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Anordnung zur Messung der Fehlanpassung Zusatz zum Patent 959 391
Eine bekannte Meßanordnung zur Bestimmung der Fehlanpassung ist die Meßleitung,
auf der die bei Fehlanpassung auftretenden Spannungsmaxima und -minima einer stehenden
Welle mittels einer längs der Leitung verschiebbaren Sonde abgetastet und gemessen
werden.
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Dieser Meßanordnung haftet der Nachteil an, daß auf Grund der nicht
vollkommenen mechanischen Führung der Abtastsonde Anzeigefehler auftreten, welche
die Messung sehr kleiner Reflexionsfaktoren praktisch unmöglich machen.
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Zur Beseitigung dieses Nachteiles ist es bekannt, bewegliche Teile
der Meßeinrichtung zu vermeiden und statt dessen mittels eines oder zweier Richtkoppler
proportionale Anteile der hin- und rücklaufenden Welle getrennt aus der Hauptleitung
zu entnehmen und gleichzurichten. Hieraus kann durch Vergleich der Gleichstromgrößen
auf die Fehlanpassung geschlossen werden. Diese bekannte Meßanordnung vermeidet
zwar die bei der Meßleitung durch die nicht exakte Führung der Abtastsonde verursachten
Fehler, doch haftet ihr der Nachteil an, daß gerade kleine Reflexionsfaktoren infolge
des erforderlichen Gleichstromvergleichs nur mehr ungenau bestimmt werden können,
so daß die Anordnung zum Teil Meßergebnisse liefert, die mit mehr Fehlern behaftet
sind als bei einer Anordnung mit einer Meßleitung.
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Es ist ferner eine Anordnung zur Messung des Absolutwertes und der
Phase der Fehlanpassung bekannt, bei welcher aus einer Hauptleitung proportionale
Anteile der hinlaufenden und der rücklaufenden Welle in eine Nebenleitung eingekoppelt
werden. In der Nebenleitung, in welcher die beiden Wellenanteile in Gegenrichtung
laufen, ist eine aus vier Detektoren bestehende Meßeinrichtung vorgesehen, die Rückschlüsse
auf die Welligkeit geben soll. In dieser Leitung ist außerdem ein Dämpfungsglied
in Form einer Widerstandsschicht vorgesehen, welches dazu dient, den Anteil der
reflektierten Welle zu dämpfen, damit Fehler, die durch die Verwendung von Detektoren
mit nicht quadratischer Kennlinie entstehen, vermieden werden.
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Gegenstand des Hauptpatents 959 391 ist eine Anordnung zur Messung
der Fehlanpassung eines Hochfrequenzgenerators oder -verbrauchers an eine Hochfrequenzleitung
unter Verwendung eines oder mehrerer Richtungskoppler zur Auftrennung der Wege für
die hin-und rücklaufende Welle, bei welcher die Spannungen dieser Wellen einer Anzeigevorrichtung
zugeführt sind.
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Bei dieser Anordnung ist zur Bildung der vektoriellen Summenspannung
aus hin- und rücklaufender Welle der Anzeigevorrichtung durch einen oder mehrere
Richtungskoppler die eine Welle unmittelbar und die andere über einen teilweise
hiervon getrennten Weg zugeführt, und einer dieser beiden Wege ist in seiner elektrischen
Länge gegenüber der des anderen insbesondere um eine halbe Betriebswellenlänge veränderbar
ausgebildet.
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Durch diese Anordnung ist es möglich, bei der Messung geringer Fehlanpassungen
bis an die Grenze des Auflösevermögens für geringe Welligkeiten zu gehen. Diese
Grenze ist dadurch gegeben, daß bei sehr kleinen Reflexionsfaktoren der Anteil der
reflektierten Welle im Vergleich zum Anteil der hinlaufenden Welle verschwindend
gering ist und deshalb im Anzeigeinstrument praktisch nicht mehr abgelesen werden
kann.
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Die Erfindung ist eine Weiterbildung dieser Anordnung, wobei der
Erfindung die Aufgabe zugrunde liegt, das Auflösungsvermögen, welches mit den bisher
bekannten und vorgeschlagenen Anordnungen erreicht wurde, wesentlich zu erhöhen.
