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Hochfrequenzmeßbrücke Die Erfindung bezieht sich auf eine in ein Ahschirmgehäuse
eingeschlossene Brückenschaltung mit nur einpolig mit dem Gehäuse verbundenen Koaxialanschlüssen
für Sender, Empfänger und zwei zu vergleichende Widerstände, für Widerstandsmessungen
im Frequenzgebiet bis etwa 1000 NHz und einem größten Wert des Verhältnisses der
zulässigen Frequenzen von etwa 1 : 5. ohne Abstimmung, insbesondere als Reflektometer.
Die Brückenschaltung ist also von einer auch als »hvbrid« bezeichneten Art für sehr
hohe Frequenzen, insbesondere Nieter- und Dezimeterwellen. Die Schaltung ist bestimmt
zum Vergleich von Widerständen durch Slessung der in einer Brückendiagonale auftretenden
Fehlerspannung. Die Schaltung ist für Messungen mit Hochfrequenz in einem ungewöhnlich
großen Frequenzbereich geeignet.
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Bei den bisher bekannten Brückenschaltungen für Messungen mit Hochfrequenz
ist der Frequenzbereich, in dem genaue Messungen mit einer bestimmten gegenständlichen
Schaltung möglich sind, eng begrenzt. Das äußerst zulässige Frequenzverhältnis beträgt
1 : 2, so daß eine Brückenschaltung der bisher bekannten Art für einen Frequenzbereich
von z. B. 120 bis 240 NIHz oder 480 bis 960 IHz verwendbar ist. In vielen Fällen
ist ein wesentlich größerer zulässiger Frequenzbereich erwünscht, z. B. ein Bereich
von 200 bis 900 MTIz, entsprechend einem Frequenzverhältnis von 1 : 41/2. In derartigen
Fällen hat man sich bisher mit der Verwendung mehrerer auswechselbarer Brüdenschaltungen
für verschiedene Frequenzbereiche geholfen. Die Notwendigkeit der Bereitstellung
mehrerer Brückenschaltungen in verschiedenen Ausführungen ist jedoch unerwünscht,
und das Austauschen der verschiedenen Schaltungen gegeneinander bei Messungen mit
verschiedenen Frequenzen verursacht Zeitverluste.
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Bei den bisher bekannten Brückenschaltungen für Äiessungen mit l
-I ochfre(luenz von etwa 40 1Hz und darüber werden die Abmessungen der Schaltung
durch den Frequenzbereich, für den die Schaltung verwendbar sein soll, insbesondere
durch die niedrigste zulässige Frequenz, bestimmt. Eine für Niessungen mit einer
Frequenz von 40 IHz bestimmte Brückenschaltung hat z. B. eine Mindestlänge von etwa
1,80 m. Ein Gerät von solcher Größe ist unhandlich im Gebrauch und stellt den Gerätebauer
vor schwierig zu lösende Aufgaben, besonders wenn eine derartige Brückenschaltung
mit anderen Geräten zu kombinieren ist.
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Die Brückenscllaltung nach der Erfindung ist frei von diesen Nachteilen,
obwohl sie in gleicher Weise wie die bisher bekannten Schaltungen verwendbar ist.
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Die Schaltung kann für einen größten Wert des Verhältnisses der zulässigen
Frequenzen von etwa 1 : 5 hergestellt werden und weist dabei wesentlich gerin-
gere
Abmessungen auf als die bekannten Schaltungen für vergleichbare Frequenzen.
