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Anordnung zur unmittelbaren Messung der Übertragungsparameter von Hochfrequenzvierpolen, insbesondere zur Bestimmung der Hochfrequenz-Verstärkungs-und Rückwirkungsparameter von Transistoren
Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur unmittelbaren Messung der Übertragungsparameter von Hochfrequenzvierpolen, insbesondere zur Bestimmung der Hochfrequenzverstärkungs- und Rückwirkungs- parameter von Transistoren, welche Anordnung aus mit dem zu messenden Vierpol gekoppelten Richtungskopplern, aus einer kurzgeschlossenen Speiseleitung mit veränderbarer Länge und aus einem Verhältnismesser gebildet ist.
Zur wechselstrommässigen Kennzeichnung von Vierpolen, insbesondere von Transistoren, dienen im allgemeinen die Vierpolparameter (s. Abraham,. R. P.-Kirkpatrick N. J. :"Transistor Characterisation at VHF"Proc. Nat. Elec. Conf, Vol. 13, pp. 383-402, 1957). Es kann beim Vergleich verschie- dener Parametersätze festgestellt werden, dass bei der Messung von Parametern Y entweder der Eingang oder der Ausgang mittels eines Kurzschlusses abgeschlossen werden muss : beim Messen von Parametern Z muss am Eingang oder am Ausgang eine Trennstelle und beim Messen von Parametern H am Ausgang ein Kurzschluss oder am Eingang eine Trennung zustande gebracht werden.
Die Messungen können in zwei Gruppen eingeteilt werden : bei einer Gruppe erfolgt die Messung der zur Bestimmung der Parameter notwendigen Spannungen und Ströme an einer Seite des Vierpoles (d. h. nur am Eingang oder nur am Ausgang), und bei der zweiten Gruppe an beiden Seiten des Vierpoles (am
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notwendig.
Bei den bekannten Messanordnungen werden die Impedanz- und Leitwertmessungen im Hochfrequenzbereich entweder auf Reflexionsmessungen zurückgeführt (s. deutsche Patentschrift Nr. 860 669 "Verfahren zur Bestimmung des komplexen Widerstandes bzw. des Reflexionsfaktors der Endlast homogener oder
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No. 2, 548, 457,theVHF-UHF Range", General Radio Experimenter, Vol. 32, No. 10, March 1958, pp. 3 - 15) und es wird an jenen beiden Punkten des Vierpoles, die nicht gemessen werden, entweder ein Kurzschluss oder eine Trennstelle zustande gebracht.
Dieu wann durch Anwendung einer entsprechenden Fassung oder mittels einer solchen an den Ausgang angeschlossenen, kurzgeschlossenen Speiseleitung mit veränderbarer Länge erfolgen, welche beim Abstimmen auf Viertelwellenlänge am Eingang eine Trennstelle, und beim Abstimmen auf halbe Wellenlänge am Eingang einen Kurzschlussbildet (USA-Patentschrift No,2,548,457).
Bei Übertragungsparameter-Messungen mit kurzgeschlossenem Ausgang oder Eingang kann die Mes-
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sung in einem begrenzten Frequenzbereich auch mittels einer Brücke unmittelbar durchgeführt werden (brit. Patentschrift Nr. 566,970, 1943, Ch. G. Mayo, Wayne Korr Laborisz, New MaldenSurrey). In einem
System mit gegebener Wellenimpedanz (USA-Patentschrift No. 2, 548, 457) können der richtige Abschluss der mit der Speisung entgegengesetzten Seite, sowie die Transformation der Spannung-un Stromverhältnisse der Eingangs- und Ausgangsseiten auf die Messbrücke mittels Speiseleitungen mit Viertel-Wel- lenlänge bzw. mit halber Wellenlänge verwirklicht werden.
Hier melden sich als Schwierigkeiten die Notwendigkeit der an den Eingang und Ausgang angeschlossenen (abstimmbaren) Speiseleitungen mit ver- änderlicher Länge und die bei der Messung auszuführendehochgenaueAbstimmungderselben. DieGenauig- keit der Abstimmung beeinflusst nämlich infolge der Impedanztransformationswirkung unmittelbar, die Messgenauigkeit.
