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Pegelgeregelte Hochfrequenz - Meßanordnung mit nur einem Detektor
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Die vorliegende Erfindung befaßt sich mit einer Anordnung zur pegelgeregelten
Hochfrequenzmessung, bestehend aus zwei Leistungsverteilern beiderseits des Meßobjekts,
die das ungeregelte Hochfrequenzsignal abwechselnd dem Meßobjekt und einer Umwegleitung
f zuführen bzw. hinter dem Meßobjekt die in beiden Armen geführte Leistung zu einem
Detektor leiten, und einem synchron mit den beiden ersten Leistungsverteilern arbeitenden
dritten Leistungsverteiler, der das detektierte Hochfrequenzsignal zu den betreffenden
Zeitabschnitten in einen Signal- und einen Referenzzweig leitet, wobei das Referenzsignal
zur Pegelregelung entweder mit einem Stellglied oder mit einem vergleichenden Meßinstrument
genutzt wird.
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Pegelgeregelte Hochfrequenz - Meßanordnungen bekannter Art benötigen
entweder zwei Detektoren mit geringer Frequenzabhängigkeit im Meßbereich oder aneinander
angepaßte Detektorpaare. Das Prinzipschaltbild einer solchen Meßanordnung ist in
Fig. 1 der Zeichnung dargestellt.
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Ein Signalgenerator speist über einen Leistungsverzweiger das Meßobjekt,
hinter dem die Hochfrequenz am Detektor D2 detektiert und dem Meßgerät zugeführt
wird. Durch den Leistungsverzweiger wird ein Teil der Signalleistung, typischerweise
-20 dB, ausgekoppelt, durch den Detektor D1 detektiert und im Referenzzweig dem
Regeleingang des Generators zugeführt. Besitzt der Generator
keinen
Regeleingang mit internem Stellglied, so können, entsprechend den gestrichelten
-Linien der Fig. 1, das Referenzsignal einem äußeren Stellglied zugeführt werden,
oder aber, entsprechend den strichpunktierten Linien der Fig. 1, die detektierten
Signale von D1 und D2 dem Referenz- bzw. Signal eingang eines vergleichenden Meßinstruments,
beispielsweise eines Ratiometers, zugeführt werden. In diesem Fall werden durch
die Quotientenbildung zwischen Signalspannung V5 und Referenzspannung VR Pegelschwankungen
des Generators eliminiert.
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Bei Meßanordnungen nach Art der Fig. 1 hängt die Güte der Pegelregelung
von der Ähnlichkeit beider Detektoren ab. In der Hochfrequenztechnik, derzeit im
Bereich der Millimeterwellen und der höheren Frequenzen bis zum Bereich der optischen
Wellen, ist es jedoch häufig schwierig oder unmöglich, aneinander angepaßte Detektorenpaare
mit hinreichend ähnlichem Verhalten zu erhalten. Pegelgeregelte Echtzeitmessungen
mit in der Leistung schwankenden Generatoren sind damit nicht mehr möglich.
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Es besteht also die Aufgabe, ein Referenzsignal zur Pegelregelung
zusätzlich zum Nutzsignal bei Verwendung nur einer Diode zu erzeugen.
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Pegelgeregelte Messungen unter Verwendung nur eines Detektors lassen
sich erfindungsgemäß dadurch erreichen, daß der Leistungsverteiler das ungeregelte
Signal zeitlich abwechselnd dem Meßobjekt und einer das Meßobjekt überbrückenden
Umwegleitung zuführt, wobei hinter dem Meßobjekt ein zweiter Leistungsverteiler
angeordnet ist, der die im Meßarm und in der Umwegleitung geführten Signale kombiniert
und zunur einem Detektor leitet, welcher von einem mit dem ersten Leistungsverteiler
synchron
arbeitenden dritten Leistungsverteiler gefolgt wird, der
das detektierte Hochfrequenzsignal in den entsprechenden Zeitabschnitten abwechselnd
in einen Signal- bzw. einen Referenzzweig aufspaltet, wobei das Referenzsignal zur
Pegelregelung genutzt wird.
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Eine weitere Ausführungsform der Erfindung besteht in einer Meßanordnung
bei Ausbildung des zweiten Leistungsverteilers durch einen ebenfalls zeitlich arbeitenden
Leistungsverteiler, der synchron zum ersten Leistungsverteiler den Signal- oder
den Referenzarm an den Detektor schaltet.
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Andere Weiterbildungen des Erfindungsgedankens bestehen in einer Ausbildung
der zeitlich arbeitenden Leistungsverteiler durch einen einfachen Umschalter oder
durch die Kombination eines Leistungsverzweigers mit Schaltern oder als Schalter
arbeitenden Modulatoren in den Signal- bzw. Referenzarmen.
