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Einrichtung zur Messung von elektrischen Scheinwiderständen Die Erfindung
bezieht sich auf eine Scheinwiderstandsmeßeinrichtung, welche eine Verzweigungsstelle
für Energieleiter enthält, von der wenigstens drei Schenkel ausgehen, dabei der
eine Schenkel einen Eingangsschenkel darstellt und zur Zuführung von hcchfrzquenter
elektrischer Energie zur Verzweigungsstelle dient, ein anderer Schenkel einen Belastungsschenkel
darstellt und zum Anschluß eines zu messenden Scheinwiderstandes dient und ein dritter
nunder Schenkel eine Aufnahmevorrichtung mit Richtwirkung enthält, die sich um die
Achse des dritten Schenkels zurr Ausmessung der Felder drehen läßt.
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Der Hauptzweck der Erfindung ist die Schaffung eines Meßgerätes,
welches zu demselben Zweck wie die bekannten Schlitzleitungen benutzt werden kann,
aber welches diesen gegenüber bestimmte Vorteile besitzt.
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Die Erfindung kann in eine von Hand bediente, in eine halbautomatische
oder in eine vollautomatische Scheinwiderstandsmeßeinrichtung eingebaut werden und
läßt sich zur Messung von Scheinwiderständen, von Reflexionsfaktoren, zur Messung
Ider Welligkeit (sogenanntes stehendes Wellenverhältnis Umax zu Urin) oder zur Messung
ähnlicher Größen benutzen.
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Bei der Messung des Scheinwiderstandes von Wellenleitern mit Hilfe
einer Schlitzleitung besteht das übliche Meßverfahren darin, daß zwei Parameter
gemessen werden, von denen der eine das
stehende Wellenverhältnis
ist und deren anderer die Lage des Minimums gegenüber der Belastung.
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Diese beiden Parameter bestimmen den Realteil und den Imaginärteil
des durch den zu messenden Scheinwiderstand beeinflußten Widerstandes des Wellenleiters.
Bei dem Verfahren mit Hilfe einer Schlitzleitung wird eine Sonde in das Feld des
Wellenleiters eingeführt. Wenn man diese Sonde in der Längsrichtung des Wellenleiters
bewegt, kann jede stehende Welle verfolgt und gemessen werden.
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Einrichtungen dieser Art sind jedoch mit zahlreichen Fehlern und anderen
Nachteilen behaftet, welche gemäß der Erfindung vermieden werden sollen.
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Es ist bereits eine Scheinwiderstandsmeßeinrichtung bekannt, welche
eine Verzweigungsstelle für Energieleiter enthält, von der vier Schenkel ausgehen,
dabei 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 aufweisende Aufuahmevorrichtung
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-Wellen abfängt, während es die H-Wellen durchläßt.
Das genannte Filter hat also dieselbe Wirkung wie eine sogenannte elektrostatische
Abschirmung.
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Die Aufnahmevorrichtung besteht im bekannten Falle aus einer Drahtschleife,
die im runden Schenkel dicht hinter dem Wellenfilter beginnt, so daß der in der
Drahtschieife induzierte Strom auch von den höheren H-Wellen erregt wird. Dies ist
aber offenbar der Meßgenauiigkeit abträglich.
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Diese Nachteile werden dadurch vermieden, daß erfindungsgemäß der
dritte Schenkel so bemessen ist, daß er bei der Betriebsfrequenz unterhalb der Grenzfrequenz
arbeitet und daß ein Wellenfilter innerhalb des dritten Schenkels zwischen dem Aufnahmeelement
und der Verzweigungsstelle zur Ausschaltung aller Hohlleiterwellentypen mit Ausnahme
derjenigen, welche eine elliptisch polarisierte Welle am freien Ende des dritten
als Hohlleiter ausgebildeten Schenkels erzeugen, vorhanden ist.
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Durch diese Ausbildung und Bemessung des dritten Schenkels wird in
Verbindung mit dem alle E-Wellen ab dämpfenden Wellenfilter erreicht, daß an der
Stelle der Aufnahmevorrichtung die höheren H-Wellen sehr stark abgedämpft sind und
die Aufnahmevorrichtung daher praktisch nur von der Hrl-Welle beeinflußt wird.
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Es wird dann möglich, eine Meßeinrichtung zu bauen, die bei Drehung
der Aufnahmevorrichtung um die Achse des dritten Schenkels als Funktion des Drehwinkels
dasselbe Spannungsbild liefert, wie man es bei einer Schlitzleitung als Funktion
der Stellung der Sonde erhält.