Auf Grund des-Prinzips der Übertragungsverstärkungs- bzw. Dämpfungsmessung, wird die in der deutschen Patentschrift Nr. 860669 erläuterte Methode ausgeführt, bei welcher der Eingang des zu messenden Vierpoles durch eine Seite eines T-förmigen Verteilers gespeist wird. An die andere Seite des TVerteilers ist ein mit eigener Wellenimpedanz abgeschlossener Richtungskoppler, der die Ausgangsspan- nung des T-Verteilers misst, angeschlossen. Die Bestimmung der Eingangsspannung des zu messenden Vierpoles kann aus der Ausgangsspannung des T-Verteilers in Kenntnis der Eingangsimpedanz des zu messenden Vierpoles, sowie des Wellenwiderstandes und der elektrischen Länge des T-Verteilers und des eventuellen Einspanngerätes nur durch Berechnung ermittelt werden.
An den Ausgang des zu messenden Vierpoles wird ebenfalls ein mit eigenem Wellenwiderstand abgeschlossener Richtungskoppler angeschlossen. Dieser dient zur Messung des Stromes oder der Spannung des Ausganges. Da der Ausgang nicht durch einen Kurzschluss oder durch eine Trennstelle abgeschlossen ist. ist der am Ausgang fliessende Strom oder die am Ausgang vorhandene Spannung nicht gleich dem Kurzschluss- strom oder der Spannung, welche zur Feststellung der zu messenden Übertragungsparameter notwendig sind ; zur Bestimmung derselben sind weitere Korrekturberechnungen notwendig.
Bei den meisten Messmethoden zeigt sich als Nachteil auch der Umstand, dass der zu messende Vierpol, z. B. Transistor, zur Messung eines Parametersatzes in mehrere Einspannköpfe eingefasst oder in demselben Einspannkopf umgesteckt werden muss, je nachdem, ob eine Impedanzmessung oder die Messung von Übertragungsparametern ausgeführt wird. Auf diese Weise, da die Streuparameter der einzelnen Ejnspannkäpte und die Zuführungslängen verschieden sind, wird die Messgenauigkeit herabgesetzt.
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reich der Wellenleiter angewendet werden. Die Einstellung derselben ist einfach, da die angewendete veränderbare kurzgeschlossene Speiseleitung bei der Benutzung der Richtungskoppler zur Reflexionsmessung einfach eingestellt werden kann.
Diese Einstellung ist nicht kritisch, denn im Gegensatz zu den Messbrücken mit Speiseleitungen mit veränderbarer Länge werden die zu messenden Werte durch die einzustellende Speiseleitung nicht transformiert.
Darüberhinaus werden die Messergebnisse, in Gegensatz zu der eben erwähnten Methode, ohne ver-
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geschlossene Speisung angewendet werden.
Die Erfindung nutzt jene Eigenschaft der an sich bekannten Richtungskoppler aus, dass die über dem
Richtungskoppler auftretende Spannung nur mit dem in der bevorzugten Richtung des Richtungskopplers fliessenden Strom proportional ist, wobei der Strom mit entgegengesetzter Richtung am Ausgang desRich- tungskopplers keine Spannung induziert. Es wird weiters auch die bekannte Eigenschaft der Speiseleitun- gen ausgenutzt, dass der Quotient der Spannung und der Stromstärke bei einer sich in einer Richtung fort- pflanzenden Welle jeweils den Wellenwiderstand der Speiseleitung ergibt, und dieser ist eine von den Ab- messungen der Speiseleitung abhängige Konstante.
Die gemeinsame Anwendung dieserWirkungen, sowie die neuartige Lösung der Speisung des Einganges ermöglichen gemeinsam in jeder Anordnung die unmit- telbare korrekturfreie Messung der zur Bestimmung der Parameter notwendigen Ströme und Spannungen bzw. durch die Anwendung eines bekannten Quotientenmessers die unmittelbare Messung des gewählten
Parameters.