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Erfindungsgemäß wird dies bei einer Brüdenscbaltung der eingangs
beschriebenen Art dadurch erreicht, daß der in einer Brückendiagonale liegende Sender
(Empfänger) über eine vorzugsweise Schraubenform aufweisende Symmetrierschleife
angeschlossen ist, die zusammen mit einer an die simmetrischen Ausgangspole der
Symmetrierschleife angeschlossenen Reihenschaltung zweier vorzugsweise gleicher
Ohmscher Widerstände in dem Abschirmgehäuse eingeschlossen ist. und daß die Innenleiter
der Koaxialanschlüsse für die zu vergleichenden Widerstände ebenfalls an die svmmetrischen
Ausgangspole der Symmetrierschleife und der Innenleiter des Koaxialanschlusses für
den Empfänger (Sender) an den zwischen den beiden Ohmschen Widerständen liegenden
Knotenpunkt angeschlossen sind. Die vier Koaxialallschlüsse seien mit P, S, I, II
bezeichnet. Die Anschlüsse P und S werden zweckmäßig in einer Symmetrieebene des
Gehäuses angeordnet, während die Anschlüsse I und II einander in symmetrischer Lage
gegenüberliegen. Innerhalb des Gehäuses ist eine Brückenschaltung angeordnet. Zwei
aneinanderstoßende Arme dieser Brücke enthalten Widerstände, die vorzugsweise gleichen
Widerstandswert haben und symmetrisch zur Symmetrieebene des Gehäuses angeordnet
sind. Ihr Verbindungspunkt ist mit dem Innenleiter des Koaxialanschlusses P verbunden.
Die beiden anderen aneinanderstoßenden Brükkenarme, die vorzugsweise ebenfalls symmetrisch
zur Symmetrieebene des Gehäuses angeordnet und elektrisch gleichwertig sind, bestehen
aus zwei Wellenleitern, die vorteilhaft als schraubenförmig gewundene Spulenleiter
ausgebildet werden. Ihr Verbindungspunkt ist mit dem Gehäuse in der Nähe des Apschlusses
S
verbunden, während die Verbindungspunkte je eines der \vellenleiter mit je einem
der beiden Widerstände zu den Innenleitern der An-Anschlüsse I und II geführt sind.
Einer der beiden Wellenleiter ist hohl und weist einen isolierten Innenleiter auf,
der einerseits mit dem Innenleiter des Anschlusses S, andererseits mit dem nicht
mit dem Gehäuse verbundenen Ende des zweiten Wellenleiters verbunden ist. Die zweite
Verbindung kann auch durch eine Kopplung ersetzt werden, wobei der aus dem nicht
geerdeten Ende des ersten Wellenleiters austretende isolierte Leiter in das nicht
geerdete Ende des in diesem Falle ebenfalls hohlen zweiten Wellenleiters eingeführt
ist. Eine Wellenleiteranordnung dieser Art wird als »Ssmmetrierschleife< bezeichnet.
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Sie dient gewöhnlich dazu, eine erdunsymmetrische Hochfrequenzleitung
in eine erdsymmetrische zu überführen.
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Bei symmetrisch ausgeführter Brückenschaltung und bei gleichartiger
Belastung der Anschlüsse I und II erzeugt eine beim Anschluß P zugeführte Spannung
keine Spannung am Anschluß S, was auf Grund des Reziprozitätsgesetzes auch umgekehrt
gilt, oder, mit anderen Worten, die Anschlüsse P und S sind elelitisch konjugiert.
Ein svesentliches D,Ierkmal der Brückenschaltung nach der Erfindung ist es, daß
sämtliche Anschlüsse Koaxialanschlüsse sind, d. h. daß sie einpolig geerdet sind.
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Das Abschirmgehäuse kann, statt vollständig geschlossen zu sein,
auch aus zwei zueinander parallelen leitenden Platten bestehen, die in einem Abstande
von z. B. 13 mm angeordnet sind, der klein ist im Vergleich zu den Flächenabmessungen
der Platten, z. B.
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150 150 150mm. Dieser Abstand ist auch klein gegen die Wellenlänge
der der Brückenschaltung zugeführten Hockfrequenzschwingungen, was zur Folge hat,
daß zwischen den überstehenden Plattenrändern, ähnlich wie bei einem Hohlleiter
unterhalb der Abschneidefrequenz. keine Hochfrequenzwellen ein- oder austreten können.
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Bei NIessungen mit der Brückenschaltung werden z. B. an den in der
einen Brückendiagonale liegenden Anschluß S ein I-lochfrequenzsender. an den an
der anderen Brücl;endiagonale liegenden Anschluß P ein Hochfrequenzempfänger und
an I und II die zu vergleichenden Widerstände angeschlossen.
