DE3111204A1

DE3111204A1 - Schaltngsanordnung fuer ein elektrisches mehrtornetzwerk zur bestimmung komplexer reflexionsfaktoren

Info

Publication number: DE3111204A1
Application number: DE19813111204
Authority: DE
Inventors: Ulrich Dr. rer. nat. Dipl.-Phys. 3300 Braunschweig Stumper
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1981-03-21
Filing date: 1981-03-21
Publication date: 1982-09-30

Description

Schaltungsanordnung für ein elektrisches Mehrtornetzwerk
zur Bestimmung komplexer Reflexionsfaktoren Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung für ein lineares passives elektrisches Mehrtornetzwerk zur Bestimmung des Betrages und der Phase von komplexen Reflexionsfaktoren von Zweipol-oder Mehrpol-Meßobjekten für beliebige Frequenzen im Hoch- und Höchstfrequenzgebiet mittels Messung der Beträge der Amplituden elektrischer Signale, bzw.
deren Leistungen an verschiedenen Ausgängen des Netzwerks.
Es ist bekannt, daß zur Messung des Betrages und der Phase komplexer Reflexionsfaktoren lineare, passive elektrische Netzwerke - sogenannte Mehrtoranordnungen - als Ersatz für die aufwendigen, nach dem Überlagerungsprinzip arbeitenden Netzwerkanalysatoren verwendet werden können. Solche Anordnungen weisen neben einem Eingangstor (bzw. Zweinolanschluß), an welches eine Hochfrequenzsignalquelle angelegt wird, sowie einem Ausgangstor (bzw. Zweipolanschluß) zum Anschluß des Meßobjektes, mindestens drei weitere Meßtore auf, an welchen zur Detektierung der an diesen Toren auftretenden elektrischen Hochfrequenzsignale einfache Detektoren wie zum Beispiel Hochfrequenzgleichrichterdioden oder Bolometer angeschlossen sind. Dabei muß der Betrag der Amplitude des Signals am Ausgang des Detektors mit dem Betrag der komplexen Amplitude des auf den Detektor wirkenden Hochfrequenzsignals linear - mit einem konstanten Proportionalitätsfaktor - verknüpft sein. Aus den für jeweils feste Frequenzen gewonnenen Detektorausgangssignalen lassen sich dann Betrag und Phase des komplcxen Reflexionsfaktors des Meßobjektes berechnen, nachdem eine Kalibrierung mit Hilfe von Meßobjekten, deren Reflexionsfaktoren bekannt sind, stattgefunden hat. Meß- und Kalibrierverfahren sind in der Literatur angegeben /1,2,3,4/.
Die bisher bekannten Schalturlgsvorschläge für Mehrtornetzwerke zur Bestimmung komplexer Reflexionsfaktoren aus Amplitudenbetragemessungen lassen sich in zwei Gruppen einteilen.
Bei der ersten Gruppe besteht das Netzwerk aus zwei in bekannter Reflecktomoterschaltung verbundenen Richtkopplern.
Zusätzlich wird das Stehwellenfeld mit Hilfe von Koppelsonden abgetastet /4/. Nachteilig ist hier, daß - für bestimmte Werte des komplexen Reflexionsfaktors - an einem oder mehreren Meßtoren Signalamplituden der Beträge Null auftreten können, so daß der grundsätzlich erforderliche lineare Zusammenhang zwischen Eingangssignal und Ausgangsgröße der Detektoren über einen sehr großen (im Grenzfall unendlich großen) Dynamikbereich des Eingangssignals erhalten bleiben muß. Einfache Detektoren lassen sich für diese Schaltungsgruppe nicht anwenden, da Dioden und Bolometer nur in Dynamik-Bereichen von maximal etwa 20 dB hinreichend linear sind.
Zur zweiten Gruppe gehören Netzwerke, bei denen für alle Werte des komplexen Reflexionsfaktors im Einheitskreis der Linearitätsbereich einfacher Detektoren zwar nicht überschritten wird, welche jedoch sehr schaltungsaufwendig und deshalb, besonders für hohe Frequenzen, teuer sind. Für alle bekannt gewordenen Schaltungen besteht das Netzwerk nämlich aus mehreren, bei Sechstorschaltungen mindestens aus fünf Bauelementen, wie Richtkopplern, Doppel-T-Gliedern und Leistungsteilern, welche untereinander mehrfach durch Hochfrequenzleitungen verbunden sein müssen (zum Beispiel /5/).
Durch die Erfindung werden die angegebenen Nachteile der bekannten Anordnungen vermieden. Sie vereinigt geringen Schaltungsaufwand mit der Eigenschaft, daß an den Meßtoren auch Detektoren mit relativ kleinem Lineartätsbereich verwendet werden können.
