DE4010448A1 - Anordnung zum kalibrieren von rahmenantennen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zum Kalibrieren von Rahmenantennen laut Oberbegriff des Hauptanspruches.

Ein- oder Mehrwindungs-Rahmenantennen, wie sie insbeson­ dere für Feldstärkemesser benutzt werden, müssen sowohl bei der Herstellung als auch später laufend im Betrieb kalibriert werden. Dazu ist es bekannt, die zu kalibrie­ rende Rahmenantenne einem Hochfrequenzfeld auszusetzen, das eine genau vorberechnete mittlere Feldstärke H_av besitzt (F. M. Greene, "The Near-Zone Magnetic Field of a Small Circular-Loop Antenna", Journal of Research of the National Bureau of Standards - Engineering and Instrumentation, Vol. 71C, No. 4, October December 1967, Seiten 319-326). Die Berechnung der mittleren Feldstärke erfolgt dabei nach der Formel

wobei

ist. Hierbei bedeutet H_av den Mittelwert der magnetischen Feldstärke in A/m, I den Strom in der Sende-Rahmenantenne in A, d den Abstand zwischen den beiden Rahmenantennen in m, r₁ und r₂ die Radien der Sende- und Empfangs- Rahmenantenne in m, β die Wellenlängenkonstante rad/m mit β = 2π/λ und ϕ den Integrationswinkel in rad. Da die Berechnung der Feldstärke nach diesen Formeln sehr kompliziert und schwierig ist, wurden auch schon Nähe­ rungsformeln hierfür angegeben (F. M. Greene, "NBS Field-Strength Standards and Measurements, 30 Hz bis 1000 MHz", Proceedings of the IEEE, Vol. 55, No. 6, June 1967, Seiten 970-981). Diese bekannten Kalibrierver­ fahren ermöglichen jedoch nur die Kalibrierung einer Rahmenantenne bei einer vorgegebenen einzigen Frequenz, sie erfordern außerdem unter Berücksichtigung der Frequenz einen relativ großen gegenseitigen Abstand d. Für eine Rahmenantenne der Bezeichnung HFH2-Z2 der Firma Rohde & Schwarz, wie sie in dem Datenblatt 303.203. beschrieben ist und die einen Radius r = 0,284 m besitzt, würde dies bis zu einer Frequenz von 12 MHz einen Meßabstand von d = 3,455 m bedeuten. Solche großen Meßabstände sind für das Prüffeld jedoch ungeeignet, weil die Reflexionen der Umgebung die berechnete Standard-Feldstärke ver­ fälschen. Da außerdem die Kalibrierung nur bei einer einzigen Frequenz erfolgt, solche Rahmenantennen jedoch meist in einem großen Frequenzbereich beispielsweise zwischen 10 kHz und 30 MHz benutzt werden, muß diese bekannte Kalibriermethode bei vielen Frequenzen angewandt werden. Sie ist deshalb ungenau und aufwendig.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine Anordnung zum Kalibrieren von Rahmenantennen aufzuzeigen, mit der solche Rahmenantennen auch in einem vorgegebenen breiten Fre­ quenzbereich genau und lückenlos bei beliebig vielen Frequenzen breitbandig kalibriert werden können.

Diese Aufgabe wird ausgehend von einer Anordnung laut Oberbegriff des Hauptanspruches durch dessen kennzeich­ nende Merkmale gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen er­ geben sich aus den Unteransprüchen.

Bei der erfindungsgemäßen Anordnung wird der Abstand zwischen den Rahmenantennen zur Kalibrierung so gewählt, daß die Änderung der Feldstärke in Abhängigkeit von der Frequenz am Ort der zu kalibrierenden Rahmenantenne in dem vorgegebenen Frequenzbereich minimal ist. Die Erfindung macht sich dabei die Erkenntnis zunutze, daß nach den eingangs erwähnten bekannten Formeln ein Abstand gefunden werden kann, bei dem die frequenzabhängige Änderung der Feldstärke innerhalb eines vorgegebenen Toleranzbereiches bleibt, die Feldstärke also einen nahezu ebenen Frequenzgang besitzt. Mit diesem Abstand besitzt also die Kalibrieranordnung selbst keinen Frequenzgang mehr. Wird daher eine Empfangs-Rahmenantenne in einer erfindungsgemäßen Anordnung in dem vorgegebenen Abstand zur Sende-Rahmenantenne in dem vorgegebenen Frequenz­ bereich beispielsweise durch einen Wobbelvorgang ver­ messen, so ist die dabei in der Rahmenantenne induzierte Antennenspannung nur noch abhängig vom Frequenzgang der Rahmenantenne selbst. Durch Erzeugen einer mittleren Feldstärke im gesamten Frequenzbereich der Antenne, bei­ spielsweise zwischen 10 kHz und 30 MHz, kann also durch entsprechendes Einspeisen eines durch die Formeln vor­ gegebenen Hochfrequenzstromes in die Sende-Rahmenantenne der Frequenzgang der Empfangs-Rahmenantenne gemessen und dargestellt werden, der dann durch einen Abgleichvor­ gang an der Empfangs-Rahmenantenne linearisiert werden kann. Auf diese Weise ist es möglich, eine solche Rahmen­ antenne in einem breiten Frequenzband genau zu kalibrieren.

