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Verfahren und Einrichtung zur fortlaufenden Messung der Änderungen
eines komplexen Übertragungsmaßes oder Reflexionsfaktor bei Mikrowellen Die Erfindung
betrifft ein Verfahren und eine Einrichtung zur fortlaufenden Anzeige. von Phasen-
und Amplitudenänderungen in einem Übertragungskanal bei nahezu konstanter Frequenz.
Das Hauptanwendungsgebiet der Erfindung ist die Messung des komplexen Brechungsindex
eines Plasmas mittels Mikrowellen.
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Gewisse Aufschlüsse über die Vorgänge in einem Plasma, wie Verlauf
der Elektronenkonzentration, der Temperatur usw. lassen sich bekanntlich dadurch
gewinnen, daß man das Plasma mit elektromagnetischen Wellen durchstrahlt und laufend
die Absorption und Phasenverschiebung rnißt, die die das Plasma durchsetzende Strahlung
erleidet. Man verwendet hierzu zweckmäßigerweise Zentimeter- bzw. Millimeterwellen.
Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht also darin, die Phasen- und
Amplitudenänderungen fortlaufend anzuzeigen, die eine elektromagnetische Schwingung
erleidet, wenn sie ein Medium, insbesondere ein Plasma durchsetzt, dessen komplexer
Brechungsindex laufenden Änderungen unterworfen ist. Das Verfahren und die Einrichtung
gemäß der Erfindung können aber auch bei Meßaufgaben Verwendung finden, bei welchen
sich die »elektrische Weglänge« in einem Übertragungskanal durch eine andere Ursache
ändert, z. B. durch Änderung des Abstandes Sender-Empfänger oder des Abstandes eines
Strahlers von einem Reflektor.
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Es sind bereits eine Anzahl von Verfahren zur Phasenmessung bekannt.
Bei einem bekannten Verfahren wird auf dem Bildschirm einer Polarröhre mit der Meßfrequenz
eine kreisförmige Zeitbasis geschrieben; an zwei Stellen, die dem Nulldurchgang
zweier Meßspannungen entsprechen, wird die Zeitbasis radial ausgelenkt. Die Ablenkspannungen
werden aus den beiden in der Phase zu vergleichenden Meßspannungen durch sogenannte
Nullimpulsgeräte erzeugt, die beim Nulldurchgang der betreffenden Meßspannung einen
kurzen Impuls liefern. Dieses Verfahren eignet sich jedoch nicht für sehr hohe Frequenzen,
eine gleichzeitige Anzeige der Amplitude der Meßspannungen und damit der Absorption
in einem Meßkanal ist nicht möglich.
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Bei einem anderen Verfahren, das mit einer Phasenbrücke arbeitet,
wird auf einer normalen Braunschen Röhre eine gerade Linie geschrieben, die als
Zeiger über einer in Winkelgraden geeichten Skala spielt. Dieses Verfahren beruht
auf der Tatsache, daß sich durch Summen- und Differenzbildung aus zwei Meßspannungen
zwei Ablenkspannungen für die Röhre herleiten lassen, die gleich- oder gegenphasig
sind, deren Größenverhältnis aber ein eindeutiges Maß für die Phasendifferenz ist.
Die Summen- und die Differenzspannung werden durch entsprechende Phasenschieber
um 45° vor- bzw. zurückgedreht und die so erhaltenen Spannungen auf die Ablenkplatten
der Braunschen Röhre gegeben. Auch dieses Verfahren ermöglicht keine gleichzeitige
Amplitudenanzeige.
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Das Verfahren gemäß der Erfindung zur fortlaufenden Messung der Änderungen
eines komplexen Übertragungsmaßes oder Reflexionsfaktors bei sehr hohen Frequenzen
bzw. Mikrowellen arbeitet mit einem sägezahnförmig frequenzmodulierten Hochfrequenzgenerator,
dessen Energie verzweigt wird in einen das veränderliche Übertragungsmaß oder den
veränderlichen Reflexionsfaktor aufweisenden Meßkanal und in einen Vergleichskanal
mit abweichender Laufzeit sowie mit zwei Anordnungen zur getrennten oder vektoriell
kombinierten Anzeige der Augenblickswerte zweier niederfrequenter Spannungen im
Zeitpunkt eines diesen Anordnungen zugeführten periodisch wiederkehrenden Impulses.
