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Scheinwiderstandsmeßeinrichtung für sehr hohe Frequenzen mit oszillographischer
Anzeige Die Erfindung bezieht sich auf Einrichtungen zur Messung von elektrischen
Scheinwiderständen bei Frequenzen in der Größenordnung von ioo MHz bis ioooo MHz
mit oszillographischer Anzeige des Meßergebnisses.
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Es ist bereits eine Scheinwiderstandsmeßeinrichtung bekannt, welche
eine Verzweigungsstelle für Energieleiter enthält, von der vier Schenkel ausgehen,
wobei der eine Schenkel einen Eingangsschenkel darstellt und zur Zuführung von hochfrequenter
elektromagnetischer Energie zur Verzweigungsstelle dient, ein anderer Schenkel einen
Belastungsschenkel darstellt und zum Anschluß eines zu messenden Scheinwiderstandes
dient und ein dritter runder Schenkel eine eine Richtwirkung besitzende Aufnahmevorrichtung
enthält, die sich um die Achse des dritten Schenkels zur Ausmessung der Felder drehen
kann. Der vierte Schenkel dient zum Anschluß eines bekannten Widerstandes, der zweckmäßigerweise
gleich dem Wellenwiderstand des vierten Schenkels gewählt wird.
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Die bekannte Einrichtung enthält ferner ein Wellenfilter am Eingang
zum dritten Schenkel, das alle E-We41en abfängt, während es die I-I-Wellen
durchläßt.
Das genannte Filter hat also dieselbe Wirkung wie eine sogenannte elektrostatische
AbschirrrLÜng.
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Die Aufnahrnevorrichtung besteht im bekannten Falle aus einer Drahtschleife,
die im runden Schenkel dicht hinter dem Wellenfilter beginnt, so daß der in der
Drahtschleife induzierte Strom auch von den höheren H-Wellen erregt wird. Dies ist
aber offenbar der Meßgenauigkeit abträglich.
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In @dieser bekannten Einrichtung ist die Meßschleife dzehbar, soll
:aber nur in zwei bestimmte feste Wnnkelstellun gen eingestellt werden, oder es
sollen stattdessen zwei fest eingebaute Schleifen verwendet werden. Aus den in diesen
eingestellten Winkeläagen oder von den festen Meßschleifen ge-
messenen
Spannungswerten können die gewünschten Scheinwiderstandswerte beredhnet werden,
wobei aber das Vorzeichen .der Blindkomponente des ScheinwIdersfiandes umbestimmt
bleibt.
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Es ist " außerdem eine Scheinw i.derstandsmeßeinrichtung vorgeschlagen
worden, die ebenfalls eine Verzweigungsstelle für Energieleiter enthält, von der
wenigstens drei Schenkel ausgehen, wobei der eine Schenkel einen Eingangsschenkel
darstellt und zur Zuführung von hochfrequenter elektrischer Energie zur dient, ein
anderer Schenkel einen Belastungsschenkel darstellt und zum Anschluß eines, zu mesisenden
Scheinwiderstandes dient und ein dritter runder Schenkel eine eine Richtwirkung
besitzende Aufnahmevorrichtung enthält, die sich um die Achse des dritten Schenkels
zur Ausmessung der Felder drehen läßt.
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Bei dieser schon vorgeschlagenen Einrichtung wird der dritte Schenkel,
an dessen von der Verzweigungsstelle abgewandtem Ende- sieh die Aufnahmevorrichtung
befindet, derart als Hohlleiter ausgebildet, däß er bei der Betriebsfrequenz unterhalb
seiner Grenzfrequenz arbeitet.
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Dadurch wird in Verbindung mit dem alle E-Wellen aJbdärnpfemiden Wellenfilter
erreicht, daß an,der Stelle der Aufnahmevorrichtung die höheren H-Wellen sehr stark
abgedämpft sind und- die Aufnahmevorrrichtung daher praktisch nur von der H11 Welle
beeinflußt wird.
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Es wird dann möglich, eine Meßeinrichtung zu bauen, die bei Drehung
der A,üfnähmevorrichtung um die Achse des :dritten Schenkelfis als Funktion 'des
Drehwinkels dasselbe Spannungsbild liefert, wie mnan es 'bei einer Schlitzleitung
als Funktion der .Stellung der Sonde erhält.
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Es ergibt dann eine vollständige Umdrehung -der Aufnahmevorrichtung
eine Reihe vorn Meßwerten, welche der Verschiebung der Sonde um eine volle Wellenlänge
auf dem Hauptleiter einer Schlitzleitung entspricht.