Die erfindungsgemässe. Messanordnung misst die Übertragung des zu messenden Vierpoles unter der- artigen Umständen, dass als Messergebnis ein mit einem beliebigen Übertragungsparameter des Vierpoles proportionaler Wert erhalten wird. Zu diesem Zweck wird der zu messende Vierpol zwischen zwei Richtungskoppler gesetzt, wobei der Speisegenerator bei einigen Messungen unmittelbar andiedem Generator zugewendete Seite des Vierpoles und bei andern Messungen an den an der Generatorseite befindlichen Richtungskoppler angeschlossen wird. Der an die andere Seite des Vierpoles angeschlossene Richtung- koppler wird mit einer kurzgeschlossenen Speiseleitung mit veränderbarer Länge abgeschlossen. DerQuo- tient der an den beiden Richtungskopplern auftretenden Spannungen kann mittels eines beliebigen bekannten Quotientenmessers gemessen werden (z.
B. mit dem Quotientenmesserteil des in der deutschen Patentschrift Nr. 860669 beschriebenen Apparates), und infolgedessen kann die Grösse und der Phasenwinkel des gesuchten Vierpolparameters unmittelbar ermittelt werden.
Demgemäss ist der Gegenstand der Erfindung eine Anordnung zur unmittelbaren Messung der Übertragungsparameter von Hochfrequenzvierpolen, insbesondere zurBestimmung der Hochfrequenzverstärkungsund Rückwirkungsparameter der Transistoren, und ist durch eine Kombination folgender Bauteile gekennzeichnet : an den beiden Seiten des zu messenden Vierpoles ist je ein an sich bekannter Richtungskoppler vorgesehen, an deren Schleifen Phasen- und Quotientenmesser angeschlossen sind, weiters ist an einer Seite des Vierpoles ein Generator und an der dem Speisegenerator entgegengesetzten Seite des Vierpoles eine an den Richtungskoppler angeschlossene und zur Bildung eines Kurzschlusses oder einer Trennstelle in der Ebene der diesseitigen Anschlüsse des Vierpoles oder in einer andern vorgeschriebenen Ebene dienende kurzgeschlossene Speiseleitung mit veränderbarer Länge angeordnet.
Die erfindungsgemässe Anordnung wird auf Grund der Zeichnungen näher erläutert.
In den Zeichnungen wird der zu messende Vierpol, wie allgemein üblich, durch ein Rechteck dargestellt. Der Eingang des Vierpoles wird durch die Punkte 1 und 2 und der Ausgang durch die Punkte 3 und 4 bezeichnet. Es ist selbstverständlich, dass der Vierpol als ein Mittel, bestehend aus Elementen mit verteilten Parametern und gegebenem Wellenwiderstand (z. B. koaxialesFilter), wie auchaus nicht verteiltem Element oder nicht verteilten Elementen (z. B. Transistor, Widerstand, Kondensator, Induktivi- tät, oder ein aus diesen Elementen gebautes Netzwerk usw.) ausgebildet werden kann.
Im letzteren Fall ist die Anwendung eines Einspannmechanismus notwendig, welcher zwischen der Koaxialspeiseleitung und dem zu messenden Mittel eine derartige Verbindung zustande bringt, durch welche die Reflexionsfreiheit der Speiseleitung bis zu den Ebenen der Eingangs- und Ausgangspunkte des Vierpoles hin gesichert wird. (Siehe Abraham-Kirkpatrick :"Transistor..."und Richter, J. : Eine Anordnung zur Messung von HF-Transistoren im Frequenzbereich 30 - 3000 MHz mit Hilfe der Z-g Diagraphen, Rohde und Schwarz Mitteilungen, Heft 15,1961.) Durch dieses Einspannmittel muss auch gesichert werden, dass bei gewissen Messungen die Spannung des Generators unmittelbar an der gewünschten Seite des Vierpoles anschliessbar ist.
In der Beschreibung wird diejenige Seite des Vierpoles, an welche der Generator unmittelbar oder mittelbar angeschlossen wird, als"Generatorseite"und die andere Seite als "abgeschlossene Seite" bezeichnet.
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; Fig. 2rameter ; Fig. 3 das Prinzipschema der Messanordnung der Übertragungswiderstandsparameter ; Fig. 4 das Prinzipschema der Anordnung zur Messung der Leerlauf-Spannungs-Rückwirkung ; Fig. 5 ein Prinzipschema der Anordnung zur Messung des Kurzschluss-Stromverstärkungsfaktors ; Fig. 6 ein mögliches Ausführungsbeispiel der erfindungsgemässen Messanordnung zur Messung von Übertragungsparametern ; Fig. 7 ein Aus-
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undrungsmöglichkeit zur Messung von Übertragungsparametern und einseitigen Parametern ;
Fig. 9 zeigt eine Anordnung zur Messung der Übertragungs-Leitwertparameter und des Kurzschluss-Stromübertragungsfaktors ; Fig. 10 eine erfindungsgemässe Anordnung, mittels welcher die Widerstandsübertragungsparameter und der Kurzschluss-Stromübenragungsfaktor gemessen werden können.