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Die Brückenschaltullg gemäß der Erfindung hat sich insbesondere für
die Verwendung als Reflektometer bei Frequenzen bis zu 1000 SIHz geeignet erwiesen.
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Für diese Verwendung ist es von Bedeutung, daß bei passender Bemessung
der Wellenwiderstände der koasialen Anschlußleitung die Schaltung völlig in sich
angepaßt ist, und zwar in ausreichender Näherung jeweils in einem größeren Frequenzbereich
ohne Abstimmung. wobei die Lage des Frequenzbereiches von der Ausbildung der Summetrierschleife
abhängt.
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Bekannt ist eine einfache Brückenschaltung, die in zwei benachbarten
Armen feste Ohmsche Widerstände aufweist und außerdem in den beiden anderen benachharten
Armen liegende Anschlüsse für zwei zu vergleichende ÄViderstände und Anschlüsse
in den beiden Brückendiagonalen für Sender und Empfänger. Es ist bekannt, einen
derartigen »Adltpol« für Messungen im Dezimeter-ellenbereicll in einen geerdeten
Kasten einzuschließen, aus dem vier koaxiale Leitungen herausführen.
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Eine bekannte Ausführung einer Hochfrequenzmeßbrücke besteht aus
einer von einem Abschirmgerät umgebenen Symmetrierschleife mit zwei von einem Gabelungspunkt
ausgehenden parallelen Schleifen-
armen. die beide eine ungerade Zahl von Viertelwellenlängen
lang sind, von denen einer in bekannter Weise als Koaxialleitung ausgebildet ist
und an deren Enden die Innenleiter zweier aus dem Gehäuse herausführender und zum
Anschluß zweier zu vergleichender Widerstände dienender Koaxialleitungen angeschlossen
sind. Zwischen dem Gabelungspunkt der Symmetrierschleife und dem Gehäuse ist ein
eine ungerade Zahl von Viertelwellenlängen langes Stück einer die Koaxialleitung
des einen Schleifenarmes fortsetzenden, zur Zuführung von Hochfrequenzenergie zur
Schleife dienenden Koaxialleitung eingeschaltet. An den auf diese Weise vom Gehäuse
»isolierten« Gabelungspunkt ist der Innenleiter einer weiteren aus dem Gehäuse heraus
führenden Koaxialleitung angeschlossen, an deren Ende ein Hochfrequenzempfänger
liegt.
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Diese Brücke dient nur für Messungen bei einer bestimmten Frequenz.
Die beiden das Brückenverhältnis bestimmenden festen Brückenarme werden nicht von
Ohmschen Widerständen, sondern von reaktiven Schaltelementen gebildet. Die Brückenschaltung
ist daher nicht in sich angepaßt und eignet sich auch nicht für Messungen mit verschiedenen
Frequenzen nacheinander ohne Abstimmung, da die Anpassungsverhältnisse sich mit
der Frequenz ändern.
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Eine andere bekannte Hochfrequenzmeßbrücke besteht aus vier in Kreuzform
zusammengefügten Metallrohren. Zwei gegenüberliegende Rohre haben konzentrische
Innenleiter, und an die Enden der so gebildeten Koaxialleitungen werden die zu vergleichenden
Widerstände angeschlossen. Die proximalen Enden der beiden Innenleiter sind in einem
der beiden anderen Rohre parallel zueinander weiter- und nach außen zu einem Hochfrequenzempfänger
geführt. Das vierte Rohr ist wieder als Koaxialleitung ausgebildet und dient zur
Zuführung von Hochfrequenzenergie.
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Der Innenleiter dieses Rohres ist ein Stück weit in das Innere des
dritten Rohres hineingeführt, wo sein freies Ende mit der Rohrwandung verbunden
sein kann. Die ebenfalls durch dieses Rohr geführten Innenleiter der beiden ersten
Koaxialleitungen sind symmetrisch zu dem verlängerten Innenleiter des vierten Rohres
angeordnet, so daß sie gleich stark damit gekoppelt sind. Auch bei dieser Brücke
ist das Brükkenverhältnis nicht durch Ohmsche Widerstände, sondern durch reaktive
Schaltelemente bestimmt. Die Schaltung ist nicht in sich angepaßt und eignet sich
nicht für die Verwendung als Reflektometer, insbesondere bei veränderlicher Frequenz.
