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Schaltungsanordnung zur Messung der Feldstärke von
Hochfrequenzfeldern
Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Messung der Feldstärke von Hochfrequenzfeldern mittels einer an den Eingang eines Hochfrequenzspannungsmessers angekoppelten, vorzugsweise durch einen
Abstimmkondensator abgestimmten Rahmenantenne.
Bei der Messung der Feldstärke eines schwachen Hochfrequenzfeldes mittels einer Rahmenantenne wird die induzierte elektromotorische Kraft gewöhnlich auf folgende Art und Weise bestimmt : a) Mittels des Substitutionsverfahrens, bei welchem eine Normalspannung von bekannter Grösse in Reihe in den Rahmen eingeführt wird oder b) durch Messung der Spannung auf dem abgestimmten Rahmen oder einem Teil desselben, wobei diese Spannung dem Gütefaktor Q des durch die Abstimmkapazität und die Rahmenantenne gebildeten Stromkreises proportional ist. Die Messung wird in einem solchen Falle mit einem selektiven Mikrovoltmeter vorgenommen, einem in den Spannungswerten an denEingangsklemmen desEmpfängers geeichten Empfänger.
Ein gemeinsamer Nachteil beider erwähnter Messmethoden ist die Abhängigkeit der induzierten elektromotorischen Kraft von der Frequenz und im zweiten Falle die weitere Abhängigkeit der gemessenen Spannung vom Gütefaktor des Rahmens. Beides führt beim Verfahren nach b) zur Notwendigkeit, bei der Messung des Feldes Umrechnungskoeffizienten zu verwenden, welche von der Frequenz abhängig sind und meist in Form einer Eichkurve angegeben werden. Eventuelle Anderungen des Gütefaktors des Rahmens können dann zu Fehlern bei der Messung der Feldstärke führen.
Ziel der Erfindung ist es, eine Schaltungsanordnung zuzugeben, welche die geschilderten Nachteile vermeidet. Dies wird bei der eingangs näher beschriebenen Schaltungsanordnung erfindungsgemäss dadurch erreicht, dass parallel zur Rahmenantenne an den Eingang des Hochfrequenzspannungsmessers eine Eichquelle mit bekanntemKurzschlussstrom während der Messung und Eichung ständig angeschlossen ist, so dass aus dem Verhältnis der einerseits durch das zu messende Feld bei abwesendem Strom der Eichquelle, anderseits durch den Strom der Eichquelle am Eingang des Hochfrequenzspannungsmessers hervorgerufenen Spannungen der Kurzschlussstrom der Antenne und damit die Feldstärke des Hochfrequenzfeldes bestimmbar ist.
Die Erfindung beruht auf der Anwendung der Theorie der Ersatzstromquelle. Jede durch die magnetischeKomponente eines elektromagnetischen Hochfrequenzfeldes erregte Rahmenantenne kann theoretisch als eine Ersatzstromquelle angesehen werden, wobei der Urstrom (die Einströmung, d. i. der äquivalente Strom der Rahmenantenne als eine aktive Quelle) dieser Ersatzstromquelle dem wirklichen Kurzschlussstrom der Rahmenantenne numerisch gleich ist.
Durch die Erfindung wird eine Schaltungsanordnung geschaffen, welche es ermöglicht, den Urstrom der Ersatzstromquelle der Rahmenantenne und somit auch den Kurzschlussstrom der Rahmenantenne, auch im belasteten Zustand des Rahmens, zu ermitteln und daraus wieder die den Rahmen erregende, Feldstärke, die diesem Kurzschlussstrom proportional ist, zu bestimmen. Weitere Vorteile der Erfindung im Vergleich mit dem bekannten Stand der Technik gehen aus der nachfolgenden Beschreibung hervor.