Es ist dadurch gekennzeichnet, daß der Frequenzhub des Hochfrequenzgenerators auf
einen Wert eingestellt ist, der eine Phasendrehung von 2-,T zwischen den Ausgangsspannungen
der zwei Kanäle für jede Periode der Sägezahnfunktion bewirkt, daß ferner diese
beiden Ausgangsspannungen in einer Mischstufe überlagert werden; daß weiterhin die
hierbei entstehende Interferenzspannung einem vorwiegend die Grundfrequenz der Sägezahnfunktion
übertragenden Verstärker zugeführt wird, und daß durch die Anordnung die Phasenlage
der Interferenzspannung zum Zeitpunkt des periodisch wiederkehrenden Impulses, der
zeitlich mit der sägezahnförmigen
Modulationsspannung des Hochfrequenzgenerators
synchronisiert ist, angezeigt wird. Der elektrische Längenunterschied bzw. der Laufzeitunterschied
zwischen Meß- und Vergleichskanal wird vorzugsweise relativ groß gewählt, z. B.
in der Größenordnung von 102 ..: 104 Wellenlängen der Meßfrequenz, so daß der Frequenzhub
dementsprechend klein wird; vorzugsweise <10-3.
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Die Anordnung zur Anzeige der Augenblickswerte enthält vorzugsweise
mindestens eine Kathodenstrahloszillographenröhre, der Impuls wird dabei zur Helltastung
benutzt.
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Die Erfindung soll nun an Hand der Zeichnungen näher erläutert werden.
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Fig.1 zeigt eine Einrichtung zur fortlaufenden Messung der Änderungen
eines komplexen Übertragungsmaßes, wie sie zur Ausübung des Verfahrens gemäß der
Erfindung dienen kann, und Fig.2 zeigt eine Einrichtung zur fortlaufenden Messung
der Änderungen eines komplexen Reflexionsfaktors, die in den Grundzügen der Anordnung
nach Fig. 1 entspricht, in mehreren Einzelheiten jedoch abgewandelt ist.
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Fig. 1 zeigt als Ausführungsbeispiel der Erfindung eine Mikrowellenapparatur
zur fortlaufenden Messung der Übertragungseigenschaften einer Plasmaentladung 1.
Zur Erzeugung der Meßschwingungen dient ein Hochfrequenzgeneratör 2, der beispielsweise
ein Klystron enthalten kann, die Meßfrequenz kann z. B. 34 GHz betragen. An den
Ausgang des Hochfrequenzgenerators 2 ist ein Hohlleiter 3 angeschlossen, der über
eine Verzweigung 4 einen Meßkanal 5 und einen Vergleichskanal 6 speist. Der
Meßkanal enthält einen Hornstrahler 7 als Sendeantenne und eine entsprechende Anordnung
8 als Empfangsantenne und endet am einen Eingang einer Mischstufe 9. Der Vergleichskanal
enthält eine Umwegleitung 10 und nach Wunsch einen Phasenschieber 11 sowie einen
Abschwächer 12 und endet am anderen Eingang der Mischstufe 9. Die Mischstufe 9 soll
ein Ausgangssignal liefern, das der Amplitude des Signals aus dem Meßkanal5 proportional.
ist, sie kann also zum Beispiel eine Mischdiode enthalten, die durch das Signal
aus dem Vergleichskanal in den linearen Bereich ihrer Kennlinie ausgesteuert wird,
während das Signal aus dem Meßkanal5 eine. im Vergleich dazu kleine Amplitude besitzt.
Wenn nötig kann auch im Meßkanal ein Abschwächer 13 eingeschaltet sein. Die Ausgangsspannung
des Oszillators 2 wird durch einen Modulator 14 sägezahnförmig frequenzmoduliert.
