DE1766554A1

DE1766554A1 - Anordnung zur Messung des Reflexionsfaktors

Info

Publication number: DE1766554A1
Application number: DE19681766554
Authority: DE
Inventors: Sinclair Donald B; Mackenzie Thomas E
Original assignee: General Radio Co
Current assignee: General Radio Co
Priority date: 1967-06-14
Filing date: 1968-06-12
Publication date: 1971-07-29
Also published as: GB1182733A; US3479587A; NL6808335A

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung zur Messung des Reflexionsfaktors und ist insbesondere für Anordnungen bestimmt, die unter Verwendung eines Baluntransformators und eines Mikrowellenleistungsteilers zusammengestellt sind.

Bei derartigen Anordnungen enthielt der Leistungsteiler eine Vielzahl von in T- oder Dreieckform aufgebauten Wideretandskrelsen, die durch angepasste Koaxialübertragungskabel die eine phaeenversohobene symmetrische Wechselspannung liefernden Ausgangsklemmen des Baluntransformators «it Anschlüssen verbanden, die durch gee lohte bzw. unbe-

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kannte Impedanzen abgeschlossen waren, und einem weiteren Anschluss, an den ein angepasstes Nullinstrument angeschlossen war« Das Nullinstrument misst dann direkt den komplexen Reflexionsfaktor der unbekannten Impedanz, In Anbetracht des Vorhandenseins wirksamer Wegstrecken der Übertragungskabelteilstücke in den Verbindungen der Widerstandsschaltung des Leistungsteilers wurden bei hohen Frequenzen ausgelöschte Phasendrehungen festgestellt, die sich in das Ergebnis mit unterschiedlicher Wirkung einführten, je nachdem, ob sie sich in der Schaltungsanordnung addierten oder subtrahierten. Dies schlägt sich in einer, von der Frequenz abhängigen Veränderung des Eichfaktors oder der Proportionalitätskonstanten (später im Zusammenhang mit der Konstanten K näher erläutert) der Reflexionsfaktormessung nieder. Obwohl diese frequenzabhängige Veränderung durch Einfügen von Dämpfungsgliedern in die Verbindungen der Schaltung verringert werden könnte, würde dies eine entsprechende unerwünschte Verringerung des Ausgangssignales zur Folge haben.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es demzufolge, «ine neue und verbesserte Anordnung zur Messung des Reflexionsfaktors mit einem derartigen Verhalten au schaffen, dass in hohem Masse die frequenzabhängige Veränderung und die damit verbundenen Probleme Überwindet, ohne das zur Ver-

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fügung stehende Signal zu verringern. Erfindungsgetnäss wird dazu vorgeschlagen, dass eine annähernd konstante Wechsel— Spannungsquelle, ein Paar Anschlussklemmen und eine vorherbestimmte Impedanz mit symmetrischen, phasenverschobenen Ausgangsgrössen versorgt, wobei eine mit fünf Anschlüssen entlang der Viderstandskette konzentriert aufgebaute Spannungstellerschaltung vorgesehen ist, mit Verbindungen vorgenannter Anschlussklemmen zu zwei Anschlüssen, Verbindungen einer Abschlussimpedanz zu einem dritten Anschluss-Verbindungen eines an die vorherbestimmte Impedanz angepassten Nullinstrumentes zu einem vierten Anschluss, Verbindungen einer unbekannten Impedanz, deren komplexer Reflexionsfaktor, bezogen auf die genannte Abschlussimpedanz gemessen werden soll, zu einem fünften Anschluss und bei der weiterhin die Widerstände der Kette derart bemessen sind, dass das Nullinstrument angenähert eine Nullstellung anzeigt, wenn die Impedanz der unbekannten Impedanz alt der vorgenannten Abschlussimpedanz übereinstimmt, eine angenäherte Nullreflexion am fünften An-Schluss dann auftritt, wenn alle anderen Anschlüsse wirksam mit der vorherbestimmten Impedanz abgeschlossen sind und ein verhältnismässig geringer Einfügungeverlust zwischen der Yecheelspannungsquelle und dem Nullinstrument bei nicht angepasstem, fünften Anschluss gegeben ist.