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Bei dieser schon vorgeschlagenen anrichtung kann man dann die stehende
Wellenverteilung auf einer Kathodenstrahlröhre sichtbar machen, wenn man die Me-ßflchleife
mit konstanter Geschwindigkeit umlaufen läßt: Außerdem kann man eine Smith-Karte
mit der Meßeiurichtung kombinieren und auf dieser den Reallteil und Imagi:närteil
des zu messenden, Scheinwiderstandes ablesen. .
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Die Erfindung setzt eine Scheinwiderstandsmeßeinric'htung als bekannt
voraus, bei der eine Verzweigungsstelle für Energieleiter vorhanden ist, von der
ein Eingangsschenkel zur Zuführung hochfrequenter elektrischer Energie dient, ein
Belastungsschenkel zum Anschluß eines zu messenden Scheinwiderstandes und ein dritter
runder Schenkel, in dem ein elliptisch polarisiertes Feld erzeugt wird, die Aufnahmevorrichtung
enthält. Ferner wird eine Aufnahmevorrichtung zur Herstellung einer ersten Spannung
proportional der Differenz zwischen -der Größe des polarisierten Feldes an zwei
um go° gegen die Achse des runden Seitenschenkels verdrehten Punkten- als bekannt
vorausgesetzt.
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Die Efindwng ist gekennzeichnet durch eine zusätzliche Aufnahmevorrichtung
zur Herstellung einer zweiten Spannung proportional der Differenz zwischen der Größe
:des polarisierten Feldes an zwei weiteren gegeneinander um go° und gegenüber den
ersterwähnten beiden Aufnahmevorrichtungen um 45° versetzten Stellen, ferner durch
eine Kathodenstrahlröhre mit zwei Paaren von Ablenkelementen, wobei -die erste Spannung
dem einen, die zweite Spannung dem anderen Ablenkelemnentenpaar izugeführt nvird.
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Die erwähnte zusätzliche Aufnahmevorrichtung kann entweder aus zwei
-gegeneinander um go°, aber gegen das. erste Schleifenpaar um 45° --versetzten Schleifen
bestehen oder auch. aus zwei Sonden, die gegeneinander um go° und gegen die ersten
Sonden um 45° versetzt sind.
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Mit dieser Einrichtung gelingt es, wenn man über dem Schirm der Kathodenstrahlröhre
eine Smith-Karte anbringt, nicht nur den Wirk- und den Blindanteil des zu messenden
Scheinwiderstandes unmittelbar abzulesen, .sondern sogar bei Veränderung der Frequenz
der Speisespannung die Ortskurve des Scheinwiderstandes auf dem Schirm der Röhre,
d. h. in der Smith-Karte direkt sichtbar zu machen.
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In der Zeichnung sind eine Reihe von Aus-. führungsbeispielen dargestellt.
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Fi:g. z zeigt die Erfindung in der Anwendung auf eine Koaxialleiterverzweigung,
bei der ein einziger runder Seitenschenkel mit vier Sondenelementen in gleidhen
Winkelabständen vorgesehen ist. -Fig. 2 zeigt eine Abwandlung der Anordnung nach
Fig. z, bei welcher die Verzweigung zwei gleichachsige und- entgegengesetzt verlaufende
runde Seitenschenkel besitzt, von denen jeder zwei eine Richtwirkung besitzende
Aufnahmeelemente in Form von gekreuzten Meßschleifen enthält.
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Eig. 3 und 4 stellen Schnitte längs der Schnittebenen 3-3 und 4-4
in Fig. 2 .dar.
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Fig. 5 zeigt einen Querschnitt durch eine Verzweigung mit rechteckigem
Wellenleiter. Bei dieser Ausführungsform ist in jedem der runden Seitenschenkel
ein Aufnahmeelement angebracht.
Fig. 6 zeigt einen Querschnitt durch
eine ein koaxiales Kabel besitzende Verzweigung mit vier runden Seitenschenkeln,
von ,denen jeder ein eine Richtwirkung aufweisendes Aufnahmeelement enthält.
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Fig. 7 ist ein Schnitt durch Fig. 6 längs der Schnittebene 7-7.
