DE19756100A1 - Verfahren und Gerät zur Messung der vektoriellen Impedanz eines Schaltkreises - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Messung der vektoriel­ len Impedanz eines Schaltkreises und ein Gerät zur Implementie­ rung des Verfahrens.

Für die Messung der Impedanz eines Antennenkoppelkreises oder einer Antennenabstimmeinrichtung ist es bekannt, Richtungskopp­ ler zu verwenden. Der Richtungskoppler ermöglicht die Messung eines durch eine Impedanz-Fehlanpassung reflektierten Spannungs­ signals, das benutzt wird, um die Impedanz zu errechnen. Dieses Verfahren hat gewisse Nachteile.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die Impedanz eines solchen Schaltkreises ohne die Verwendung von Richtungskopplern zu messen.

Zur Lösung dieser Aufgabe enthält das erfindungsgemäße Verfahren zur Messung der Impedanz eines Schaltkreises folgende Verfah­ rensschritte:

• - Generieren eines Testsignals mit einer ausgewählten Fre­ quenz,
• - Beaufschlagen der zu messenden Schaltung mit dem Test­ signal,
• - Messung des durch die Beaufschlagung mit dem Testsignal entstehenden Stroms und Erzeugung eines dementsprechenden Meßsignals,
• - Ableitung eines Referenzsignals aus dem Testsignal,
• - Verschieben der Phase des Referenzsignals zur Erzeugung eines phasenverschobenen Referenzsignals,
• - Mischen des Referenzsignals einerseits und des phasenver­ schobenen Referenzsignals andererseits mit dem Meßsignal zur Erzeugung eines In-Phase- und eines Quadratur-Signals und
• - Auswertung der In-Phase- und Quadratur-Signale zur Bestim­ mung der komplexen Impedanz des Schaltkreises.

Der durch die Beaufschlagung des Schaltkreises mit dem Testsig­ nal entstehende Strom kann durch einen Stromwandler gemessen werden, so daß das Meßsignal ein dem Strom entsprechendes Span­ nungssignal ist.

Die Phase des phasenverschobenen Referenzsignals ist vorzugswei­ se um 90° relativ zu dem Referenzsignal verschoben.

Die obenerwähnte Aufgabe wird erfindungsgemäß ferner durch ein Gerät zur Messung der Impedanz eines Schaltkreises gelöst mit:

• - einem Signalgenerator zur Erzeugung eines Testsignals bei einer gewählten Frequenz,
• - einer Strommeßeinrichtung zur Messung des durch die Beauf­ schlagung mit dem Testsignal entstandenen Stroms und zur Erzeugung eines dementsprechenden Meßsignals,
• - einer Referenzeinrichtung zur Ableitung eines Referenzsignals aus dem Testsignal,
• - einer ersten und einer zweiten Mischstufe zur Mischung des Referenzsignals einerseits und des phasenverschobenen Refe­ renzsignals andererseits mit dem Meßsignal zur Ableitung eines In-Phase- und eines Quadratur-Signals und
• - einer Auswertungseinrichtung zur Berechnung der komplexen Impedanz des Schaltkreises aus den In-Phase- und Quadratur-Signalen.

Der zu testende Schaltkreis kann typischerweise einen Antennen­ koppelkreis umfassen, ggfs. einschließlich der zugehörigen An­ tenne.

Der Signalgenerator kann ein zu dem Antennenkoppelkreis gehören­ der Radiosender sein.

Die Erfindung erstreckt sich auch auf einen Radiosender mit ei­ nem Sender-Leistungsverstärker und einen Antennenkoppelkreis mit dem oben definierten Impedanz-Meßgerät.

Die Erfindung wird im folgenden anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert:

Es zeigen:

Fig. 1 ein schematisches Blockschaltbild eines erfin­ dungsgemäßen Impedanz-Meßgeräts,

Fig. 2 ein schematisches Blockschaltbild der Ausgangs­ stufe eines Radiosenders, der das erfindungsge­ mäße Gerät enthält,

Fig. 3 eine Vektordiagramm-Darstellung für eine komplexe Impedanz,

Fig. 4 ein schematisches Schaltbild für eine praktische Ausführungsform des erfindungsgemäßen Geräts.

Die vorliegende Erfindung ist insbesondere für Radiosender ver­ wendbar, in denen ein Leistungsverstärker über eine Antennenkop­ pelschaltung, auch Antennenabstimmschaltung genannt, an eine Antenne angeschlossen ist.