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Auf diese Weise erreicht man die fast vollständige Vermeidung der wirksamen Übertragungskabelverbindungen der Leistungsteilerschaltung, und zwar dadurch, dass anstelle der Leistungsteilerschaltung eine neue, konzentriert aufgebaute Schaltung vorgesehen ist, die aus einem Spannungsteiler mit Vielfachanschlüssen besteht· Die Erfindung eignet sich auch für radiofrequente Impedanzmessungen allgemeiner Verwendbarkeit·

Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung sind nachstehend anhand des in der Zeichnung dargestellten AusfUhrungebeispiels näher erläutert.
In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 einen schematischen Schaltplan einer bevorzugten Ausführungβform,

Fig. 2 ausschnittsweise dargestelle Sohalt- * plane eines abgewandelten konzentrisch aufgebauten Stromkreises sur Verwendung in dem Brückensystem der Fig. 1,

In Fig. 1 ist ein unsymmetrischer Generator oder eine Wechselspannung β quelle mit 2 bezeichnet, die einen Baluntransformator, dargestellt als ein Paar gleichartige KoaxialkabelttilstUokt i - i¹, 3 - 3' speist. Seine äusseren Leiter sind Ubtr «int

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Ummantelung 6 kurzgeschlossen und seine inneren Leiter I¹ und 3¹ werden über Reihenwiderstände R^ und R„ von einem gemeinsamen Speisekoaxialkabelleiter 4' — k gespeist. Der innere Leiter 4¹ der gemeinsamen Speiseleitung ist am Verbindungspunkt J mit dem Widerstand R. und der äussere Leiter 4 (bei G geerdet) ist über den Widerstand R„ mit dem inneren Leiter 3^f des Koaxialkabelteilstückes 3-3* verbunden. Die Widerstände R₁ und R„ haben vorzugsweise einen Wert, der mit der charakteristischen Impedanz der Koaxialkabelteilstücke 1 - i¹ und 3-3' und der, einer im folgenden beschriebenen charakteristischen Schaltungsimpedanz Z₀, z.B. von 50 Ohm übereinstimmt. Zwischen dem Verbindungspunkt J und dem äusseren Leiter h der gemeinsamen Speiseleitung ist eine zwischengeschaltete Diode D dargestellt, um die Spannung bei J zu überwachen, so dass sie mit der Frequenz und der Veränderung des Reflexionsfaktors der später erläuterten unbekannten Abschlussiupedanz Z , bezogen auf die später erläuterte, abschliessende Eichimpedanz Z konstantgehalten werden kann.

Nach Masegabe der vorliegenden Erfindung ist an die Ausgangsklemmen P. und P„ des Baluntransformators eine konzentriert aufgebaute Schaltung eines Spannungsteilers 8 angeschlossen. Seine aneinandergereihten Widerstandselemente sind so eng wie Böglioh aneinandergebaut und haben mindestens fünf Anschlüsse

*1* ^P2» ^P3* ^P4 ^{und P}5* ^{an den Verl)indun}geⁿ aufeinanderfolgende Widerstände. Dit engmaschigen Widerstände R-, R-' , R

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R₅ ¹ " und R₃"¹' der Fig. i können z.B. aus fileartigen Chrom-Nickel-Widerständen bestehen, die konzentriert in einer klein-dimensionierten Kette auf eine isolierende Platte aus Keramik (allgemein mit θ bezeichnet) angeordnet sind.

In der tatsächlichen Ausführungsform hat es sich als vorteilhaft erwiesen, um es einer solch kleinen Widerstands— kette zu ermöglichen, beständig Wirkleistung aufzuzehren, den Film auf eine Berylerdeplatte aufzubringen, die eine hohe Wärmeleitfähigkeit hat. Die aufgebrachten Widerstände können weniger als 2,5 mm lang und 1,5 es breit und die Platte weniger als 1,5 mm dick sein_o

In dem vorliegenden Beispiel stellt die Kette ein fünfseitig geschlossenes Poligon dar, das weitgehend jede wirksame Übertragungsleiterstrecke zwischen aufeinanderfolgenden Widerständen ausschliesst. Dabei ergeben sich zwei Anschlüsse P, und P₂ zum Empfang der phasenversohobenen gleichgrossen Speisespannungen des Baluntranefomatore 6 - i - i¹ -3-3', ein dritter Über die geeichte Impedanz Z geerdeter Abschluss P-, ein fünfter über die unbekannte Impedanz Z geerdeter Anschluss P. und ein vierter Anschluss P., an den das angepasste Nullinstrument, mit V₀ bezeichnet, angeschlossen ist. Es ist z„B. festgestellt worden, dass die Widerstände

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R_....R_^fltt das angenähert I ■ /fache der charakteristischen Schaltungsimpedanz Z_Q sein sollen, um an den Enden zu erreichen, dass

1) angenähert ein Nullsignal am Anschluss P. des NullInstrumentes erscheint, wenn die Impedanz der unbekannten Impedanz Z «it Z übereinstimmt.

χ s

2) Eine Nullreffexion am fünften Anschluss P- gegeben ist, wenn man alle anderen Anschlüsse wirklich mit der charakteristischen Schaltungsimpedanz Z_ abgeschlossen hat.

3) Ein verhältnisaässig kleiner EinfUgungsverlust zwischen der Wechselspannungsquelle und dem Nullinstrument mit bei Anschluss P- nicht angepasstem Stromkreis gegeben ist.

