DE9310481U1

DE9310481U1 - Nahfeldsonde

Info

Publication number: DE9310481U1
Application number: DE9310481U
Authority: DE
Original assignee: Institut fuer Rundfunktechnik GmbH
Current assignee: Institut fuer Rundfunktechnik GmbH
Priority date: 1993-07-14
Filing date: 1993-07-14
Publication date: 1993-09-09
Anticipated expiration: 2003-07-15

Description

BESCHREIBUNG

Die Erfindung bezieht sich auf eine Nahfeldsonde gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Eine derartige Nahfeldsonde ist aus der DE 33 15 210 C 2 bekannt.

Zum Messen der drei Komponenten des magnetischen Nahfeldes ist es aus der DE 33 15 210 C 2 bekannt, ein würfelförmiges, metallisches Gehäuse vorzusehen, an dessen einer Außenfläche ein Träger für drei ringförmige, orthogonal zueinander orientierte Antennenelemente rechtwinklig angebracht ist. An der einen Ecke des Gehäuses ist in Richtung der betreffenden Raumdiagonale ein elektrisch isolierter Haltegriff montiert. Im Inneren des Gehäuses ist eine Einrichtung zum Aufbereiten und Verarbeiten der Meßspannungen an den Fußpunkten der Antennenelemente angebracht. Diese Einrichtung weist für jedes der drei Antennenelemente einen gesonderten Kanal zur HF-mäßigen Aufbereitung des betreffenden Meßsignals auf. Jeder Kanal umfaßt eine Antenneneingangsstufe, einen Bereichssteller, eine Trennstufe und eine Quadrierstufe. Letztere weist einen integrierten Mischerbaustein mit quadratischer Verstärkerkennlinie zur Bildung des Quadrates des eingangsseitigen Kanalsignals und zur HF-Gleichrichtung auf. Die Ausgangssignale der drei Kanäle werden addiert und verstärkt sowie anschließend einem Anzeigeinstrument zugeführt, welches zur Radizierung des verstärkten Summensignals eine Skala mit quadratischer Teilung aufweist. Die Skala ist durch einen Ausschnitt in einer Gehäusewand ablesbar.

Die bekannte Nahfeldsonde ist jedoch für Messungen in den Rundfunkbereichen Kurz-, Mittel- und Langwelle (100 kHz - ca. 30 MHz) bestimmt. Die Abmessungen der Sonde sind unbedeutend klein im Verhältnis zu den Wellenlängen dieser Frequenzen.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, die UKW- und Fernsehfrequenzbereiche von ca. 30 MHz - 1000 MHz meßtechnisch zu erfassen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.

Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Nahfeldsonde nach Anspruch 1 ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Da die Abmessungen der Sonde unvermeidlich Resonanzlängen des zu erfassenden Frequenzbereiches aufweisen, wird erfindungsgemäß eine absolute Symmetrie des Sondenaufbaues vorgesehen. Diese Maßnahme gewährleistet ferner, daß die erfindungsgemäße Sonde in einem Eichfeld in jeder Raumlage reproduzierbare Meßwerte liefert.

Die Erfindung wird anhand der Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigt:

Figur 1 eine perspektivische Darstellung eines ausgeführten Beispiels

einer erfindungsgemäßen Nahfeldsonde;

Figur 2 ein Blockschaltbild einer im Gehäuseinneren der Nahfeldsonde

Figuren 3-5 elektrische Schaltbilder von Einzelheiten der Einrichtung nach
Figur 2.

Die in Figur 1 dargestellte Nahfeldsonde 1 dient zur Messung der drei Komponenten Hx, Hy und Hz des magnetischen Feldes, beispielsweise in der Umgebung einer Rundfunk-Sendeantenne.

Die Nahfeldsonde 1 umfaßt ein würfelförmiges, metallisches Gehäuse 2, an dessen sechs Außenflächen jeweils im Flächenmittelpunkt ein Antennenelement 4a, 4b, 5a, 5b, 6a, 6b rechtwinklig angebracht ist. Damit fallen die Achsen der Antennenelemente 4a - 6b mit den Raumachsen eines Koordinatensystems zusammen. Jedes Antennenelement 4a - 6a ist als Rahmenantenne ausgebildet und besteht jeweils aus einem abgeschirmten, ringförmigen Leiter, ("magnetische Schleife"), dessen Abschirmung an einer Stelle durch einen Schlitz unterbrochen ist. Beispielsweise haben die Rahmenantennen einen Durchmesser von 8 cm.

Zur Aufbereitung und Verarbeitung der Meßsignale an den Fußpunkten der Antennenelemente 4a - 6b ist im Inneren des Gehäuses 2 eine entsprechende Einrichtung 10 in Form einer elektrischen Schaltung angebracht (Figur 2), welche ein Anzeigeinstrument 20 aufweist, dessen Skala 8 (Figur 1) durch einen Ausschnitt 7 in einer Wand des Gehäuses 2 ablesbar ist. Ferner befindet sich an der gleichen Gehäusewand, im dargestellten Beispielsfalle unterhalb des Ausschnitts 7, ein gemeinsamer Bedienknopf 9 für insgesamt sechs Bereichsteiler 15a, 15b der Einrichtung 10 (Figur 2).

