlei Abstimmung
erfordert, aber trotzdem die Vorteile der abstimmbaren Meßdiode besitzt.
-
Fig. 3 veranschaulicht schematisch ein Ausführungsbeispiel hierfür.
Die an dem Spannungsteiler 16 abschlußseitig angeschlossene Leitung ist mit 21 und
22 gekennzeichnet. Im Zuge des Innenleiters 21 ist am Ende der Leitung als Meßgleichrichterstrecke
die Diode 23 angeordnet, deren Kathode kapazitiv mit dem Abschlußboden 24 der Leitung
21, 22 verbunden ist. Der Spannungsteiler I6 ist derart ausgebildet, daß er bei
Abschluß mit dem ohmschen Widerstand Z2 (gleich dem Wellenwiderstand der angeschlossenen
Leitung) am Eingang den rein ohmschen Widerstand Z, (gleich dem Wellenwiderstand
der vorgeschalteten Leitung) besitzt. Wird er, wie angenommen sei, an einen Generator
mit dem Innenwiderstand R, = Z, angeschlossen, dann ist er am Ausgang durch einen
Generator mit dem Innenwiderstand Rt = Z2 ersetzbar. Zur Vereinfachung der Darstellung
soll zunächst der Fall betrachtet werden, daß Z1 = Z2 = Z ist. Der Spannungsteiler
I6 ist dann ein symmetrisches Dämpfungsglied.
-
Auf der Leitung 2 bis 3 läßt sich eine Stelle V finden, für die der
Eingangswiderstand der Leitung V-3 mit abgeschlossener Diode unendlich groß wird
(Verluste vernachlässigt). Zwischen den Klemmen V und der Diodenstrecke 23 tritt
eine Spannungstransformation mit dem Transformationsfaktor t auf, wie bei der abstimmbaren
Meßdiode. Es braucht also nurmehr die Spannung an den Klemmen V näher untersucht
zu werden.
-
Hierzu wird der Vierpol I-V (Abb. 4a) in einen gleichwertigen Vierpol
I-V (Fig. 4b) verwandelt, der der Anschauung und Rechnung besser zugänglich ist.
Diese Umwandlung ist deshalb statthaft, weil beide Vierpole gleiches Z und gleiches
Übertragungsmaß g = b + ja I besitzen. Anders ausgedrückt: Der Vierpol I-V (Fig.
4a) ist bezüglich Ein- und Ausgang symmetrisch und kann deshalb auch in umgekehrter
Richtung verwendet werden (Fig. 4b), ohne daß sich seine Übertragungseigenschaften
verändern.
-
Die Spannung an den Klemmen V (Fig. 4b) ist ein Maß für die Spannungen
an den Klemmen 4, da die Beziehung gilt: U, eoTb. v Der Eingangswiderstand (an den
Klemmen 4) des Vierpols 4-V ist R =ZCtgb, dann ist die in ihm vernichtete Wirkleistung:
Die Leistungsmessung wird also zurückgeführt auf die Messung der Spannung an einem
bekannten Widerstand. Die Länge der Leitung I bis 4 verursacht keine Änderung der
Spannung Uv, sofern dem Vierpol I-V die gleiche Wirkleistung zugeführt wird.
-
Daraus folgt: Die Spannung an der Diode ist bei bekanntem Transformationsfaktor
t und bekanntem Teilerverhältnis des Spannungsteilers (Dämpfungsgliedes) ein Maß
für die in dem Spannungsteiler vernichtete Wirkleistung, unabhängig von der Länge
der vor die Diode geschalteten Leitung.
-
An den Klemmen I besitzt die ganze Anordnung (Fig. 4) einen von Z
abweichenden Widerstandswert, so daß eine vorgeschaltete Leitung vom Wellenwiderstand
Z fehl abgeschlossen wäre. Diese Fehlanpassung der Eingangsseite fällt aber nur
bei kleinen b-Werten ins Gewicht. Wenn als Maß für die Fehlanpassung U,,jn das Wellenverhältnis
m = bezeichnetwfrd, dann gilt: m-tgb (2) m besitzt schon bei b = 2 Neper den Wert
0,964 und weicht dann von I nunmehr um 3,6 0/o ab.
-
Die Spannung |UD| an der Diode wird erhalten, wenn die Spannung Uv
mit dem Transformationsfaktor t multipliziert wird: D l = Uv t.
-
Dann ist, wenn der Absolutbetrag der Spitzenspannung an der Diode
mit UsV bezeichnet wird, Izr,l 1/2 62 und mit (1)
Der Faktor Ein b C3of b kann auch geschrieben werden:
Das zweite Glied des Klammerausdruckes der rechten Seite von (3a) ist für größere
b-Werte nur wenig von Null verschieden (es besitzt beispielsweise bei b= I Neper
die Größe 0,02), so daß Gleichung (3) für größere b-Werte die Form annimmt:
wenn mit eb = tr das Teilerverhältnis des Spannungsteilers bezeichnet wird. Um einen
ungefähren Überblick über das benötigte Teilerverhältnis tr zu erhalten, ist der
Zusammenhang zwischen Nu und Usa, tor für t = I und Eingangswiderstand 21 = 70 Ohm
mit als Parameter in Fig. 5 dargestellt.
-
Im allgemeinen wird Z, = 70 Ohm gemacht. Z2 ist der für den Transformationsfaktor
t maßgebliche Wellenwiderstand. Damit t keine zu große Frequenzabhängigkeit besitzt,
wird, wenigstens für gebräuchliche Dioden, Z2 vorteilhafterweise größer als Z, (z.
B.
-
100 Ohm) gewählt.
-
Um Z2 größer als Z, machen zu können, kann der Spannungsteiler am
einfachsten als die Hintereinanderschaltung eines symmetrischen Dämpfungsgliedes
(25) mit dem Wellenwiderstand Z, und eines Transformators (26), der von Z, auf Z2
transformiert (z. B. einer exponentiellen Leitung) ausgebildet werden.
-
Den prinzipiellen Aufbau eines derartigen Teilers zeigt schematisch
Fig. 6.
-
Das Teilerverhältnis des Spannungsteilers 25, 26 ist somit:
in Formel (1) ist dann noch der Faktor
zu berücksichtigen, sonst ändert sich an den Betrachtungen nichts.
-
Um Z2 von Z, verschieden zu machen, kann man für größere Teilerverhältnisse
auch daran denken, den Teiler mittels ohmscher Widerstände als unsymmetrische T-Schaltung
auszubilden. Jedoch kann dann ein kleiner Meßfehler entstehen, der rechnerisch schwerer
zu übersehen und von der Länge der an die Diode geschalteten Leitung abhängig ist.
-
PATENTANSPROCHE: I. Der Leistungsmessung sehr kurzwelliger Hochfrequenzenergie
dienende Anordnung, die die Leistungsmessung auf eine Spannungsmessung mittels Meßgleichrichterstrecke
zurückführt, gekennzeichnet durch einen die Hochfrequenzspannung an der Meßgleichrichterstrecke
herabsetzenden Spannungsteiler.