Unter diesen Bedingungen, wenn Z « Z₀, ist die Brückenausgangs- oder -verstiimungsgrusse, gemessen durch das Nullinstrument V_ß am Anschlusspunkt P- direkt proportional dem komplexen Reflexionsfaktor Γ des unbekannten Abschlusses Z (bezogen auf Z ) and der wirksamen Speisespannung V am Knotenpunkt J. Das bedeutet, Γ »r ^ , worin K der obenerwähnte Eich-

faktor oder die Proportionalitätskonstante ist, die eine komplexe Grosse, wie die anderen Parameter V_n. V und Γ »ei« kann, ' D' g /X

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- fr Ί

Wenn V konstantgehalten wird, dann ist P direkt proportional

S I * -

ZU V^ ο

In Fig_e 2 ist ein achtseitig geschlossenes Vieleck einer konzentriert aufgebauten Sohaltung eines Spannungsteilers dargestellt« Es versteht sich natürlich, dass auch mehr als aoht Widerstände verwendet werden könne η _e Ausserhalb der ftinf An-™ Schlüsse P, - P- (links in der Figur eingezeichnet) ist jeder zusätzliche Widerstandsknotenpunkt (beispielsweise J*) über einen weiteren Widerstand (beispielsweise R*) bei 0 geerdet dargestellte

Es ist für die obigen Ergebnisse festgestellt worden, dass jeder der Widerstände der Kette einen Wert von ( a«Zo) haben soll, worin "a" die positive reale Wurzel des Ausdruckes

a + 6a* + 6a - 12a - 12 « 0 ist, "a" 1st angenähert gleich P 1*332,··, was etwa einem Wert von vierdritteln entspricht. Jeder der weiteren Widerstände R¹ ist dann vorzugsweise von einem Wert, der angenähert Z₀ gleichkommt.

Um die Wirksamkeit der Erfindung im Vergleioh mit dem vorher erwähnten T-förmig aufgebauten Leistungsteiler au veransohauliohen, ist festgestellt worden, dass die maximale Veränderung im Betrag der Eichkonstanten K etwas weniger als die Hälfte des Wertes ist, der sich mit dem T-förmig aufgebauten Leitungsteiler fUr angenähert das gleiche Ausgangsamplitudenslgnal btl

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Vjj ergibt, Spezifisch ist für eine Ausgangsamplitude V_D von etwa 0.047 (gemessen ohne Phasenverdrehung zwischen den Anschlüssen P, und P-) eine maximale Veränderung in der Amplitude von K, wenn in der Tat Phasendrehung vorhanden ist, von etwa 25% für den T-förmig aufgebauten Leistungsteiler, im Vergleich zu etwa 12% für die konzentriert angeordnete Kettenschaltung der Fig. 2„ Bei der Ausführung naoh Fig. 3 ist der konzentriert aufgebaute kettenartige Kreis 8^fl offen, enthält Anschlüsse P^ und ' P„, die über Widerstände R¹¹, vorzugsweise von einem Wert S χ Z₀ geerdet sind. Mit der abgeänderten Erdungsweise nach Fig· sind Ergebnisse erreichbar, vergleichbar denen der konzentriert aufgebauten Kette mit aoht Widerständen nach Fig. 2, Die Eingangsimpedanz der Baluntransformatorummantelung 6, die einen kurzgeschlossenen Übertragungsleiter darstellt, verändert eich mit der Frequenz» Um jedoch die Belastung Über die Spannungsquelle als Ergebnis dieser Veränderung kleinstmöglich zu halten, und in Sonderheit das Auftreten einer Kurzsohlussbelastung für die | Diode D zu vermeiden, wenn die Länge de· Leiters ein vielfaches einer halben Wellenlänge der Frequenz der Weoheelspannungequelle 2 beträgt, kann verlustbehaftetes Dielektrikum zur Dämpfung, wie in Flg. 1 duroh LD angedeutet, benutzt werden, die Ummantelung zu füllen oder teilweise zu füllen·

Bin« Magnetische Belastung in der Umnantelung (beispielsweise Ferrite) können ebenfalls dort' bei LD aus dem gleichen Grund benutzt werden und um zusätzlich die Impedanz bei kleinen

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Frequenzen zu vergrüssern, um auf diese Weise die Grenzen der Niederfrequenz für Messungen zu erweitern«

Weitere Ausgestaltungen werden dee Faohaann möglioh erscheinen* Solche werden alle als in die Lehre und den Anwendungsbereich der Erfindung fallend erachtet»

Patentansprüche:

MB/PÜ - 20 499

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Claims

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6ENERAL RADIO COMPANY Vest Concord/Mass. (USA)