An einer Ecke des würfelförmigen Gehäuses 2 ist in Richtung der betreffenden Raumdiagonalen des Gehäuses 2 ein Haltegriff 3 befestigt, mit welchem die Nahfeldsonde 1 bequem von einer Bedienungsperson in alle Raumrichtungen gedreht, gehalten und abgelesen werden kann.

Die in Figur 2 als Blockschaltbild wiedergegebene Einrichtung 10 zum Aufbereiten und Verarbeiten der Meßsignale an den Fußpunkten der schematisch angedeuteten Antennenelemente 4a - 6b umfaßt drei Aufbereitungskanäle 11,12 und 13, von denen jeder Aufbereitungskanal einem Paar von Antennenelementen 4a, 4b bzw. 5a, 5b bzw. 6a, 6b nachgeschaltet ist. Dabei bilden die jeweils in einer gemeinsamen Raumachse des Koordinatensystems liegenden Antennenelenente ein Antennenpaar.

Jeder der identisch ausgebildeten Aufbereitungskanäle 11, 12, 13 besteht aus der Folge einer summierenden Antenneneingangsstufe 14, einem ersten Bereichsteiler (Abschwächer) 15a, einem zweiten Bereichsteiler (Abschwächer) 15b, einer HF-Verstärkerstufe 16 und einer Quadrierstufe 17. Dieser Aufbau ist in Figur 2 lediglich für den Aufbereitungskanal 11 veranschaulicht; er gilt in identischer Weise auch für die übrigen, nur als Block angedeuteten Aufbereitungskanäle 12 und 13.

Die Ausgänge aller drei Aufbereitungskanäle 11, 12, 13 führen zu einer gemeinsamen Addierstufe 18, welche die Gleichspannungen an den Ausgängen der Verarbeitungskanäle addiert und als Summensignal über einen nachgeschalteten Operationsverstärker 19 dem Anzeigeinstrument 20 zuführt.

Für die schaltungstechnische Ausführung der erfindungsgemäßen Nahfeldsonde, die ein Frequenzgebiet von ca. 30 MHz bis 1000 MHz erfassen soll, werden einige Modulkomponenten in 50 Ohm-Technik verwendet. Ihre Eignung für die Sonde konnte in Versuchsschaltungen nachgewiesen werden. Ferner ist wesentlich, daß die magnetischen Schleifen der Antennenelemente 4a - 6b, die paarweise je Ebene des Koordinatensystems wie Dipole aufzufassen sind, senkrecht zueinander stehen und somit eine dreidimensionale Anordnung bilden. Die Fußpunkte der magnetischen Schleifen, wie sie in Figur 3 näher dargestellt

sind, gelangen über jeweils einen Transformator 141 bzw. 142 auf die Eingänge eines 2-Wege-S um mierers 143. Der Summierer 143 verfügt über zwei unsymetrische Eingänge und einem unsymetrischen Ausgang jeweils in 50 Ohm-Technik. Jeder Transformator 141, 142 weist einen Ferrit-Ringkern auf, um breitbandig die niederohmige, magnetische Schleife des betreffenden Antennenelementes 4a - 6b auf den Eingangswiderstand des Summierers 143 von 50 Ohm zu transformieren. Die bestimmenden Merkmale eines Ferrites ergeben sich aus der magnetischen Zusammensetzung seines Ferritwerkstoffes, seiner Kernform und dessen magnetischem Querschnitt. Um eine Konstanz über einen größeren Frequenzbereich zu erreichen, nutzt man die Eigenschaft einer Spule mit Ferritkern aus, bei der ihr Scheinwiderstand oberhalb der Grenzfrequenz annähernd konstant bleibt, da Permeabilität und damit Induktivität abfallen, wenn die Frequenz über die Grenzfrequenz ansteigt. Die damit verbundenen Verluste oberhalb der Grenzfrequenz verursachen keine wesentlichen Nachteile. Die magnetischen Schleifen der Antennenelemente 4a - 6b haben einen frequenzabhängigen, induktiven Widerstand, der mit steigender Frequenz wächst. Ihr Kurzschlußstrom ist allerdings frequenzunabhängig. Der Ausschluß einer Frequenzbeeinflußung wird im festgelegten Frequenzbereich dadurch erreicht, daß ein ohmscher Widerstand 41a bzw. 41b mit dem Wert von 1 Ohm parallel zu jeder magnetischen Schleife geschaltet ist (Figur 3).