Die Antennenkoppelschaltung ist zwischen dem Leistungsverstärker und der Antenne angeordnet, um den Sender mit einer auf 50 Ω normierten ohmschen Last zu versehen, so daß die volle Leistung des Senders erhalten wird. Bei dieser Anwendung wird das erfin­ dungsgemäße Gerät dazu benutzt, Messungen an der Schnittstelle zwischen Sender und Doppelschaltung während des Abstimmprozesses durchzuführen, wenn eine Dämpfungseinrichtung am Senderausgang verwendet wird, um eine stabile Last zu gewährleisten. Zu Beginn des Abstimmvorganges, wenn kein Koppelelement in den Schaltkreis eingesetzt ist, wird die Antennenimpedanz gemessen (innerhalb der durch das unvermeidbare Vorhandensein von Streuinduktivitä­ ten und Streuwiderständen gesetzten Grenzen). Wenn der Abstimm­ prozeß fortschreitet und Koppelelemente in den Schaltkreis ein­ gebracht werden, wird die komplexe Impedanz an der Schnittstelle zwischen Sender und Koppelschaltung gemessen.

Obwohl das erfindungsgemäße Verfahren und das erfindungsgemäße Gerät besonders für die obengenannte Anwendung geeignet sind, kann die Erfindung selbstverständlich auch für andere Impedanz-Meßanwendungen benutzt werden.

In Fig. 1 ist das erfindungsgemäße Gerät schematisch darge­ stellt. Ein Testsignalgenerator 10 erzeugt ein Testsignal bei einer gewünschten Radiofrequenz, die in einen Signal-Aufteil­ kreis 12 geleitet wird. Der Signal-Aufteilkreis 12 erzeugt ein erstes Ausgangssignal, das als Testsignal verwendet wird und über einen Stromwandler 14 auf den Eingang einer zu testenden Schaltung 16 gelangt. Statt des Stromwandlers kann ein anderer Stromsensor, wie beispielsweise ein Hall-Effekt-Sensor verwendet werden. Ein zweites Ausgangssignal der Signal-Aufteilschaltung 12 wird als Referenzsignal benutzt, das direkt auf Eingänge ei­ nes Oszillators einer ersten Mischstufe 18 gelangt. Das Refe­ renzsignal wird ferner auf eine zweite Mischstufe 20 über eine Phasenschieberschaltung 22 geleitet, die die Phase des Referenz­ signals um 90° verschiebt.

Der Stromwandler 14 mißt effektiv den Strom in der zu testenden Schaltung, der hauptsächlich durch die Beaufschlagung des Schaltkreises mit der Testfrequenz entsteht, wobei eine ausrei­ chend niedrige Ausgangsimpedanz des Signalgenerators 10 angenom­ men ist. Das Ausgangssignal des Stromwandlers 14 ist ein Span­ nungssignal, das eine Spannungsabbildung des durch das Testsi­ gnal verursachten Stroms ist. Das von dem Stromwandler 14 abge­ leitete Signal gelangt auf Signaleingänge der Mischstufen 18 und 20. Die Ausgangssignale der Mischstufen 18 und 20 werden auf jeweils ein Tiefpaßfilter 24, 26 geleitet, die so ausgebildet sind, daß sie alle keine Gleichstromsignale darstellenden Misch­ produkte entfernen und eine Meßfrequenzableitung reduzieren. Die Gleichstromausgangssignale der Filter 24 und 26 stellen somit gleichphasige (I) und Quadratur- (Q) Darstellungen des Stroms in dem getesteten Schaltkreis dar.

Die (I) und (Q)-Signale werden durch jeweilige Gleichstromver­ stärker 28 und 30 verstärkt und auf zugehörige Eingänge eines A/D-Wandlers 32 geleitet, der digitale Ausgangssignale für eine Computeranalyse durch einen Mikroprozessor 34 oder andere Aus­ wertungseinrichtungen generiert.

Wenn der zu testende Schaltkreis ausschließlich eine ohmsche Last enthält, entsteht kein Ausgangssignal in dem Quadratur-Ka­ nal, während die Amplitude in dem In-Phase-Kanal proportional zur Leitfähigkeit des getesteten Schaltkreises ist. Wenn die Impedanz des getesteten Schaltkreises komplex ist, erzeugt der entstehende Blindstrom positive oder negative Ausgangssignale in dem Quadratur-Kanal, die proportional zum Blindleitwert in dem getesteten Schaltkreis sind. Die Auswertung sowohl des In-Phase als auch des Quadratur-Kanals erlaubt die Analyse des resultie­ renden Vektors für die Leitfähigkeit des getesteten Schaltkrei­ ses, der leicht durch bekannte Transformationsverfahren in einen Impedanzvektor umgerechnet werden kann, wenn dies gewünscht ist.

