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Anordnung zum selbsttätigen Abstimmen eines Transformåtionsnetzwerkes
Die Erfindung betrifft eine Anordnung laut Oberbegriff des Hauptanspruches.
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Es ist bekannt, Transformationsnetzwerke beispielsweise zur Transformation
der Impedanz einer Antenne auf einen vorbestimmten reellen Widerstandswert dadurch
automatisch abzustimmen, dass laufend der Betrag der zu transformierenden Impedanz
und der zugehörige Phasenwinkel gemessen wird und die kapazitiven und induktiven
Blindwiderstände mehrfach aufeinanderfolgend so lange geändert werden, bis schliesslich
der gewünschte Impedanzwert (reeller Widerstand) erreicht ist (s.beispielsweise
DT-AS 25 22 258).
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Die hierbei zurückzulegenden Transformationswege und damit auch die
Abstimmzeit sind bei diesen bekannten Anordnungen relativ lang.
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Es ist auch schon bekannt, die komplexe Widerstandsebene gedanklich
in vorbestimmte Bereiche aufzuteilen und mittels einer geeigneten Impedanzmesseinrichtung
festzustellen, in welchem dieser vorbestimmten Bereiche der komplexen Widerstandsebene
die gegebene Impedanz liegt (NTZ 1974, Heft 1, S. 24 - 29). Bei dieser bekannten
Anordnung wird die Widerstandsebene gedanklich durch eine R-Linie, die dem konstanten
Realteil des komplexen Widerstandes des gewünschten
Impedanzwertes
entspricht, begrenzt und es werden hier nur gegebene Impedanzen betrachtet, deren
Realteil kleiner als dieser konstante Realteil der gewünschten Impedanz sind, also
beispielsweise kleiner als der gewünschte reelle Widerstandswert von 50 Ohm. Wird
bei der Impedanzmessung festgestellt, dass die gegebene Impedanz grösser ist als
dieser konstante Realteil des gewünschten Impedanzwertes, also in der komplexen
Widerstandsebene in Bereichen rechts von dieserR-Linie liegt, so muss auch bei der
bekannten Anordnung über ein zusätzliches von Hand einstellbares Transformationsnetzwerk
erst dafür gesorgt werden, dass die gegebene Impedanz in den links von der R-Linie
liegenden Bereich der komplexen Widerstandsebene grob transformiert wird, damit
dann die bekannte Regelanordnung wirksam werden kann, die es erlaubt, in diesem
links von der R-Linie liegenden Bereich mit nur zwei Transformationsschritten längs
des G-Kreises die gewünschte Abstimmung durchzuführen. Die Verwendung dieser bekannten
Anordnung ist also auf Spezialfälle beschränkt und es können nicht automatisch beliebige
Impedanzen, die in einem beliebigen Bereich der komplexen Widerstandsebene liegenoselbsttätig
auf den gewünschten Impedanzwert transformiert werden.
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Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine Anordnung letzterer Art so
weiterzubilden und zu verbessern, dass gegebene Impedanzen, die in beliebigen Bereichen
der komplexen Widerstandsebene liegen, auf dem kürzesten Tranformationsweg auf jeden
beliebigen anderen Impedanzwert der komplexen Widerstandsebene, insbesondere auf
einen vorbestimmten reellen Widerstandswert, transformiert werden können.
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Diese Aufgabe wird ausgehend von einer Anordnung laut Oberbegriff
des Hauptanspruches durch dessen kennzeichnende Merkmale gelöst.