Fig. 1 zeigt die prinzipiellen Bezeichnungen des Vierpoles. Der in den Eingang des Vierpoles flie- ssende Strom ist mit il, der in den Ausgang fliessende Strom mit i, die am Eingang auftretende Spannung mit Ul und die am Ausgang auftretende Spannung mit U2 bezeichnet.
Fig. 2 zeigt eine geeignete Anordnung zur Messung von Übertragungs-Leitwertsparametern. Der zu
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Speiseleitungen gekoppelt sind, bezeichnet. Der Richtungskoppler Dl an der Generatorseite wird mit einem Wellenwiderstand Z und der Richtungskoppler D2 an der Messseite durch eine kurzgeschlossene Speiseleitung mit veränderbarer Länge abgeschlossen.
Es ist selbstverständlich, dass diese Speiseleitungen sowohl aus koaxialen, als auch aus bandförmigen oder andern beliebigen Speiseleitungen oder aus Hohlleitern aufgebaut werden können. Es ist ebenfalls selbstverständlich, dass auch die Richtungskoppler beliebig ausgeführt werden können ; es können z. B. bei Hohlleitern auch Richtungskoppler, die durch Bohrungen gekoppelt sind, angewendet werden.
Der Speisegenerator kann über eine beliebige Impedanz Z unmittelbar an die Generatorseite des Vierpoles X geschaltet werden. Bei der Messung des WertesY bildet die Generatorseite die Punkte 1 - 2 und bei der Messung des Wertes Y die Punkte 3 - 4. Die auf der Generatorseite des Vierpoles X auftretende Spannung U ist gleich der auf der Speiseleitung des generatorseitigen Richtungkopplers D1 auftretenden Spannung, da auf dieser Speiseleitung infolge des Abschlusses mittels des Wellenwiderstandes Z. keine Reflexion auftritt.
Auf diese Weise entsteht an der Schleife LI des eingangsseitigen Richtungskopplers Dl eine Spannung, die mit der generatorseitigen Spannung U des zu messenden Vierpoles X proportional ist. Die kurzgeschlossene Speiseleitung V mit veränderbarer Länge wird derart eingestellt, dass die von der Ebene der Messseite des Vierpoles bis zum Kurzschluss messbare elektrische Länge eine halbe Wellenlänge des Generators G oder ein Mehrfaches derselben ausmacht ; auf diese Weise wurde an der Messseite des Vierpoles X ein Kurzschluss gebildet. In der Schleife L2 des ausgangsseitigen Richtungkopplers D2 wird eine Spannung nur durch den in Richtung des Kurzschlusses fliessenden Strom i induziert, da der Richtungskoppler D2 infolge seiner Richtwirkung auf den vom Ende der kurzgeschlossenen Speiseleitung reflektierten Strom nicht empfindlich ist.
Durch die in bekannter Weise erfolgende komplexe Quotientenbildung aus den an den Richtungskopplern D2 und D1 auftretenden Spannungen, können die Übertragungs-Leitwertsparameter unmittelbar gemessen werden.
Bei der Messung von Übertragungs-Widerstandsparametern (Z ,Z) (Fig. 3) wird auf ähnliche Weise vorgegangen, doch wird der Speisegenerator G z. B. bei der Messung von Z21 an den eingangssei-
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koppler D2 wird mit einem Speiseleitungsabschnitt V abgeschlossen, der in der Ebene des Ausganges des Vierpoles als eine Trennstelle wirkt.
Dies erfolgt durch die Einstellung der elektrischen Länge des Kurzschlusses V mit veränderbarer Länge und des ausgangsseitigen Richtungskopplers D2 auf die Viertelwellenlänge des Generators oderauf ein ungerades Vielfaches derselben. Auf diese Weise ergibt die amausgangsseitigenRichtungskoppler D2 auftretende Spannung eine mit der Leerlaufausgangsspannung U2 proportionale Spannung, welche mit dem aus den Werten des in Richtung des Kurzschlusses V fliessenden Stromes und des Wellenwiderstandes gebildeten Produkt proportional ist.
