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DISPOSITIFS POUR LA MESURE DE LA PHASE DES COURANTS ELECTRIQUES.
La présente invention se rapporte aux appareils de usure pour fréquences radiophoniques et plus particulièrement à des dis- positifs servant à mesurer les rapports de phases dans les anten- nes et dans les lignes transmettant des courants de fréquenoes ra- diophoniques. Un de ses buts est de réaliser un appareil à lectu- re directe pour mesurer les rapports de phases dans ces antennes ou dans ces lignes.
Dans le but d'obtenir des effets spéciaux ou direction- nels de radiation, des réseaux d'antennes ont fréquemment leurs unités individuelles excitées dans des rapports différents de pha- ses. Pour déterminer ces rapports de phases dans ces antennes, ou pour amener ces rapports à une valeur déterminée, il est désirable d'avoir un phasemètre à lecture directe. On procède cependant communément par appels pour effectuer les mesures ou les calculs.
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La présente invention prévoit un système qui donne une indication directe de la phase des voltages ou des courants de deux antennes par des indicateurs en fonction d'un angle ou par l'angle lui-même. Cela est réalisé par l'emploi de lignes à haute impédance conneotées à une extrémité à un ampèremètre, voltmètre ou quelqu'autres appareils analogues, étalonnés en fonction du rap- port de phase et connecté d'une manière ajustable, à l'autre eztré- mité, à des sources d'ondes stationnaires, ces ondes étant créées par le ou les transmetteurs dont la phase d'excitation est reoher- chée.
Il est aussi possible d'employer ce système sans source d'ondes stationnaires par l'emploi de certains dispositifs connec- tés à l'appareil mesurant le courant en vue de régler ce courant à travers cet appareil, comme par exemple en faisant varier l'accou- plement de ce dispositif avec les lignes, ou dans le cas où l'ampli- tude des courants ou des voltages dans les antennes sont connus comme égaux.
L'invention est mieux comprise par la description suivante basée sur les dessins ci-joints sur lesquels :
La figure 1 représente l'application de l'invention à des antennes comprenant des lignes accordées associées;
La figure 2 montre un diagramme vectoriel du courant du phasemètre de la figure 1 ;
La figure 3 montre l'invention applqiée à des lignes de transmission à fréquences radiophoniques ;
La figure 4 se rapporte à un autre mode de réalisation de l'invention.
Suivant la figure 1, les antennes 1 et 2 sont alimentées par le transmetteur 14. La phase du courant dans l'antenne 1 est réglée relativement à celle de l'antenne 2 par le déphaseur 4. Les lignes 5 et 6, associées avec ces antennes, sont accordées de maniè- re à avoir des ondes stationnaires de voltage et de courant. Les lignes 7 et 8, connectées à l'appareil de mesure 9, sont une ampli- tude d'un quart de longueur d'onde, de manière à empêcher une haute
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impédance aux lignes d'antenne 5 et 6, et provoquant un petit chan- gement dans le courant d'antenne ou dans la distribution du voltage.
Il est aussi possible d'établir les lignes 7 et 8 de manière qu'el- les aient une longueur de quelques multiples impairs d'un quart de longueur d'onde, puisque des longueurs de lignes sont pratiquement équivalentes en impédance quand elles se terminent par une basse ré- sistanoe ou un court-circuit. L'appareil de mesure 9, qui peut être un ampèremètre du type à fil chaud,, a une échelle qui est étalonnée soit en des valeurs qui sont fonction d'un angle, ou en des valeurs désignant les angles eux-mêmes.
Le procédé pour mesurer la phase dans le cas envisagé peut être expliqué comme suit : a) - On connecte la ligne 7 à la ligne 5 et on règle le point de connexion jusqu'à ce que l'appareil 9 indique un point ar- bitraire quelconque sur l'éohelle entre les indications extrêmes qui peuvent être considérés comme zéro. b) - Si les lignes 5 et 6 des antennes 1 et 2 sont alimentées par des oourants égaux, la ligne 8 peut être placée sur la ligne 6 dans une position semblable à celle de la ligne 7 sur la ligne 5, et la relation de phase sera indiquée par l'appareil 9. Cependant, si les courants sont inégaux en amplitude, le procédé suivant doit être suivi. On note le point de contact de la ligne 7 avec la ligne 5, et on éloigne la ligne 7.