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Auf diese Weise ist es gelungen, eine pegelgeregelte Hochfrequenz
- Meßanordnung zu schaffen, die nur einen Detektor benötigt.
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An Hand der Zeichnung wird die Erfindung an Ausführungsbeispielen
näher beschrieben. Es zeigen die Fig. 1 eine pegelgeregelte Hochfrequenz - Meßanordnung
nach dem Stand der Technik, die Fig. 2 das Prinzipschaltbild der pegelgeregelten
Hochfrequenz - Meßanordnung nach der Erfindung, die Fig. 3 die Ausführungsform eines
zeitlich arbeitenden Leistungsverteilers nach der Erfindung als Kombination eines
Leistungsverzweigers mit Schaltern in den
Ausgangsarmen in schematischer
Darstellung, die Fig. 4 das Ausführungsbeispiel eines zeitlich arbeitenden Leistungsverteilers
nach der Erfindung in quasioptischer Hohlleitertechnik, die Fig, 5a das Ausführungsbeispiel
eines zeitlich arbeitenden und 5b1Leistungsverteilers für detektierte SigaJnle nach
der Erfindung in elektronischer Schaltungstechnik mit zugehörigem Impulsdiagramm1
die Fig. 6 die gemessenen Kurven für die Wirksamkeit der Pegelregelung nach der
Erfindung.
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Die Meßanordnung nach der Fig. 1 wurde bereits zum Stand der Technik
in der Beschreibungseinleitung erläutert.
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In der Fig. 2 ist das Schema der erfindungsgemäßen Meßanordnung dargestellt,
wobei der erste und dritte Leistungsverteiler, die ein Signal zeitlich alternierend
auf die zwei Ausgänge verteilen müssen, in ihrer einfachsten Ausführungsform als
Umschalter dargestellt sind. Beide Schalter sind miteinander synchronisiert, die
Schaltfrequenz wird zweckmäßigerweise so gewählt, daß sich im Signal- und im Referenzzweig
eine für die auswertenden Meßgeräte geeignete Frequenz, typischerweise 1 kHz, ergibt.
Der zweite Leistungsverteiler braucht nicht zeitlich alternierend zu arbeiten und
kann in einfacher Weise je nach Frequenzbereich als Leistungsteiler, 3-dB-Richtkoppler
oder halbdurchlässiger
Spiegel ausgefuhrt werdën»'-ür die Verwertung des gewonnenen Referenzsignals sind
in der Fig. 2(wieder mit Strichelung wie in der Fig. 1) diePegelregelungsmöglichkeiten
über einen Regeleingang des Generators, äußeres Stellglied oder ein vergleichcndes
Meßinstrument wie ein Ratiometer dargestellt.
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flfii Weiterbildung der Erfindung besteht darin, die bei der beschriebenen
Ausbildung des zweiten Leistungsverteilers n Fig. 2 entstehenden Verluste zu vermeiden
und auch den zweiten Leistungsverteiler zeitlich in Synchronisation mit den beiden
anderen als Umschalter arbeiten zu lassen, der einmal den Meßobjektausgang und zum
anderen die Umwegleitung mit dem Detektor verbindet.
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Die Fig. 3 zeigt in schematischer Darstellung die erfindungsgemäße
Weiterbildung eines zeitlich arbeitenden Leistungsverteilers, wie sie bei Hochfrequenzaufbauten
leicht realisierbar ist. Er besteht aus der Hintereinanderschaltung eines Leistungsteilers,
beispielsweise eines -10 dB bis -20 dB - Richtkopplers, der nur eine geringe Leistung
für den Referenzzweig auskoppelt, mit einem Doppelschalter, der einen Ruhekontakt
für den einen Zweig und einen Arbeitskontakt für den anderen Zweig aufweist. Bei
Betätigung des Schalters wird die Eingangs leistung abwechselnd auf den Signal-
oder den Referenzzweig geschaltet.
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Fig. 4 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines zeitlich arbeitenden Leistungsteilers
in quasioptischer Hohlleitertechnik, wie er für den Frequenzbereich 30 - 38 GHz
aufgebaut wurde. Hinter einem aus R320 - Standardhohlleitern aufgebauten 3 dB -
Richtkoppler folgt in den Ausgangs armen ein Hohlleiterübergang auf einen quasioptischen
Querschnitt von 35 mm x 5 mm. Ihm sind Hohlleiterkreuzverbindungen dieses Querschnitts
nachgeschaltet, durch deren Diagonale eine Schlitzscheibe von 30 cm Durchmesser
rotiert.
