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BESCHREIBUNG
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Die Erfindung bezieht sich auf eine Nahfeldsonde gemäß dem Oberbegriff
des Patentanspruchs.
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Zum wahlweisen Messen der drei Komponenten des elektrischen oder des
magnetischen Feldes sowie zur Bildung des Betrages des Summenvektors ist es bekannt
(NTG Tagungsband Nov. 1982, Seiten 97 bis 108 ) eine Nahfeldsonde mit einem würfelförmigen,
metallischen Gehäuse zu verwenden, an dessen Außenflächen jeweils ein Antennenelement
rechtwinklig angebracht ist. Jedes Antennenelement besteht aus einem abgeschirmten,
ringförmigen Leiter, dessen Abschirmung an einer Stelle durch einen Schlitz unterbrochen
ist und an einer anderen Stelle wahlweise geerdet werden kann. Im Falle der Erdung
wirken der Leiter und die geschlitzte Abschirmung als Rahmenantenne zur Messung
der magnetischen Feldkomponenten. Bei fehlender Erdung stellt der ringförmige Leiter
einen Dipol zur Messung der elektrischen Feldkomponenten dar. Die Fußpunkte der
Antennenelemente sind mit Thermoumformern verbunden, welche das HF-Meßsignal der
betreffenden Antennenelemente gleichrichten und aufbereiten. Die aufbereiteten Meßsignale
werden über ein Verbindungskabel einer in einem zweiten Gehäuse untergebrachten
Anzeigeeinrichtung zugeführt.
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Die Aufstellung der bekannten Meßsonde erfolgt auf einem
elektrisch
isolierten Stativ, wobei sich das zweite Gehäuse mit der Anzeigeeinrichtung in einigen
Metern Entfernung befindet, wo eine Bedienperson die Skala der Anzeigeeinrichtung
abliest.
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Die bekannte Meßsonde läßt sich jedoch wegen der Unempfindlichkeit
der Thermoumformer für kleinere Eingangssignale nur in einem Meßspannungsbereich
oberhalb etwa 100 V/m verwenden. Infolge dieser Unempfindlichkeit läßt sich der
Ubergangsbereich zwischen Nah- und Fernfeld nicht systematisch erfassen, was insbesondere
bei der Ermittlung der Abhängigkeit der Feldstärke von der Entfernung zu einer Sendeantenne
sowie zum Vergleich mit entsprechenden Nahfeldberechnungen unabdingbar ist.
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Ferner ist die Entkopplung der beiden Betriebsarten jedes Antennenelementes
problematisch, da der ringförmige Leiter nicht nur als Dipol wirkt, sondern auch
magnetische Anteile aufnimmt, welche das Meßergebnis verfälschen. Umgekehrt besteht
die Gefahr, daß die Rahmenantenne infolge unzureichender Erdung auch elektrische
Anteile aufnimmt, welche das Meßergebnis für die magnetische Feldkomponente verfälschen.
Schließlich ist die Handhabung der bekannten Meßsonde infolge der beiden Gehäuse
und des Stativs umständlich und zeitraubend.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht demgegenüber darin, eine Nahfeldsonde
der eingangs erwähnten Art zu schaffen, welche auch eine Messung kleinerer Eingangssignale
in einem Meßspannungsbereich unterhalb 100 V/m gestattet, welche ferner eine Verfälschung
des Meßergebnisses für die elektrischen Feldkomponenten durch überlagerte magnetische
Anteile ausschließt und welche auf einfache und bequeme Weise zu handhaben ist.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale
des Patentanspruchs gelöst.
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Die Erfindung wird anhand eines Ausführungsbeispiels in den Zeichnungen
näher erläutert. Es zeigt: Fig. 1 eine perspektivische Darstellung eines ausgeführten
Beispiels einer erfindungsgemäßen Nahfeldsonde; Fig. 2 ein Blockschaltbild einer
im Gehäuseinneren der Nahfeldsonde gemäß Fig. 1 angebrachten Meßsignal-Aufbereitungs-
und Verarbeitungseinrichtung, und Fig. 3 ein Diagramm für den Verlauf der elektrischen
Feldstärke in Abhängigkeit von der Entfernung zum Sender, und zwar entsprechend
einer mit der Sonde nach Fign. 1 und 2 gemessenen Kurve sowie entsprechend einer
mit einem wirklichkeitsnahen Rechenprogramm errechneten Kurve.
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Die in Fig. 1 dargestellte Nahfeldsonde 1 dient zur Messung der drei
Komponenten Ex, E und Ez des elektriy schen Feldes E, beispielsweise in der Umgebung
einer Sendeantennenanlage.
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Die Nahfeldsonde 1 stellt ein völlig symmetrisches Gebilde mit einem
würfelförmigen, metallischen Gehäuse 2 dar, an dessen sechs Außenflächen jeweils
ein als Monopol ausgebildetes Antennenelement 4A, 4B, 5A, 5B, 6A, 6B rechtwinklig
angebracht ist. Die Verwendung von Monopolen erlaubt den ausschließlichen Empfang
von elektrischen Komponenten, wodurch Meßverfälschungen infolge des Empfangs sowohl
von elektrischen als auch (in geringem Maße) magnetischen Komponenten ausgeschlossen
werden.
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Zur Aufbereitung und Verarbeitung der Meßsignale an den Fußpunkten
der Antennenelemente 4A bis 6B ist im Inneren des Gehäuses 2 eine entsprechende
Einrichtung 10 in Form einer elektrischen Schaltung angebracht (Fig. 2), welche
ein Anzeigeinstrument 20 aufweist, dessen Skala 8 (Fig. 1) durch einen Ausschnitt
7 in einer Wand des Gehäuses 2 ablesbar ist. Ferner befindet sich an der gleichen
Gehäusewand, im dargestellten Beispielsfalle unterhalb des Ausschnitts 7, ein gemeinsamer
Bedienungsknopf 9 für insgesamt sechs Bereichsteiler 15 der Einrichtung 10 (Fig.