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Es ergibt dann eine vollständige Umdrehung der Aufuahmevorrichtung
eine Reihe von Meßwerten, welche der Verschiebung der Sonde um eine volle Wellenlänge
auf dem Haupileiter einer Schlitzleitung entspricht.
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Somit kann man nun alle Größen messen, die bisher mit einer Schlitzleitung
gemessen wurden.
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Ein solches Gerät kann also im gleichen Sinne wie eine Schlitzleitung
als eine Scheinwiderstandsmeßeinrichtung bezeichnet werden, ist einfach und raumsparend,
ist einfach zu bedienen und liefert zu verlässig genaue Messungen der Welligkeit
des Refiexionskoeffizienten, des Scheinwiderstandes, des Wellenleiters oder andere
Größen im Mikrofrequenzbereich.
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Im bekannten Falle ist die Gewinnung eines Polardiagramms, d. h.
einer Spannung als Funktion des Drehwinkels, nicht vorgesehen, da dort die Meßschleife
nur auf gewisse, um 450 gegeneinander versetzte Winkel eingestellt wird und aus
den in diesen Stellungen gemessenen Spannungswerten die gewünschten Größen berechnet
werden. Dabei bleibt aber der zu messende Scheinwiderstand hinsichltlich des Vorzeichens
seiner Blidkolm,ponente unbestimmt.
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Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Anordnung besteht darin,
daß eine kontinuierliche Drehbewegung sich leichter motorisch bewerkstelligen läßt
als die lineare Bewegung in einer geschlitzten Leitung und daß daher eine oszillographische
Darstellung der Wellenverteilung erleichtert wird.
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Zwar sind motorisch angetriebene Meßeinrichtungen in Form von zu
einem Kreise gebogenen Schlitzleitungen mit oszillographischer Anzeige der Wellenverteiung
bekannt. Diese haben aber den Nachteil, daß ihre mechanischen Abmessungen proportional
zur Wellenlänge wachsen.
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Auch mechanisch kann die Rotationsbewegung einer Aufnahmevorrichtung
genauer durchgeführt werden als die Verschiebung der Sonde in einem Schlitz. Dies
ist besonders. bei hohen Frequenzen von Bedeutung, bei denen kleine mechanische
Fehler viel stärker ins Gewicht fallen.
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Fig. I stellt einen Längsschnitt durch eine bekannte Schlitzleitung
dar, während Fig. 1 a das Vierpol-Ersatzschaltbild der Anordnung nach Fig. I ist;
Fig. 2 ist ein Längsschnitt einer erfindungsgemäßen Ausführungsform des Seitenschenkel-Scheinwiderstandsmes
sers, während Fig. 2 a das der Fig. 1 a entsprechende Vierpol-Ersatzschaltbild ist;
Fig. 3 ist ein Längsschnitt ähnlich wie Fig. 2, zeigt jedoch die Meßeinrichtung
um go0 um die Achse-des Belastungsschenkels gedreht; Fig. 4, 5 und 6 stellen eine
andere Ausführungsform der Erfindung im Grundriß, im Querschnitt bzw. im Längsschnitt
dar; bei dieser Ausführungsform wird ein rechteckförmiger Wellenleiter mit einem
exzentrisch angebrachten Seitenschenkel be-
nutzt, der für einen
Betrieb unterhalb seiner Grenzfrequenz bemessen und an die breite Seite des Wellenleiters
angeschlossen ist; Fig. 7 ist ein Teil eines Längsschnittst durch eine wiederum
andere Ausführungsform in der Anwendung auf eine Koaxialleitung, während Fig.8 der
Querschnitt in der Schnittebene 8-8 der Fig. 7 ist; Fig. g ist eine verallgemeinerte
Darstellung der erfindungsgemäßen Verzweigung; Fig. 10 ist eine teilweise aufgeschnitten
dargestellte perspektivische Ansicht einer Ausführungsform, bei welcher statt einer
Meßschleife ein Richtungskoppler drehbar am freien Ende des runden Seitenschenkels
sitzt; Fig. 11 zeigt perspektivisch den Zusammenbau einer sogenannten Smith-Karte
mit der drehbaren Aufnahmevorrichtung im Seitenschenkel; Fig. I2 zeigt perspektivisch
eine weitere Ausführungsform, bei welcher die drehbare Aufnahmevorrichtung innerhalb
des kreisförmigen Seitenschenkels liegt und sowohl längs der Achse dieses Schenkels
verstellbar als auch um diese Achse drehbar ist.