On connecte la ligne 8 à la ligne 6, et on fait varier sa position jusqu'à ce que l'appareil 9 indique le même point "zéro" que précédemment. On replace la ligne 7 au point primi- tif, et l'appareil 9 donnera directement la phase des voltages ou des oourants d'antennes, puisque la différence entre la lecture obtenue et celle corespondant au point original choisi arbitrairement indique le rapport de phase des courants dans les deux antennes. Ordinaire- ment on préfère étalonner l'appareil 9 en degrés, allant d'un minimum .de 180 à un maximum de 0 , et d'utiliser le point 90 comme le point "zéro" ou point de référence mentionné ci-dessus et choisi arbitraire- ment. Dans ce cas la lecture finale de l'appariel avec les deux lignes 7 et 8 connectées, donnera directement le rapport des phases en degrés.
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Aucune erreur de phase n'est introduite du fait que les li- gnes 7 et 8 ne sont pas connectées en des positions correspondantes sur las lignes 5 et 6, puisque tous les points sur une onde station- naire ont la même phase. En changeant les positions de ces lignes on place ces lignes en des points de potentiels différents permettant ainsi un réglage du courant de l'appareil de mesure.
La raison qui permet d'étalonner l'appareil de mesure pour faire des lectures directement en fonction d'un ou de plusieurs an- gles, s'explique en considérant le diagramme sectorielle de la figure 2. Supposons que 17 est le courant dans l'appareil quand la ligne 7 est connectée à la ligne 5, et que 18 est le courant dans l'appareil quand la ligne b est connectée à la ligne 6. Quand les deux lignes 7 et d sont connectées, le oourant dans l'appareil est égal à la somme Ig de ces deux courants,et puisque 17 = 18 on a 07 #8 et
19 = 2 18 Cos 8 = 2 1707 = 2 I78O78
En d'autres termes, l'amplitude de 19 pour un point de l'é- chelle fixé arbitrairement est proportionnel à deux fois le cosinus de l'angle.
Ce facteur peut être interpété par une autre fonction quelconque, ou par Ilang.Le lui-même, quand il est appliqué à l'échelle de l'appareil de mesure.
Quand il n'y a aucune onde stationnaire sur la ligne sur laquelle on veut effectuer des mesures, des conducteurs à haute impé- dance peuvent être connectés à travers les lignes aux positions cor- respondantes, ainsi qu'il est montré en 10 et 11 sur la figure 3. Ces conducteurs peuvent être d'un quart de longueur d'onde ou d'un multiple impair quelconque de celle-ci si ils sont court-circuités à leurs ex- trémités, ou ils peuvent être d'une demi-longueur d'onde ou d'un mul- tiple quelconque de celle-ci s'ils sont en circuit ouvert à leurs ex- trémités. Dans ce cas les lignes 12 et 13 peuvent être alimentées par deux transmeteus 14 et 15, ainsi que cela a été montré à titre d'exem- ple, bien qu'elles puissent être alimentées par le même transmetteur.
Les lignes à haute impédance 10 et 11 sont utilisées de la même maniè- re que les lignes 5 et 6 dans le oas précédent. Les lignes 7 et 8 sont
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alternativement connectées, puis connectées simultanément, la pha- se étant indiquée sur l'appareil,9.
Un autre avantage est aussi obtenu par l'emploi des lignes 10 et 11 en ce que le courant en avance ou en retard peut ainsi être déterminé. Supposons qu'après qu'une lecture de phase est faite, la ligne 10 est déplaoée sur une courte distance le long de la ligne 12 vers le transmetteur 14, et que la phase est encore mesurée. Si cette dernière lecture indique que l'angle de phase est plus petit que lors de la première lecture, alors le oourant de la ligne la doit avancer sur celui de la ligne 12. Semblablement, si la deuxième lec- ture indique un plus grand angle de phase que la première lecture, le courant de la ligne 12 doit avancer sur celui de la ligne 13.