Die Erfindung betrifft ein lineares passives Mehrtornetzwerk zur Messung von Betrag und Phase komplexer Reflexionsfaktoren für beliebige Frequenzen im Hoch- und Höchstfrequenzgebiet, welches aus einfach herzustellenden oder handelsüblichen Bauteilen besteht und dessen Systemkonstanten, d.h. die den eindeutigen Zusammenhang zwischen Detektorausgangssignalen und Reflexionsfaktor beschreibenden, durch Kalibrierung bestimmbaren Konstanten, sich in solcher Weise einstellen lassen, daß sich der geforderte kleine Dynamikumfang der Detektoreingangssignale ergibt. Die erfindungsgemäße Schaltung läßt sich in jeder im Bereich vorgegebener Meßfrequenzen technisch angewandten Leitungsform herstellen. Da nur wenige einfache Bauteile benötigt werden, eignet sich die erfindungsgemäße Schaltung insbesondere für einen preiswert auszuführenden Aufbau in Streifenleitungstechnik.
Die erfindungsgemäße Schaltung ist charakterisiert erstens durch die Auskopplung eines Teils der Hochfrequenzleistung der am Eingangstor angeschlossenen Hochfrequenzsignalquelle mit Hilfe eines Richtkopplers, zweitens durch Abtastung des Stehwellenfeldes auf einer den Richtkoppler und das Ausgangstor verbindenden Hochfrequenzleitung mit Hilfe von mehreren Koppelelementen mit festen oder einstellbaren Koppelfaktoren, welche an gleichen oder getrennten Orten der Leitung fest oder verschiebbar angebracht sind, drittens durch Einfügung von wellendämpfend wirkenden Bauteilen (z.B.
Dämpfungsgliedern) mit fester oder einstellbarer Dämpfung zwischen Ausgangstor und Koppelelementen und /oder zwischen je zwei Koppelelemente.
An Hand eines in der Zeichnung Blatt 1 gegebenen Schaltungsbeispiels sei die Erfindung näher erläutert: In der gezeigten Anordnung eines Sechstor-Netzwerkes gelangt das frequenzkonstante Signal der Hochfrequenzsignalquelle 1 in das Fingangstor 2, welches mit dem Ausgangstor 3, in dessen Meßebene 4 der komplexe Reflexionsfaktor des angeschlossenen Meßobjektes 5 zu bestimmen ist, über einen Richtkoppler 6 durch eine Hochfrequenzleitung 7 verbunden ist. In der Zeichnung sind alle Leitungen als Koaxialleitungen dargestellt.
Der Richtkoppler 6 koppelt einen Teil der Leistung der von 1 kommenden Welle in den Detektor 8 am Meßtor 9 aus. Drei, in diesem Beispiel kapazitiv wirkende Koppelsonden 10,11 und 12 koppeln einen Teil der Summe der Amplituden der auf der Leitung 7 nach links und rechts laufenden Signale aus und führen ihn den Detektoren 13, 14 und 15 an den Meßtoren 16,17 und 18 zu.
In die Leitung 7 ist zwischen der Sonde 12 und der Meßebene 4 ein variables Dämpfungsglied 19 eingefügt. Dadurch ist der Amplitudenbetrag des nach links laufenden Hochfrequenzsignals auf Leitung 7 immer kleiner als der Betrag des nach rechts laufenden Signals. Durch geeignete Wahl des Dämpfungsgliedes 19 läßt sich somit das Stehwellenverhältnis auf der Leitung 7 auf einen gewünschten Maximalwert und damit die maximal zulässige Leistungsvariation an den Detektoreingängen für linearen Betrieb der Detektoren einstellen.
Jedes Koppelelement ist charakterisiert dadurch, daß es an seinem Nebenausgang ein zur Summe der komplexen Amplitude der in beiden Richtungen auf der Leitung 7 verlaufenden Wellen am Koppelort proportionales Signal aufweist, welches ohne weitere Verknüpfung mit anderen Signalen einem Detektor zugeführt wird. Für die Koppelelemente ist kein spezielles Prinzip vorgeschrieben. Für die Dämpfungsglieder ist ebenfalls keine spezielle Bauform vorgeschrieben.
Fundstellen /1/ Glenn F. Engen, The Six-Port Reflectometer:An Alternative Network Analyzer IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, Vol. MTT-25, No. 12 (1977), S.1075-1080 /2/ Glenn F. Engen, Calibrating the Six-Port Reflectometer by Means of Sliding Terminations IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, Vol. MTT-26, No, 12 (1978), S. 951-957 /3/ H.M. Cronson, L. Susman, A Six-Port Automatic Network Analyzer IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, Vol. MTT-25, No. 12 (1977), S. 1086-1091 /4/ W. Kohl, Impedanzmessung bei Millimeterwellen mit einer einfachen Sechstor-Schaltung ntz-Archiv, Bd. 2 (1980), Heft 5, S. 95-99 /5/ G.F. Engen, An Improved Circuit for Implementing the Six-Port Technique of Microwave Measurements IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, Vol. MTT-25, No. 12 (1977), S. 1080-1083