Bei einem Klystron-Oszilator kann die Frequenzmodulation durch eine Änderung der
Reflektorspannung erfolgen. Gemäß der Erfindung wird nun der Frequenzhub im Verhältnis
zum Wegunterschied zwischen Meßkanal und Vergleichskanal so bemessen, daß sich zwischen
den Ausgangsspannungen des Meß- und Vergleichskanals. eine Phasendrehung von 2 n
für jede Periode der Sägezahnfunktion ergibt. Diese Bedingung braucht -jedoch nicht
unbedingt exakt erfüllt sein, wie später noch erläutert werden wird. Die Ausgangsspannung
der Mischstufe 9 wird nun über einen Verstärker 15 einem Phasenspaltungsnetzwerk
16 zugeführt, das an seinen beiden Ausgängen zwei gegeneinander um n/2 verschobene
Spannungen liefert. Die Stufe 29 soll vorerst außer Betracht bleiben. Diese beiden
Spannungen können, wie in Fig. 1 dargestellt ist, den beiden Plattenpaaren eines
Kathodenstrahloszillographen zugeführt werden, so daß der Elektronenstrahl eine
Kreislinie schreibt. Der Durchmesser des Kreises ist ein Maß für die Amplitude der
vom Meßkanal gelieferten Spannung, wenn die Mischdiode durch die Spannung aus dem
Vergleichskanal in den linearen Bereich ausgesteuert wird und die Amplitude des
Signales aus dem Meßkanal demgegenüber klein ist.
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Der Strahl des Oszillographen ist durch eine entsprechende Einstellung
der Wehneltspannung verdunkelt und wird durch Impulse hell getastet, die mit der
Modulationsspannung aus dem Modulator 14 synchronisiert sind. Die Helltastimpulse
17 auf der Leitung 18 besitzen also dieselbe Wiederholungsfrequenz wie die vom Modulator
14 gelieferte Sägezahnspannung; sie können in bekannter Weise dem Wehneltzylinder
der Braunschen Röhre im Oszillographen 19 zugeführt werden.
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Zur Erklärung der Wirkungsweise der Anordnung nach Fig. 1 soll angenommen
werden, daß die elektrische Länge des Meßkanales zwischen der Verzweigung 4 und
der Mischstufe 9 h und die Länge des Vergleichskanales zwischen diesen beiden Stellen
12 betrage. Der eine Kanal ist also (l2-h)/Ao = N Wellenlängen länger, wobei
2, die Wellenlänge der Meßschwingung ist. Ist der durch die Sägezahnspannung
16 gesteuerte Frequenzhub nun gerade so groß, daß sich die Wellenlänge um Ao/N ändert,
so verschieben sich die Phasen der Meßschwingung und der Vergleichsschwingung am
Eingang der Mischstufe 9 im Verlaufe des so bemessenen Frequenzhubes gerade um 2
7r, die Ausgangsspannung der Mischstufe durchläuft eine volle Periode, der Elektronenstrahl
im Oszillographen 14 beschreibt einen vollen Kreis. Die Impulse 17 stehen in einer
festen Relation zu der Phase der Schwingung im Vergleichskanal, die keinen äußeren
Einflüssen unterworfen ist und mittels des Phasenschiebers 11 beliebig eingestellt
werden kann. Auf dem Bildschirm des Oszillographen 19 erscheint unter diesen Voraussetzungen
ein Leuchtpunkt, dessen winkelmäßige Auswanderungen ein Maß für die Änderungen der
elektrischen Weglänge im Meßkanal 5 sind und dessen radiale Auswanderungen ein Maß
für die Änderungen der Dämpfung im Meßkanal liefern.
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Damit die Interferenzspannung am Ausgang der Mischstufe 9 gerade eine
volle Periode durchläuft, muß der Frequenzhub des Oszillators 2 also o@ Ao/N betragen.
Bei einer gegebenen Wellenlänge AO wird der Hub also um so kleiner, je größer der
Unterschied (l2-l,@ der elektrischen Längen der beiden Kanäle ist. In einem praktischen
Ausführungsbeispiel betrug die Meßfrequenz 34 GHz, A, = 8,8 mm, und die Umwegleitung
10 bestand aus einem zu einer weiten Wendel aufgewickelten etwa 20 m langen Rechteckhohlleiter,
war also etwa 2000 Wellenlängen lang. Die Wobbelfrequenz betrug dementsprechend
etwa 17 MHz.
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Wenn die 2n-Bedingung nicht genau erfüllt ist, treten in der Ausgangswechselspannung
der Mischstufe Unstetigkeiten auf. Bei der Anordnung nach Fig. 1 wird die Kreislinie
im Oszillographen 19 dann nicht vollständig geschrieben, sondern der Punkt
springt nach Durchlaufen eines bestimmten Stückes des Kreisbogens abrupt in seine
Anfangsstellung. Dies kann dadurch vermieden werden, daß man zwischen den Verstärker
15 und das Phasenspalternetzwerk 16 ein auf die Grundfrequenz der sägezahnförmigen
Modulationsspannung abgestimmtes Filter 29 einschaltet. Die Kreislinie wird dann
voll ausgeschrieben,
auch wenn die Ausgangsspannung der Mischstufe
Unstetigkeiten aufweist. Die Phasenanzeige wird dadurch nicht beeinflußt, es wird
lediglich der Meßbereich eingeschränkt, wenn die durch die Modulation hervorgerufene
Phasenverschiebung kleiner als 2ac ist. Ist die Phasenverschiebung größer als 27t,
so können Phasenmehrdeutigkeiten entstehen.