Eine praktische Anwendung der Erfindung ist in dem Blockschalt­ bild der Fig. 2 dargestellt, in dem der Signalgenerator 10 als Leistungsverstärker einen Radiosenders und der getestete Schalt­ kreis 16 als Anpassungsnetzwerk oder Antennenkoppelschaltung be­ trachtet wird, die den Leistungsverstärker 10 an eine Antenne 36 ankoppelt. Zusätzlich werden Dämpfungskreise 38 und 40 für einen Einsatz in dem Abstimmprozeß vorgesehen, und ein doppelpoliger Schalter 42 und 44 dient zur Umschaltung des Antennenkoppel­ schaltkreises 16 zwischen den Betriebszuständen "Abstimmung" und "Normalbetrieb".

Aufgrund der direkten Wandlung der Meßsignale wird die Informa­ tion über die Übereinstimmung von Phase und Amplitude gut durch relative Gleichstromwerte in den beiden Schaltkreispfaden über einen weiten Bereich der Impedanz-Messung erhalten. Die einzige in dem Wandlerprozeß betroffene Radiofrequenz ist die Ausgangs­ frequenz des Signalgenerators (Senders) 10 auf der gewünschten Testfrequenz (Betriebsfrequenz). Die Art der Messung erlaubt die Berechnung von Anpaßelementen in dem getesteten Schaltkreis, wenn der Computer oder andere Auswertungseinrichtungen einen geeigneten Algorithmus enthalten und mit Informationen über die Abstimmfrequenz und die in der Antennenkoppelschaltung vorhande­ nen Dimensionierungen der Bauelemente enthalten und wenn voraus­ gesetzt ist, daß der Algorithmus die Topologie des Koppelschalt­ kreises berücksichtigt. Wenn alle Bauelemente des Koppelschalt­ kreises ideal und ein unbegrenzter Dynamikbereich für das Meßge­ rät erreichbar wäre, könnte der Abstimmprozeß in einem einzigen Schritt abgeschlossen werden. In der Praxis wird ein iteratives Verfahren angewendet, obwohl nur wenige Iterationen erforderlich sind, um eine vollständige Anpassung zu erhalten. Somit ist eine schnelle Abstimmung möglich, was insbesondere dann wünschenswert ist, wenn ein automatic link establishment-Protokoll verwendet wird. Abgesehen von der relativen Einfachheit der oben beschrie­ benen Schaltung im Vergleich mit Verfahren, die eine ähnliche Genauigkeit der Impedanz-Messung bieten, besteht ein Vorteil der Schaltung darin, daß sie gegen Störsignale geschützt ist, die während des Abstimmprozesses von der Antenne aufgenommen werden, da diese Signale nicht kohärent mit der Test- oder Meßfrequenz sein werden und darüber hinaus eine ausreichende Amplitude auf­ weisen müßten, um die Mischstufen 18, 20 über den Stromwandler 14 zu blockieren, um dadurch ernstlich die Messung zu beein­ trächtigen. Anders als die Verfahren, die einen Richtungskoppler für die Messung verwenden, verliert die erfindungsgemäße Schal­ tung keine Empfindlichkeit in der Nähe des Anpassungspunktes. Es ist inhärent für einen Richtungskoppler, daß er ein reflektier­ tes Signal auf Null reduziert, wenn die Impedanz-Anpassung durchgeführt ist, wodurch die Auflösung des Meßverfahrens nahe dem Anpassungspunkt reduziert wird und das Meßsignal anfällig gegenüber Störsignalen wird. Die auf der Verwendung eines Rich­ tungskopplers beruhenden Impedanz-Meßschaltungen stützen sich ferner auf physikalische Parameter des Richtungskopplers, der seinerseits aus verschiedenen Bauelementen zusammengesetzt ist, um eine genaue Balance-Information zu erhalten. Es ist zu beach­ ten, daß das hier beschriebene Meßverfahren nicht auf die An­ passung auf eine einzige ohmsche Impedanz beschränkt ist, da das Ausgangssignal des Meßverfahrens benutzt werden kann, die Anpas­ sung an jede gewünschte Impedanz zu berechnen. Demgegenüber sind die einen Richtungskoppler verwendenden Schaltungen im allgemei­ nen darauf beschränkt, die die reflektierte Leistung verursa­ chende gemessene Impedanz auf Null zu bringen. Es ist daher als ein Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens und des erfindungs­ gemäßen Geräts anzusehen, daß die Verwendung eines Richtungs­ kopplers nicht erforderlich ist.