Les lignes auxiliaires 10 et 11 et les lignes 7 et 8 peu- vent être réglées en longueur pour permettre à l'appareil de mesure d'être utilisé pour une certaine rangée de fréquences. Ce système est particulièrement adapté aux hautes fréquences, mais est limité seulement par la longueur tolérable connectant l'appareil de mesure.
Les lignes auxiliaires peuvent aussi être utilisées avec les lignes accordées du premier cas, mais il a été démontré que les lignes auxi- liaires n'étaient pas nécessaires puisque des ondes stationnaires convenables étaient déjà présentes. Ces lignes peuvent être étalon- nées en fonction de la fréquence ou de la longueur d'onde, ou de quelqu'autres unités semblables pour faciliter leur emploi avec une certaine rangée de fréquences.
Bien que les lignes auxiliaires et les lignes de l'appa- reil de mesure soient indiquées comme ayant une longueur d'un multi- ple quelconque d'un quart de longueur d'onde à la fréquence des cou- rants à mesurer il est évident que ces lignes peuvent comprendre des inductances, des résistances ou des capacités de manière à permettre à la longueur physique de la ligne 8'être d'une grandeur voulue quel- conque, tandis que la longueur électrique, ou l'impédance de ces li- gnes, est d'une grande valeur. Dans certaine cas il est préférable de faire les lignes de haute impédance, de manière à provoquer de faibles actions sur les distributions de courant normal.
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Une autre méthode pour mesurer directement la phase est montrée sur la figure 4, quoique cette méthode soit moins recomman- dable. Comme dans le cas de la figure 3, les transmetteurs 14 et 15 excitent les lignes 12 et 13 et des ondes stationnaires sont produi- tes sur les conducteurs 10 et 11. Les lignes 16 et 17 de l'appareil de mesure sont dans ce cas d'une demi-longueur d'onde ou d'un multi- ple quelconque de celle-ci. Un appareil de mesure à haute impédance 18 est connecté à un conducteur de chaque ligne. En fermant le com- mutateur 19 et en déconnectant la ligne 16 du conducteur 10, une in- dication du courant dans la ligne 13 est obtenue qui peut être réglée à une valeur arbitraire ou à la valeur "zéro" en faisant glisser la ligne 17 le long du conducteur 11.
Ensuite, après avoir noter la po- sition de la ligne 17 sur le conducteur 11, la ligne 17 peut être dé- oonnectée, le commutateur 19 est ouvert , le commutateur 20 est fer- mé, et la ligne 16 est reliée au conducteur 10 et ajustée de manière à fournir une lecture à l'appareil de mesure du même point de réfé- rence ou point "zéro" sur son échelle. Finalement les deux commu- tateur 19 et 20 sont ouverts, et la ligne 17 est reconnectée à la po- sition précédemment notée. Avec ces dernières connexions, l'appareil 18 indique la relation de phase. Une des lignes 18 ou 17 doit être inversée par rapport à l'appareil de mesure pour éviter un renverse- ment de 1800 de la relation de phase.
D'une manière semblable un appareil de mesure shnnt à haute impédance peut être utilisé dans l'un quelconque des arrangements pré- cédents pourvu que les lignes de cet appareil soient de longueurs correctes pour permettre une haute impédance terminus.
Il est évident qu'un dispositif queloonque indicateur de courant ou de voltage peut être utilisé dans les lignes comme l'appa- reil de mesure indiqué.
Bien que l'invention ait été décrite comme appliquée à des arrangements particuliers, à titre d'exemples, il est évident qu'elle peut subir différentes adaptations et modifications tout en restant conforme aux principes énoncés.
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DEVICES FOR MEASURING THE PHASE OF ELECTRIC CURRENTS.
