DE3317358A1

DE3317358A1 - Reflektometer

Info

Publication number: DE3317358A1
Application number: DE19833317358
Authority: DE
Inventors: Friedemann Ing.(grad.) 7907 Langenau Kombrink
Original assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Current assignee: Telefunken Systemtechnik AG
Priority date: 1982-05-21
Filing date: 1983-05-13
Publication date: 1983-11-24
Also published as: DE3317358C2

Description

Reflektometer
Die Erfindung betrifft ein Reflektometer nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Eine derartige Reflektometeranordnung ist beispielsweise bekannt aus Meinke/Gundlach "Taschenbuch der Hochfrequenztechnik989 1968, 5. 1602e Ein HF-Generator speist eine Richtkoppleranordnung mit zwei Richtkopplern, von denen der eine mit einem Kurzschluß, der andere mit dem Meßobjekt belastet ist. Die von den Richtkopplern ausgekoppelten Signale werden in zwei gleich aufgebauten Signalwegen mit einer Oszillatorfrequenz auf eine Zwischenfrequenz von 10 NEz umgesetzt und verstärkt. Die verstärkten Zwischenfrequenz-Signale werden zum einen in ihrer Amplitude verglichen und zum anderen nach Durchlaufen von Begrenzern einer Phasendetektionseinrichtung zugeführt.
Bei der Bestimmung des komplexen Reflexionsfaktors einer Antenne ist im allgemeinen die Meßmöglichkeit über einen breiten Frequenzbereich gefordert. Darüber hinaus ist es häufig wünschenswert, die Messung mit möglichst geringer HF-Leistung vorzunehmen, um die Abstrahlung des Meßsignals über die Antenne minimal zu halten. Dabei ergibt sich das Problem, daß sich den durch Fehlanpassung der Antenne reflektierten Signalanteilen die von anderen Sendern im gleichen Frequenzband empfangenen Signale überlagern. Diese Fremdsendersignale summieren sich zu Störspannungen, die bei niedrigen Meßleistungspegeln keine zufriedenstellende Auflösung der Amplituden- und Phasenwerte zulassen.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Reflektometer anzugeben, das bei geringem Aufwand die Messung des Reflexionsfaktors über einen weiten Frequenzbereich mit guter Auflösung auch bei geringem Meßleistungspegel ermöglicht.
Die erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe ist im Patentanspruch 1 beschrieben. Die Unteransprüche enthalten vorteilhafte Ausführungen und Weiterbildungen der Erfindung.
Durch die Erzeugung eines Einseitenband (ESB)-Signals mit einer der Niederfrequenz entsprechenden konstanten Frequenzablage von der hochfrequenten Meßfrequenz und Umsetzen des Vorlaufsignals und des Rücklaufsignals mit dem Einseitenbandsignal ergeben sich automatisch immer Signale auf der ursprünglich eingesetzten Niederfrequenz.
Die Konstanz der Zwischenfrequenz entspricht damit der der dem ESB-Generator zugeführten Niederfrequenz. Diese kann mit gebräuchlichen NF-Generatoren hinreichend konstant gehalten werden. Die zwischenfrequenten Signale weisen die gleiche gegenseitige Phasendifferenz auf wie die hochfrequenten Vor- und Rücklaufsignale. Diese Phasendifferenz ist im Niederfrequenzbereich einfach und mit sehr guter Auflösung meßbar. Anordnungen zur Erzeugung von Einseitenbandsignalen sind an sich bekannt.
Die Erfindung ist im folgenden unter Bezugnahme auf die Abbildung, die ein Prinzipschaltbild einer vorteilhaften Ausführung der Anordnung zeigt , noch weiter veranschaulicht.
Von der Senderseite her wird die Meßfrequenz f bereitgestellt. Die Meßfrequenz sei beispielsweise im Grenz-und Kurzwellanbereich einstellbar, die Meßleistung liege bei wenigen mW. Der Hauptteil der Leistung wird über die Richtkoppleranordnung 1 und das Anpaßgerät AG auf die Antenne A geleitet. Ein geringer Anteil wird abgezweigt für die Aufbereitung des Einseitenbandsignals in dem ESB-Generator 14. Ein weiterer Anteil wird in der Richtkoppleranordnung 1 als Vorlaufsignal Uv ausgekoppelt Bei Fehlanpassung der Antenne A wird ein Teil der auf die Antenne geleiteten Leistung reflektiert.
In der Richtkoppleranordnung 1 wird ein der reflektierten Leistung und den Empfangssignalen von -Fremdsendern entsprechendes Rücklaufsignal UR ausgekoppelt.
Das Vorlaufsignal UV und das Rücklaufsignal UR durchlaufen je einen von zwei gleich aufgebauten Signalwegen.
Dadurch werden automatisch alle Temperatur-, Laufzeit-und Frequenzgangeinflüsse kompensiert.
In dem ESB-Generator 14 wird aus der MeBfrequenz f0 und der Niederfrequenz fz ein Einseitenbandsignal der Frequenz fm = fo - fz (oder fm = fo + fz) aufbereitet. Die Niederfrequenz liege beispielsweise bei 5 kHz. In Mischern 2, 2' wird dieses ESB-Signal mit den Signalen UR und Uv gemischt. In nachfolgenden Filtern 3, 3' werden nur die Mischprodukte mit der Frequenz f fz durchgelassen und die übrigen Frequenzanteile unterdrückt.
Da die Niederfrequenz fz sehr viel kleiner ist als die Meßfrequenz, können die Filter vorteilhafterweise als Tiefpässe aus einfachen RC-Gliedern aufgebaut sein. Aus dem breitbandigen Rücklaufsignal UR werden damit die Signalanteile aus nur einem sehr schmalen Frequenzband (im Beispielsfall von ca. 15 kHz) bei der Meßfrequenz fo ausgefiltert. Durch Erweiterung der Tiefpaßfilter zu 5 kHz-Bandpaßfiltern kann die Selektion noch weiter verbessert werden. Der Einfall eines Fremdsenders in diesem engen Frequenzband ist unwahrscheinlich und kann zudem meist durch geringfügiges Verschieben der Meßfrequenz fo umgangen werden. Auf jeden Fall wird die Aufsummierung vieler Störungen aus einem breiten Frequenzband mit einfachen Mitteln vermieden.