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In Fig. 1 ist eine bekannte Schlitzleitung im Schnitt dargestellt.
Sie enthält ein koaxiales Kabel, dessen rohrförmiger Außlenleiter mit I und dessen
Innenleiter mit 2 bezeichnet ist. Der Innenleiter ist durch die dielektrischen Scheiben
3 gegen den Außenleiter abgestützt. Der Außenleiter besitzt einen schmalen Längsschlitz,
der vom Punkt 1a bis zum Punkt Ib reicht und in duen eine Sonde 4 eingesetzt ist,
die sich in der Längsrichtung des Schlitzes verschieben läßt und über eine Leitung
4a an einen geeigneten Detektor und Spannungsmesser angeschlossen ist. Der Detektor
und der Spannungsmesser sind in der Zeichnung nicht mit dargestellt.
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Mit dem linken Ende des Koaxialkabels ist eine Hochfrequenzquelle
6 und mit dem rechten Ende ein Scheinwiderstand 7 verbunden. Dieser Scheinwiderstand
kann von beliebiger Art sein und kann z. B. aus einem Stück eines Wellenleiters
bestehen.
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Wenn die Sonde 4 längs oder Leitung bewegt wird, ohne ihre Eintauchtiefe
zu ändern und dabei die Eintauchtiefe in die Koaxialleitung nicht zu groß gewählt
ist, wenn ferner die Sonde nicht nennenswert durch höhere Wellen, die an den Enden
des Schlitzes entstehen, beeinflußt wird oder durch Wellen, die durch die Scheiben
3 oder durch andere Diskontinuitäten hervorgerufen werden, so ändert sich bekanntlich
die von der Sonde gelieferte Spannung entsprechend der bekannten.Verteilung der
stehenden Wellen, d. h. nach Kurve 8. Die Spannung verläuft längs des Schlitzes
entsprechend j Zs cos kz-sin kx, (I) worin x den Abstand der Sonde von der durch
das Ende Ib des Schlitzes hindurchgehenden, punktiert angedeuteten Vergleichsebene
darstellt, Zs der normierte Scheinwiderstand (d. h. der Scheinwiderstand 7 im Verhältnis
zur Größe des Wellenwiderstandes der Leitung) ist, welcher den geschlitzten Teil
der Leitung abschließt, k die Ausbreitungskonstante der Energieleitung im geschllitzten
Teil und j die imaginäre Eignheiit.
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Fig. 1 a ist ein Vielpol-Ersatzschaltbild für die Anordnung nach
Fig. 1, in welcher der Scheinwiderstand Z zwischen den beiden Ausgangspolen den
Ausgangswiderstand der geschlitzten Leitung in der Ebene Z in Fig. I darstellt rund
der Widerstand es den in der Vergleichsebene in Fig. I gemessenen Widerstand. In
diesem Fall liegt die Vergleichs ebene am Ende des Schlitzes, d. h. im Punkt Ib.
Der Widerstand Zs errechnet sich aus der Formel 1 - j # tg (k xmin) Zs = , (2) #
- j tg (k#xmin) in welcher e die Welligkeit ist, die man durch Division der Maximalspannung
Vmax durch die Minimalspannung Vmin erhält, und Xmtn den Abstand der Meßsonde von
der Vergleichsebene für minimale Spannungsanzeige darstellt.
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Für gewöhuliche Messungen kann mit ausreichender Genauigkeit der
unbekannte zu messende Widerstand Z zu Zs angenommen werden. Wenn eine größere Genauigkeit
verlangt wird, muß man jedoch viele Fehlerquellen berücksichtigen. Im geschlitzten
Teil der Leitung stimmt Z3 aus den folgenden Gründen nicht mit Z überein. Der Schlitz
beeinflußt nämlich iiinerhalb gewisser Grenzen den Wellenwiderstand der Koaxialleitung,
da das Ende des Schlitzes eine Diskontinuität darstellt und auch die rechte Scheibe
3 wie eine Diskontinuität wirkt. Alle diese Einflüsse können dadurch berücksichtigt
werden, daß man die Verbindungsstelle zwischen der gleichförmigen Koaxialleitung,
in welcher der Widerstand Z3 gemessen wird, mit der gleichförmigen Koaxialleitung,
in welcher der Widerstand Z liegt, allgemein als einen Vierpol nach Fig. 1a darstellt.