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Im folgenden wird eine Ausführungsform der Erfindung an Hand der
Zeichnung beschrieben. Es zeigt Fig. 1 eine Aufsicht auf die Schaltung bei entferntem
Gehäuseoberteil, Fig. 2 einen Querschnitt durch die Schaltung in ihrer Symmetrieebene
längs der Linie A-A der Fig. 1.
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Fig. 3 eine perspektivische Ansicht der Schaltung in zusammengebautem
Zustande, Fig. 4 eine gleichartige Ansicht nach Entfernung einiger verdecl;ender
Teile, Fig. 5 eine weitere solche Ansicht nach Entfernung weiterer Teile und Fig.
6 eine Einzelheit der Schaltung nach Fig. 1 in vergrößerter Darstellung.
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Die Schaltung weist vier Kupplungen P, S, I, II für den Anschluß
von koaxialen Leitungen auf, die beziehungsweise mit 40, 41, 42, 43 bezeichnet sind.
Die Innenleiter der Kupplungen sind mit vier Streifen aus Kupfer 5 6. 7, 8 verbunden,
die zu Punkten der Schaltung führen und von einer rechteckigen Platte 9
aus
Isoliermaterial getragen werden. Eine weitere Isolierplatte 10, deren Umriß mit
14 bezeichnet ist, deckt die Streifen teilweise ab. Die Außenflächen der beiden
Isolierplatten 9 und 10 weisen leitende Beläge 11 und 12 z. B. aus Kupferblech auf,
die durch eine Anzahl von durchgehenden Nieten 13 leitend miteinander verbunden
sind. Die Streifen 5, 6, 7, 8 bilden zusammen mit den sie umgebenden Belägen 11
und 12 eine Art von Koaxialleiter. Dem inneren Ende 19 des Streifens 6 gegenüber
ist eine Platte 15, im folgenden als Erdungsplatte bezeichnet, angeordnet, die in
die Isolierplatte 9 eingelassen und leitend mit den Platten 11 und 12 verbunden
ist. In einem Ausschnitt 30 der Isolierplatten 9 und 10 und ihrer Beläge 11 und
12 sind zwei schraubenförmig gewundene Spulenleiter 16 und 17 angeordnet, die an
einem Ende mit der Erdungsplatte 15 leitend verbunden sind. Da sich auf diesen Leitern
elektrische Wellen ausbilden, werden sie im folgenden auch als »Wellenleiter« bezeichnet.
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Die beiden Leiter 16 und 17 stimmen in ihrer äußeren Form genau überein,
wobei der eine das Spiegelbild des anderen ist, und sind elektrisch gleichwertig,
unterscheiden sich aber dadurch, daß der eine davon, nämlich der Leiter 16, als
Hohlleiter mit einem Innenleiter 18, der z. B. durch ein Isoliermaterial wie polymeri
si ertes Tetrafluoräthylen von dem äußeren rohrförmigen Leiter 16 isoliert sein
kann, ausgebildet ist.
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Der Leiter 17 kann ebenso wie der Leiter 16 aus einem Rohr, aber ohne
Innenleiter, oder aus einem massiven Kupferdraht bestehen. Das eine Ende des Innenleiters
18 ist mit dem inneren Ende 19 des Streifens 6 verbunden, während das andere Ende
bei seinem Austritt aus dem Rohrleiter 16 mit dem nicht geerdeten Ende des zweiten
Wellenleiters 17 verbunden ist.
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Die Verbindungsstelle ist in Fig. 6 vergrößert dargestellt. Zwei isoliert
gehaltene Metallblöcke 22, 23 dienen zur Befestigung der nicht geerdeten Enden der
beiden Wellenleiter 16, 17. Bei m tritt der Innenleiter 18 aus dem Hohlleiter 16
aus und ist bei n mit dem Block 23 bzw. dem Leiter 17 verbunden. In Ausnehmungen
31 und 50 der Isolierplatten 9 und 10 sind weiter zwei gleiche Widerstände 24 und
25 angeordnet, die je mit einem Ende mit einem der Blöcke 22 und 23 und am anderen
Ende gemeinsam mit dem inneren Ende 27 des Streifens 5 leitend verbunden sind.