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Es sind daher erfindungsgemäß an der Übergangsstelle zwischen Hauptleitung
und Nebenleitung oder unmittelbar in der Nebenleitung Mittel vorgesehen, die die
Aufgabe haben, das Verhältnis des Anteiles der reflektierten Welle zu dem Anteil
der hinlaufenden Welle in der Nebenleitung gegenüber dem Verhältnis der reflektierten
Welle zur hinlaufenden Welle in der Hauptleitung zu vergrößern.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform kann dies beispielsweise
dadurch geschehen, daß in der Nebenleitung in den Weg des der hinlaufenden Welle
entsprechenden Anteils ein Dämpfungsglied eingeschaltet ist.
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Nach einer weiteren Ausführungsform der Erfindung kann dies auch
dadurch erreicht werden, daß an Stelle des Dämpfungsgliedes oder auch zusätzlich
zu demselben die Ankopplung der Nebenleitung für die rücklaufende Welle fester gewählt
ist als für die hinlaufende Welle Durch die erfindungsgemäße Ausbildung wird erreicht,
daß unter beachtlicher Erhöhung der Ablesegenauigkeit
die sonst
bei kleinen Reflexionsfaktoren störenden Eigenfehler der Meßanordnung weit unter
der Welligkeit der bei Fehlanpassung auftretenden stehenden Welle liegen und daher
das Meßergebnis nicht mehr beeinflussen.
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Nachstehend wird an Hand von Ausführungsbeispielen die Erfindung
näher erläutert.
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Bei den in den Abbildungen dargestellten erfindungsgemäßen Anordnungen
werden für die Hochfrequenzleitungen Hohlrohrleitungen verwendet; es können jedoch
auch alle anderen Arten von Hochfrequenzleitungen, beispielsweise Koaxialleitungen
oder Zweidrahtleitungen, Verwendung finden.
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Bei der in Abb. 1 dargestellten erfindungsgemäßen Meßanordnung ist
an das linke Ende einer Hauptleitung 1 ein Sender angeschaltet, während mit dem
rechten Leitungsende ein Verbraucher R, beispielsweise eine Antenne, verbunden ist.
Bei Fehlanpassung breitet sich in der Hauptleitung außer der vom Sender zum Verbraucher
hinlaufenden Welle in entgegengesetzter Richtung die rücklaufende Welle aus. Eine
Nebenleitung 2 ist über einen Richtkoppler 3 (Lochkopplung) mit der Hauptleitung
verkoppelt.
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Über den Richtkoppler 3 wird ein der hinlaufenden Welle proportionaler
Wellenanteil in den dem Verbraucher zugewendeten Nebenleitungsabschnitt eingespeist.
Dieser Wellenanteil wird durch ein an sich bekanntes regelbares Dämpfungsglied 8,
das beispielsweise aus einer in Querrichtung in der Leitung verschiebbaren Graphitplatte
besteht, geschwächt. Je nach der Lage der Graphitplatte in der Hohlrohrleitung ändert
sich die Stärke des über diese Platte fließenden Stromes und damit die Dämpfung
des hinlaufenden Wellenanteiles. An einem Kurzschlußschieber 9 wird der hinlaufende
Wellenanteil total reflektiert, beim Rücklauf durch das Dämpfungsglied ein zweites
Mal geschwächt und nach Durchlaufen einer Meßsonde 4 von einem die Leitung reflexionsfrei
abschließenden Abschlußwiderstand 7 absorbiert.
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Ein der rücklaufenden Welle proportionaler Anteil wird über den Richtkoppler
3 in den dem Sender benachbarten Nebenleitungsabschnitt eingekoppelt und im Abschlußwiderstand
7 vernichtet.
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An der Meßsonde, an der sich die vektorielle Summe aus den Spannungen
dieser beiden Wellenanteile bildet, laufen also beide in die Nebenleitung eingekoppelten
Wellenanteile in gleicher Richtung. Durch Verschieben des Kurzschlußschiebers 9
kann der Weg für den hinlaufenden Wellenanteil in seiner Länge derart verändert
werden, daß sich beide Wellenanteile gleichphasig bzw. gegenphasig überlagern. Im
ersteren Fall tritt an der Meßsonde 4 die Summenspannung (Spannungsmaximum), im
anderen Fall die Differenzspannung (Spannungsminimum) auf. Die Sonde 4 ist über
einen Gleichrichter 5 mit einem Anzeigeinstrument 6 verbunden. Zur weiteren Steigerung
der Meßempfindlichkeit empfiehlt es sich, zwischen Gleichrichter und Anzeigeinstrument
einen Verstärker zu schalten. Zur Kompensation von Bildkomponenten der Abtastvorrichtung
(Meßsonde 4) ist eine mittels Kurzschlußschieber einstellbare Stichleitung vorgesehen.