Bei einer bestimmten Frequenz kann ein solcher Vierpol durch sechs reelle Zahlen
beschrieben werden oder wenn die Verbindungsstelle verlustlos ist, durch nur drei
reelle Zahlen.
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Nach Messung dieser Parameter läßt sich Z aus Z3 -berechnen.
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In Fig. 2 ist die Erfindung in der Anwendung auf den Verzweigungspunkt
einer Energieleitung dargestellt, von welchem vier Schenkel ausgehen, davon sind
drei koaxiale Kabel., Der Eingangsschenkel A, ist eine Koaxialleitung, welche an
eine Hochfrequenzquelle 6 angeschlossen ist. Ein zweiter koaxialer Schenkel A2 ist
an den unbekannten Scheinwiderstand 7 angeschlossen und ein dritter koaxialer Schenkel
A3, der, in der Verlängerung des Schenkels A2 liegt, an einen verstellbaren Kondensator.
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Ein Meßschenkel A4 wird durch einen unterhalb seiner Grenzfrequenz
betriebenen Wellenleiter gebildet und liegt rechtwinkelig zu den drei anderen Schenkeln.
Die Innenleiter für die drei koaxialen Schenkel sind mit Bt, B2 und BS bezeichnet.
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Der verstellbare Kondensator im Schenkel A3 besteht aus einem leitenden
Zylinder 9, welcher teleskopartig um, das verstärkte Ende des Innenleiters B3 herum
angeordnet ist. Zur Ermöglichung der axialen Bewegung des Hohlzylinders g innerhalb
des
Schenkels A5 kann eine beliebige geeignete Anordnung gewählt werden, beispielsweise
kann man den Zylinder g an einer Stellschraube Io befestigen, welche sich in der
Stirnwand des Schenkels A3 dreht. Die jeweilige Lage des Zylinders g kann auf einer
Skala II abgelesen werden, die sich ebenfalls an der Stirnwand des Schenkels A8
befestigen läßt.
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Der Meßschenkel A4 wird durch einen runden Wellenleiter, der unterhalb
seiner Grenzfrequenz betrieben ist, gebildet. In diesem Schenkel befindet sich eine
geeignete, eine Richtwirkung besitzende Aufnahmevorrichtung zur Ausmessung des im
Meßschenkel seitens der anderen Schenkel erzeugten Feldes. Die eine Richtwirkung
besitzende Aufnahmevorrichtung kann eine Meßschleife 12 sein, welche am Ende eines
leitenden Zylinders 13 befestigt ist, der im oberen Teil des Schenkels A4 liegt
und sich um dessen Achse drehen läßt. Am Zylinder 13 ist eine geeignete Skalenscheibe
14 befestigt, der ein feststehender Zeiger 15 zugeordnet ist. Das eine Ende der
Meßschleife 12 ist mit dem Zylinder I3 verbunden, während ihr anderes Ende an einen
geeigneten Detektor I6 angeschlossen ist, der zusammen mit einem Parallelkondensator
I7 innerhalb des Zylinders I3 angebracht werden kann.
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Der rohrförmige Schenkel A4 ist für alle Betriebsfrequenzen unterhalb
seiner Grenzfrequenz bemessen, und die Meßschleife I2 muß genügend weit vom Verzweigungspunkt
angebracht werden, um vorweigend durch die H11-Welle beeinflußt zu werden. Die anderen
Wellen, welche in diesem Abstand vom Verzweiguingspunkt noch vorhanden sein können,
müssen beseitigt werden. Dies ist dadurch möglich, daß man die Schleife 12 in einem
so großen Abstand vom Verzweigungspunkt anbringt, daß die genannten höheren Wellen
vor Erreichung der Schleife stärker abgeschwächt werden als die gewünschte Welle.
Man erreicht dies auch durch Einsetzen eines geeigneten Filters zwischen die Schleife
und die Verzweigungsstelle. Ein solches Filter kann aus einem leitenden Zylinder
18 bestehen, welcher die Schleife I2 umgibt und auf den Zylinder I3 von unten aufgesteckt
werden kann. Am unteren Ende des Zylinders I8 ist eine Reihe von leitenden, parallel
zueinander angeordneten Stegen 19 senkrecht zur Ebene der Schleife 12 angeordnet.
Der Detektor I6 ist über die Leitung 16a mit einem geeigneten Spannungsmesser oder
einem anderen Meßinstrument verbunden.