2).
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An einer Ecke des würfelförmigen Gehäuses 2 ist in Richtung der betreffenden
Raumdiagonalen des Gehäuses 2 ein Haltegriff 3 befestigt, mit welchem die Nahfeldsonde
1 bequem von einer Bedienungsperson in alle Raumrichtungen gedreht, gehalten und
abgelesen werden kann.
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Die in Fig. 2 als Blockschaltbild wiedergegebene Einrichtung 10 zum
Aufbereiten und Verarbeiten der Meßsignale an den Fußpunkten der schematisch angedeuteten
Antennenelemente 4A bis 6B umfaßt sechs Aufbereitungskanäle 11A, 11B, 12A, 12B,
13A und 13B, von denen jeder Aufbereitungskanal einem zugeordneten Antennenelement
nachgeschaltet ist. Jeder der identisch ausgebildeten Aufbereitungskanäle besteht
aus der Folge einer Antenneneingangsstufe 14, eines Bereichsteilers 15 und einer
Trennstufe 16. Dieser Aufbau ist in Fig. 2 lediglich für die Aufbereitungskanäle
11A und 11B veranschaulicht: er gilt in identischer Weise auch für die übrigen,
nur als Block angedeutetenAufbereitungskanäle 12A, 12B, 13A und 13B.
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Jede Eingangsstufe 14 ist mit einem Feldeffekttransistor in Drainschaltung
als Impedanzwandler versehen, welche
einen hohen Eingangswiderstand
und einen relativ niedrigen Ausgangswiderstand aufweist, um die hochohmige Impedanz
des zugeordneten Antennenelementes an die Eingangsimpedanz des der Eingangsstufe
14 nachgeschalteten Bereichsteilers 15 anzupassen. Der Bereichsteiler 15 umfaßt
einen Transistorschaltkreis in Kollektorschaltung, wobei als Arbeitswiderstand des
Transistors ein mehrstufiger ohmscher Spannungsteiler mit Abgriffen vorgesehen ist.
Die Abgriffe lassen sich mittels des Bedienknopfes 9 (Fig. 1) selektiv wirksam schalten.
Zur wirksamen Entkopplung des Bereichsteilers 15 von einer für jeweils zwei Aufbereitungskanäle,
z.B. 13A, 13B vorgesehenen Quadrierstufe 17 ist jedem Bereichsteiler 15 eine Trennstufe
16 in Kollektorschaltung nachgeordnet.
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Der Emitterwiderstand der Trennstufe 16 ist dem Eingangswiderstand
der nachfolgenden Quadrierstufe 17 angepaßt.
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Jede Quadrierstufe 17 weist zwei symmetrische Eingänge auf, die von
den Aufbereitungskanalpaaren jeder elektrischen Feldkomponente, z.B. 11A, 11B gespeist
werden Insgesamt sind somit für die sechs Aufbereitungskanäle 11A bis 13B drei Quadrierstufen
17 vorgesehen.
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In den Quadrierstufen 17 sind integrierte Mischerschaltkreise vorgesehen,
welche aufgrund ihres quadratischen Kennlinienverlaufs eine Produktbildung der hochfrequenten
Eingangssignale und damit eine Gleichrichtung vornehmen.
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Die den Quadraten der elektrischen Feldkomponenten Ex, Ey, E z entsprechenden
Gleichspannungs-Ausgangssignale der drei Quadrierstufen 17 werden in einem Addierglied
18 summiert, das ausgangsseitig mit einem Eingang eines Operationsverstärkers 19
verbunden ist. Der Operationsverstärker 19, dem ausgangsseitig das Anzeigeinstrument
20 angepaßt ist, dient in erster Linie der Einstellung des Grundpegels des anzuzeigenden
Sonden-Ausgangssignals (welches dem Quadrat der Länge des Summenvektors der
drei
elektrischen Feldkomponenten Ex, Ey, E z entspricht), welcher dem empfindlichsten
Sonden-Meßbereich entspricht.
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Die erforderliche Radizierung des verstärkten Summensignals am Ausgang
des Operationsverstärkers 19 auf schaltungstechnischem Wege unterbleibt; statt dessen
wird die lineare Anzeigeskala des Anzeigeinstrumentes 20 durch die Skala 8 mit quadratischer
Teilung ersetzt.
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Die Aufbereitung der Meßsignale an den Fußpunkten der Antennenelemente
erfolgt, wie aus Fig. 2 ersichtlich ist, HF-mäßig, wodurch die Verwendung der Bereichsteiler
15 zum Einstellen des gewünschten Meßbereiches ermöglicht wird. Auf diese Weise
gestattet die Nahfeldsonde 1 auch die Messung geringer Feldstärken mit einem Antenneneingangssignalpegel
unterhalb 100 V/m. Es hat sich darüberhinaus gezeigt, daß die mit Hilfe der erfindungsgemäßen
Nahfeldsonde ermittelten Feldstärkewerte beispielsweise im Nahfeld des Senders Ismaning
des Bayerischen Rundfunks gut mit entsprechenden theoretischen Werten übereinstimmen,
welche mit Hilfe eines die Bodenleitfähigkeit und das Erdnetz berücksichtigenden
Rechenprogramms ermittelt wurden. In dem Diagramm gemäß Fig. 3 sind gemessene und
errechnete Kurven für den Verlauf der elektrischen Feldstärke in Abhängigkeit von
der Entfernung zum Sender aufgetragen. Ein Vergleich der Kurven zeigt die gute Ubereinstimmung
zwischen gemessenen und gerechneten Werten.