-
-
Verfahren zur Bestimmung eines Mikrowellengenerator
-
Innenwiderstandes und Anordnung zur Durchführung des Verfahrens.
-
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Bestimmung des effektiven
Innenwiderstandes eines frequenzvariablen Mikrowellen-Generators.
-
Die statische Messung des Innenwiderstandes einer aktiven Hochfrequenz-Quelle
mit üblichen Meßanordnungen durch Einspeisen des Signals in den Generatorausgang
ergibt insbesondere dann falsche Ergebnisse, wenn der Innenwiderstand des Generators
durch eine interne automatische Regelschleife beeinflußt wird. Es sind daher in
vielen Fällen andere Verfahren zur Messung des Innenwiderstandes eines Mikrowellengenerators
erforderlich.
-
Ein bekanntes Verfahren zur Messung des Innenwiderstandes eines Generators
für hohe Frequenzen bedient sich einer Meßleitung, die an den Generatorausgang angeschlossen
und auf der anderen Seite mit einem verschiebbaren Kurzschluß abgeschlossen ist.
Beschrieben ist dieses Verfahren in dem Buch von H.Groll: Mikrowellen-Meßtechnik,
Vieweg & Sohn, Braunschweig 1969, Seite 196-199. Bei diesem bekannten Verfahren
verändern sich durch Verschieben des Kurzschlusses die Amplituden der Stehwellen,
wenn keine Anpassung des Generatorinnenwiderstandes an den Wellenwiderstand der
Meßleitung vorliegt. Dieses bekannte Verfahren ist jedoch umständlich und sehr zeitraubend,
da das Maximum und das Minimum der Stehwellenspannung bei jeder Frequenz für die
Auswertung ermittelt werden müssen.
-
Aufgabe der Erfindung ist es, ein weniger umständliches und zeitraubendes
Verfahren zur möglichst genauen Ermittlung des Innenwiderstandes eines Mikrowellengenerators,
dessen Kenngrößen durch eine interne automatische Regelschleife beeinflußt werden
können, zu schaffen.
-
Gemäß der Erfindung, die sich auf ein Verfahren zur Bestimmung des
effektiven Innenwiderstandes eines frequenzvariablen Mikrowellen-Generators bezieht,
wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß an einem über eine wellenwiderstandskonstante
Präzisionsleitung mit dem eine sich frequenzmäßig ändernde Meßspannung (Wobbelspannung)
abgebenden Generatorausgang verbundenen und mit einem festen Kurzschluß abgeschlossenen
Richtungskoppler eine Meßspannung abgenommen wird, aus deren Maximalwert Umax und
Minimalwert Umin mittels der Verknüpfung Umax - Umin /Umax + Umin ein mittlerer
Betrag des Reflexionsfaktors ri des Generatorinnenwiderstandes und damit auch über
den physikalischen Zusammenhang mit dem Wellenwiderstand der Präzisionsleitung der
Generatorinnenwiderstand selbst als Mittelwert während eines Frequenzintervalls
ermittelt wird, das durch aufeinanderfolgende Extremwerte gegeben ist. Beim Verfahren
nach der Erfindung wird somit statt einer Meßleitung ein Richtungskoppler verwendet,
der die vorlaufende Welle mißt und einen festen Kurzschluß als Abschluß aufweist.
Durch Veränderung der Meßfrequenz (Wobbeln) entsteht ein welliger Verlauf des vorlaufenden
Meßsignals, falls eine Fehlanpassung vorliegt. Die Frequenz der überlagerten Wellen
(Ripple) hängt von der Länge der Leitung zwischen dem Generator und dem Meßort sowie
von der Wobbelfrequenz ab.
-
Die Messung der Wellenamplituden Umax und Umin kann entweder selektiv
oder mit einem Breitband-Sichtgerät erfolgen, wobei im letzteren Fall vorzugsweise
eine
rechnergestützte Auswertung mittels einer schnellen Fourieranalyse
vorgenommen wird.
-
Das Verfahren nach der Erfindung und eine Anordnung zur Durchführung
dieses Verfahrens werden im folgenden anhand von fünf Figuren erläutert. Es zeigen
Fig. 1 eine Anordnung zur Durchführung des Meßverfahrens nach der Erfindung, Fig.