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Wenn die Meßschleife nur die Ht,-Welle aufnimmt und die Schleife
nicht zu eng an die Verzweigungsstelle angekoppelt ist und von Reflexionen im Meßschenkel
nicht nennenswert beeinflußt wird, so kann das Feld in dem runden Schenkel A4 in
zwei zueinander senkrechte Hl-Wellen verlegt werden, welche, wie an Hand der Fig.
3 gezeigt wird, auf die in die Schenkel A2 und A8 hineinfließenden Ströme zurückzuführen
sind. Da diese Ströme einen Phasenwinkel miteinander einschließen, ist die resultierende
H11-Welle eiliptisch polarisiert.
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Wenn 0 der Winkel ist, welcher die Verdrehung der Schleife um die
Achse des Meßschenkels angibt, so ändert sich die in der Schleife induzierte Spannung
entsprechend der Gleichung (I). Dies wird an Hand der Fig. 3 weiter unten noch erläultert
werden.
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Es sei I der Strom, welcher den unbekannten Scheinwiderstand Z (Widerstand
7) durch setzt und V die Spannung an diesem Scheinwiderstand.
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In den drei Schenkeln-der Koaxialleitungsanordnung nach Fig. 3 fließen
Ströme von der Größe I, V/Z3 und I + V/Z3, von denen jeder den runden Seitenschenkel
erregt. Die Seitenschenkelerregung in der Richtung von Di und D2 sind in Wirklichkeit
einfachere Funktionen des gesuchten Widerstandes als die Erregungen in Richtung
der H3l-Komponenten, so daß die ersteren berechnet werden sollen. In der Richtung
D1 ist die Erregung nur zu 1 proportional, denn, wie auf Fig. 3 a zu ersehen, erzeugt
der Strom 1, der nach oben und nach links fließt, je ein Magnetfeld H1 von gleicher
Größe, deren resultierender Vektor die Richtung von D2 besitzt und demnach proportional
zu l 21 ist. Dieses Magnetfeld durcbsetzt eine in Richtung D1 liegende Schleife
voll.
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Andererseits erzeugt der Strom V/Z3, der im vertikalen und im nach
rechts gehenden Schenkel fließt, zwei senkrecht zueinander liegende Magnetfelder
HV/Z3. Dies ist in Fig. 3 b veranschaulicht. Der resultierende Vektor ist also proportional
zu @2 V/Z3 und liegt in der Richtung D1. Er erregt also die Schleife D1 nicht. Legt
man diese Schleife in die Richtung D2 um, so wird sie nur vom Strome V/Z3 erregt,
nicht aber vom Strome I.
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Für eine Zwischenlage der Schleifenebene, gekennzeichnet durch den
winkel # in Fig. 3, wird die Spannung an der Schleife von beiden Strömen 1 und V/Z3
hervorgerufen, aber nur mit Beiträgen, die von sin - bzw. cos 0 abhängen. Dann ist
die in der Spule induzierte Spannung proportional zu V/Z3 cos # - I sin #, oder
wenn Z3 gleich - j und V gleich IZ3 ist, wobei Z@ der an die Verzweigungsstelle
transformierte Widerstand Z ist, so wird die Spannung in der Spule proportional
zu I (j Z, cos # - sin #). (3) Dies ist die Gleichung einer stehenden Wellenverteilung
von demselben Charakter wie in Gleichung (I).
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Unter Umständen ist es zweckmäßiger, die Anordnung nach Fig. 2 in
einer anderen Weise zu benutzen. Die oben benutzte Bedinguing, daß Z3 = -j ist,
läßt sich für eine Frequenz leicht erreichen.
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Wenn jedoch die Frequenz geändert wird, muß der Blindwiderstand Zs
so eingestellt werden, daß seine Größe wieder j ist. Wenn Z3 reell ist, so wird
die Wirkungsweise der Meßeinrichtung geändert, jedoch läßt sich der nunmehr erforderliche
Wirkwiderstand innerhalb eines breiten Bandes ohne Nachstellungen erzielen.
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Für einen widerstand Z3 war das Polardiagramm gegeben durch V/Z3
cos # - I sin #; wenn nun aber Z3 reell ist, so gelangt man nicht zur Gleichung
(3) einer stehenden Wellenverteilung, da die ganze Gleichung keine imaginäre Komponente
aufweist.
