DE4010448C2 - - Google Patents
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- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
- H01Q7/00—Loop antennas with a substantially uniform current distribution around the loop and having a directional radiation pattern in a plane perpendicular to the plane of the loop
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- G—PHYSICS
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- G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
- G01R29/00—Arrangements for measuring or indicating electric quantities not covered by groups G01R19/00 - G01R27/00
- G01R29/08—Measuring electromagnetic field characteristics
- G01R29/10—Radiation diagrams of antennas
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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 Hav
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 Hav 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 = 2 π/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 mehrfach angewendet werden,
d. h. es muß innerhalb des Gesamtfrequenzbereiches für
mehrere ausgewählte Frequenzen jeweils die Feldstärke
neu berechnet und damit dann gemessen werden; die bekannte
Kalibriermethode ist daher sehr aufwendig und ungenau.
Das gleiche gilt für eine bekannte Kalibriermethode,
der eine Näherungsformel zugrunde liegt (Electronics,
Oct. 1951, Heft 10, S. 140). Auch bei dieser Methode
kann wegen der Frequenzabhängigkeit der Feldstärke eine
Kalibrierung jeweils nur an einzelnen ausgewählten Fre
quenzen eines Gesamtfrequenzbereiches durchgeführt werden.
Es ist auch schon bekannt, beide Rahmenantennen in einer
Ebene anzuordnen, den Abstand zwischen den Rahmenantennen
also zu Null zu machen (Electronics, Oct. 1951, Heft
10, Seiten 140, 142, 244, 248, 250). Auch bei dieser
bekannten Kalibrieranordnung ist die Feldstärke bei
höheren Frequenzen nicht mehr konstant, sondern frequenz
abhängig, so daß auch hierfür die eingangs geschilderten
Nachteile gelten.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine Anordnung zum
Kalibrieren von Rahmenantennen aufzuzeigen, mit der solche
Rahmenantennen auch in einem vorgegebenen breiten Fre
quenzbereich auf einfache Weise genau
kalibriert werden können.
Diese Aufgabe wird, ausgehend von einer Anordnung laut
Oberbegriff des Hauptanspruches, durch dessen kennzeich
nende Merkmale gelöst. Eine vorteilhafte Weiterbildung ergibt
sich aus dem Unteranspruch.
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 Hav 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 Hav, 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
Hav 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 dopt in einem vorgegebenen Frequenzbereich zwischen
fmin und fmax 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 dopt 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 dopt 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 dopt 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 (2)
1. Anordnung zum Nahfeld-Kalibrieren von Empfangs-Rahmenantennen
in einem vorgegebenen breiten Frequenzbereich (fmin
bis fmax), bei
der die zu kalibrierende Rahmenantenne (2)
in einem Abstand (d) koaxial zu einer
Sende-Rahmenantenne (1) angeordnet ist, die in der
zu kalibrierenden Empfangs-Rahmenantenne (2) eine
vorausberechenbare mittlere Feldstärke (Hav) erzeugt,
dadurch gekennzeichnet, daß
der Abstand (d) zwischen den Rahmenantennen
(1, 2) so gewählt ist,
daß die Abhängigkeit der Feldstärke (Hav)
von der Frequenz im gesamten Frequenzbereich
entsprechend der Beziehung
minimal ist, wobei
ist und Hav den Mittelwert der magne
tischen Feldstärke in A/m, l 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 Wel
lenlängenkonstante rad/m mit β = 2 π/λ und ϕ den Inte
grationswinkel in rad bedeutet.
2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch ge
kennzeichnet, daß die Kalibrierung durch
Messung der Dämpfung zwischen den beiden Rahmenantennen
(1, 2) erfolgt (Dämpfungsmessung zwischen E und G).
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19904010448 DE4010448A1 (de) | 1990-03-31 | 1990-03-31 | Anordnung zum kalibrieren von rahmenantennen |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19904010448 DE4010448A1 (de) | 1990-03-31 | 1990-03-31 | Anordnung zum kalibrieren von rahmenantennen |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE4010448A1 DE4010448A1 (de) | 1991-10-02 |
DE4010448C2 true DE4010448C2 (de) | 1992-11-26 |
Family
ID=6403506
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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DE19904010448 Granted DE4010448A1 (de) | 1990-03-31 | 1990-03-31 | Anordnung zum kalibrieren von rahmenantennen |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
DE (1) | DE4010448A1 (de) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE19904047A1 (de) * | 1999-02-02 | 2000-08-24 | Hubertus Maschek | Vorrichtung und Verfahren zur Messung elektrischer Felder mit einer Kompensationseinrichtung |
Families Citing this family (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
FR2681432A1 (fr) * | 1991-09-12 | 1993-03-19 | Magnetech | Dispositif de mesure electromagnetique et son utilisation pour evaluer l'efficacite d'une sonde de resonance magnetique. |
EP3224644A4 (de) * | 2014-11-12 | 2018-11-07 | Emscan Corporation | Reaktive nahfeldantennenmessung |
RU2729456C2 (ru) * | 2019-01-22 | 2020-08-06 | Эдуард Николаевич Цатурян | Способ калибровки магнитных антенн |
-
1990
- 1990-03-31 DE DE19904010448 patent/DE4010448A1/de active Granted
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DE19904047A1 (de) * | 1999-02-02 | 2000-08-24 | Hubertus Maschek | Vorrichtung und Verfahren zur Messung elektrischer Felder mit einer Kompensationseinrichtung |
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DE4010448A1 (de) | 1991-10-02 |
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