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In Fig. i enthält die Wellenleiterverzweigung drei aus koaxialen Kabeln
bestehende Schenkel Al, A2 und A3 in T-Anordnung und einen runden Wellenleiterschenk
cl A., 'der an die T-Anordnung unter einem rechten Winkel zur Ebene des T angesetzt
ist. Die Innenleiter der drei erstgenannten Schenkel sind mit Bi; B2 und B3 bezeichnet.
Der Schenkel Al ist der Eingangsschenkel und ist an einen geeigneten Hochfrequenzgenerator
angeschlossen, der eine feste oder eine verstellbare Frequenz liefert. Der Lastschenkel
A2 ist durch den zu messenden Scheinwiderstand 7 abgeschlossen. Der dritte Schenkel
A3, der gleichachsig zum Lastschenkel A2 liegt, ist durch einen verstellbaren Kondensator
9 abgeschlossen, welcher ebenso ausgebildet sein kann wie in der bereits vorgeschlagenen
Anordnung.
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In den runden. Seitenschenkel A4 sind vier Sonden P1, P2, P3 und P4
als Aufnahmeelemente in gleichen Winkelabständen von 4.5° eingesetzt, wobei ,die
Sonde P1 in der Vergleichsachse liegt, die den. Winkel zwischen. dem EingangsscAenkel
Al und dem Lastschenkel A9 halbiert. Diese Sonden sind an getrennte quadratische
Detektoren Dl bis D4 angeschlossen. Die Detektorausgänge Dl und D3 sind auf die
Eingangsseite eines subtrahierenden Mischverstärkers Ml geschaltet, dessen Ausgang
an den horizontalen Ablenkplatten einer Kathodenstrahlröhre CRO liegt. Die Ausgangsklemmen
der beiden anderen Detektoren, D2 und D4 sind an den Eingang eines zweiten Mischverstärkers
M2 geschaltet, und die Ausgangsseite dieses letzteren Verstärkers liegt an den vertikalen
Ablenkplatten der Röhre CRO. Eine transparente Smith-Karte SC der in der Zeitschrift
»Electronics«, Januar 1939, beschriebenen Art kann über dem Schirm der Röhre angebracht
wenden.
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Wenn :der Kondensator 9 -so eingestellt wird, daß er bei der Frequenz
des Generators 6 einen Blindwiderstand vom Wert i liefert, bildet sich bei der Anordnung
nach Fig. i im runden Seitenschenkel A4 ein' magnetisches Feld aus, welches zur
Achse dieses Seitenschenkels elliptisch pclarisiert ist und aus zwei zueinander
senkrechten H"- Wellen besteht. Wie bei der bereits vorgeschlagenen Anordnung müssen
alle Wellen mit Ausnahme der HU-Wellen im Seitenschenkel eliminiert sein, bevor
die Wellenenergie zu den Aufnahmeelementen gelangt. Dies läßt sich durch Bemessung
des Seitenschenkels unterhalb seiner Grenzfrequenz für alle Wellen mit Ausnahme
der HU-Welle erreichen und ferner dadurch, daß die Aufnahmeelemente genügend weit
von dem an die Verzweigungsstelle angeschlossenen Schenkelende angebracht werden,
so daß die höheren Wellen vor Erreichung der Aufnahmeelemente abgedämpft sind. Man
kann auch geeignete Wellenfilter zwischen die Verzweigungsstelle und die Aufnahmeelemente
zur Ausschaltung der ungewünschten Wellen anbringen.
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Es läßt sich mathematisch nachweisen, daß die Differenz der Ausgangsenergien
der Detektoren Dl und D3 sich mit dem Kosinus des Winkels des komplexen Reflexionskoeffizienten
und die Differenz zwischen den Ausgangsenergien der Detektoren D2 und D4 sich mit
:dem Sinus dieses Winkels ändert. Außerdem sind beide- Differenzwerte proportional
der Amplitude -des Reflexionsfaktors. Dementsprechend geben die Ausgangsspannungen
der Verstärker Ml und M2 die rechtwinkligen Koordinaten :des Reflexionskoeffizienten
des zu messenden Scheinwiderstandes an. Wenn man die Ausgangsspannung :des Verstärkers
Ml an die horizontalen Ablenkplatten der Kathodenstrahlröhre und die Ausgangsspannung
des Verstärkers M2 an ihre vertikalen Ablenkplatten anschließt, wird der Kathodenstrahl
aus der Schirmmitte abgelenkt, derart, daß die Ablenkeinrichtung den Winkel und
die Ablenkstrecke den Betrag des Reflexionskoeffizienten angibt. Wenn man auf den
Schirm eine Smith-Karte auflegt, kann man auch noch andere kennzeichnende Größen
des Scheinwiderstandes, nämlich seinen Wirk- und seinen Blindanteil anzeigen.