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Ändert man jetzt den Zusammenhang zwischen
Spannung
und Strom formal folgendermaßen ab, daß man setzt V=I jZr', dann gelangt man, wenn
man noch Z8 = I setzt, wieder genau zur Gleichung (3), also zu einer stehenden Wellenverteilung,
aus der der Widerstand Zr' hinsichtlich Real- und Imaginärteil bestimmt werden kann.
Da aber in Wirklichkeit der Zusammenhang zwischen Strom und Spannung gegeben ist
durch V = IZr, so gilt jZr' = Zr oder, wenn man in Real- und Imaginärteil aufspaltet,
j(Rr'@+@jXr) = Rr + jX,; hieraus folgt Xr=R und Rr =XR (4) Real- und Imaginärteil
sind also vertauscht. Um zum Realteil bzw. Imaginärteil des zu messenden Scheinwiderstandes
zu gelangen, hat man den negativen Imaginärteil bzw. Realteil des mittels der Meßeinrichtung
enthaltenden Scheinwiderstandes zu nehmen. Diese Uberlegungen gelten nur, wenn man
statt einer nachzustimmenden Kapazität einen ohmschen Widerstand verwenden will.
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Wie im Fall einer Schlitzleitung, kann der komplexe Scheinwiderstand
in Gleichung (3) für die Seitenschenkelanordnung in Form von leicht meßbaren Größen
nach der Formel 1 - j # tg #min Zr = (5) # - j tg #min angegeben werden, in welcher
0mtn der Winkel ist, in welchem die Minimalspannung von der Vergleichsebene auftritt
und die anderen Größen dieselbe Bedeutung haben wie in Gleichung (2). Die Vergleichsebene
für die Seitenschenkelanordnung fällt mit der Richtung D2 zusammen, welche den Winkel
zwischen der Eingangsleitung und der Lastleitung halbiert. In den Formeln (2) und
(5) entsprechen die Indizes s und r dem zu messenden Scheinwiderstand in der geschlitzten
Leitung und dem Scheinwiderstand im Polardiagramm.
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Der Scheinwiderstand Zr im Polardiagramm ist dem unbekannten Scheinwiderstand
Z in genau derselben Weise zugeordnet wie Zs zu Z. Der Scheinwiderstand Z, ist der
Eingangswiderstand eines sogenannten fiktiven Vierpols, wenn Z der entsprechende
Ausgangswiderstand ist. Dies ist in Fig. 2 a dargestellt. Die Schaltung wird' deshalb
als eine fiktive Schaltung bezeichnet, weil sie nicht das Ersatzschaltbild der Verzweigungsanordnung
selbst oder eines Teils derselben wiedergibt, weil jedoch die Parameter der fiktiven
Schaltung Funktionen von Parametern des Ersatzschaltbildes sind. -Zur Beschreibung
des fiktiven Vierpols sind wieder drei reelle Zahlen erforderlich, wenn die Anordnung
verlustlos ist. Sobald diese Parameter gemessen sind, kann Z aus Zr berechnet werden,
und zwar durch Anwendung elementarer Filterrechn!ungen.
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Die Bedingungen, unter denen Zr und Z in der oben geschilderten Weise
zusammenhängen, sind außerordentlich allgemein. Die fiktive Vierpoldarstellung gilt
für jede Anordnung zwischen dem runden Seitenschenkel und zwei Koaxialleitungen
oder Wellenleitern, von denen der eine zum Generator :und der andere zu dem zu messenden
Scheinwiderstand verläuft, mit nur einer weiter unten erwähnten Ausnahme. Es ist
nur notwendig, daß die Schleife keine höheren Wellen aufnimmt und daß sie nicht
zu eng an die Verzweigungsstelle angekoppelt ist.
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Wenn man den fiktiven Vierpol annähernd anpaßt, so daß Zr etwa gleich
Z wird, darf die Verzweigung nicht ganz willkürlich, sondern muß innerhalb gewisser
Grenzen bemessen werden. Die in Fig. 2 dargestellte koaxiale Anordnung ist so bemessen,
daß Zr = Z eingestellt werden kann. Der verstellbare Kondensator muß so eingestellt
werden, daß er ungefähr einen kapazitiven Blindwiderstand vom Werte 1 bei der Betriebsfrequenz
liefert. In der Praxis ist es vorzuziehen, die Parameter des fiktiven Vierpols zu
messen, statt sie zu berechnen. Ein Verfahren zur Durchführung dieser Messung besteht
darin, daß man eine Reihe von kurz geschlossenen Leitungen verschiedener Länge an
den Schenkel für den unbekannten Scheinwiderstand anschließt und eine Kurve aufnimmt;
welche die Winkeleinstellung der Meßschleife für die Aufnahmespannung Null in Abhängigkeit
von der Länge der Kurzschlußleitungen angibt. Aus dieser Kurve können nicht nur
die gewünschten Parameter errechnet, sondern auch die Größe der Fehler erster Ordnung
geschätzt werden.