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Der grundsätzliche Aufbau des in Abb. 2 dargestellten Ausführungsbeispieles
der Erfindung entspricht im wesentlichen dem der Anordnung nach Abb. 1. Zur Reflexion
des hinlaufenden Wellenanteils ist der dem Verbraucher benachbarte Nebenleitungsabschnitt
am Ende 12 kurzgeschlossen. Durch einen elektrisch regelbaren Phasenschieber 10,
dem über die Anschlußklemmen die Phasenregelspannung zugeführt ist, wird die Phase
zwischen den beiden Wellenanteilen so verändert, daß Summen- und Differenzspannung
an der Meßsonde gebildet werden können. Die Schwächung des hinlaufenden
Wellenanteils
erfolgt durch das ebenfalls elektrisch regelbare Dämpfungsglied 11, dem die Dämpfungsregelspannung
über die beiden Anschlußklemmen zugeführt wird.
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Bei den in den Abb. 1 und 2 dargestellten Meßanordnungen werden Dämpfungsglied
und Phasenschieber zweimal vom hinlaufenden Wellenanteil durchlaufen und sind daher
mit ihrem doppelten Einstellwert wirksam.
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Die elektrisch regelbaren Glieder sind vor allem bei periodischer
Änderung insbesondere der Phase vorteilhaft in Verbindung sowohl mit einer üblichen
Anzeigevorrichtung, vorzugsweise mit Meßverstärker, als auch mit einer oszillographischen
Anzeigevorrichtung.
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Bei der Meßanordnung nach Abb. 3 ist am linken Ende der Hauptleitung
1 ein Sender S, am rechten Ende ein Verbraucher R angeschlossen. In der Hauptleitung
breitet sich bei Fehlanpassung außer der vom Sender zum Verbraucher hinlaufenden
Welle in entgegengesetzter Richtung die rücklaufende Welle aus. Über zwei Richtkoppler
3 und 13 (Loch- oder Schlitzkoppler) werden proportionale Anteile der in der Hauptleitung
hin- und rücklaufenden Welle in die Nebenleitung 2 eingekoppelt. Die Nebenleitung
2 ist an ihren beiden Enden durch zwei Abschlußwiderstände 7 und 15 reflexionsfrei
abgeschlossen. In der Nebenleitung fließen die der hinlaufenden Welle proportionalen
Anteile von den Richtkopplern 3 und 13 zum Abschlußwiderstand 15, die der rücklaufenden
Welle proportionalen Anteile pflanzen sich in entgegengesetzter Richtung, also von
den Richtkopplern 13 und 3 aus zum Abschlußwiderstand 7 hin, fort. In den Mittelabschnitt
der Nebenleitung 2 sind zwischen die Richtkoppler 3 und 13 ein Dämpfungsglied 8
und eine Meßleitung 16 eingeschaltet. Die Lage der Meßleitung und die Lage des Dämpfungsgliedes
sind so gewählt, daß der hinlaufende Wellenanteil vor Durchlaufen der Meßleitung
geschwächt wird, nicht hingegen der rücklaufende Wellenanteil. Zur Dämpfung des
hinlaufenden Wellenanteiles dient beim Ausführungsbeispiel eine Graphitplatte mit
regelbarer Eintauchtiefe. An Stelle dieser Graphitplatte kann natürlich jedes andere
Dämpfungsglied, beispielsweise auch ein elektrisch regelbares, Verwendung finden.
Die im Bereich der Meßleitung 16 gegensinnig laufenden Wellenanteile bilden eine
stehende Welle, deren Welligkeit mit zunehmender Dämpfung des hinlaufenden Wellenanteiles
wächst. Zur Abtastung der stehenden Welle dient eine verschiebbare Abtastsonde 4,
die, wie bereits an Hand der vorhergehenden Ausführungsbeispiele erläutert, über
einen Gleichrichter 5 mit Verblockungskapazität mit einem Anzeigeinstrument 6 verbunden
ist.