Das Ausgangssignal des Summierers 143 wird einer Serienschaltung aus zwei, als Abschwächer wirkenden Bereichsteilern 15a und 15b zugeführt. Für die Meßbereichsunterteilung in dem betrachteten hohen Frequenzgebiet sind HF-Spannungsteiler, bestehend aus mechanischen Schaltern und ohmschen Widerständen nicht mehr verwendungsfähig. An ihre Stelle treten elektronische Abschwächermodule. Sie bedürfen einer festen Betriebsgleichspannung und einer regelbaren Gleichspannung, von deren Größe ihre Abschwächung abhängt. Hierzu sind die Steuereingänge der beiden Bereichsteiler 15a, 15b über den

Bedienknopf 9 eines Bereichsschalters mit den Abgriffen eines Spannungsteilers 152c verbunden, welcher die Spannung einer angeschlossenen Gleichspannungsquelle 151c in diskrete Meßbereiche unterteilt. Um fünf Teilerbereiche von jeweils 10 db Abstufung vorsehen zu können, ist die Hintereinanderschaltung von zwei modularen Bereichsteilern 15a, 15b erforderlich. Die aus der Gleichspannungsquelle 151c und dem Spannungsteiler 152c bestehende Steuerspannungsquelle 15c ist zentral für sämtliche Verarbeitungskanäle 11, 12, 13 (Figur 2) vorgesehen.

Sämtliche Baumodule unterliegen limitierten Spannungs- und Belastungsgrenzen, wodurch ihre Auswahl und Reihenfolge vorgegeben wird. In diesem Sinne dient die den Bereichsteilern 15a, 15b nachgeschaltete Verstärkerstufe 16 dazu, den Bereich der höchsten Abschwächung und damit den größten Strommeßbereich der Sonde zu bestimmen sowie den erforderlichen Spannungspegel für die nachgeschaltete Quadrierstufe 17 sicherzustellen. Die Quadrierstufe 17 besteht, wie aus Figur 5 ersichtlich ist, aus einem Feldeffekt-Transistor, dessen Drain- und Gate-Elektroden über einen ohm sehen Arbeitswiderstand Rs miteinander gekoppelt sind. Bei dieser Schaltung des Feldeffekt-Transistors entspricht die Source-Elektrode der Anode und der Fußpunkt des Widerstandes Rs der Kathode einer Diode mit quadratischem Kennlinienverlauf. Dementsprechend wird die der Source-Elektrode zugeführte Ausgangsspannung der Verstärkerstufe 16 gleichgerichtet und quadriert. Gegenüber einer entsprechenden Diode, die in dem genannten Frequenzbereich von 30 MHz bis 1000 MHz nur unzureichende Ergebnisse bietet, hat die in Figur 5 dargestellte Schaltung die volle Wirksamkeit in diesem Frequenzbereich.

In der gemeinsamen Addierstufe 18 werden mittels Operationsverstärker die gebildeten Quadrate x², y², z² der drei Ebenen x, y, &zgr; entsprechend der Formel zur Gewinnung des Summationsvektors der Ersatzfeldstärke

He = &khgr;² + y² + &zgr;²

summiert und an das Anzeigeinstrument 20 geführt. Die Skala 8 des Anzeigeinstrumentes 20 weist eine quadratische Teilung auf, wodurch eine meßtechnische Radizierung der Quadratsumme entfallt.

Claims

Institut für Rundfunktechnik GmbH München 45 REG. 856-GM ANSPRÜCHE

1. Nahfeldsonde zur Messung der drei Komponenten des magnetischen Feldes und zur Bildung des Summenvektors der gemessenen drei Komponenten, mit

- Antennenelementen für die einzelnen Feldkomponenten, die jeweils aus einem abgeschirmten, ringförmigen Leiter bestehen, dessen
Abschirmung an einer Stelle durch einen Schlitz (Luftspalt)
unterbrochen ist;

- einer Einrichtung zum Aufbereiten und Verarbeiten der Meßspannungen an den Fußpunkten der Antennenelemente, derart, daß die jeweils einer der drei Komponenten des magnetischen Feldes zugeordneten
Meßspannungen quadriert, die quadrierten Meßspannungen addiert und aus der so gebildeten Quadratsumme die Quadratwurzel gezogen wird, dadurch gekennzeichnet, daß je Magnetfeldkomponente zwei
Antennenelemente (4a, 4b; 5a, 5b; 6a, 6b) vorgesehen sind, deren
niederohmige Ausgänge mittels jeweils eines Transformators (141, 142) mit großem Übersetzungsverhältnis breitbandig über einen
Frequenzbereich von ca. 30 MHz bis 1000 MHz auf den 50 Ohm-

-2-

Eingangswiderstand eines Summierers (143) transformiert werden und
daß dem Summierer (143) ein Teiler (15a, 15b, 15c) für den Meßbereich der magnetischen Feldstärke nachgeschaltet ist, welcher aus wenigstens einem Abschwächer (15a, 15b) besteht, dessen Steuerspannung entsprechend den Unterteilungen des Meßbereiches einstellbar ist, und daß dem Teiler (15a, 15b, 15c) die Quadrierstufe (17) ggf. unter Zwischenschaltung einer Verstärkerstufe (16) nachgeschaltet ist.

2. Nahfeldsonde nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Quadrierstufe (17) ein als Diode geschalteter Feldeffekt-Transistor vorgesehen ist.

3. Nahfeldsonde nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Transformator einen Ferrit-Ringkern aufweist.