2 ein Prinzipschaltbild eines Teils dieser Meßanordnung zur Verdeutlichung der Funktionsweise
des Verfahrens nach der Erfindung, Fig. 3 ein Zeigerdiagramm zur Darstellung der
Zusammensetzung der Meßspannung, Fig. 4 ein Funktionsdiagramm der am Richtungskoppler
ausgekoppelten Meßspannung in Abhängigkeit von der Frequenz, Fig. 5 eine Darstellung
zur Verdeutlichung der erforderlichen Längenverhältnisse der Präzisionsleitung und
des Richtungskopplers, so daß eine verhältnismäßig hohe Meßgenauigkeit erreicht
wird.
-
Fig. 1 zeigt in einem Blockschaltbild eine Meßanordnung zur Durchführung
des Verfahrens nach der Erfindung. An den Ausgang eines das Meßobjekt bildenden,
frequenzvariablen Mikrowellen-Generators 1 (Wobbelgenerator) ist über eine wellenwiderstandskonstante
Präzisionsleitung 2 ein aus zwei gekoppelten Leitungen bestehender Richtungskoppler
3 und zwar an den Eingang seiner einen Leitung angeschlossen. Der Ausgang dieser
Leitung des Richtungskopplers 3 ist mit einem festen Kurzschluß 4 versehen. Die
andere Leitung des Richtungskopplers 3 ist an ihrem einen Ende mit einem Abschlußwiderstand
abgeschlossen und an ihrem anderen Ende mit einem Diodenmeßkopf 5 verbunden, der
seinerseits an einem Breitband-Sichtgerät 6 liegt. Mit dem
Richtungskoppler
3 wird die vorlaufende Welle gemessen.
-
Durch Verändern der Meßfrequenz (Wobbeln) des Mikrowellen-Generators
1 entsteht ein welliger Verlauf des vorlaufenden Meßsignals, falls eine Fehlanpassung
vorliegt. Die Frequenz der überlagerten Wellen hängt von der Länge der Präzisionsleitung
2 zwischen dem Generator 1 und dem Meßort, d.h. dem Richtungskoppler 3, und von
der Wobbelfrequenz ab. Die Messung der Wellenamplitude erfolgt dann im dargestellten
Ausführungsbeispiel mit dem Breitband-Sichtgerät 6, wobei sich eine rechnergestützte
Auswertung mittels einer schnellen Fourieranalyse anbietet.
-
Das Meßprinzip beim Verfahren nach der Erfindung wird im folgenden
anhand der Figuren 2 bis 4 erläutert.
-
Fig. 2 zeigt ein Prinzipschaltbild eines Teils der Meßanordnung zur
Verdeutlichung der Funktionsweise des Verfahrens nach der Erfindung. Der Generator
1, dessen effektiver Innenwiderstand exakt ermittelt werden soll, weist eine interne
automatische Regelschleife AGC auf, welche die Größe des Innenwiderstands beeinflußt.
Der Innenwiderstand des Generators 1 ist mit Ri bezeichnet.
-
ri stellt den Reflexionsfaktor des Generator-Innenwiderstandes Ri
dar. Uber die Präzisionsleitung 2 mit einer Länge 11 und konstantem Wellenwiderstand
liegt die eine Leitung des Richtungskopplers 3 am Generator 1. Der am anderen Ende
4 dieser Leitung kurzgeschlossene Richtungskoppler 3 weist einen Koppel faktor K
und einen Reflexionsfaktor rk des Abschlusses auf. Über den Dioden-Meßkopf 5 wird
an der zweiten Leitung des Richtungskopplers 3 eine Spannung U2 abgenommen, welche
mit der Spannungsamplitude U1 der vorlaufenden Welle verknüpft ist.
-
Das in Fig. 3 veranschaulichte Zeigerdiagramm zur Darstellung der
Zusammensetzung der Meßspannung U2 und das in Fig. 4 gezeigte Funktionsdiagramm
der am Richtungskoppler 3 ausgekoppelten Meßspannung U2 in Abhängigkeit von der
Frequenz f dienen dem Verständnis der nachfolgenden Schilderung des Meßprinzips
zusätzlich.