The present invention relates to wear apparatus for radio frequencies and more particularly to devices for measuring the phase ratios in the antennas and in the lines transmitting radio frequency currents. One of its aims is to produce a direct reading device for measuring the phase ratios in these antennas or in these lines.
In order to achieve special or directional effects of radiation, antenna arrays frequently have their individual units excited in different phase ratios. To determine these phase ratios in these antennas, or to bring these ratios to a determined value, it is desirable to have a direct reading phasemeter. However, we commonly proceed by calls to perform the measurements or calculations.
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The present invention provides a system which gives a direct indication of the phase of the voltages or currents of two antennas by indicators as a function of an angle or by the angle itself. This is achieved by the use of high impedance lines connected at one end to an ammeter, voltmeter or some other similar device, calibrated according to the phase ratio and connected in an adjustable manner, at the other. - mited, to sources of standing waves, these waves being created by the transmitter (s) whose excitation phase is re-searched.
It is also possible to use this system without a standing wave source by the use of certain devices connected to the apparatus measuring the current with a view to regulating this current through this apparatus, such as for example by varying the current. When this device is coupled with the lines, or in the case where the magnitude of the currents or voltages in the antennas are known to be equal.
The invention is better understood from the following description based on the accompanying drawings in which:
FIG. 1 represents the application of the invention to antennas comprising associated tuned lines;
FIG. 2 shows a vector diagram of the current of the phasemeter of FIG. 1;
FIG. 3 shows the invention applied to transmission lines at radiophonic frequencies;
FIG. 4 relates to another embodiment of the invention.
According to FIG. 1, the antennas 1 and 2 are supplied by the transmitter 14. The phase of the current in the antenna 1 is adjusted relative to that of the antenna 2 by the phase shifter 4. The lines 5 and 6, associated with these antennas, are tuned to have standing waves of voltage and current. Lines 7 and 8, connected to meter 9, are of a quarter wavelength ampli- tude, so as to prevent high
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impedance at antenna lines 5 and 6, and causing a small change in antenna current or voltage distribution.
It is also possible to set up lines 7 and 8 so that they are a few odd multiples of a quarter wavelength, since line lengths are nearly equivalent in impedance when they terminate. by a low resistance or a short circuit. The meter 9, which may be a hot wire type ammeter, has a scale which is calibrated either to values which are a function of an angle, or to values denoting the angles themselves.
The process for measuring the phase in the case considered can be explained as follows: a) - Connect line 7 to line 5 and adjust the connection point until the device 9 indicates an arbitrary point any on the eohelle between the extreme indications which can be considered as zero. b) - If lines 5 and 6 of antennas 1 and 2 are fed by equal current, line 8 can be placed on line 6 in a position similar to that of line 7 on line 5, and the relation of phase will be indicated by apparatus 9. However, if the currents are unequal in magnitude, the following procedure should be followed. We note the point of contact of line 7 with line 5, and we move away from line 7.
Line 8 is connected to line 6, and its position is varied until the device 9 indicates the same "zero" point as before. Line 7 is replaced at the original point, and device 9 will directly give the phase of the antenna voltages or current, since the difference between the reading obtained and that corresponding to the original point chosen arbitrarily indicates the phase ratio of the antennae. currents in both antennas. Usually it is preferred to calibrate the device 9 in degrees, ranging from a minimum of 180 to a maximum of 0, and to use point 90 as the "zero" point or reference point mentioned above and chosen. arbitrarily. In this case the final reading of the device with the two lines 7 and 8 connected, will directly give the phase ratio in degrees.
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No phase error is introduced because lines 7 and 8 are not connected at corresponding positions on lines 5 and 6, since all points on a standing wave have the same phase. By changing the positions of these lines, these lines are placed at points of different potentials thus allowing adjustment of the current of the measuring device.