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Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Bei der erfindungsgemässen Anordnung wird durch das zusätzlich noch
eingeführte zweite Messkriterium, nämlich die R-Linie in der komplexen Widerstandsebene,
die Möglichkeit geschaffen, dass aus jedem Bereich der komplexen Widerstandsebene
eine Transformation einer gegebenen Impedanz auf kürzestem Wege in den gewünschten
Impedanzwert durchgeführt werden kann. Eine Vorprogrammierung wie bei der bekannten
Anordnung der oben erwähnten Art ist daher nicht nötig, die Anordnung nach der Erfindung
arbeitet;vollständig automatisch ausschliesslich mit Regelung. In den Bereichen
1 bis 4 der Widerstandsebene erfolgt eine Transformation auf kürzestem Wege ähnlich
wie bei der bekannten Anordnung, nämlich nach Erreichen des G-Kreises längs dieses
bis zum gewünschten Impedanzwert, aus den Bereichen 5 und 6 ist es gemäss der Erfindung
möglich, in ebenso einfacher Weise auf kürzestem Wege eine Transformation durchzuführen,
nämlich längs der R-Linie. Gemäss der Erfindung wird also nicht nur durch eine zusätzliche
Bereichsbestimmung eine Vortransformation in den Bereich durchgeführt, in welchem
auch die bekannte Anordnung eine Transformation längs relativ kurzer Transformationswege
ermöglicht (Transformation längs G-Kreis) sondern durch die neu eingeführte Grenzlinie
R-Linie ist es möglich, aus den Bereichen 5 und 6 längs dieser R-Linie eine Transformation
in den gewünschten Impedanzwert durchzuführen.
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Damit kann aus allen Bereichen der komplexen Widerstandsebene eine
Transformation sehr schnell und automatisch durchgeführt werden. Unter Umständen
kann es vorteilhaft sein, auch aus den Bereichen 1 (mit LP und LS) oder 4 (mit CP
und CS), die Transformation über die R-Linie vorzunehmen.
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Die Erfindung wird im folgenden anhand schematischer Zeichnungen an
Ausführungsbeispielen näher erläutert.
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Fig. 1 zeigt das Prinzipschaltbild einer erfindungsgemässen Anordnung
mit einem üblichen kapazitive und induktive Blindwiderstände aufweise,nden Transformationsnetzwerk
A, das zwischen der zu transformierenden Impedanz Z, im Ausführungsbeispiel einer
Antenne, und beispielsweise einem Hochfrequenzsender B angeordnet ist und durch
A welches der komplexe Impedanzwert Z in einen vorbestimmten-Impedanzwert Y, beispielsweise
einen vorbestimmten reellen Widerstandswert von 50 Ohm, zur Anpassung der Antenne
an den Senderausgang durchgeführt werden soll. Die in dem gezeigten Ausführungsbeispiel
im Transformationsnetzwerk vorgesehenen Blindwiderstände sind über eine Regeleinrichtung
P verstellbar. In dem gezeigten Ausführungsführungsbeispiel sind vier Sorten von
verstellbaren Blindwiderständen vorgesehen, nämlich eine Serieninduktivität LS,
eine Serienkapazität CS sowie jeweils zwei Parallelkapazitäten CP bzw. Parallelinduktivitäten
LP. Über eine der Antenne Z zugeordnete Ïmpedanzmesseinrichtung wird bei zunächst
wirkungslosem Transformationsnetzwerk A gemessen, in welchem der sechs Teilbereiche
der
komplexen Widerstandsebene nach Fig. 2 die jeweils gemessene Impedanz Z liegt. In
der in Fig. 2 üblicherweise dargestellten komplexen Widerstandsebene ist der Kreis
G für konstanten Realteil des komplexen Leitwertes der gewünschten Impedanz Y und
die Linie R für konstanten Realteil des komplexen Widerstandes dieser gewünschten
Impedanz eingezeichnet. Dieser G-Kreis und diese R-Linie teilen zusammen mit der
Linie r für Phasenwinkel Oo die Widerstandsebene in die eingezeichneten Bereiche
1 bis 6. Von jedem dieser Bereiche ausgehend gibt es einen kürzesten Tranformationsweg,
um die gewünschte Impedanz Y zu erreichen. In Fig. 2 sind zusätzlich noch die sich
für die verschiedenen Blindwiderstände des Transformationsnetzwerkes A ergebenden
Transformationswege eingezeichnet.
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Daraus ergibt sich für die einzelnen Bereiche folgendes einfaches
Transformationsschema Aus Bereich 1: zunächst Serieninduktivität LS, bis G-Kreis
erreicht ist, dann Parallelinduktivität Bp'bis Y erreicht ist.