Fig. 3 dient lediglich der Veranschaulichung und zeigt, wie die In-Phase-(I) und Quadratur-(Q)-Signale eine komplexe Impedanz in der rechteckigen Form α+jβ repräsentieren.

Fig. 4 zeigt eine praktische Implementierung der erfindungsge­ mäßen Impedanz-Meßschaltung, in der Bauelementegruppen in Über­ einstimmung mit den Fig. 1 und 2 mit Bezugsziffern versehen sind.

Claims (12)

1. Verfahren zur Messung der vektoriellen Impedanz eines Schaltkreises mit den Verfahrensschritten:

• - Generieren eines Testsignals mit einer ausgewählten Frequenz,
• - Beaufschlagen der zu messenden Schaltung mit dem Test­ signal,
• - Messung des durch die Beaufschlagung mit dem Testsig­ nal entstehenden Stroms und Erzeugung eines dement­ sprechenden Meßsignals,
• - Ableitung eines Referenzsignals aus dem Testsignal,
• - Verschieben der Phase des Referenzsignals zur Erzeu­ gung eines phasenverschobenen Referenzsignals,
• - Mischen des Referenzsignals einerseits und des phasen­ verschobenen Referenzsignals andererseits mit dem Meß­ signal zur Erzeugung eines In-Phase- und eines Quadra­ tur-Signals und
• - Auswertung der In-Phase- und Quadratur-Signale zur Bestimmung der komplexen Impedanz des Schaltkreises.

2. Verfahren nach Anspruch 1 in dem der durch die Beaufschla­ gung mit dem Testsignal entstehende Strom mit einem Strom­ wandler gemessen wird, so daß das Meßsignal ein dem Strom entsprechendes Spannungssignal ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, in dem die Phase des pha­ senverschobenen Referenzsignals zum Referenzsignal um 90° verschoben wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem die In-Phase- und Quadratur-Signale jeweils Tiefpaß gefiltert wer­ den, um Mischprodukte zu entfernen.

5. Verfahren nach Anspruch 4, in dem die gefilterten Signale analog-digital für Auswertungszwecke gewandelt werden.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem der gemessene Schaltkreis ein Antennenkoppel-Schaltkreis ist und daß Verfahren verwendet wird, um einen Verstärker an eine Antenne anzukoppeln.

7. Gerät zur Messung der Impedanz eines Schaltkreises mit

• - einem Signalgenerator zur Erzeugung eines Testsignals bei einer gewählten Frequenz,
• - einer Strommeßeinrichtung zur Messung des durch die Beaufschlagung mit dem Testsignal entstandenen Stroms und zur Erzeugung eines dementsprechenden Meßsignals,
• - einer Referenzeinrichtung zur Ableitung eines Referenzsignals aus dem Testsignal,
• - einer ersten und einer zweiten Mischstufe zur Mischung des Referenzsignals einerseits und des phasenverscho­ benen Referenzsignals andererseits mit dem Meßsignal zur Ableitung eines In-Phase- und eines Quadratur-Sig­ nals und
• - einer Auswertungseinrichtung zur Berechnung der kom­ plexen Impedanz des Schaltkreises aus den In-Phase- und Quadratur-Signalen.

8. Gerät nach Anspruch 7, in dem die Schaltung eine Antennen­ koppelschaltung und wahlweise eine zugehörige Antenne um­ faßt.

9. Gerät nach Anspruch 8, in dem der Signalgenerator ein zu dem Antennenkoppelkreis gehörender Radiosender ist.

10. Gerät nach einem der Ansprüche 7 bis 9 mit einem ersten Tiefpaß-Filter und einem zweite Tiefpaß-Filter zur Filte­ rung des In-Phase-Signals bzw. des Quadratur-Signals zur Entfernung von Mischprodukten.

11. Gerät nach Anspruch 10 mit einem Analog-Digital-Wandler zur Wandlung der In-Phase- und Quadratur-Signale in eine digi­ tale Form, wobei die Auswerteinrichtung einen Mikroprozes­ sor umfaßt, der das digitale Ausgangssignal des Analog-Di­ gital-Wandlers für Auswertungszwecke erhält.

12. Radiosender mit einem Sender-Leistungsverstärker, einer Antennenkoppelschaltung und einem Gerät zur Messung der Impedanz nach einem der Ansprüche 7 bis 11.