Die Erfindung wird im folgenden anhand schematischer Zeichnungen an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert.

Fig. 1 zeigt den Meßaufbau einer Anordnung zum Kalibrieren einer Rahmenantenne.

Fig. 2 zeigt an einem Diagramm die Abhängigkeit der mag­ netischen Feldstärke H_av von der Frequenz, und zwar für verschiedene Abstände d zwischen den Rahmenantennen mit dem Radius r.

Nach Fig. 1 ist eine kreisförmige einschleifige Rahmen­ antenne 1 in einem Abstand d von einer gleichartigen kreisförmigen einschleifigen und zu kalibrierenden Rah­ menantenne 2 planparallel und koaxial fluchtend zu dieser angeordnet. Die Sende-Rahmenantenne 1 wird mit einem Strom I aus einem Hochfrequenzgenerator 3 über ein Dämpfungsglied 4 gespeist, dieser Strom I erzeugt nach den eingangs genannten Formeln eine definierte mittlere magnetische Feldstärke H_av, die die zu kalibrierende Rahmenantenne 2 durchsetzt und in dieser eine entspre­ chende Spannung induziert, die über ein Netzwerk 5 einem Meßempfänger 6 zugeführt wird. In dem gezeigten Ausfüh­ rungsbeispiel besitzen die beiden Rahmenantennen 1 und 2 jeweils den gleichen Radius r. Nach den eingangs er­ wähnten Formeln kann unter Berücksichtigung der Radien der Rahmenantennen, des Speisestromes I, der Frequenz sowie des Abstandes d die zugehörige mittlere Feldstärke H_av berechnet werden, wobei sich für Abstände zwischen d = ∞ und d = 0 gemäß Fig. 2 eine Kurvenschar mit d als Parameter ergibt. Aus Fig. 2 ist ersichtlich, daß für d = ∞ und d = 0 eine starke Frequenzabhängigkeit der Feldstärke besteht, daß jedoch für einen bestimmten Ab­ stand d_opt in einem vorgegebenen Frequenzbereich zwischen f_min und f_max diese Änderung der Feldstärke in Abhängig­ keit von der Frequenz innerhalb eines sehr engen Tole­ ranzbereiches von nur ± Δ sich ändert. Wird nun bei der Kalibrierung der Abstand d gemäß Fig. 1 zu d_opt gewählt, so ist auch der Frequenzgang der Kalibrieranordnung ver­ nachlässigbar klein innerhalb der Toleranzgrenzen ± Δ.

In einem praktischen Ausführungsbeispiel wurden zwei Rahmenantennen 1 und 2 der Bezeichnung HFH2-Z2 der ein­ gangs erwähnten Art mit einem Radius r = 0,284 m benutzt, hierfür wurde d_opt mit 0,388 m berechnet. Für diesen Abstand ist die Änderung der magnetischen Feldstärke im Bereich zwischen 10 kHz und 30 MHz nur ±0,2 dB, die Kalibrieranordnung besitzt also praktisch keinen Fre­ quenzgang. Damit kann mit dieser Kalibrieranordnung auf einfache Weise jede beliebige Rahmenantenne in einem vor­ gegebenen breiten Frequenzbereich auf möglichst kleinen Frequenzgang kalibriert werden. Die Kalibrierung selbst erfolgt in bekannter Weise durch entsprechendes Ver­ stellen, beispielsweise von Kalibrierkondensatoren am Fußpunkt der Rahmenantennen. Bei einer aktiven Rahmen­ antenne, wie sie beispielsweise in der DE 27 48 076 beschrieben ist, erfolgt die Kalibrierung durch Verstellen eines Trimmkondensators im Gegenkopplungszweig des Tran­ sistorverstärkers, der unmittelbar am Fußpunkt der Rah­ menantenne angeschaltet ist. Auf diese Weise kann durch entsprechendes Kalibrieren des Verstärkers der Frequenz­ gang der Rahmenantenne (Abhängigkeit der induzierten Spannung bzw. des induzierten Stromes in der Rahmenantenne in Abhängigkeit von der Frequenz bei konstanter Feld­ stärke) so eingestellt werden, daß die Antenne in dem vorgegebenen Frequenzbereich praktisch keinen Frequenzgang besitzt.