Die erfindungsgemässe Schaltungsanordnung wird nun an Hand einiger Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. In diesen zeigen Fig. l den Zusammenhang zwischen
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der magnetischen Komponente des elektromagnetischen Feldes und. dem Kurzschlussstrom der erregten Rahmenantenne, Fig. 2 dasErsatzschaltbild der erregten Rahmenantenne als aktive Spannungsquelle, Fig. 3 das entsprechende Ersatzschaltbild der erregten Rahmenantenne, welches eine Quelle konstanten Stromes enthält, Fig. 4 die Ersatzschaltung zur Messung der Einströmung (I) der durch das zu messende Feld erreg- tenRahmenantenne, Fig. 5 dieBestimmung derEinströmung der erregtenRahmenantenne durch Messen und Eichen an zwei beliebigen Anzapfungspunkten einer annähernd abgestimmten Rahmenantenne, Fig.
6 die entsprechende Schaltung mit Anzapfungen im kapazitiven Zweig der annähernd abgestimmten symmetrisch angekoppelten Rahmenantenne und Fig. 7 ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemässen Schaltung bei Verwendung eines langen Kabels zur Ankopplung der Antenne an den Spannungsmesser.
Einleitend werden die theoretischen Grundlagen für die erfindungsgemässe Schaltungsanordnung beschrieben.
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Die Proportionalitätskonstante in dieser Beziehung hängt nur von den geometrischen Ausmassen der Rahmenantenne 1 ab (einschliesslich der Induktivität L) und ist, was wesentlich ist, unabhängig von der Frequenz des elektromagnetischen Feldes, sofern die innere Induktivität des Leiters vernachlässigbar ist, welche durch das Magnetfeld im Inneren des Leiters verursacht ist. per endliche Widerstand des Leiters der Antenne 1 verursacht üblicherweise keine bemerkenswerte Abweichung von der Gleichung (3), wie aus der Ersatzschaltung der Rahmenantenne in Fig. 2 hervorgeht.
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man eine Quelle elektrischer Energie, zwischen deren Klemmen die Impedanz Z = j w L + r erscheint und derenKurzschlussstrom I sich aus der Gleichung (4) ergibt. Dieser Kurzschlussstrom I kann nun als Urstrom bzw. Einströmung einer Ersatzstromquelle aufgefasst werden und es kann daher weiterhin die Ersatzschal- tung gemäss Fig. 3 verwendet werden, welche für jede reelle Rahmenantenne gilt.
Eine direkte Messung des Kurzschlussstromes I mit einem Strommesser mit sehr geringer Eingangsimpedanz ist praktisch nicht durchführbar, da nur ein ganz geringer Teil der Energie, welche die Rahmenantenne dem Hochfrequenzfeld entnehmen kann. an den Eingang des Messgerätes gelangt.
In Fig. 4 ist nun das Ersatzschaltbild der erfindungsgemässen Schaltungsanordnung zur indirekten Messung des Kurzschlussstromes I der Rahmenantenne dargestellt.
Parallel zur Rahmenantenne 1. die eine Induktivität L und einen Widerstand r hat, sind geschaltet : ein Abstimmkondensator 2 mit einer Kapazität C, eine Eichquelle 3 mit einer inneren Admittanz Y und
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bekanntem Kurzschlussstrom (Einströmung) Ic und ein als Hochfrequenzspannungsmesser dienender Messempfänger 4 mit einer Eingangsadmittanz Y Beim Messen ist I- < (die Speisung der Eichquelle 3 ist abgeschaltet) und an den Klemmen des Empfängers wirkt die Spannung :
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Herabsetzung des Antennenstromes (z. B. durch Drehung des Rahmens um 90") während der Eichung ist selbstverständlich nur dann zulässig, wenn keine störenden Signale vorhanden sind, und wenn auch die Admittanz der Antenne, und damit auch die Gesamtadmittanz der parallelgeschalteten Elemente unverändert bleibt.
Es ist auch möglich, einfach den Sender, dessen Feldstärke gemessen wird, abzuschalten.