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Aus Bereich 2: zunächst CS, dann LPI Aus Bereich ): erst LS, dann
CP' Aus Bereich 4: erst CS, dann CPt Aus Bereich 5: zunächst LP, dann CS Aus Bereich
6: zunächst CP, dann LS Daraus ergibt sich, dass nach Bestimmung dieser einzelnen
Bereiche 1 bis 6 über eine einfache Regelschaltung P jeweils mit nur zwei aufeinanderfolgenden
Abstimmvorgängen für eine bestimmte Sorte von Blindwiderständen auf schnellstem
Wege eine Transformation der Im -pedanz Z in den Impedanzwert Y erreicht werden
kann. Es ist dazu lediglich nötig, diese möglichen kürzestens Transformationswege
nach
obigem Schema als Festwerte in die Regeleinrichtung P einzugeben und diese Regeleinrichtung
in Abhängigkeit von der die erwähnten Bereiche feststellenden Impedanzmesseinrichtung
so zu steuern, dass für jeden dieser Bereiche automatisch der kürzeste Transformationsweg
nach obigem Schema durchgeführt wird, wie dies nachfolgend näher erläutert wird.
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Die Messeinrichtung zur Bestimmung der Bereich 1 bis,6 kann sehr einfach
im Sinne des dargestellten Ausführungsbeispieles nach Fig. 1 realisiert werden,
es sind lediglich drei gesonderte Messeinrichtungen R, G und f nötig, um die gewünschte
Aufteilung der komplexen Widerstandsebene im Sinne Fig. 2 zu ermöglichen. Die Messeinrichtung
R bestimmt die R-Linie, die dem konstanten Realteil des komplexen Widerstandes Y
entspricht, die Messeinrichtung G den G-Kreis nach Fig. 2, welcher dem konstanten
Realteil des komplexen Leitwertes der Impedanz Y entspricht, und die Messe in richtungJ
bestimmt die dem Null-Phasenwinkel entsprechende Linie r. Die R-Linie und der G-Kreis
sind in bekannter Weise als Kreisgleichungen der komplexen Leitwerts- bzw. Widerstands
ebene in bekannter Weise darstellbar, und zwar ist der G-Kreis gemäss Fig. 3 in
der dort angegebenen komplexen Schreibweise als Kreisgleichung darstellbar. Hieraus
ist jeweils der Mittelpunkt M bekannt, bei einer gewünschten Transformation in einen
reellen Widerstand von 50 Ohm beispielsweise 25 Ohm ebenso der Radius D, in dem
Beispiel wiederum ein Zeiger von 25 Ohm. Variabel ist die zu transformierende komplexe
Impedanz Z und der Winkel a. Die Impedanz Z kann in bekannter Weise gemessen werden,
im Sinne des Ausführungsbeispieles beispielsweise über die Messung des komplexen
Stromes I und der komplexen Spannung U mittels eines zwischen Antenne und Sender
geschalteten Messkopfes E. Z = U eingesetzt in die Kreisgleichung nach Fig. 3 ergibt
die Kreisgleichung U - M = D.ejα I
Wenn diese Gleichung erfüllt
ist, befindet sich die Impedanz Z auf dem gewünschten Kreis. Ist sie nicht erfüllt,
so liegt Z entweder ausserhalb oder innerhalb dieses Kreises. Aus dieser Gleichung
kann folgende Ungleichung umgeformt und aufgestellt werden
Messtechnisch handelt es sich um einen reinen Radienvergleich.
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Daher kann diese Gleichung auf leicht messbare Absolutbeträge beschränkt
werden, so dass folgende leicht messtechnisch zu realisierende Gleichung für eine
zu bestimmende Kreisgrenzlinie im Widerstandsdiagramm übrigbleibt:
Fig. 1 zeigt aufbauend auf diesen bekannten Überlegungen einfache Ausführungsformen
für die Bestimmung des G-Kreises bzw. der R-Linie. Aus den gemessenen komplexen
Spannungen I und U werden in einer Transformationsbrücke die nach obiger Gleichung
erforderlichen komplexen Subtraktionen durchgeführt, M und D sind Konstanten wie
Verstärkung oder Dämpfung und können auf einfache Weise durch die dargestellten
Einstellglieder M und D eingestellt werden. Da nur Absolutbeträge verglichen werden,
ist eine Gleichrichtung möglich. Die beiden gleichgerichteten Komponenten werden
jeweils in einem üblichen Komparator miteinander verglichen und am Ausgang dieses
Komparators entstehen entsprechende Potentiale, die kennzeichnend sind dafür, ob
die Ungleichung erfüllt ist (Null-Potential) und negatives bzw. positives Potential
je nachdem welche der angegebenen Ungleichbedingungen erfüllt sind.