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Fig.2 zeigt eine Anordnung zur Messung eines komplexen Reflexionsfaktdrs
bei sehr hohen Frequenzen, die auf denselben Grundprinzipien arbeitet, wie die Anordnung
nach Fig. 1. Gleiche Bauelemente wie in Fig. 1 sind mit gleichen Bezugszeichen versehen.
Der Hornstrahler 7' dient in diesem Falle sowohl zum Senden als auch zum Empfang.
Die vom Oszillator 2 über die Leitung 3 gelieferten höchstfrequenten Schwingungen
werden vom Hornstrahler 7' abgestrahlt, von dem zu untersuchenden Medium 20 reflektiert,
vom gleichen Hornstrahler 7' wieder empfangen, durch einen Richtungskoppler 21 ausgekoppelt
und gegebenenfalls über einen Abschwächer 13 dem einen Eingang einer Mischstufe
9' zugeführt. Der Vergleichskanal 6 ist wieder über eine Verzweigung 4 an die Leitung
3 angeschlossen, enthält eine Umwegleitung 10 und falls erforderlich einen Phasenschieber
11
und einen Abschwächer 12 und endet am anderen Eingang der Mischstufe 9'.
Die Mischstufe ist hier als symmetrische Mischstufe dargestellt, sie kann aus einer
entkoppelten Verzweigung nach Art eines magischen T bestehen, in deren entkoppelten
Armen zwei Kristalldioden-Detektoren angeordnet sind, während die beiden anderen
Arme als Eingänge dienen.
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Die beiden Ausgänge der Mischstufe 9' sind an einen Differenzverstärker
21 angeschlossen. Der Ausgang des Differenzverstärkers (führt über einem Phasenspaltungsnetzwerk
16) zu den senkrechten Plattenpaaren einer ersten Braunschen Röhre 22 und
einer zweiten Braunschen Röhre 23. Die waagerechten Plattenpaare beider Braunscher
Röhren werden mit Zeitablenkspannungen beaufschlagt, deren Frequenz frei wählbar
ist, vorzugsweise wird die Zeitablenkung jedoch mit der Sägezahnspannung synchronisiert,
die Zeitablenkfrequenz beträgt vorzugsweise ein ganzes Untervielfaches der Modulationsfrequenz
und kann beispielsweise über einen Frequenzteiler 24 aus der Modulationsspannung
abgeleitet werden. Bei der Anordnung nach Fig.2 wird der Frequenzhub vorzugsweise
so gewählt, daß er einer Phasenverschiebung von n an den Eingängen der Mischstufe
9' entspricht. Die eine Oszillographenröhre 22, die zur Darstellung des Imaginärteiles
des Reflexionsfaktors dient, wird, wie bei der Anordnung nach Fig. 1, durch einen
Impuls hellgetastet, der mit der Modulationsspannung synchronisiert ist.
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Während bei der Anordnung nach Fig. 1 die Helltastungsimpulse beispielsweise
von der Rückflanke der Sägezahnspannung abgeleitet wurde, wird bei der Anordnung
nach Fig. 2 der Helltastimpuls in einer Art und Weise erzeugt, durch die Schwankungen
ausgeschaltet werden, die ein Unscharfwerden des Impulses zur Folge haben können.