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Das Spannungsbild, welches bei den Anordnungen nach Fig. 2 und 3
erhalten wird, ist durch die Kurve Vr, welche um die Achse des kreisförmigen Seitenschenkels
A4 in Fig. 3 herum gezeichnet ist, dargestellt.
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Zur Messung eines gesuchten Scheinwiderstandes mittels der Einrichtung
nach Fig. 2 wird folgendermaßen verfahren: Bei einer bestimmten Btetriebsfrequenz
wird der verstellbare Kondensator g so eingestellt, daß er einen Blindwiderstand
vom Wert I darstellt. Die erforderliche spezielle Einstellung kann anfänglich bestimmt
werden, und die Skala II des Kondensators kann in Werten der Betriebsfrequenz geeicht
werden. Man kann auch eine einfache, linear geteilte Skala in Verbindung mit einer
Frequenzeichkurve benutzen.
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Zur Bestimmung des durch einen unbekannten Scheinwiderstand hervorgerufenen
stehenden Wellenverhältnisses wird die Schleife so verdreht, daß zunächst ein Minimalwert
und dann ein Maximalwert abgelesen werden kann und die Welligkeit durch Division
des Maximalwertes durch den Minimalwert ermittelt. Zur Gewinnung des Widerstandes
Zr werden die Schleifeinstellung für minimale und maximale Ablesungen notiert und
aud Grund der ermittelten Welligkeit der Widerstand nach der Gleichung (5) berechnet.
Die Vergleichsebene halbiert den Winkel zwischen dem Eingangsschenkel und dem Schenkel
zum Anschluß des zu messenden Widerstandes. Die Vergleichsebene läßt sich auch durch
Kurzschluß des Belastungsschenkels ermitteln- uind durch Einstellung der Schleife
-in eine Stellung, in welcher die Anzeige Null erhalten wird. Wenn die Frequenz
der zugeführten Welle geändert wird, muß der Kondensator 9 so nachgeregelt werden,
daß wieder der Blindwiderstand 1 erhalten wird.
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In Fig. 4, 5 und 6 ist eine Ausführungsform der Erfindung dargestellt,
bei welcher der runde Seiten-
schenkel an eine Verzweigung angeschlossen
ist, welche nur drei Schenkel besitzt und bei welcher der Eingangs schenkel und
der Lastschenkel durch gleichachsige Teile eines rechteckigen Hohlleiters gebildet
werden. Bei dieser Anordnung sind der Eingangsschenkel mit au der Lastschenkel mit
A2 bezeichnet in Übereinstimmung mit Fig. 2 und 3.
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Diese beiden Schenkel sind gleichachsig zwischen einer Spannungsquelle
6 und einem unbekannten Scheinwiderstand 7 angeordnet, während der runde Seitenschenkel
A4 an die Verbindungsstelle der beiden erstgenannten Schenkel über eine in der Breitseite
des Wellenleiters angebrachte oeffnung angeschlossen ist. Die Mittelachse des Seitenschenkels
A, ist gegenüber der Mittelebene des Wellenleiters um die Strecke c in Fig. 4 und
5 versetzt.
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Diese Versetzung ist nur notwendig, wenn der Eingangs- und der Lastschenkel
gleichachsig angebracht werden.
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Der Seitenschenkel in Fig. 4 bis 6 ist mit einer drehbaren und eine
Richtwirkung besitienden Aufnahmevorrichtung von grundsätzlich derselben Form wie
in Fig 2 und 3 ausgerüstet, wobei ein ander entsprechende Teile wieder mit denselben
Bezugszeichen versehen sind. Jedoch ist in Fig. 5 und 6 eine von Fig. 2 abweichende
Form eines Welienfilters dargestellt. Man kann jedoch in Fig. 5 und 6 auch das Filter
nach Fig. 2 benutzen oder umgekehrt in Fig. 2 das Filter nach Fig. 5.