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Durch periodische Verstellung der Frequenz des Generators 6 innerhalb
eines bestimmten Bereiches und :durch gleichzeitige Verstellung des Kondensators
derart, daß dieser stets den Blindwiderstand i besitzt, läßt sich der Kathodenstrahl
periodisch längs einer Kurve Ta ablenken, welche dem geometrischen Ort des Scheinwiderstandes
für den betrachteten- Frequenzbereich entspricht. Die Frequenz des Generators 6
kann periodisch mittels einer geeigneten Einrichtung verändert werden, wie durch
den Motor Mo in Fig. i angedeutet, indem dieser Motor den Kondensator 9 über ein
geeignetes Zwischenglied Mt verstellt. Diese Verstelleinrichtung kann eine
entsprechend geformte Kurvenscheibe sein, wenn die Form der Kurvenscheibe so gewählt
ist, daß der Kondensator für jede Frequenz innerhalb des Bereiches den Blindwiderstand
i besitzt.
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Die Fig. 2 zeigt eine gegenüber Fig. x geänderte Ausführungsform,
bei der die Wellenle.iterverzweigung um die gemeinsame Achse der Schenkel A2 und
A3 so verdreht ist, daß der Eingangsschenkel AI senkrecht zur Zeichenebene liegt.
Die einzelnen Bestandteile in Fig.2, .die den Bestandteilen der Fig. i ' entsprechen,
sind wieder mit denselben Bezngazeichen versehen. Statt alle vier Aufnahmeelemente
wie in Fig. i in einem runden Seitenschenkel anzuordnen; ist in Fig. 2 ein zweiter
runder Seitenschenkel A5 vorgesehen, der' gleichachsng zum Schenkel A4 liegt und
von der Verzweigungsstelle an in der entgegengesetzten Richtung wie der Schenkel
AA verläuft. In beiden Seitenschenkeln, sind je zwei Aufnahmeelemente in Form gekreuzter
Meßschleifen vorgesehen. Der Schenkel A4 enthält nämlich die zueinander senkrechten
Schleifen
L1 und L3 und der Schenkel AS die ebenfalls zueinander rechtwinkligen Schleifen
L2 und L4. Das eine dieser Schleifenpaare ist gegenüber dem anderen um 45° versetzt,
wie aus Fig. 3 und 4 hervorgeht, so,daß die einzelnen Schleifen in Winkelabständen
von je 45° aufeinanderfolgen. Die Darstellung in Fig. 2 gibt die Winkellage der
Schleifen nicht genau wieder, sondern, lediglich die Fig. 3 und 4.
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Die Wirkungsweise der Anordnung nach Fig. 2' ist auf Grund der Erklärung
der Fig. i verständlich. Sie stimmt mit der in Fig. i überein, mit Ausnähme der
Tatsache, daß. die aufgenommenen Spannungen von zwei Seitenschenkeln statt von einem
einzigen abgenommen werden. Gewisse Bestandteile ,der Fig. i sind in- Fig. 2 fortgelassen
worden; da sie zum Verständnis der Wirkungsweise entbehrlich erschienen. An Stelle
der Meßsohleifen in Fig. 2 kann man auch Sonden wie in Fig. i einbauen.
