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.Anordnung zur Messung von Widerständen bei Hochfrequenz Für die Messung
von Widerständen bei hohen Frequenzen hat sich die Hochfrequenzmeßleitung sehr gut
bewährt. Bei der Messung wird die Tatsache ausgenutzt, daß der Verlauf von Strom
und Spannung längs einer Leitung mit dem Wellenwiderstand Z durch den Abschlußwiderstand
X bestimmt ist. Die Gleichung für die Spannung lautet: U/Uo = cos 2 vi l/2.
-f- j (ZIX) sin 2 ur l/A, (i) U, bezeichnet die Spannung am Leitungsende.
Die Länge List vom Leitungsende aus gerechnet, 7 ist die Wellenlänge. Die Hochfrequenzmeßleitung
hat den Nachteil, daß ihre Verwendung bei längeren Wellen dadurch begrenzt ist,
daß ihre Länge mindestens gleich einer halben Wellenlänge sein muß; dadurch wird
sie groß und unhandlich und kann nicht mehr mit der nötigen Präzision hergestellt
werden.
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Es ist nun eine Meßanordnung zur Messung von Widerständen bei Hochfrequenz
bekannt (USA.-Patentschrift 2 630 q.7q.), bei der von einer speisenden Leitung
zwei Leitungen rechtwinklig abgehen, von denen die eine mit einem Vergleichswiderstand,
die andere mit dem zu messenden Widerstand abgeschlossen ist, und der in einer elektrisch
abgeschirmten magnetischen Koppelschleife induzierte Spannungsverlauf, der zur Widerstandsbestimmung
dient, in Abhängigkeit vom Drehwinkel meßbar ist.
Die bekannte Anordnung
bildet eine durchgehende Leitung zum Anschluß der beiden Widerstände, in welche
rechtwinklig die Speiseleitung eintritt. Die über der Verzweigungsstelle liegende
Koppelschleife mißt also das Magnetfeld aller drei Leitungen. Eine derartige Verzweigungsstelle
ist aber ein inhomogenes Gebilde, welches bei höheren Frequenzen Maßnahmen zur Kompensation
erforderlich macht, die bei der bekannten Anordnung für alle drei Leitungen vorgesehen
werden müssen.
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Erfindungsgemäß ist die Meßanordnung so ausgebildet, daß die von der
Speiseleitung rechtwinklig abgehenden Leitungen aufeinander senkrecht stehen und
die Koppelschleife um eine in der Verlängerung der Speiseleitung liegende Achse
drehbar ist.
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Auf diese Weise wirkt auf die Schleife nur das Magnetfeld der beiden
Widerstandsleitungen ein, während das Feld der Speiseleitungen herausfällt. Die
notwendige Kompensation kann damit, wie weiter unten ausgeführt wird, mit sehr einfachen
Mitteln vorgenommen werden.
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Die neue Anordnung gemäß der Erfindung hat für die Messung die gleichen
Eigenschaften wie eine Meßleitung und ist auch bei relativ langen Wellen verwendbar.
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Abb. i - veranschaulicht die neue Meßv erzweigung, es ist eine Leitungsverzweigung
mit drei aufeinander senkrecht angeordneten Leitungen, vorzugsweise aus Koaxialleitungen
gebildet. Die eine Leitung ist mit einem Normalwiderstand abgeschlossen, die andere
mit dem unbekannten Widerstand. Als Normalwiderstand wird vorzugsweise ein Blindwiderstand
verwendet. Die dritte Leitung dient zur Einspeisung der Meßfrequenz aus einer Spannungsquelle
G. Die Zweigströme seien I,z und Ix. Senkrecht zur Ebene, die von den beiden Verzweigungsleitungen
gebildet wird, ist über dem Verzweigungspunkt eine elektrisch abgeschirmte, drehbare
Koppelschleife S angebracht. Sie ist um eine in- der Verlängerung der.Speiseleitung
liegende Achse drehbar. Diese Koppelschleife wird von dem durch die Ströme
In und I,. erzeugten Magnetfeld, jedoch nicht von dem Strom auf der Speiseleitung
erregt. Steht die Koppelschleife unter dem Winkel a zu der Leitung mit dem Strom
IN,
so ist die induzierte Leerlaufspannung US = K (cos a -I- j (ZIX)
sin a) (2)
K ist eine Konstante, die von der Größe der Kopplung abhängt. Der
Klammerausdruck von (2) entspricht formal genau der rechten Seite von (i). Dies
bedeutet, daß die in der Schleife induzierte Spannung in Abhängigkeit vom Drehwinkel
genau den gleichen Verlauf hat wie die Spannung auf einer Meßleitung. Einer vollen
Umdrehung der Schleife entspricht eine Wellenlänge auf der. Meßleitung. .
