DE2820730C2

DE2820730C2 - Verfahren zur rauscharmen Messung der Amplitude oder der Leistung eines HF-Signales und Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens

Info

Publication number: DE2820730C2
Application number: DE19782820730
Authority: DE
Inventors: Robert Dipl.-Ing. 7520 Bruchsal Jäger
Original assignee: Kernforschungszentrum Karlsruhe GmbH
Current assignee: Forschungszentrum Karlsruhe GmbH
Priority date: 1978-05-12
Filing date: 1978-05-12
Publication date: 1982-01-28
Also published as: GB2025631B; GB2025631A; DE2820730A1

Description

a) daß mit der Amplitude (A) oder der Leistung des HF-Signals (u)der Frequenz /₂ die Frequenz f\ einer Oszillatorschaltung geändert wird, wobei gilt ί < < 4

b) daß ein die Frequenz f\ des Oszillators bestimmendes reaktives Bauelement (10) in einem Bereich starker Krümmung seiner reaktiven Kennlinie (Cu) durch das zu messende HF-Signal (υ)ausgesteuert wird,

c) daß das reaktive Bauelement (10) eine Reaktanz (C) aufweist, deren Mittelwert (Cm) sich in Abhängigkeit von dem Grad der Aussteuerung einstellt,

d) daß der in Abhängigkeit von der Krümmung der reaktiven Kennlinie (Cu) und der Amplitude (A) des zu messenden HF-Signals (u) sich einstellende Mittelwert (Cm) der Reaktanz des reaktiven Bauelementes (10) ein Maß für die Amplitude (A)des HF-Signals (u)ist,

e) und daß die zum Entdämpfen des frequenzbestimmenden Kreises des Oszillators der Frequenz /i (LC-Schwingkreis (9) oder Resonator) erforderliche Energie einer externen Energiequelle (8) entnommen wird.

2. Verfahren zum Messen der Amplitude oder der Leistung eines HF-Signals einer Frequenz h durch Erzeugen einer von der HF-Leistung der Frequenz /₂ abhängigen Hilfsfrequenz f\ oder eines der Hilfsfrequenz /1 äquivalenten Gleichsignals durch FM-Demodulation, dadurch gekennzeichnet,

a) daß mit der Amplitude (A) oder der Leistung des HF-Signals (u) einer Frequenz /₂ die Frequenz f\ einer Oszillatorschaltung geändert wird, wobei gilt /1 < < &

b) daß ein die Frequenz /i des Oszillator» bestimmendes reaktives Bauelement (10) in einem Bereich starker Krümmung seiner reaktiven Kennlinie (Cu) durch das zu messende HF-Signal (u,> ausgesteuert wird,

d) daß der in Abhängigkeit von der Krümmung der reaktiven Kennlinie (Cu) und der Amplitude (A) des zu messenden HF-Signals (u) sich einstellende Mittelwert (Cm) der Reaktanz des reaktiven Bauelementes (10) ein Maß für die Amplitude (A)dts HF-Signals pullst,

e) und daß die zum Entdämpfen des frequenzbestimmenden Kreises des Oszillators der Frequenz /i (LC-Schwingkreis) (9) oder Resonator) erforderliche Energie dem zu messenden Signal (u) der Frequenz h entnommen, also ein parametrischer Effekt ausgenutzt wird.

3. Einrichtung zum Durchführen des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

daß ein Konverter (4) zum Umsetzen des zu messenden HF-Signals (4) in eine von diesem abhängige Frequenz f\ vorgesehen ist,

daß der Konverter (4) als Amplituden-Frequenz-Konverter oder als Leistungs-Frequenz-Konverter ausgebildet ist,
daß dem Konverter (4) ein Frequenzdemodulator (5) nachgeschaltet ist,

daß der Konverter (4) im wesentlichen aus einem Schwingkreis (9) oder aus einem Resonator besteht, der eine nichtlineare Reaktanz (10) aufweist
und daß an den LC-Schwingkreis (9) oder den Resonator ein entdämpfender Verstärker (8) angekoppelt ist, der Energie in den LC-Schwingkreis (9) oder den Resonator einspeist.

4. Einrichtung zum Durchführen des Verfahrens nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,

daß ein Konverter (4) zum Umsetzen des zu messenden HF-Signals (u) in eine von diesem abhängige Frequenz F\ vorgesehen ist,
daß der Konverter (4) als Amplituden-Frequenz-Konverter oder als Leistungs-Frequenz-Konverter

2s ausgebildet ist,

daß dem Konverter (4) ein Frequenzdemodulator (5) nachgeschaltet ist,

daß der Konverter (4) im wesentlichen aus einem durch einen parametrischen Effekt entdämpften LC-Schwingkreis (9) oder Resonator besteht, der eine nichtlineare Reaktanz (10) aufweist,
und daß dem Konverter (4) ein lose angekoppelter Verstärke·· nachgeschaltet ist.

5. Einrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß der LC-Schwingkreis (9) oder der Resonator eine Halbleiterdiode (10) mit nichtlinearer Kapazitätskennlinie (z. B. Kapazitätsdiode) als frequenzbeeinflussendes Bauelement aufweist.

6. Einrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß in den I.C-Scchwingk.-eis (9) oder in den Resonator eingesetzten Kapazitätsdiode (10) ein stark temperaturabhängiger Widerstand (19) und ein Potentiometer (20) eingesetzt ist.

7. Einrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß zum Begrenzen der Schwingungsamplitude des LC-Schwingkreises (9) oder des Resonator.¹= Begrenzungsdioden (13) eingesetzt sind.

Die Erfindung betrifft ein Verfahren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und eine Einrichtung zum Durchführen des Verfahrens.

Soll z. B, in einen Mikrowellenresonator die Amplitude durch eine schnelle Regelung auf einen möglichst konstanten Wert der Größe AU/U kleiner 2xlO~⁵ gehalten werden, so ist es erforderlich, die Mikrowellenamplitude mit einer der Regelgenauigkeit entsprechenden Meßgenauigkeit zu messen.

Es ist bekannt, zur Erfüllung dieser Erfordernisse das Mikrowellensignal mit Hilfe einer Gleichrichterdiode in ein äquivalentes Gleichsignal umzuwandeln und dieses Gleichsignal als Maß für die Mikrowellenamplitude zu benutzen (Microwave Measurements and Techniques 1976, S. 11).

Die Nachteile der bekannten Einrichtung bestehen insbesondere darin, daß bei der direkten Umwandlung des elektromagnetischen Wechselfeldes mit Hilfe eines Gleichrichters in ein Gleichsignal Kor.vektionsströme auftreten. Diese Konvektionsströme verursachen ein beträchtliches Schrot- und 1 //-Rauschen. Bei niedrigen Signalfrequenzen überwiegt das 1//-Rauschen und stellt eine prinzipielle Grenze der Meßgenauigkeit dar.

Ein anderer Nachteil ergibt sich aus dem unbefriedigenden "^mperaturverhalten der Diode, welches zur Durchführung genauer Langzeitmessungen einen beträchtlichen Aufwand zur Temperaturstabilisierung erforderlich macht

Zur Verminderung des l/Z-Rauschens ist es auch bekannt, den durch nichtlineare Reaktanzen bewirkten parametrischen Effekt auszunutzen (z. B. Meinke-Gundlach, Taschenbuch der HF-Technik, Springer Verlag, 3. Auflage 1968, S. 985).

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Einrichtung zu dessen Durchführung zu entwickeln, welches bekannte Einrichtungen der erfindungsgemäßen Art dahingehend verbessert, daß die Meßgenauigkeit begrenzende Rauscheffekte weitgehend unterdrückt oder ganz ausgeschaltet werden, eine erheblich verbesserte Langzeitstabilität mit einfachen Mitteln gesichert werden kann, und insgesamt eine Erhöhung der Regelgenauigkeit möglich wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch das im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 2 angegebene Verfahren sowie durch die in den kennzeichnenden Teilen der Ansprüche 3 und 4 angegebenen Einrichtungen gelöst

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, daß gegenüber den bekannten Verfahren die Meßgenauigkeit um mehr als vier Zehnerpotenzen erhöht werden kann und außerdem die Langzeitstabilität der Meßeinrichtung durch einfache Maßnahmen zur Kompensation der Temperaturabhängigkeit wesentlich verbessert werden kann.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben. Es zeigt

Fig. la Kapazitäts- und Gleichrichterkennlinie einer Varaktordiode mit Steuerwechselspannung,

Fig. Ib Kapazitätsänderung der ausgesteuerten Varaktordiode,

Fig.2 Blockschaltbild einer Einrichtung zum Messen der Amplitude eines HF-Signals,

Fig.3 Meßeinrichtung mit Entdämpfungsverstärker,

Fig.4 Frequenzvariation als Funktion der Leistung bei Einsatzeines Entdämpfungsverstärkers,

F i g. 5 Meßeinrichtung mit schwacher Kopplung zwischen LC-Schwingkreis und Verstärker,

Fig.6 Frequenzvariation als Funktion der Leistung bei Nutzung des parametrischen Effektes.

In Fig. la ist die nichtlineare Kapazitätskennlinie Cu und die Gleichrichterkennlinie Iu dargestellt. Derartige Kennlinien können z. B. bei einer Varaktordiode gemessen werden. Wird die Varaktordiode im Bereich ihrer nichtlinearen Kapazitätskennlinie um den Arbeitspunkt mit einer Wechselspannung u\ der Amplitude A\ und der Periode T ausgesteuert, so ändert sich die Kapazität der Varaktordiode wie in F i g. Ib dargestellt entsprechend dem Verlauf der Kurve Q₁,). Dabei bewirkt die Nichtlinearität der Kennlinie, daß sich es abhängig von der Größe der Aussteuerung und der Krümmung der Kennlinie Cu ein mittlerer Kapazitätswert G_n/ einstellt. Erfolgt die Aussteuerung der Varaktordiode z. B. mit einer Wechselspannung 1(2 der Amplitude A₂ und der Periode T, so ändert sich die Kapazität der Varaktordiode entsprechend dem Verlauf der Kurve Cy,) mit dem Mittelwert der Kapazität C_n* In dem dargestellten Beispiel ist die Amplitude Ai des Signals 1/2 größer als die Amplitude A\ des Signals u\ und demzufolge ist der sich einstellende Mittelwert der Kapazität der Varaktordiode Cm₂ gröCer als der zu dem Aussteuerungssignal u\ gehörende Mittelwert der Kapazität C_n,;.