Die Ausgangssignale der Tiefpaßfilter 3, 3' werden in zwei gleichen Verstärkern 4, 4' verstärkt und durchlaufen , danach die Begrenzer 5, 5'. Am Ausgang der Begrenzer stehen zwei Rechtecksignale der Frequenz fz zur Verfügung, die unabhängig sind von der Amplitude der Richtkopplersignale. Sie enthalten jedoch dieselbe Phaseninformation wie die ursprünglichen, um ein Vielfaches in der Frequenz höher liegenden Vor- und Rücklaufsignale UR und Uv. Die Phasendifferenz dieser beiden Rechtecksignale wird nun bevorzugterweise mit Hilfe eines Prozessors digital gemessen. Das Auflösungsvermögen bei der Bestimmung der Phasendifferenz ist dabei gegeben durch die Taktfrequenz des Prozessors und die Niederfrequenz fz. . Bei einer Taktfrequenz von 2,5 MHz und einer Niederfrequenz von 5 kHz kann die Phasendifferenz bestenfalls auf 3600 : 500 - 0,72° genau gemessen werden0 Die Amplitudeninformation wird vor den Komparator abgezweigt. Vorzugsweise ist nur eine Amplitudenmeßeinrichtung 7, beispielsweise ein aktiver Meßgleichrichter, für beide Signal zweige vorgesehen. Uber eine Umschalteinrichtung 6 sind dann die beiden zwischenfrequenten Spannungen abwechselnd an die Meßeinrichtung anschließbar.
Über die Anschlüsse V und R an der Schnittstelle zum Prozessor können die entsprechenden Schalter durch den Prozessor angesteuert werden. Ein weiterer Anschluß L dient zur Ansteuerung eines weiteren Schalters L zum Löschen des letzten Meßwerts. über einen Anschluß M kann der analoge Amplitudenwert über einen Analog-Digital-Wandler, der in dem Prozessor integriert sein kann, zur Weiterverarbeitung auf den Prozessor geleitet werden.
Im Prozessor wird durch Quotientenbildung dann auch das Amplitedenverhältnis ermittelt. Die Meßgenauigkeit der Amplitudenmeßeinrichtung und dem nachfolgenden A-D-Wandler beträgt bei Verwendung gebräuchlicher Komponenten etwa 1 °/o Die Genauigkeit der Meßanordnung hängt im wesentlichen nur noch von den Abgleichtoleranzen des Richtkopplers ad.
Besonders vorteilhaft ist eine Ausführung der Erfindung, bei der die Messung der Phasendifferenz der zwischenfrequenten Signale digital mit Hilfe eines Prozessors erfolgt und die Niederfrequenz f z aus der Taktfrequenz des Prozessors abgeleitet ist, z. B. durch Frequenzteilung. Frequenzschwankungen des Prozessors, z. B. infolge Temperatureinflusses, wirken sich dadurch auf die Niederfrequenz und auf die Phasenmessung in gleichem Maße aus und kompensieren sich.
Das Amplitudenverhältnis und die Phasendifferenz der beiden zwischenfrequenten Spannungen wird zur Erzeugung eines Korrektursignals K für die Nachstimmung des Anpaßgeräts AG ausgewertet.
Die Aufbereitung des Einseitenbandsignals im ESB-Generator erfolgt vorzugsweise nach der an sich bekannten Phasenmethode.
Das Niederfrequenzsignal wird in zwei Signalzweige aufgespalten, die nach Durchlaufen zweier Phasenschieber 8, 9 einen Phasenunterschied von 900 aufweisen. Da die Niederfrequenz konstant ist, können die beiden Phasenschieber schmalbandig als einfache RC-Glieder mit +45° bzw. -45° Phasenbeeinflussung aufgebaut sein. Die um 900 phasenverschobenen Signale bilden die jeweils ersten Eingangssignale zweier weiterer Mischer 10 und 11. In gleicher Weise wird das Signal mit der Meßfrequenz fo in zwei Signalwege aufgespalten und über eine breitbandige, den Frequenzbereich von im Beispielsfall 2-30 MHz überdeckende 90°-Differenz-Phasenschieberanordnung geleitet. Realisiert wird diese Phasenschieberanordnung vorteilhafterweise mit einfachen RC-Gliedern und nachfolgenden Komparatoren 11, 11' sehr hoher Empfindlichkeit bei gleichzeitig sehr hoher Grenzfrequenz (z. B. 50 dB bei 300 MHz). Durch die hohe Empfindlichkeit, d. h. sehr kleine Vergleichsschwelle der Komparatoren macht sich die i. a. unterschiedliche Signaldämpfung der Phasenschieber 11, 11' kaum bemerkbar. Die derart um 90° gegeneinander phasenverschobenen amplitudengleichen Signale der Meßfrequenz fo bilden die jeweils zweiten Eingangssignale der beiden weiteren Mischer 10 und 11. Zur Erzeugung nur eines Seitenbandes sind die Ausgänge der weiteren Mischer 10, 11 zusammengeschaltet, wodurch das andere Seitenband sehr gut unterdrückt werden.
Mit dem erfindungsgemäßen Reflektometer steht eine Anordnung zur Verfügung mit einer Reihe vorteilhafter Eigenschaften: Trotz der scheinbaren Komplexität der Gesamtschaltung ergibt sich aus dem Konzept nur ein geringer Realisierungsaufwand Verlegung aller wesentlichen Meßaufgaben in die Software des Prozessors im Sinne eines ökonomischen Prozessorbetriebes, mit gleichzeitiger Steigerung der Meßwerteauflösung.
Autonomes Gerät, das lediglich ein externes HF-Meßsignal benötigt mit geringster Leistung.
Hohe Störunempfindlichkeit gegen externe Störsignale (Sender) bei gleichzeitig geringem Filteraufwand durch einfache selektive NF~Filter (RC-Glieder).
Völlig symmetrischer und identischer Aufbau beider ZF-Kanäle kompensiert automatisch alle Temperatur- und Laufzeiteinflüsse Relativmeßverfahren des Reflexionsfaktors eliminiert alle Frequenzgangeinflüsse der aa Mischer und des Meßsignals fo.
Abgleich der Einrichtung lediglich am Richtkoppler und Mitlaufgenerator.
Genauigkeit der Meßwerte ist ausreichend, um mit Hilfe eines Prozessors LC-Transformationselemente zu berechnen, die Anpassung einer beliebigen Antennenimpedanz auf z. B.
Zo - 50 # zu ermöglichen.
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Claims