-
Durch Reflexion der vorlaufenden Welle am Kurzschluß 4 und der rücklaufenden
Welle am Innenwiderstand Ri des Generators 1 mit dem Reflexionsfaktor ergibt sich
als Meßspannung U2 für den Richtungskoppler 3 ein Signal, das aus der Spannungsamplitude
U1 der vorlaufenden Welle und einer dem Produkt r. . rk proportionalen Spannung
zusammengesetzt ist. (rk ist der Reflexionsfaktor am Abschluß, d.h. in diesem Fall
am Kurzschluß 4).
-
U2 AsU1 . K + U1 . K . rk (1) Unter der Voraussetzung /rk / = 1 (2)
gilt dann: U2RsU1 . K (1+ /ri /) (3) Aus den beiden Extremwerten Umax = Ui . K (1
+ /ri /) (4) Umin = U. K (1 - /r. /) (5) 1 1 ergibt sich für den Betrag des Reflexionsfaktors
ri des Generator-Innenwiderstandes folgender Zusammenhang: = Umax U Umin /2 Ui K
= (6) = Umax U U min /U max + Umin In Fig. 4 sind die Amplitudenwellen Umax und
Umin gestrichelt und die Amplitudenwelle K . U1 strichpunktiert dargestellt.
-
Durch die Messung der frequenzabhängigen Werte der maximalen Spannung
Umax und der minimalen Spannung Umin läßt sich somit der Reflexionsfaktor / ri/
des Generator-Innenwiderstandes ermitteln. Dabei ist /ri/ der Mittelwert des Reflexionsfaktors
in einem Frequenzintervall, das durch aufeinanderfolgende Extremwerte gegeben ist.
-
Aus dem Reflexionsfaktor /ri / läßt sich aufgrund des Zusammenhangs
mit dem Wellenwiderstand der Präzisionsleitung 3 der Innenwiderstand Ri des Generators
1 ermitteln.
-
Die folgenden Betrachtungen betreffen die Meßgenauigkeit beim Verfahren
nach der Erfindung. Voraussetzung für eine genaue Erfassung der Hüllkurve nach Fig.
4 ist eine hohe Periodenzahl der Wellen im betrachteten Frequenzbereich.
-
Dies setzt eine genügende Länge 11 der Präzisionsleitung 2 zwischen
dem das Meßobjekt bildenden Generator 1 und dem Richtungskoppler 3 voraus. Diese
Präzisionsleitung 3 bestimmt vorwiegend die Meßgenauigkeit und soll daher reflexionsarm
sein. Die Periodenzahl eines evtl. wellenförmigen Verlaufs von Generatorspannung
und Koppel faktor K muß wesentlich niedriger oder höher sein als die Periodenzahl
der Wellen, die durch die Doppelreflexion hervorgerufen werden.
-
Eine weitere Störgröße ergibt sich durch die endliche Richtfähigkeit
des Richtungskopplers 3. Durch stark unterschiedliche Weglängen läßt sich dieser
Einfluß allerdings weitgehend ausschalten.
-
Zur Verdeutlichung der zuletzt angeführten, die Meßgenauigkeit betreffenden
Zusammenhänge dient die Fig.5.
-
Oben in Fig. 5 ist der Mikrowellen-Generator durch seinen Innenwiderstand
ri dargestellt, an den sich die Präzisionsleitung 2 mit der Länge 11 bis zum Meßort
7
anschließt. Der Richtungskoppler 3 weist eine Leitungslänge 12
bis zum Kurzschluß 4 auf. Darunter ist der Verlauf des Nutzsignals dargestellt.
Dieses durchläuft eine Gesamtlänge, bezogen auf den Meßort 7, von 211 + 212 (dick
eingezeichnete Linie). Dieses Nutzsignal hat eine erheblich niedrigere Frequenz
als ein Störsignal, dessen Weglänge 212, ebenfalls bezogen auf den Meßort 7, darunter
dargestellt ist (dick eingezeichnete Linie).
-
5 Figuren 9 Patentansprüche