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Sie weist, wie im rechten Teil der Fig. 4 skizziert, 20 Schlitze von
67 mm Länge auf, deren Breite an jeder Stelle so bemessen ist, daß Schlitze und
schlitzfreie Teile der Scheibe gleiche Winkelsektoren beanspruchen. Bei Rotation
der Scheibe mit 300()U/min
ergibt sich in den Hohlleiterkreuzen
eine Schaltfrequenz von 1 kHz. Damit das eine Hohlleiterkreuz durch einen Schlitz
geöffnet wird während das andere durch ein schlitzfreies Stück gesperrt ist, wurde
der eine Hohlleiterzweig gegen den anderen um 90 geneigt. Der Aufbau mit quasioptischen
Hohlleiterkreuzen gewährleistet vorteilhafterweise, daß die an der Scheibe reflektierte
Leistung im gesperrten Arm nicht auf den Eingang zurückwirkt, sondern aus dem Kreuz
hinaus abgestrahlt wird.
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Ein anderes Ausführungsbeispiel eines zeitlich arbeitenden Hohlleiter
- Leistungsteilers besteht darin, in der Diagonale der Hohlleiterkreuze nach Fig.
4 als Schalter arbeitende Halbleiterscheiben einzusetzen, wie sie im Teil IV der
Veröffentlichung von K.E. Mortenson et. el. mit dem Titel "A Review of Bulk Semiconductor
Microwave Control Components", erschienen in den Proceedings of the IEEE, Vol. 59,
No. 8, S. 1191 bis 1200,-beschrieben sind. Für den Bereich optischer Frequenzen
lassen sich rotierende oder vibrierende Spiegel als Schalter einsetzen.
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Die Fig. 5a zeigt als Ausführungsbeispiel für den dritten Leistungsverteiler
nach Fig. 2 das Schaltbild eines elektronischen Schalters mit dem in Fig. 5b dargestellten
Impulsdiagramm. Entlany eines inneren Kreises der Schlitzscheibe der Fig. 4 sind
jeweils in Schlitzmitte Löcher von 5 mm Durchmesser gebohrt, die eine Lichtschranke
betätigen. Der verstärkte Ausgangsimpuls der Lichtschranke (Zeile a im Impulsdiagramm)
wird durch einen Schmitt-Trigger neu geformt (Zeile b). Seine Rückflanke triggert
einen Monoflop (Zeile c), dessen einstellbare Verzögerungszeit den Beginn des Schaltfensters
definiert. Durch den ersten wird ein zweiter Monoflop getriggert, dessen Verzögerungszeit
den Abstand zwischen den Schaltfenstern im Signal- und Referenzzweig bestimmt.
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ff 4 d s
Der normale und der invertierte Ausgang
dieses Monoflops (Zeilen d, e) triggern Nadelimpulsformer, die nur auf Vorderflanken
ansprechen (Zeilen f, g). Beide Nadelimpuisformer triggern nun ein Monoflop, das
die Fensterbreite bestimmt (Zeile h). Zwei NAND - Gatter wirken als Schaltimpulsgeber
für den Signal- und den Referenzzweig (Zeilen i, k), die zwei CMOS - Schalter für
das detektierte Signal betätigen.
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Fig. 6 zeigt schließlich die gemessene Wirkung der pegelgeregelten
Meßanordnung, wie sie mit den in Fig. 4 und Fig. 5 dargestellten 1. und 3. Leistungsverteilern
erzielt wurde. Als 2.
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Leistungsverzweiger wurde ein einfacher 3 dB - Richtkoppler eingesetzt.
Als Sigailgenerator wurde ein Rückwärtswellenoszillator des Typ RWO 40 der Fa. Siemens
verwendet, der Signal- und der Referenzzweig wurden einem Ratiometer für 1 kHz zugeführt.
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Die unteren beiden Kurven wurden gemessen, als der Detektor über ein
vorgeschaltetes Dämpfungsglied direkt an den Generator angeschlossen wurde. Zwischen
der Messung der beiden Kurven wurde die Dämpfung um 1 dB erhöht. Die starken Schwankungen
über der Frequenz sind typisch für Rückwärtswellenröhren, an den mit Pfeilen gekennzeichneten
Stellen sind Messungen ohne Pegelregelung fast nicht möglich. Die oberen beiden
Kurven ergeben sich nach Einsatz der pegelgeregelten Meßanordnung nach der Erfindung.
Bis auf eine geringe Restwelligkeit, die durch die verwendeten Richtkoppler und
Unsymmetrien des Meßaufbaus zu erklären ist, sind die Kurven glatt geregelt worden.