Infolge der Richtwirkung des Richtungskopplers D2 wird der reflektierte, in entgegengesetzter Richtung fliessende Strom durch den Richtungskoppler D2 nicht wahrgenommen. Der komplexe Quotient der auf den Richtungskopplern Dl und D2 auftretenden Spannungen ergibt den gesuchten Widerstandsparameter.
Die Messung des Parameters Z12 kann selbstverständlich durch das Vertauschen der Eingangs- und Ausgangsklemmen erfolgen.
BeiderMessungvonH-ParameternkanndieLeerlauf-Spannungs-RückwirkungH12derartermittelt
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werden, dass der Generator G - ebenso wie bei der Messung des Leitwertsparameters - unmittelbar an den Ausgang 3, 4 des zu messenden Vierpoles X geschaltet ist, und der Eingangsrichtungskoppler D1 und sein Abschluss ebenfalls dementsprechend angeordnet wird (Fig. 4). Die Messseite wird auf ähn- liche Weise, wie bei der Messung des Widerstandsparameters angeordnet, d. h. es wird in der Eingangsebene des Vierpoles X eine Trennstelle zustande gebracht.
In diesem Fall entsteht an den Schleifen 11 und I2 der Richtungskoppler Dl und D2 eine Spannung, die mit den Eingangs- bzw. Ausgangsspannungen U1 bzw. U proportional sind, wobei der komplexe Quotient derselben das gesuchte Spannungsverhältnis ergibt.
Bei der Messung des Kurzschluss-Stromübertragungsfaktors 1\1 wird die Generatorseite ähnlich, wie bei der Messung der Widerstandsparameter angeordnet, wogegen die Anordnung der Messseite derart ausgebildet wird, wie bei der Messung der Leitwertsparameter, d. h. es wird in der Ausgangsebene des Vierpoles ein Kurzschluss gebildet (Fig. 5).
In diesem Fall treten an den Schleifen 12 und L1 der Richtungskoppler D2 und Dl Spannungen auf, die mit den Ausgangs- und Eingangsströmen i2 und il proportional sind. wobei der Quotient dieser Werte das gesuchte Stromverhältnis ergibt.
Auf Grund der Fig. 2-5 kann festgestellt werden, dass diese Messanordnungen die Messung aller Übertragungsparameter in einer einzigen Einrichtung ermöglichen.
Ein mögliches Ausführungsbeispiel der Messanordnung ist in Fig. 6 dargestellt. An den Eingang bzw.
Ausgang des durch die Ebenen a und b begrenzten unbekannten Vierpoles X sind die Richtungskoppler Dl bzw. D2 angeschlossen. Unmittelbar an den Eingang des Vierpoles X ist ein Anschluss A angeordnet, an welchen Generator G bei der Messung der Parameter Z, Z21, H12 mittels eines Kabels Kl beliebiger Länge angeschlossen werden kann ; in diesem Fall wird der Anschluss B des Richtungskopplers durch einen Widerstand Z, dessen Wert gleich dem Wellenwiderstand 2 des Systems ist, abgeschlossen. Bei der Messung der Parameter Y, T und HL wird das Kabel Kl des Generators G an den Anschluss B des Richtungskopplers D, angeschlossen.
Der Richtungskoppler D2 wird durch eine kurzgeschlossene Speiseleitung V mit veränderbarer
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; 1und K,, deren elektrische Länge einander gleich sind, an das Gerät P geleitet, welches das Verhält- nis der ausgekoppelten Spannungen und den durch diese Spannungen eingeschlossenen Phasenwinkel in bekannter Weise misst; der Anschluss der Referenzseite ist dabei mit r und derjenige der Messseite mit m bezeichnet.
Werden die absoluten Werte der gemessenen Verhältnisse im Falle von Parametern Y mit dem Wellenleiterwert 1ó des Systems und im Falle von Parametern Z mit dem Wellenwiderstand Zo des Systems multipliziert, so ergeben sich unmittelbar die absoluten Werte der Parameter. Der Phasenwinkel der Parameter ist gleich dem durch den Quotientenmesser gemessenen Phasenwinkel.