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Der Ausschnitt 30 in den Isolierplatten 9 und 10 und deren Belägen
11 und 12 ist mit zwei von durchgehenden Nieten 34 gehaltenen und mit den beiden
Belägen 11 und 12 leitend verbundenen Metallkappen 32, 33 abgedeckt.
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Die Koaxialkupplung 40, deren Innenleiter mit dem Streifen 5 verbunden
ist, ist unmittelbar auf die Platte 9 aufgesetzt, so daß der Außenleiter mit dem
Belag 11 in leitender Verbindung steht. Die Koaxialkupplungen 41, 42, 43 sind auf
abnehmbaren Ansatzstücken 44 angebracht, die mit einer Schulter 45 dem Rande der
Platte 9 an- und mit der Unterseite 56 des abgesetzten Teils 46 der Platte 9 aufliegen.
Der Innenleiter jeder der genannten Kupplungen ist mit einem auf der abgesetzten
Unterseite56 der Ansätze44 frei liegenden leitenden Streifen 47 verbunden, der den
elektrischen Kontakt mit einem der Streifen 6, 7, 8 herstellt. Die frei liegende
Außenfläche der Ansatzstücke 44 ist allseitig mit einem mit dem Außenleiter einer
Kupplung verbundenen Metallbelag versehen, der über Bleche 58 und 48 mit den Belängen
11 bzw.
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12 in Verbindung steht. Schrauben 36, 37 dienen zur lösbaren Befestigung
der Ansatzstücke 44 mit den Kupplungen an den Platten 9, 10.
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Bei Verwendung der beschriebenen Brückenschaltung zu Messungen wird
an den Anschluß S eine von einem geeigneten Generator gelieferte Hochfrequenzspannung
angelegt, die gleich große und entgegengesetzte Spannungen an den Blöcken 22, 23
erzeugt, wenn bei I und II gleiche Belastungswiderstände angeschlossen sind. In
der Mitte des aus den beiden Widerständen 24, 25 bestehenden Spannungsteilers und
damit am Anschluß P ist dann keine Spannung vorhanden. Die Betriebsspannung kann
auch bei P zugeführt werden, und bei gleichen Belastungen an I und II ist dann am
Anschluß S keine Spannung vorhanden. Sind die an I und II liegenden Belastungen
ungleich, so entsteht bei Speisung der Brückenschaltung über den Anschluß P am Anschluß
S eine Spannung, die ein Maß für die Ungleichheit der Belastungen an I und II ist,
und umgekehrt.
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Schließt man an einen der Anschlüsse I und II einen Normalwiderstand
an und an den anderen unbekannte Impedanz mit z. B. einer Wirk- und einer Blindkomponente,
so kann aus der Phase und Größe der Fehlerspannung am Brückenausgange, bezogen auf
die Spannung, mit der die Brücke gespeist wird, auf den Wert des Verhältnisses zwischen
der unbekannten Impedanz und dem Normalwiderstand geschlossen werden. Die Brückenschaltung
nach der Erfindung kann in dieser Weise zu Messungen von Impedanzen verwendet werden.
Sie hat den Vorteil, kleine Abmessungen zu haben und für einen großen Frequenzbereich
verwendbar zu sein.
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Die Wellenleiter 16 und 17 werden jeweils so ausgeführt, daß sie
bei den vorgesehenen Betriebsfrequenzen eine möglichst große Impedanz aufweisen.
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Aus diesem Grunde sind sie im Beispielsfalle als Spulenleiter ausgebildet.
Die abgewinkelte Länge der Spulenleiter sollte weniger als eine halbe Wellenlänge
der höchsten vorgesehenen Betriebsfrequenz betragen, ohne sich davon größenordnungsmäßig
zu unterscheiden, es sei denn, daß ein magnetisierbarer Kern vorgesehen ist, in
welchem Falle die Länge entsprechend der Zunahme des magnetischen Flusses verringert
werden sollte.