Patent ansprüche 1. Reflektometer zum Bestimmen des komplexen Reflexionsfaktors einer über eine Richtkoppleranordnung (1) mit einem hochfrequenten Signal einer veränderlichen Meßfrequenz (f.) gespeisten Antenne (A). mit zwei gleich aufgebauten Signalzweigen, in denen das Vorlaufsignal (Uv) und das Rücklaufsignal (UR) der Richtkoppleranordnung in je einem Mischer (2, 2') mit einer Überlagerungsfrequenz (fm) auf eine Zwischenfrequenz umgesetzt werden und mit Einrichtungen zum Bestimmen des Amplitudenverhältnisses und der Phasendifferenz der beiden zwischenfrequenten Spannungen, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß ein Einseitenbandgenerator (14) aus der veränderlichen hochfrequenten Meßfrequenz (fo) und einer konstanten Niederfrequenz (fz) ein Einseitenbandsignal erzeugt, daß dieses Einseitenbandsignal den Mischern (2, 2') in den beiden Signalzweigen zugeführt ist und daß das Vorlaufsignal (Uv) und das Rücklaufsignal (UR) auf die Niederfrequenz (fz) als Zwischenfrequenz umgesetzt werden.
2. Reflektometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Bestimmung der Phasendifferenz () der beiden zwischenfrequenten Spannungen digital erfolgt mit Hilfe eines Prozessors.
3. Reflektometer nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die dem Einseitenbandgenerator (14) zugeführte Niederfrequenz (fz) aus der Taktfrequenz des Prozessors abgeleitet ist.
4. Reflektometer nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch eine gemeinsame Amplitudenmeßeinrichtung (7), an die die beiden zwischenfrequenten Spannungen über eine Umschalteinrichtung (6) abwechselnd anschließbar sind.
5. Reflektometer nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Einseitenbandgenerator (14) zwei weitere Mischer (10, 10') aufweist, denen zum einen die Meßfrequenz (fo) und zum anderen die Niederfrequenz (fz) mit jeweils 90° Phasenunterschied zugeführt ist und deren Ausgänge zusammengefaßt sind.
6. Reflektometer nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch je einen Begrenzerverstärker (11, 11') vor den weiteren Mischern (10, 10') im Zuge der den weiteren Mischern zugeführten Meßfrequenz.