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Die in Abb. 4 dargestellte erfindungsgemäße Meßanordnung eignet sich
besonders als Betriebsüberwachungsgerät für einen schnellen Abgleich einer Fehlanpassung.
Zur Anzeige wird ein Oszillograph, beispielsweise eine Braunsche Röhre, verwendet.
Der grundsätzliche Aufbau entspricht dem der Anordnung nach Abb. 3.
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In den Mittelabschnitt der Nebenleitung 2, zwischen die Richtkoppler
3 und 13, sind ein Dämpfungsglied 8 und eine kreisförmige Meßleitung 16 mit rotierender
Sonde in den Zug der Nebenleitung 2 eingeschaltet. Der Antrieb der Meßleitung erfolgt
mittels eines Motors 20. Die im Bereich der Meßleitung in Gegenrichtung laufenden
Wellenanteile bilden eine stehende Welle, deren Welligkeit mit der Dämpfung des
hinlaufenden Wellen anteils zunimmt. Die Abtastsonde 17 ist über eine konzentrische
Leitung mit dem ebenfalls auf dem drehbaren Teil der Meßleitung angeordneten Gleichrichter
18 verbunden. Als Gleichrichter wird man aus Gewichtsgründen vorzugsweise Kristalldetektoren
an Stelle von Vakuum-Dioden verwenden. Die in ihrer Größe entsprechend der Spannungsverteilung
der
stehenden Welle in der Nebenleitung (Meßleitung 16) schwankende Gleichspannung wird
beispielsweise über Schleifkontakte vom rotierenden Teil der Meßanordnung abgenommen
und dem Vertikalablenksystem eines Oszillographen 19 zugeführt. Zweckmäßig wird
außerdem über eine Leitung 21 eine vom Antriebssystem 20 abgeleitete, der Umdrehungszahl
der Abtastsonde entsprechende Synchronisierungsspannung für das Horizontalablenksystem
dem Oszillographen zugeführt.
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Das Amplitudenverhältnis m = Umin ~~ - 1 -r wird UmaS 1+r zweckmäßig
auf eine der folgenden zwei Arten aus den Meßergebnissen bestimmt. Bei dem einen
Meßverfahren wird der der hinlaufenden Welle proportionale Wellenanteil in der Nebenleitung
durch das Dämpfungsglied um einen bestimmten Betrag geschwächt. Die Dämpfung wird
dabei zweckmäßig so gewählt, daß der hinlaufende Wellenanteil an der Meßsonde ungefähr
in der Größenordnung des rücklaufenden Wellenanteils liegt. Hierdurch wird die Welligkeit
an der Meßsonde so gedehnt, daß der Eigenfehler der Meßanordnung gegen die Amplitudenschwankungen
vernachlässigbar klein wird. Ein Zahlenbeispiel soll der Veranschaulichung dieses
Meßverfahrens dienen: Das Amplitudenverhältnis auf der Hauptleitung betrage çn =
0,98 entsprechend einem Reflexionsfaktor r = 0,01. Beträgt die eingestellte Dämpfung
b beispielsweise 20 db für zweimaliges Durchlaufen des Dämpfungsgliedes, dann wird
die Spannung des hinlaufenden Wellenanteils durch das Dämpfungsglied auf 1/io ihres
ursprünglichen Wertes vermindert. Das Verhältnis der Spannungsamplituden von hinlaufendem
zu rücklaufendem Wellenanteil an der Meßsonde beträgt dann r' = Ur = 0,1.
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In vielen Fällen ist es aber auch zweckmäßig, die Messung nach einem
Nullabgleichverfahren durchzuführen. Hierbei wird die Dämpfung für den der hinlaufenden
Welle proportionalen Anteil in der Nebenleitung so weit erhöht, daß Um, = O ist,
d. h. daß die beiden Wellenanteile in der Nebenleitung gleiche Amplituden haben.
Der eingestellte Dämpfungswert gibt dann unmittelbar den Quotienten aus hin- und
rücklaufender Welle in der Hauptleitung an.