Aus den Gleichungen (5, 6) ergibt sich
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(7)glied gemessen werden.
Wie ersichtlich, ist die Messung von derAdmittanzY unabhängig, d. h. vom Gütefaktor der Rahmenantenne 1, von deren richtiger Abstimmung und von der Eingangsadmittanz des Empfängers 4. Die Abstimmung des Rahmens 1 mittels des Kondensators 2 ist zwar nicht notwendig, aber doch vorteilhaft zur Verbesserung des Rauschfaktors und der Unterdrückung der Interferenz starker lokaler Felder von abweichender Frequenz.
In manchen Fällen ist es unerlässlich, ausser der Abschirmung auch eine symmetrische Schaltung des Rahmens zu verwenden, um die elektrostatische Induktion von Spannungen in der Antenne zu beseitigen.
Bei der Verwendung der Schaltung gemäss Fig. 4 wäre es in einem solchen Falle erforderlich, den Generator 3 desEichstromes I auch symmetrisch zu realisieren. Es wird deshalb im weiteren gezeigt, dass der Wert der Einströmung I indirekt auch durch Messung an zwei beliebigen Abzweigungen des induktiven oder kapazitiven Zweiges des Resonanzkreises 1, 2 bestimmt werden kann, was z. B. den Anschluss des symmetrisch geschalteten Rahmens an den unsymmetrischen Empfängereingang und die asymmetrische Eichquelle, eventuell auch eine geeignete Impedanzanpassung ermöglicht.
In Fig. 5 ist schematisch eine Rahmenantenne 1 als Spule mit einer Induktivität L und einem Verlustwiderstand r veranschaulicht, welche Spule mit der Einströmung I gemäss der Formel (3) gespeist wird.
Parallel zur Spule ist ein Abstimmkondensator 2 mit einer Kapazität C geschaltet. Der entstandene Resonanzkreis hat zwischen den Punkten a, c eine Impedanz Zael welche im allgemeinen nicht rein ohmisch ist, insbesondere bei Verstimmung des Stromkreises. Am Rahmen ist eine Anzweigung im Punkt b derart ausgeführt, dass die Spannung zwischen den Punkten a, c auf die Spannung zwischen den Punkten b, c im Verhältnis n : 1 transformiert wird.
Wenn der Gütefaktor des Stromkreises nicht allzu niedrig ist und wenn
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abgegeben wird, welcher dem Wert der Einströmung in der zugehörigen Ersatzstromquelle bezogen auf die Klemmen b, c gleich ist.
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Formel (3) definierten Einströmung I, unabhängig von dem Gütefaktor und der Abstimmung des Rahmens, sofern die betreffenden Werte in den Grenzen liegen, bei welchen die Transformation der Spannungen und Impedanzen nach den Gleichungen (8) und (9) gilt.
Diese Überlegung gilt auch für beliebige, am Kapazitätszweig des Kreises 1, 2 in Fig. 5 ausgeführte Abzweigungen.
In Fig. 6 ist eineschaltung dargestellt, bei welcher die Mitte des Kapazitätszweiges (Punkt b) geerdet ist, so dass die Schaltung der Rahmenantenne 1 mit der Induktivität L symmetrisch ist ; es wird die auf die Klemmen b, c bezogene Einströmung gemessen. An diese Punkte sind wieder der Messempfänger 4 und die Eichquelle 3 geschaltet. Die Ausgangsimpedanz der Quelle 3, welche auch bei der Messung dauernd an den Stromkreis der Rahmenantenne 1 geschaltet ist, darf nicht zu niedrig sein, um den Gütefaktor des Rahmens nicht zu sehr zu verschlechtern, die Grösse der Spannung am Eingang des Empfängers 4 nicht zu sehr zu verkleinern und so die Empfindlichkeit der ganzen Einrichtung zu verringern.