Neben der erwähnten Frequenzgang-Kalibrierung ist es für Rahmenantennen dieser Art auch noch erforderlich, eine absolute Kalibrierung der Antenne vorzunehmen, d.h. festzulegen, welcher Zusammenhang zwischen der magneti­ schen Feldstärke und der dadurch induzierten Spannung bzw. des dadurch induzierten Stromes besteht, wie dies insbesondere für Feldstärkemesser erforderlich ist. Da bei den zur Frequenzgang-Kalibrierung ermittelten geringen Abständen d_opt eine relativ große Rückwirkung zwischen der Sende- und Empfangs-Rahmenantenne besteht, hat es sich als vorteilhaft erwiesen, für diese absolute Kali­ brierung wieder auf einen größeren Abstand d überzugehen, bei dem diese Rückwirkung nicht mehr besteht. Nachdem für eine solche absolute Kalibrierung wieder in bekannter Weise nur eine einzige Frequenz ausreicht, ist die Wahl dieses größeren Abstandes nicht weiter störend. In einem praktischen Ausführungsbeispiel wurde für die eingangs erwähnten Antennen beispielweise ein Abstand von 0,789 m gewählt, hierfür und für eine Frequenz von 1 MHz wurde dann nach den obigen Formeln die zugehörige Feldstärke mit z. B. 100 µV pro m errechnet. Die Empfangs-Rahmen­ antenne 2 wurde dann so kalibriert, daß sie mit dieser Feldstärke den vorgegebenen Ausgangs-Pegel, der diesen 100 µV pro m entspricht, liefert. Anschließend wurde dann wieder mit dem geringeren Abstand 0,388 m in dem vorgegebenen Frequenzbereich die Frequenzgang-Kalibrierung durchgeführt. Die Antenne ist dann abschließend also exakt in einem breiten Frequenzband auf den vorgegebenen Sollwert-Pegel kalibriert, sie ist damit eine Primär­ normal-Präzisionsantenne.

Als besonders vorteilhaft hat es sich erwiesen, die Kali­ brierung durch eine Dämpfungsmessung zwischen den Punkten E und G nach Fig. 1 durchzuführen, d. h. es wird nicht mehr absolut die induzierte Spannung der Rahmenantenne 2 gemessen und ausgewertet, sondern die Differenz des Pegels zwischen den Schaltungspunkten G und E. Zu diesem Zweck wird zunächst der Ausang G des Hochfre­ quenzgenerators 3 unmittelbar mit dem Eingang E des Hoch­ frequenzpegelmessers 6 verbunden und der Pegelmesser 6 dann so eingestellt, daß er den Pegel 0 dB anzeigt. Anschließend speist der Generator 3 dann im Sinne von Fig. 1 die Rahmenantenne 1 und der dabei am Eingang E des Pegelmessers 6 gemessene Wert in dB ist dann un­ mittelbar die Dämpfung (oder Verstärkung) zwischen den beiden Schaltungspunkten G und E und damit auch die Dämpfung zwischen den beiden Rahmenantennen 1, 2.

Der Hochfrequenzgenerator 3 kann ein in Schritten oder auch kontinuierlich durchstimmbarer Meßsender sein, der Pegelmesser 6 ein breitbandiger oder selektiver Meß­ empfänger, anstelle der Verwendung von gesonderten Meß­ geräten 3 und 6 kann für die Kalibrierung auch ein übliches Vierpol-Meßgerät 7 benutzt werden, in dem diese Meßgeräte vereinigt sind.

Die erfindungsgemäße Anordnung ist für alle Rahmenantennen mit einer oder auch mehreren Windungen geeignet, außerdem sowohl für passive als auch für aktive Rahmenantennen. Wenn bei Rahmenantennen dieser Art keine Einrichtungen zum Kalibrieren vorgesehen sind, ist die erfindungsgemäße Anordnung für solche Antennentypen zur Ermittlung des Antennenfaktors und Darstellung des Frequenzganges geeignet.

Claims (3)

1. Anordnung zum Kalibrieren von Rahmenantennen, bei der die zu kalibrierende Rahmenantenne (2) als Emp­ fangsantenne in einem Abstand (d) koaxial zu einer Sende-Rahmenantenne (1) angeordnet ist, die in der zu kalibrierenden Empfangs-Rahmenantenne (2) eine vorausberechenbare mittlere Feldstärke (H_av) erzeugt, dadurch gekennzeichnet, daß zum Nachfeld-Kalibrieren von Empfangs-Rahmenantennen (2) in einem vorgegebenen breiten Frequenzbereich (f_min bis f_max) der Abstand (d) zwischen den Rahmenantennen (1, 2) so gewählt ist, daß die Änderung (± Δ) der Feld­ stärke (H_av) in Abhängigkeit von der Frequenz in diesem Frequenzbereich eine vorgegebene Toleranz (z. B. 0,2 dB) nicht überschreitet.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Empfangs-Rahmenantenne (2) vor der Frequenzgang-Kalibrierung in einem größeren Abstand (z. B. 0,789 m) von der Sende-Rahmenantenne (1) mit einer für eine feste Frequenz (z. B. 1 MHz) und diesen größeren Abstand vorausberechneten Feld­ stärke auf einen vorgegebenen Sollwert-Pegel (z. B. 100 µV/m) kalibriert wird.

3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Kalibrierung durch Messung der Dämpfung zwischen den beiden Rahmenantennen (1, 2) erfolgt (Dämpfungsmessung zwischen E und G).