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Wird die Meßverzweigung mit einem kapazitiven Normalwiderstand
N = - jZ abgeschlossen, so entspricht- sie bei Umkehrung der Schleifendrehrichtung
ebenfalls der Meßleitung. Vertauschung der Widerstände N und X gestattet
dann, die Stromverteilung auf der entsprechenden Leitung zu messen.
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Voraussetzung für das richtige Funktionieren der Meßanordnung ist,
daß die Schleife nur das magnetische Feld aufnimmt und gegen das elektrische abgeschirmt
ist. Abb. z zeigt, wie sich dies sehr wirksam erreichen läßt: Die Schleife i liegt
in einer Maske 2, die einen schmalen Schlitz 3 senkrecht zur Schleife besitzt, durch
den die magnetische Kopplung erfolgt. Diese Anordnung gestattet außerdem eine einwandfreie
mechanische Zentrierung der Schleife.
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Für die theoretische Ableitung der in der Koppelschleife induzierten
Spannung wurde an der Verzweigungsstelle das Bestehen eines homogenen Feldes für
die einzelnen Teilleitungen vorausgesetzt. Diese Homogenität ist jedoch an der Verzweigungsstelle
nicht gegeben, wodurch Meßfehler entstehen. Durch Anwendung von Kompensationsmaßnahmen
an der Verzweigungsstelle läßt sich aber der auftretende Fehler sehr klein halten.
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Abb:3 zeigt ein Beispiel für eine solche Kompensation. Unter q.5°
zu den beiden mit den Widerständen abgeschlossenen Leitungen ragt ein Stempel q.
durch den Außenleiter, dessen Tauchtiefe eingestellt werden kann. Bei richtiger
Einstellung des Stempels ist eine Fehlerkompensation bis zu sehr hohen Frequenzen
möglich. Als einstellbarer Normalwiderstand ist bei tieferen Frequenzen ein Drehkondensator,
bei höheren Frequenzen auch eine am Ende kurzgeschlossene Leitung veränderlicher
Länge zu verwenden.
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Der Meßvorgang mit der vorgeschlagenen Anordnung gleicht nahezu der
Widerstandsmessung mit einer Meßleitung. Es muß lediglich vorher der Normalwiderstand
auf die Meßfrequenz eingestellt werden. Bei der Drehung der Schleife können die
beiden für die Widerstandsmessung erforderlichen Größen erhalten werden: Das Verhältnis
in von maximaler zu minimaler Spannungsamplitude und die- Größe
aus der Winkellage der Schleifenstellung, bei der die Minimalspannung induziert
wird. An einer mit der Meßschleife gekoppelten Skala kann die Größe desWinkels direkt
abgelesen werden.
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Mit der »Meßverzweigung« wird die Größe des Widerstandes X am Ort
der Verzweigungsstelle gemessen. Soll an einem anderen Ort der Leitung zwischen
der Verzweigung und dem Meßobjekt der Widerstand bestimmt werden, so ist vor der
_Iessung dieser Ort der Leitung kurzzuschließen, die Meßschleife so weit zu drehen,
bis die Schleifenspannung zu einem Minimum wird, und in dieser Lage die Winkelskala
auf Null zu stellen. Beim Anschluß des Meßobjektes bezieht sich nun die Messung
auf den gewählten Leitungsquerschnitt.
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Wird als Normalwiderstand ein reeller Widerstand der Größe Z verwendet,
so ist ebenfalls eine Widerstandsmessung möglich. Es kann nunmehr jedoch das Vorzeichen
der Blindkomponente nicht unterschieden werden. Durch zusätzliche kapazitive Belastung
des Normalwiderstandes läßt sich im Bedarfsfall aus der Veränderung der Lage beziehungsweise
der
Größe des Spannungsminimums auch das Vorzeichen der Blindkomponente erkennbar machen.
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Bei reellem Abschluß ist die »Meßverzweigung« auch als Reflektometer
zu verwenden. Für eine Schleifenstellung im Winkel von i35° mißt man eine Spannung
proportional der Differenz i/Z-i/X, für eine solche im Winkel von 45° eine Spannung
proportional der Summe i/Z+i/X. Aus dem Quotient der beiden Werte ergibt sich der
Reflexionskoeffizient.
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Bei Abschluß der Leitungsverzweigung mit den Widerständen Z und jZ
(bzw. - jZ) ist die Amplitude der Schleifenspannung konstant, die Phase gleich
dem Drehwinkel. Die Verzweigung läßt sich also auch als Phasenschieber zwischen
o und 36o° verwenden.
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Zur schnellen Auswertung der Meßergebnisse kann die Schleife der Meßverzweigung
motorisch angetrieben und der Verlauf der abgetasteten Spannung auf einem Oszillographen
sichtbar gemacht werden, wenn dessen Zeitablenkung mit der Umlauffrequenz der Schleife
synchronisiert wird.