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Wenn der Ausgang der Messeinrichtung G beispielsweise positives Potential
führt, bedeutet dies, dass Z im Bereich ausserhalb des G-Kreises nach Fig. 2 liegt,
wenn dieser Ausgang negatives Potential führt, bedeutet dies; dass Z innerhalb des
G-Kreises liegt.
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Für die Messeinrichtung R, für deren Dimensionierung die gleichen
Überlegungen bezüglich der Aufstellung der Kreisgleichung wie oben
für
den G-Kreis gelten,-allerdings in der komplexen Leitwertsebene, wobei die Entartung
der Linie für den konstanten komplexen Widerstand in der Widerstandsebene zu einer
Geraden, also zu einem Kreis mit dem Radius unendlich, als Spezialfall anzusehen
ist, bedeutet in analoger Weise positives Potential am Ausgang, das Z auf der linken
Seite der R-Linie nach Fig. 2 liegt, und negatives Potential, dass Z rechts der
R-Linie liegt. Null-Potential bedeutet wie gesagt immer, dass Z auf dem G-Kreis
bzw.
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der R-Linie liegt.
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DiePhasnmesseinrichtung first ist in bekannter Weise ausgebildet,
sie arbeitet beispielsweise mit einer üblichen Diodenphasenbrücke und mit dieser
Messeinrichtung wird der Phasenwinkel zwischen der Spannung U und dem Strom I an
der Impedanz Z gemssen.
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Null-Potential am Ausgang dieser Messeinrichtung y bedeutet Phasenwinkel
Null, positives Potential bedeutet positiven Phasenwinkel, negatives Potential negativen
Phasenwinkel.
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Die Ausgänge dieser drei Messeinrichtungen G, R und y sind in einer
Bereichslogik 0 zusammengefasst, in welcher durch geeignete Verknüpfungen nach folgendem
Schema festgestellt wird, in welchem Bereich 1 bis 6 nach Fig. 2 die gerade gemessene
Impedanz Z liegt.
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Bereich 1: negativer Phasenwinkel und ausserhalb Kreis G und links
von Linie R Bereich 2: negativer Phasenwinkel und innerhalb Kreis G Bereich ): positiver
Phasenwinkel und innerhalb Kreis G Bereich 4: positiver Phasenwinkel und ausserhalb
Kreis G und links von Linie R Bereich 5: positiver Phasenwinkel und rechts von Linie
R Bereich 6: negativer Phasenwinkel und rechts von Linie R Zur Bestimmung des jeweiligen
Bereiches sind also die über die
Messeinrichtungen G, R und 9 angebotenen
Informationen ausreichend und zu deren Verarbeitung genügt eine einfache logische
Verknüpfungsschaltung.