Die Nichtlinearität der Kennlinie bewirkt also, daß sich je nach der Größe der Aussteuerung und der Krümmung der Kapazitätskennlinie Cu ein mittlerer Kapazitätswert C_n, einstellt. Da sich dieser Mittelwert mit der Amplitude des Aussteuerungssignals ändert, läßt sich eine Änderung der H F-Amplitude auf eine Kapazitätsänderung zurückführen. Das heißt daß sich die H F-Amplitude durch eine Kapazitätsmessung ermitteln läßt

Soll z. B. die Amplitude eines Mikrowellenresonators durch eine schnelle Regelung auf einen möglichst konstanten Wert von AU/U kleiner 2χ 10~⁵ gehalten werden, so ist notwendigerweise die Mikrowellenamplitude mit der geforderten Regelgenauigkeit und aus Stabilitätsgründen einer entsprechend kleinen Ansprechzeit von weniger als IO-⁵ see zu messen.

In F i g. 2 ist ein vereinfachtes Blockschaltbild einer Einrichtung zum Messen der Amplitude eines HF-Signals dargestellt. Das HF-Signal, dessen Amplitude gemessen werden soll, wird von einem HF-Generator 1 erzeugt und über einen Leistungsteiler 2 in ein Leistungsmeßgerät 3 und in einen Leistungsfrequenzkonverter 4 eingespeist. Das Ausgangssignal des Konverters 4 wird in einem dem Konverter nachgeschalteten Demodulator 5 demoduliert. Der Ausgang des Demodulators 5 ist auf den Y-Eingang eines XY-Schreibers 6 geschaltet, mit dessen X-Eingang das Leistungsmeßgerät 3 verbunden ist.

In Fig. 3 ist eine Einrichtung zum Messen der Amplitude eines HF-Signals dargestellt, deren Leistungsfrequenzkonverter 4 an seinem Eingang ein Anpassungsnetzwerk 7 besitzt und an dessen Ausgang ein Entdämpfungsverstärker 8 angeordnet ist. Der Entdämpfungsverstärker 8 liefert die zum Entdämpfen eines LC-Schwingkreises 9 erforderliche Energie. Der LC-Schwingkreis enthält als frequenzbestimmendes Bauelement eine Halbleiterdiode 10 mit nichtlinearer Kapazitätskennlinie, z. B. eine Varaktordiode.

Mit einer Schaltungsanordnung nach F i g. 3 ist die in Fig.4 dargestellte Frequenzvariation als Funktion der Leistung gemessen worden.

Wird die zur Entdämpfung des Oszillators erforderliche Leistung einem Entdämpfungsversfärker entnommen, so wird die Frequenz des Oszillators eine Funktion der Versorgungsspannung, weil die Verstärkerparameter des Entdämpfungsverstärkers von der Versorgungsspannung abhängen.

Der Einfluß der Versorgungsspannung kann dadurch ausgeschaltet werden, daß die Energie zum Entdämpfen des Schwingkreises aus der Mikrowellenleistung entnommen wird. In F i g. 5 ist eine Meßeinrichtung dieser Art dargestellt, bei der der Verstärker 15 am Ausgang des Leistungsfrequenzkonverters 16 an den LC-Sciiwingkreis 17 lose angekoppeil; ist.

F i g. 6 zeigt die Frequenzvariation als Funktion der Leistung bei Nutzung des parametrischen Effektes. Wird die Amplitude A bei der Signalfrequenz durch die Begrenzungsdioden 18 begrenzt, so ergibt sich als

Kennlinie des LC-Schwingkreises 17 die in Fig.6 dargestellte Kurve 25. Bei Fehlen der Begrenzungsdioden 18 wird die Varaktordiode 10 auch durch die Signalfrequenz in weiten Bereichen ausgesteuert und dadurch der Mittelwert der Kapazität zusätzlich erhöht, so daß sich die in Fig. 6 dargestellte Kurve 26 ergibt. Die Temperaturkompension des Schwingkreises kann

auf einfache Weise mit einem stark temperaturabhängigen Widerstand 19, z. B. einer Germaniumdiode, und einem Potentiometer 20 durchgeführt werden. Dadurch ergibt sich eine temperaturabhängige Begrenzung der Signalfrequenzamplitude, die der Temperaturabhängigkeit des Schwingkreises entgegenwirkt.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Messen der Amplitude oder der Leistung eines HF-Signals einer Frequenz fi durch Erzeugung einer von der HF-Leistung der Frequenz /2 abhängigen Hilfsfrequenz f\ oder eines der Hilfsfrequenz /_t äquivalenten Gleichsignals durch FM-Demodulation, dadurch gekennzeichnet,