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Fig. 5 zeigt eine andere Ausführungsform der Erfindung bei einem rechteckigen
Wellenleiter, bei welchem jedes Aufnahmeelement in einem eigenen Seitenschenkel
untergebracht ist. Wie bei der bereits vorgeschlagenen Anordnung besteht die Wellenleiterverzweigung
aus einem rechteckigen Hauptwellenleiter zwischen dem Generator und der Belastung,
wobei dieser rechteckige Wellenleiter also, zum Teil den Eingangs- und zum Teil
den Lestschenkel darstellt. In Fig. 5 ist nur der Lastschenkel A2 dargestellt. An
die Breitseite dieses rechteckigen Wellenleiters sind vier runde Seitenschenkel
A4 bis A7 angeschlossen, und zwar über Öffnungen, die in einer gemeinsamen Transversalebene
des Hauptwellenleiters liegen und gegenüber der longitudinal.en Mittelebene um gleiche
Beträge versetzt sind. Vermöge dieser Anordnung werden in allen vier Seitenschenkeln
gleiche elliptisch polarisierte Felder erzeugt. Im Fall.l der Fig. i konnten vier
Aufnahmeelemente in Form von gegeneinander versetzten Sonden in einem der vier runden
Schenkel angebracht werden, während gemäß Fig. 5 in jedem Schenkel ein einziges
Aufnahmeelement in Form einer einzigen Schleife vorgesehen ist. Die verschiedenen
Meßschleifen sind zueinander ebenso orientiert wie in Fig. 2, d. h., :die Ebene
der Schleife L1 liegt in der Vergleich@ebene und ihre Achse schließt mit der Achse
des Hauptwellenleiters den Winkel 0 ein. Die Achse der Schleife L2 schließt mit
der Wellenleiterachsz. den Winkel 45°', die Achse der Schleife L3 den Winkel 9o°
und die Achse der Schleife L4 wieder den Winkel 45° mit der Achse des auf der entgegengesetzten
Seite liegenden Wellenleiterteils ein. Wie im Fall der Fig. 2 sind die einzelnen
Schleifen an einzelne Detektoren D1 bis D4 angeschlossen und diese wieder paaryveise
über Mischverstärker an eine Kathodenstrahlröhre angelegt wie bei Fig. i und 2.
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Die Wirkungsweise der Fig. 5 ergibt sich aus der oben beschriebenen
Wirkungsweise der Fig. i und 2. Wenn die Frequenz, wie bei Fig. i angenommen, einen
vorgegebenen Bereich durchläuft, kann man die Frequenzempfindlichkeit jedes Seitenschenkels
durch eine Verstellbare Sonde PS kompensieren, welche durch die Seitenschenkelwand
in der Nähe der Einmündungsstelle dieses Schenkels hindurchreicht. Diese Kompensationssonde
kann periodisch und synchron mit der Frequenzverstellung nach innen und nach außen
bewegt werden. Dies lüßt sich durch einen geeigneten Kurvenscheibenmechanismus bewerkstelligen,
der durch das Rechteck Mt dargestellt ist und der durch den in Fig. i enthaltenen
zur Frequenzverstellung des Generators dienenden Motor angetrieben wird.
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Fig. 6 und 7 zeigen eine der F ig. 5 ähnliche Anordnung mit dem Unterschied,
däß der Wellenleiter, welcher den Generator mit der Belastung verbindet, ein koaxiales
Kabel ist. Der Eingangsschenkel A1 und der Lastschenkel A2 dieses Kabels verlaufen
von- einem die Verzweigungsstelle enthaltenden Gehäuse A aus in entgegengesetzten
Richtungen. Das Gehäuse A enthält vier runde Öffnungen, welche die vier Seitenschenkel
A4 bis A7 darstellen. Diese Seitenschenkel enthalten Meßschleifen L1 bis L4, die
wieder mit quadratischen Detektoren D1 bis D4 verbunden sind. In den Außenleiter
des die Hauptleitung darstellenden koaxialen Kalbels sind von beiden Seiten; leitende
Sonden P6 und P7 eingesetzt, und zwar in der transversalen Vergleichsebene des Gehäuses
A. Diese Sonden unterstützen die Entstehung des elliptisch polarisierten Feldes
in jedem Seitenschenkel. Die vier Schleifen in Fig. 6 bilden mit der transversalen
Vergleichsebene, in der alle vier Schleifen liegen, verschiedene Winkel. Die Achse
der Schleife L1 fällt mit dieser Vergleichsebene zusammen, während die Achse der
Schleife I3 einen Winkel von 9o° mit ihr bildet und die Achsen der Schleifen L2
und 14 je Winkel von 455, von der Vergleichsebene aus in entgegengesetzten Richtungen
gerechnet. Die Detektoren D1 und D3 werden wieder an den Eingang eines Mischverstärkers
geschaltet und an die horizontalen Ablenkplatten der Kathodenstrahlröhre angeschlossen.
Die Detektoren D2 und D4 werden ebenfalls in den Eingangskreis eines Mischverstärkers
eingefügt und dessen Ausgang an die vertikalen Ablenkplatten angeschlossen. Wenn
.die Frequenz der Spannungsquelle periodisch in einem vorgegebenen Bereich geändert
wird, kann der Frequenzfehler selbsttätig durch Verstellung der Sonden 6 und 7 nach
innen und außen synchron mit der Frequenzärnderung mittels - einer Kurvenscheibe
korrigiert werden.