Diese Impedanz (Kehrwert der Admittanz Yc in Fig. 4) muss jedoch nicht ein Vielfaches der Impedanz des abgestimmten Rahmens zwischen den Punkten b und c sein, denn der bekannte, fiktive Strom (Einströmung) Ic in der Ersatzschaltung gemäss Fig. 4 ist nicht der wirkliche, bei der Eichung aus der Quelle 3 gelieferte Strom, sondern der Wert dieses Stromes beim-Kurzschliessen der Klemmen der Quelle 3.
InFig. 7 ist ein Schaltungsbeispiel mit einer mit dem eigentlichen Empfänger 4 mittels einesKabels 8 verbundenen Rahmenantenne l dargestellt. In diesem Falle wird bei der Eichung mit dem Ampermeter 6 (der Schalter 5 ist geschlossen) der tatsächliche Wert des durch das abgeschirmte Kabel 7 aus dem Generator 3 gelieferten Eichstromes Ic gemessen.
Da bei jeder Eichung der Wert des Stromes Ic unabhängig von der Grösse der Impedanz zwischen den Punkten c, b nach der Angabe des Ampermeters 6 (vorzugsweise Milliampermeter mit ! einem Thermokreuz) eingestellt wird, kann man bei der Eichung die Quelle 3 samt dem den Strom Ic nach den Angaben des Ampermeters 6 regelnden Element als Quelle eines konstanten Stromes mit unendlichem Innenwiderstand betrachten. Für das zu messende Signal erscheint jedoch die Quelle 3 von der Seite der Klemmen c, b im allgemeinen nicht mehr als unendliche Impedanz und deshalb muss sie beim Messen durch den Schalter 5 abgeschaltet werden. Diese Anordnung kann vorteilhafterweise in solchen Fällen verwendet werden, wo die Rahmenantenne mit dem übrigen Teil des Feldmessgerätes nicht verbunden werden kann.
Bei einer grösseren Entfernung der Rahmenantenne 1 vom eigentlichenEmpfänger 4 und derEichquelle 3 kann die Anzeige des Strommessers 6, welcher sich dicht bei der Rahmenantenne 1 befinden muss, an diejenige Stelle, an welcher sich der Empfänger 4 befindet, fern- übertragen werden. Eine solche Fernübertragung kann deshalb leicht verwirklicht werden, da es sich hier lediglich um eine Übertragung der Information handelt, ob der Wert des Stromes Ic im gegebenen Toleranzbereich liegt.
Die beschriebene Schaltungsanordnung zur Messung der Feldstärke von schwachen elektromagnetischen Hochfrequenzfeldern mit einer Rahmenantenne kann auch für die Messung von magnetischen Feldstärken
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z. B. in Hohlraumresonatoren mit Hilfe von schlingenförmigen Sonden, welche eigentlich eine Rahmen- antenne mit einer einzigen Windung darstellen, verwendet werden. Wenn die Schlinge z. B. in einem
Koaxialkabel angeordnet ist, ist die Einströmung (Urstrom) dem durchtretenden, magnetischen Fluss und daher auch dem durch denKoaxialleiter hindurchfliessenden Strom proportional. Die Proportionalitätskonstante ist von der Frequenz unabhängig und ist lediglich durch die geometrische Anordnung der Schlinge gegeben.
Die erfindungsgemässe Schaltungsanordnung kann daher auch zur Messung von Hochfrequenz- strömen verwendet werden.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Schaltungsanordnung zur Messung der Feldstärke von Hochfrequenzfeldern mittels einer an den
Eingang eines Hochfrequenzspannungsmessers angekoppelten, vorzugsweise durch einen Abstimmkondensator abgestimmten Rahmenantenne, dadurch gekennzeichnet, dass parallel zur Rahmenantenne an den
Eingang des Hochfrequenzspannungsmessers (4) eine Eichquelle (3) mit bekanntem Kurzschlussstrom (I) während der Messung und Eichung ständig angeschlossen ist, so dass aus dem Verhältnis der einerseits
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