Patentansprüche

1.j Anordnung zur Messung des Reflexionslaktores, dadurch gekennzeichnet, dass eine annähernd konstante Vechselspannungsquelle, ein Paar Anschlussklemmen und eine vorherbestimmte Impedanz mit symmetrischen, phasenverschobenen Ausgangsgrössen versorgt, wobei eine mit fünf Anschlüssen entlang der Viderstandskette konzentriert aufgebaute Spannungsteilerschaltung vorgesehen " ist, mit Verbindungen vorgenannter Anschlussklemmen zu zwei Anschlüssen, Verbindungen einer AbSchlussimpedanz zu einem, dritten Anschluss, Verbindungen eines an die vorherbestimmte Impedanz angepassten Nullinstrumentes zu einem vierten Anschluss, Verbindungen einer unbekannten Impedanz, deren komplexer Reflexionsfaktor, bezogen auf die genannte Abschlussimpedanz gemessen werden soll, zu einem fünften Anschluss

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und bei der weiterhin die Widerstände der Kette derart be-« messen sind, dass das Nullinstrument angenähert eine Nullstellung anzeigt, wenn die Impedanz der unbekannten Impedanz mit der vorgenannten Abschlussimpedanz übereinstimmt, eine angenäherte Nullreflexion am fünften Anschluss dann auftritt, wenn alle anderen Anschlüsse wirksam mit der vorherbestimmten Impedanz abgeschlossen sind und ein verhältnismässig ge- W ringer EinfUgungsverlust zwischen der Wechselspannungsquelle und dem Nullinstrument bei nicht angepasstem, fünften An-* Schluss gegeben ist«,

2ο Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Abschlussimpedanz durch die vorherbestimmte Impedanz dargestellt ist, wodurch der Ausgang des Nullinetrumentes direkt dem komplexen Reflexionsfaktor proportional ist.

fc 3· Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kette ein aus Widerstandeelementen aufgebautes Vieleck darstellt«,

kβ Anordnung nach Anspruch 31 dadurch gekennzeichnet, dass die Vieleckkette aus Widerstandselementen in aioh geschlossen ist«

ο Anordnung naoh Anspruoh 4, daduroh gekennstlohnet, da·· die

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Kette die Form eines FünftBeits hat mit einem Wert eines

jeden der fünf Widerstandselemente des ^ - 1 fachen

der vorherbestimmten Impedanz,

6. Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Vieleckkette mehr als fünf Widerstandselemente enthält und die Knotenpunkte von über die fünf Anschlüsse hinaus folgender Widerstände mit weiteren geerdeten Widerstandseletnenten _ versehen sind«

7. Anordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnetJ dass die Widerstandselemente der Kette von einem Wert etwa k/3 der vorherbestimmten Impedanz und die weiteren Widerstandselemente von einem Wert etwa gleich der vorherbestimmten Impedanz sind«

8· Anordnung nach Anspruch 7» dadurch gekennzeichnet, dass der Wert das ^wa^ll~fache der vorherbestimmten Impedanz beträgt, worin "a" gleich der positiv realen Wurzel des Ausdruckes " a* + 6a³ + 6a² - 12a - 12 ■ 0 ist.

9· Anordnung naoh Anspruch 3» dadurch gekennzeichnet, dass die zwei Anschlüsse mit weiteren geerdeten Widerständen verbunden sind.

10· Anordnung naoh Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Kette und die weiteren Widerstandselemente von einem zur vor-

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herbestimmten Impedanz in Beziehung gesetzten Wert von 4/3 und dem zweifachen sind.

11. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Spannungsteiler aus einer konzentriert aufgebauten Schaltung mit Widerstandefilm besteht, der auf eine isolierende Platte aufgebracht ist.

" 12. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Platte aus Berylerde besteht,

13· Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Wechselspannungsquelle aus einem mit einen Wechselstromgenerator verbundenen Baluntransformator besteht und die Anordnung derart abgestimmt ist, dass eine Überbrückung eines der dritten, vierten oder fünften Anschlüsse durch den Baluntransf ormator verhindert ist.

Ik. Anordnung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Baluntransformator aus einem Paar Koaxialkabelteilstucken besteht, deren innere Leiter an eine« Ende über ein Paar an die vorherbestimmte Impedanz angepasster Reihenwiderstände mit einem gemeinsamen, aus dem Weohselspannungsgenerator gespeisten Koaxialkabelteilstüok und an de« anderen Ende mit Anschlussklemmen verbunden sind.

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15· Anordnung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Reihenwiderstände durch eine Regeldiode miteinander verbunden sind.

16. Anordnung nach Anspruch lh_t dadurch gekennzeichnet, dass die Baluntransforeator-KoaxialkabeIteilstücke einen kurzgeschlossenen Übertragungsleiterabschnitt in der Ummantelung aufweisen.

17« Anordnung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass das Ummantelungsgebilde mit wenigstens einem verlustbehafteten Dielektrikum oder magnetischen Material, beispielsweise Ferriten, ausgefüllt ist.

MB/FÜ - 20 %99

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