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Anordnung zur Messung der Welligkeit und der Leistung auf Leitungen
sowie zur Messung von Impedanzen auf der Grundlage der getrennten Messung der hinlaufenden
und rücklaufenden Welle Es ist bekannt, die einfallende und reflektierte Komponente
einer einen Leitungszug durchlaufenden Welle durch die Anwendung zweier richtempfindlicher
Kopplungselemente voneinander zu trennen. Der Quotient der auf beiden Kopplungselementen
gemessenen Spannungs- oder Stromamplituden liefert dann den Refiexionskoeffizienten.
Die Kopplungselemente bestehen bei den bekannten Anordnungen aus kleinen Rahmen,
denen durch besondere Maßnahmen eine einseitige Richtwirkung gegeben worden ist.
Die Nachteile dieser Anordnung sind die Unempfindlichkeit der Kopplungselemente,
ihre schwierige Justierbarkeit und der geringe Frequenzbereich.
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Es ist bereits vorgeschlagen worden, bei einer Anordnung zur Messung
der Welligkeit und der Leistung auf koaxialen Leitungen sowie zur Messung von Impedanzen
auf der Grundlage der getrennten Messung der hinlaufenden und rücklaufenden Welle
(Reflektometerprinzip) als Meßantennen reflexionsfrei abgeschlossene Langdrahtantennen
mit extrem großem, frequenzunabhängigem und auf rechnerischer Grundlage dimensioniertem
Ausblendungsverhältnis und großer Empfindlichkeit zu verwenden. Unter Langdrahtantennen
sind der Leitungsachse parallele gerade Antennen zu verstehen, deren Länge sehr
groß gegenüber ihrem Abstand von einer Leiterfläche (z. B. Innenhaut der Außenleiter)
ist, so daß die Randeffekte an den Enden der Antennen (Streufelder) vernachlässigt
werden können. Damit ist die Homogenität der Antennenleitung und ihre exakte Berechenbarkeit
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währleistet. Diese Kopplungselemente sind sehr genau justierbar,
können ohne große Schwierigkeiten für einen großen Frequenzbereich abgeglichen werden
und haben eine Empfindlichkeit, die ihrer Länge proportional ist.
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Bei den bisherigen Anordnungen müssen für einen einzigen Meßvorgang,
z. B. die Messung einer Impedanz, drei Amplitudenmessungen vorgenommen werden. Dabei
muß in einigen Fällen eine extrem hohe Forderung an die Genauigkeit dieser Amplitudenmessung
an den Kopplungselementen gestellt werden, wenn eine wesentlich geringere Genauigkeit
des Endresultats garantiert werden soll.
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Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Messung der Welligkeit
und der Leistung auf Leitungen sowie zur Messung von Impedanzen auf der Grundlage
der getrennten Messung der hinlaufenden und rücklaufenden Welle (Reflektometerprinzip).
Nach der Erfindung wird nun eine einzige auf beiden Seiten abgeschlossene Langdrahtantenne
verwendet, deren Spannungs- oder Stromverteilung mit einem auf einem Abtastschlitten
montierten Detektor abgetastet wird.
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Der Gegenstand der Erfindung ist im folgenden an den in den Zeichnungen
dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Bei der Anordnung der Abb.
1 speist ein Generator über das Reflektometer R und die Posaune P das Meßobjekt
M. Im Reflektometer R befindet sich das Kopplungselement, welches aus einer Langdrahtantenne
L besteht, die auf beiden Seiten mit ihrem Wellenwiderstand ZL abgeschlossen ist.
ueber einen Abtastschlitten A mit Meßinstrument V wird die Spannung auf der Meßantenne
L abgetastet.
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Die Theorie der Erregung dieser Langdrahtantenne in der energieführenden
koaxialen Leitung führt zu einer Spannungs- und Stromverteilung auf der Antenne
von der Form cos Kx zu sin kl - sin kx (cos kl + r e-i2k) Ux = # cos kx # sin kl
- sin kx (cos kl-##e-j2kl).
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Dabei bedeutet 2# k= # = Wellenlänge, # r = R +--z den Reflexionskoeffizienten
mit Z = Wellenwiderstand des Reflektometers. Hierbei schließt r im allgemeinen noch
einen gerätemäßig bedingten Phasenfaktor ein: x = Länge des vom Abtaster abgegriffenen
Abschnittes der Meßantenne und # = zu messende Impedanz, I= Gesamtlänge der Antenne.