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Die beiden schraubenförmig gewundenen Wellenleiter 16, 17 bilden
eine symmetrische Wellenleitung mit den Blöcken 22, 23 als Eingangsklemmen und mit
durch die Erdungsplatte 15 kurzgeschlossenem entferntem Ende. Die Eingangsimpedanz
einer solchen Wellenleitung ist angenähert gleich deren Wellenwiderstand multipliziert
mit dem Tangens der wirksamen Länge der Leitung, ausgedrückt in elektrischen Graden.
Durch die Schraubenform der beiden Leiter ist der Wellenwiderstand der Wellenleitung
wesentlich größer, im Beispielsfalle 200 Q, als für eine Leitung mit geraden Leitern.
Weiter entspricht die elektrische Länge der schraubenförmig gewundenen Leiter zumindest
in grober Annäherung ihrer abgewikkelten Länge. Aus diesen Gründen kann man schon
mit Leitern von verhältnismäßig geringer Länge einen großen Wert der reaktiven Eingangsimpedanz
an den Punkten 22, 23 erzielen. Man nähert sich damit dem Idealfall, in welchem
die Spannungsverteilung auf der Brücke bzw. der Eingangswiderstand der Schaltung
am Koaxialanschluß S allein von den Werten der Widerstände 24, 25 und der an I und
II angeschlossenen Belastungen abhängt. So erklärt es sich, daß mit der Brückenschaltung
nach der Erfindung sehr genaue Messungen bei Frequenzen bis 1000 MHz ausgeführt
werden können.
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Die Schaltung kann auch ohne die beschriebenen Platten aus dielektrischem
Material unter Verwendung
nur weniger isolierter Stützen zwischen
den AIetallteilen aufgebaut werden. An Stelle der Abschirmplatten kann ein geschlossenes
Gehäuse vorgesehen sein.
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Die Anwendung der Schaltung ist nicht auf Brücke kenmessungen beschränkt;
sie kann auch für andere Zwecke. bei denen eine Schaltung mit zwei konjugierten
Kreisen benötigt wird, verwendet werden, z. B. zur Bildung der Summe und Differenz
zweier hoch frec!uenter Wechselspannungen der gleichen Frequenz.
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PATENTANSPRVCHE 1. In ein Abschirmgehäuse eingeschlossene Brückensehaltung
mit vier einpolig mit dem Gehäuse verbundenen Koaxialansehlüssen für Sender, Empfänger
und zwei zu vergleichende Widerstände. für Widerstandsmessungen im Frequenzgehiet
bis etwa 1000 AIHz und einem größten Wert des Verhältnisses der zulässigen Frequenzen
von etwa 1 : 5, ohne Abstimmung, insbesondere als Reflektometer, dadurch gekennzeichnet,
daß der in einer Brückendiagonale liegende Sender (Empfänger) über eine vorzugsweise
Schrauben form aufweisende Symmetrierschleife angeschlossen ist, die zusammen mit
einer an die symmetrischen Ausgangspole der Symmetrierschleife angeschlossenen Reihenschaltung
zweier vorzugsweise gleicher Ohmscher Widerstände in dem Abschirmgebäuse eingeschlossen
ist, und daß die
Innenleiter der Koaxialanschlüsse für die zu vergleichenden Widerstände
ebenfalls an die symmetrischen Ausgangspole der Symmetrierschleife und der Innenleiter
des Koaxialansehlusses für den Empfänger (Senderj an den zwischen den beiden Ohmschen
Widerständen liegenden Knotenpunkt angeschlossen sind.
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2. Hochfrequenzbrückenschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die Symmetrierschleife so ausgebildet ist, daß in einem vorgegebenen Frequenzbereich
die durch die Schleife bewirkte frequenzabhängige, reaktive Belastung der den symmetrischen
Ausgangspolen der Symmetrierschleife entsprechenden Knotenpunkte der Brücke vernachlässigbar
ist.
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3. Hocbfrequenzbrückenschaltung nach Auspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,
daß der Brückenaufbau symmetrisch zu der am Knotenpunkt zwischen den beiden Ohmschen
Widerständen liegenden Diagonale ist.