The reason for calibrating the meter to take readings directly as a function of one or more angles is explained by considering the sector diagram in Figure 2. Suppose 17 is the current in l 'device when line 7 is connected to line 5, and 18 is the current in the device when line b is connected to line 6. When both lines 7 and d are connected, current in the device is equal to the sum Ig of these two currents, and since 17 = 18 we have 07 # 8 and
19 = 2 18 Cos 8 = 2 1707 = 2 I78O78
In other words, the amplitude of 19 for an arbitrarily fixed point of the scale is proportional to twice the cosine of the angle.
This factor can be interpreted by any other function, or by Ilang.Le itself, when applied to the scale of the measuring device.
When there is no standing wave on the line to be measured, high impedance conductors can be connected across the lines at the corresponding positions, as shown in 10 and 11 in Figure 3. These conductors may be a quarter wavelength or any odd multiple thereof if they are shorted at their ends, or they may be a half wavelength. wavelength or any mul- tiple thereof if they are open circuit at their ends. In this case the lines 12 and 13 can be fed by two transmitters 14 and 15, as has been shown by way of example, although they can be fed by the same transmitter.
The high impedance lines 10 and 11 are used in the same way as the lines 5 and 6 in the previous oas. Lines 7 and 8 are
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alternately connected, then connected simultaneously, the phase being indicated on the device, 9.
Another advantage is also obtained by the use of lines 10 and 11 in that the leading or lagging current can thus be determined. Suppose that after a phase reading is taken, line 10 is moved a short distance along line 12 to transmitter 14, and the phase is still measured. If this last reading indicates that the phase angle is smaller than in the first reading, then the current of line 1a should advance over that of line 12. Similarly, if the second reading indicates a larger angle. phase than the first reading, the current on line 12 should advance over that on line 13.
Auxiliary lines 10 and 11 and lines 7 and 8 can be adjusted in length to allow the meter to be used for a certain range of frequencies. This system is particularly suitable for high frequencies, but is limited only by the tolerable length connecting the measuring device.
Auxiliary lines can also be used with the tuned lines of the first case, but it has been shown that auxiliary lines are not necessary since suitable standing waves were already present. These lines can be calibrated for frequency or wavelength, or some other similar unit to facilitate their use with a certain range of frequencies.
Although the auxiliary lines and the lines of the measuring apparatus are indicated as having a length of any multiple of a quarter wavelength at the frequency of the currents to be measured it is obvious that these lines may include inductors, resistors or capacitors so as to allow the physical length of the line 8 'to be any desired magnitude, while the electrical length, or impedance of these lines. gnes, is of great value. In certain cases it is preferable to make the lines of high impedance, so as to cause weak actions on the normal current distributions.
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Another method for directly measuring phase is shown in Figure 4, although this method is less recommendable. As in the case of figure 3, the transmitters 14 and 15 energize the lines 12 and 13 and standing waves are produced on the conductors 10 and 11. The lines 16 and 17 of the measuring device are in this case. half a wavelength or any multiple thereof. A high impedance meter 18 is connected to a conductor of each line. By closing switch 19 and disconnecting line 16 from conductor 10, an indication of the current in line 13 is obtained which can be set to an arbitrary value or to "zero" by dragging line 17. along the conductor 11.
Then, after noting the position of line 17 on conductor 11, line 17 can be disconnected, switch 19 is open, switch 20 is closed, and line 16 is connected to conductor 10. and adjusted so as to provide the meter with a reading of the same reference point or "zero" point on its scale. Finally, the two switches 19 and 20 are open, and line 17 is reconnected to the previously noted position. With these latter connections, the apparatus 18 indicates the phase relationship. One of the lines 18 or 17 must be reversed with respect to the meter to avoid a reversal of 1800 of the phase relation.
Likewise a high impedance shnnt meter can be used in any of the foregoing arrangements provided that the lines of such apparatus are of the correct lengths to allow high terminal impedance.
It is obvious that a device of any current or voltage indicator can be used in the lines like the indicated measuring apparatus.
Although the invention has been described as applied to particular arrangements, by way of example, it is obvious that it can undergo various adaptations and modifications while remaining in conformity with the stated principles.