Claims

Patentansprüche Schaltungsanordnung für ein lineares, passives elektrisches Mehrtornetzwerk zur Bestimmung des Betrages und der Phase von komplexen Reflexionsfaktoren von Zweipol- oder Mehrpol-Meßobjekten, für beliebige Frequenzwerte im Hoch-und Höchstfrequenzgebiet, mittels Messung der Beträge der Amplituden elektrischer Signale, bzw. deren Leistungen an den verschiedenen Ausgängen (Meßtoren) der Schaltung' dadurch gekennzeichnet,daß ein wellendämpfend wirkendes Bauelement 19 mit festen oder einstellbarem Dämpfungswert in eine Hochfrequenzleitung 7 eingefügt wird und zwar zwischen dem Ausgangstor 3 zum Anschluß eines Meßobjektes und einem Mehrtornetzwerk, in welchem ein Teil der Leistung der an einem Eingangstor 2 angeschlossenen Signalquelle mit Hilfe eines Richtkopplers 6 einem Detektor an einem Meßtor 9 zugeleitet wird, und in welchem ferner das elektromagnetische Stehwellenfeld an einer Stelle oder mehreren Stellen der Hochfrequenzleitung 7 mit Hilfe von mindestens zwei fest oder längs der Leitung verschieblich angeordneten Koppelelementen abgetastet wird, welche einen festen oder einstellbaren Teil der Amplitudensumme der in beiden Richtungen auf Leitung 7 verlaufenden Signale auskoppeln und weiteren Meßtoren zuleiten.
2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen je zwei Koppelelemente wellendämpfend wirkende Bauelemente mit festen oder einstellbaren Dämpfungswerten in die Hochfrequenzleitung eingefügt sind.
3. Schaltungsanordnungen nach Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß anstelle von wellendämpfend wirkenden Bauelementen entsprechend wellendämpfende Leitungsstücke die Koppelelemente untereinander sowie Koppelelemente und Ausgangstor verbinden.