Solche Schwankungen können beispielsweise durch Hystereseerscheinungen im Klystron,
durch mechanische Vibrationen und dergleichen hervorgerufen werden. Zur Erzeugung
des Helltastimpulses wird aus dem Meßkanal 5 durch eine Verzweigung 27 vor dem Richtungskoppler
21 Hochfrequenzenergie abgezweigt und einer Mischstufe 25 zugeführt, die genauso
ausgebildet sein kann wie die Mischstufe 9 oder 9'. Der zweite Eingang der Mischstufe
25 ist an den Vergleichskanal 6 hinter der Umwegleitung 10 angeschlossen, so daß
an den Eingängen der Mischstufe 25 dieselben Bedingungen vorliegen, wie an den Eingängen
der Mischstufen 9 und 9'. Am Ausgang der Mischstufe 25 tritt also ebenfalls eine
sinusförmige Interferenzspannung von der Frequenz der Modulationsspannung auf. Aus
dieser Sinusspannung, werden nun in irgendeiner geeigneten Weise die Helltastungsimpulse
abgeleitet, z. B. mittels eines Nulldurchgangsimpulsgenerators unter Verwendung
einer Doppelgitterröhre mit gegenphasig gespeisten Gittern, oder mittels eines Schmitt-Triggers
durch Verzerrung, Begrenzung und Differenzierung usw. Da die Ausgangsspannung des
Mischers 25 dieselben Störeffekte enthält wie die zur Darstellung des Meßergebnisses
dienenden Spannungen, heben sich die Störungen auf, und es wird ein scharfer Punkt
geschrieben, dessen Lage von Hystereseerscheinungen im Klystron usw. unabhängig
ist.
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Die Oszillographenröhre 23 dient zur Anzeige der Reflexionsdämpfung,
also des Realteils des Reflexionsfaktors. Die einfachste Darstellungsart besteht
darin, daß man die vom Verstärker 21 gelieferte Wechselspannung, deren Amplitude
ein Maß für die Reflexionsdämpfung ist, dem senkrechten Plattenpaar des Oszillographen
23 zuführt. Die Hüllkurve der Schwingung der Modulationsfrequenz ist dann ein Abbild
der zeitlichen Schwankungen der Reflexionsdämpfung. Eine gefälligere Darstellung
erhält man, wenn man die Ausgangsspannung des Verstärkers 21
in einer Demodulatorstufe
28 gleichrichtet und die Modulationsfrequenz des Modulators 14 wegfiltert, die ja
in der Praxis wesentlich höher liegen muß als die maximale Frequenz der Änderungen
des Reflexionsfaktors.
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Die in Verbindung mit Fig. 2 beschriebenen Schaltungsmaßnahmen können
natürlich auch bei der Anordnung nach Fig. 1 getroffen werden und umgekehrt.
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Die beschriebenen Anordnungen sind sehr einfach und erlauben eine
gleichzeitige Phasen- und Amplitudendarstellung auch bei extrem hohen Frequenzen
mit einfachsten Mitteln ohne Zuhilfenahme eines zusätzlichen Oszillators. Die durch
den Modulator bewirkte Frequenzänderung kann im Verhältnis zur Meßfrequenz sehr
klein sein, die Messung erfolgt daher bei nahezu konstanter Frequenz. Durch einen
in einem der beiden Kanäle vorgesehenen Phasenschieber kann der Nullpunkt der Phasenanzeige
an eine beliebige Stelle der Anzeigevorrichtung gelegt werden. Die Phasenverschiebungen
in der Höchstfrequenz werden in proportionale Phasenverschiebungen einer beliebig
niederen Frequenz umgesetzt, die leicht zur Darstellung gebracht werden können.
Außerdem ist eine gleichzeitige Amplitudenanzeige mit geringstem Aufwand möglich.
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Die Anordnung nach Fig. 1 kann bezüglich des Realteiles leicht mittels
des Abschwächers 13 geeicht werden, die phasenmäßige Eichung kann durch Einsetzen
von Scheiben bekannten Brechungsindex und bekannter Dicke zwischen die beiden Hornstrahler
erfolgen. Die phasenmäßige Eichung der Anordnung nach Fig. 2 geschieht am einfachsten
durch mikrometrische Verschiebung des Reflektors 20.
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Bei der in Fig. 1 dargestellten Anordnung kann der Bildschirm der
Polarröhre 19 mit einem Smith-Diagramm versehen werden. Falls besonderer Wert auf
kleinen Frequenzhub gelegt wird, kann dieser so
bemessen werden,
daß sich in Verbindung mit der Länge der Umwegleitung am Ausgang der Mischstufe
pro Frequenzhub nur eine Viertelperiode einer Sinusschwingung ergibt. In diesem
Falle wird dann der Mischstufe ein auf die Grundwelle der Modulationsspannung abgestimmter,
selektiver Verstärker oder eine entsprechende Filteranordnung nachgeschaltet. Der
Frequenzhub kann dann in der Größenordnung von 5 - 10-s der Meßfrequenz liegen.