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Sofern die Länge I der Meßantenne klein gegen die Wellenlänge ist,
welche Bedingung bei der praktischen Ausführung einzuhalten ist, kann man einfacher
schreiben: Jx=1-x/@(1+##e-j2kl) (Abb. 2) Ux=1-x/l(1-##e-j2kl).
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Die Abb. 2 zeigt ein Bild des Strom- und Spannungsvektors. Der eine
Endpunkt beider Vektoren liegt bei Punkt I, der andere wandert proportional der
Strecke x auf der Verbindungslinie zwischen dem Koordinatenursprung o und den Punkten
I + r e-§2kg bzw.
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1- r e j2kl Bei einer längenmäßigen Abtastung der Meßantenne wird
also beispielsweise die Spannung einer Kurve durchlaufen, die gelegentlich ein Minimum
aufweist, ja sogar Null aufweisen kann, je nach der Größe des Reflexionskoeffizienten
r. Die Anordnung nach der Erfindung läßt sich gegebenenfalls derart ausführen, daß
der dem Meßobjekt entsprechende Reflexionskoeffizient in seiner Phase so weit gedreht
wird, daß bei der Abtastung der Meßantenne die Messung des Reflexionskoeffizienten
auf eine Nullmessung zurückgeführt werden kann. Die Phase des Reflexionskoeffizienten
wird also so weit gedreht, daß in der Abb. 2 der Punkt I + r e-i2kz auf die reelle
Achse zu liegen kommt und einen Wert # I erhält. Wenn das der Fall ist, wird an
einer Stelle der abzutastenden Meßantenne ein exaktes Null und eine unmittelbare
Ablesung des Reflexionskoeffizienten erhalten. Aus der Formel für U ergibt sich
nämlich für den Nullwert der Spannung also
Für x = 2 wird beispielsweise v = I, für x = I wird v = oDer zweiten Hälfte der
Antenne von x = 2 bis x = I kann somit eine Teilung zugeordnet werden, die gemäß
v = l - x/x unmittelbar den Reflexionskoeffizienten liefert.
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Die Drehung des Reflexionskoeffizienten kann in verschiedener Weise
bewirkt werden.
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I. Zwischen Reflektometer und Meßobjekt kann ein Leitungsstück -gleichen
Wellenwiderstandes mit dem Reflektometer, aber variabler Länge eingebaut werden
(Posaune). Bei dieser in der Abb. I dargestellten Anordnung wird dann die Länge
bei gleichzeitiger Abtastung der Meßantenne so lange verändert, bis auf dieser ein
exaktes Null eingestellt ist. Der Reflexion koeffizient kann dann unmittelbar abgelesen
werden.
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2. Es kann auf die normale geschlitzte Meßleitung zurückgegriffen
werden, wobei deren kapazitiver oder induktiver Abtaster durch einen Spezialabtaster
zu ersetzen ist. Die Abb. 3 zeigt eine derartige Ausführungsform, bei der dieser
Spezialabtaster aus der oben beschriebenen, selbst wieder abtastbaren Meßantenne
L besteht, die auf dem normalen Abtastschlitten S@ montiert ist und auf der geschlitzten
Meßleitung M-L verschoben wird. Durch gleichzeitiges Verschieben des Abtasters A
auf der Meßantenne L sowie der gesamten Meßantenne längs der Meßleitung M-L wird
wieder ein Null gesucht. Aus der Teilung auf dem Schlitten kann der Absolutwert
des Reflexionskoeffizienten v abgelesen werden. Die Stellung des Meßschlittens auf
der Meßleitung liefert die Phase des Reflexionskoeffizienten. Es handelt sich hier
also um eine modifizierte Meßleitung, die gleich-
zeitig mit zwei
Abtastschlitten arbeitet, einen für die Meßantenne und einen für die Meßleitung.
Der Vorteil dieses Spezialabtasters für die Meßleitung besteht neben der reduzierten
Länge der Meßleitung, die nicht länger als A zu sein braucht, vor allem darin, daß
die 4 lästige, zeitraubende und in gewissen Fällen sehr ungenaue Bestimmung des
Knotenabstandes und der Knotenbreite bei der normalen Abtastung fortfällt.
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3. Dem Meßobjekt kann eine Stichleitung parallel geschaltet und diese
so lange variiert werden, bis wiederum ein exaktes Null auf der Meßleitung erhalten
wird. Bei bestimmten Lagen der Impedanzebene ist gegebenenfalls noch eine weitere
Transformation erforderlich.