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Ist auf diese Weise in der Bereichslogik 0 festgestellt worden, A
in welchem der Bereiche 1 bis 6 die jeweilige Impedanz Z liegt, ist es lediglich
noch nötig, hiermit die Regeleinrichtung P anzusteuern, die ja bereits als Festwerte
Informationen;darüber enthält, auf welchem kürzesten Transformationswege ausgehend
von einem der festgestellten Bereiche 1 bis 6 der gewünschte Impedanzwert Y erreicht
wird. Wird also beispielsweise im Sinne des in Fig. 2 eingezeigten Ausführungsbeispiels
festgestellt, dass die zu transformiereMe Antennenimpedanz Z im Bereich 6 liegt,
so bestimmt selbsttätig die Regeleinrichtung P, dass im Sinne obigen Beispiels der
kürzeste Transformationsweg zunächst mit dem Anschalten eines Parallelkondensators
CP erreicht wird. Die Regeleinrichtung P verstellt also - vorzugsweise beginnend
vom grössten Wert - die Parallelkapazität CP des Transformationsnetzwerkes A und
gleichzeitig wird über die Messeinrichtung gemessen, wann der Impedanzwert Z .durch
dieses Hinzuschalten der Parallelkapazität CP eine der in Fig. 2 bestimmten Grenzlinien
G oder R erreicht. Aus Fig. 2 ist ersichtlich, dass nach dem Zuschalten einer bestimmten
Parallelkapazität CP der Impedanzwert schliesslich bei einem Wert Z' die R-Linie
für konstanten Realteil des Widerstandes Y erreicht. Ist dieser Wert Z' erreicht,
wird automatisch über die Regeleinrichtung P der Abstimmvorgang der Parallelkapazität
CP unterbrochen und dieser Einstellwert beibehalten. Aus Fig.
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2 ist ersichtlich, dass es ausgehend von dem Wert Z' lediglich des
Zuschaltens einer Serieninduktivität LS bedarf, um den Punkt Y zu erreichen. Auch
dies wird selbsttätig durch die Regeleinrichtung P durchgeführt.
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Das Ende der Transformation, d.h. das Erreichen der gewünschten Impedanz
Y kann bei der Transformation in einen vorbestimmten
reellen Widerstandswert
Y im Sinne des Beispieles nach Fig. 2 auf einfache Weise dadurch festgestellt werden,.
dass die Messeinrichtung Ge Nullphasenwinkel an die Regeleinrichtung P abgibt.
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Dieses ideale Abschaltkriterium ist allerdings nur dann möglich, wenn
die abstimmbaren Blindelemente mit möglichst feiner Abstufung abstimmbar sind. Ausserdem
ist diese Art von Abschaltkriterium nur für Transformationen in reelle Widerstände
möglich.
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Nachdem die erfindungsgemässe Anordnung nicht nur zur Transformation
in reelle Widerstände geeignet ist sondern auch zur Transformation einer beliebigen
Impedanz in eine andere beliebige komplexe Impedanz, beispielsweise zur Transformation
einer komplexen Impedanz in eine konjugiert komplexe Impedanz, und'die Abstimmung
der Blindwiderstände des Transformationsnetzwerkes im allgemeinen ebenfalls nicht
beliebig fein ist, da schrittweise zu und abschaltbare Festkapazitäten bzw. Festinduktivitäten
hierfür anstelle komplizierterer kontinuierlich veränderbarer Blindwiderstände üblich
sind, hat es sich gemäss einer Weiterbildung der Erfindung als zweckmässig erwiesen,
auch für das Abschaltkriterium eine vorbestimmte in der komplexen Widerstandsebene
dargestellte Toleranzgrenze S vorzusehen, wie dies in Fig. 2 eingezeichnet ist.
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Bei einer zur transformierenden Antenne in einen vorgegebenen reellen
Widerstandswert ist ein Kriterium für diesen Toleranzkreis S beispielsweise die
für einen solchen Sender gerade noch zulässige Welligkeit. Ist beispielsweise für
einen bestimmten Sender eine Welligkeit von 1,2 gerade noch zulässig, so kann auf
einfache Weise nach den bekannten Gleichungen hierfür die Lage des Kreises S in
Bezug auf den gewünschten Impedanzwert Y nach Fig. 2 ähnlich wie nach den oben erwähnten
Kreisgleichungen für den G-Kreis bestimmt werden und damit eine zusätzliche Messeinrichtung
S ähnlich der Messeinrichtung G aufgebaut werden, bei der lediglich die Konstanten
D und M, wie sie für den Mittelpunkt und für den Radius des Kreises S in Fig. 2
eingetragen sind, entsprechend den
bekannten hierfür vorgesehenen
Gleichungen bestimmt und eingestellt werden. Am Ausgang der Messeinrichtung S bedeutet
dann beispielsweise wieder Nullpotential, dass die Welligkeit gleich 1,2 ist, positives
Potential, dass die Welligkeit kleiner als 1,2 und negatives Potential, dass die
Welligkeit grösser als 1,2 ist. Ist eine derartige zusätzliche Messeinrichtung S
zum Feststellen des Endes des Transformationsvorganges vorgesehen, so wird in dem
obigen Ausführungsbeispiel die Regeleinrichtung P nach dem Zuschalten der Serieninduktivität
LS die entsprechende Abstimmung dieser Serieninduktivität dann unterbrochen, wenn
der Ausgang der Messeinrichtung 5 Null bzw. positives Potential erreicht, was die
Erreichung des Fehlerkreises S bedeutet, also das Erreichen der vorgegebenen Toleranzgrenze
für den vorbestimmten gewünschten Impedanzwert Y.