Fig. 7 zeigt eine mögliche Anordnung, bei welcher sowohl die auf einer Seite messbaren, als auch die auf beiden Seiten messbaren (Übertragungs-)Parameter gemessen werden können.
Bei der Messung der Übertragungsparameter wird Kabel K, an die Referenzseite r des Quotien-
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an den Anschluss A geschaltet wird ; hier entspricht der Anschluss C dem Anschluss B der Fig., 6.
Die Messung wird auf dieselbe Weise, wie oben angeführt, vorgenommen.
Der Verteiler E ist eine an sich bekannte Anordnung (s. deutsche Patentschrift Nr. 860669), welche aus der Richtung ihrer beiden einachsigen Anschlüsse betrachtet, einen mit dem Wellenwiderstand des Systems gleichen Wellenwiderstandsabschluss aufweist. Erfolgt die Speisung vom Anschluss C aus, so entstehen in den Ebenen der einachsigen Anschlüsse Spannungen, deren Grössen und Phasen im Falle eines angepassten Abschlusses einander gleich sind.
An der linken Seite des Verteilers E ist ein dritter Richtungskoppler D3 angeschlossen, welcher durch eine kurzgeschlossene Speiseleitung V1 mit veränderbarer Länge abgeschlossen ist. Diese Speiseleitung wird derart eingestellt, dass die elektrische Länge, gemessen zwischen der Ebene des Kurzschlusses und der Ebene d, gleich der elektrischen Länge, gemessen zwischen der Ebene d und der Ebene a, ist.
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Bei der Messung von Parametern, die auf einer Seite zu messen sind, wird das Kabel K4 des Richtungskopplers D3 an die Referenzseite r des Quotientenmessers F und das Kabel K, des Richtungskopplers D1 an die Messseite m desselben angeschlossen. Es ist klar, dass die elektrische Länge dieser beiden. Kabel gleich gewählt ist. Der Generator G wird an den Anschluss C des Verteilers E angeschlossen.
In dieser Zusammenstellung kann die Einrichtung auf wohlbekannte Weise (s. deutsche Patentschrift Nr. 860669) auf Grund von Reflexionsmessungen Impedanz- bzw. Leitwertsmessungen ausführen. Dabei wird die veränderbare Länge der kurzgeschlossenen Speiseleitung V derart eingestellt, dass bei der
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yell,meter Z,Z und H22 eine Trennstelle gebildet wird.
In den Fig. 8, 9 und 10 ist eine beispielsweise Anordnung dargestellt, mittels welcher sowohl die auf einer Seite, als auch die an beiden Seiten messbaren (Übertragungs-) Parameter gemessen werden können und bei welcher lediglich zwei Richtungskoppler benötigt werden.
Fig. 8 zeigt eine Anordnung zur Messung der auf einer Seite messbaren Parameter, bei welcher eine in wohlbekannter Weise (s. deutsche Patentschrift Nr. 860669) auf Grund der Reflexionsmessungvorge- nommene Impedanz- bzw. Leitwertsmessung durchgeführt wird. Der zu messendeVierpolwirdindenEin-
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angeschlossen werden kann.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Anordnung zur unmittelbaren Messung der Übertragungsparameter von Hochfrequenzvierpolen, insbesondere zur Bestimmung von Hochfrequenzverstärkungs-und Rückwirkungsparametern von Transistoren, gekennzeichnet durch die Kombination folgender Bauteile :
je eines auf beiden Seiten des zu messenden Vierpoles angeordneten, an sich bekannten Richtungskopplers an die Schleifen der Richtungskoppler angeschlossenen Phasen- und Quotientenmesser, eines an einer Seite des Vierpoles angeschlossenen Generators, weiters einer an den an der dem Speisegenerator entgegengesetzten Seite vorgesehenen Vierpol angeschlossenen Richtungskoppler geschalteten, kurzgeschlossenen Speiseleitung mit veränderbarer Länge, welch letztere zur Bildung eines Kurzschlusses oder einer Trennstelle, auf dieser Seite des Vierpoles in der Ebene der Klemmen desselben oder in einer andern vorgeschriebenen Ebene dient.