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Für manche Transformationsaufgabe kann es ausreichend sein, bei spielsweise
nur ein vereinfachtes Trans formations netzwerk gemäss Fig. 4 vorzusehen, also keine
Parallelinduktivitäten. In diesem Fall sind die möglichen Transformationswege natürlich
entsprechend eingeschränkt. Damit könnten nicht aus sämtlichen Bereichen 1 bis 6
entsprechende Transformationen in den gewünschten Impedanzwert durchgeführt werden.
In diesem Fall genügt es, die Bereichsunterteilung im Sinne der Fig. 4 in nur drei
Bereihevorzusehen und nur diese drei Bereiche in der Bereichslogik O zu. bestimmen
und in der Regeleinrichtung P folgende kürzestmögliche Transformationswege aus diesen
Bereichen 1' bis )' als Festwerte einzugeben: Bereich 1': zuerst LS , dann CP' Bereich
2': zuerst CS , dann CP' Bereich 3': zuerst CP , dann LS Die veränderbaren Blindwiderstände
des Transformationsnetzwerkes A bestehen vorzugsweise aus transformierenden Blindwiderständen,
die
jeweils im Wert binär abgestuft sind und über geeignete Relais
zu bzw. abgeschaltet werden können, und zwar über die entsprechend mehradrige Steuerleitung
zwischen Regeleinrichtung P und Netzwerk A.
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Cemäss einer Weiterbildung der Erfindung hat es sich als zweckmässig
erwiesen, die komplexe Strom- und Spannungsmessung nicht auf der Originalfrequenz
des Senders und der Antenne vorzunehmen sondern auf einer konstanten Zwischenfrequenz
fO, die durch amplituden- und phasengetreues Herabmischen der Originalfrequenz f
im 5 Sinne des Ausführungsbeispiels nach Fig. 5 gewonnen wird. Damit werden mögliche
Messfehler bei zu weiten Frequenzbereichen vermieden.
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Nach Fig. 5 wird aus der Ausgangsfrequenz fs durch Zumischen einer
konstanten Zwischenfrequenz f0 in einer ersten Mischstufe Ml eine Frequenz fo +
fs gebildet, mit welcher dann entsprechende weitere Mischstufen M2 und M5 in den
Messleitungen für den komplexen Strom bzw. die komplexe Spannung angesteuert werden.
Auf diese Weise entstehen nach entsprechenden Bandpässen BP amplituden- und phasengetreu
die entsprechenden komplexen Spannungs- und Stromwerte der Originalfrequenz fs nunmehr
in einer konstanten Zwischenfrequenz fO, die anschliessend im Sinne des Ausführungsbeispieles
nach Fig.
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1 über die Messeinrichtungen G, R,f und gegebenenfalls S weiter ausgewertet
werden.
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In Fig. 5 ist ausserdem noch gezeigt, wie auf besonders einfache Weise
die komplexe Strommessung durch eine Differenzspannungsmessung möglich ist. Der
komplexe Strom ergibt sich bei dieser Schaltung nach folgender Gleichung: US t =
R2 = proportional (U2 - Ul) = prop. 1 Die Strommessung wird so auf eine einfachere
Spannungsmessung zurückgeführt und Störungen durch einen zwischengeschalteten Stromwandler
werden so vermieden.
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