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Das Filter in Fig. 5 enthält eine Füllung 20 aus festem dielektrischem
Material, welches in einen Teil desSeitenschenkels zwischen der Verzweigungsstelle
und der Meßschleife eingesetzt ist. Dieses Material hat eine Dielektrizitätskonstante,
die genügend groß ist, um den Durchtritt der Hll-Welle durch die Füllung zu ermöglichen,
aber alle anderen Wellen abzwschwächen. Das Filter kann somit in der Achsenrichtung
des Seitenschenkels lang genug gemacht werden, um die höheren Wellen in einem gewünschten
Maße zu schwächen, ohne die Hll-Wellen nennenswert zu beeinflussen. Bei größerer
Bandbreite kann das Wellenfilter aus einer Reihe von gefüllten Leitungsabschnitten
unter Zwischenschaltung von ungefüllten Leitungs abschnitten bestehen, so daß ein
anisotropes Dielektrikum gebildet wird. In einem Wellenleiter, dur ein anisotropes
Dielektrikum enthält, werden die Grenzwellenlängen der H-Wellen durch die transversale
Dielektrizitätskonstante bestimmt und die Grenzwellenlängen der E-Wellen durch die
longitudinale Dielektrizitätskonstante. Da die transversale Dielektrizitätskonstante
größer ist als die longitudinale, besteht für die H21-Welle eine größere Grenzwellenlänge
als für die EO-Welle, und die Bandbreite ist sodann das Verhältnis zwischen den
Grenzwellenlängen für die Hll-Welle und die H2l-Welle und ist größer als die nutzbare
Bandbreite des rechteckigen Wellenleiters.
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Wenn man -die sehr kleinen Störungen vernachlässigt, welche der Seitenschenkel
im Hauptwellenleiter hervorruft, so entspricht das Feld im Hauptwellenleiter in
Fig. 4 bis 6 der HlO-Welle. Im runden Seitenschenkel sind zwei zueinander senkrechte
und voneinander unabhängige H11-Wellen vorhanden, welche gleiche Abschwächung besitzen.
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Wegen der geringen Größe des Seitenschenkels im Vergleich zum Hauptwellenleiter
können die Intensitäten der H11-Wellen in der Schleife als proportional zu Hx und
H2 an der Mündung des Seitenschenkels angenommen werden. Für einen rechteckigen
Hohlleiter ist Hx gegenüber H2 um 90° phasenverschoben. Die Größe von Hx ist proportional
zum Strom und die Größe von HZ proportional zur Spannung des rechteckigen Wellenleiters.
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Auf mathematischem Wege läßt sich zeigen, daß die beiden Hll-Wellen
des magnetischen Feldes sich mit der Winkelverdrehung um die Achse des Seitenschenkels
ändern, und zwar die eine mit dem Kosinus dieses Winkels und die andere mit dessen
Sinus. Die in der Schleife induzierte Spannung ist gleich der Änderung des magnetischen~
Feldes durch dieselbe. Wenn die Schleife klein ist, kann diese Spannung aus den
Feldern in der Mitte des kreisförmigen Wellenleiters berechnet werden. Die in der
Schleife abhängig vom Winkel zwischen der Normalen auf der Schleifenebene und der
Achse des rechteckigen Wellenleiters bei der Drehung der Schleife induzierte Spannung
gibt die komplexe polare Wellenverteilung, nämlich j Z, cos 0 - sin 0, (6) welche
vom gleichen Charakter ist wie die Gleichung (1) für die Schlitzleitung. Der Scheinwiderstand
Zr in Gleichung (6) wird durch meßbare Größen entsprechend der Formel (5) bestimmt.
Die Vergleichsebene, von welcher aus die Winkel 0" gemessen werden, ist die zum
Hauptwellenleiter transversal verlaufende Ebene, welche durch die Achse des Seitenschenkels
hindurchgeht.
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Die durch Gleichung (6) dargestellte Wellenverteilung ist, wie gezeigt
werden kann, gleich der Wellenverteilung, welche dann auftritt, wenn Zr gleich Z/A
wird, wenn A = #h a in welcher a die innere Breite des Hauptwellenleiters und c
die Versetzung des Seitenschenkels gegenüber der Mittelebene des Hauptwellenleiters
ist und Ah die Wellenlänge im rechteckigen Hohlleiter sowie Z der unbekannte Scheinwiderstand
im rechteckigen Wellenleiter. Aus dieser Gleichung kann man die Versetzung c berechnen,
wenn A gleich I gesetzt wird.
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Die Größe der Versetzung c hängt von der Betriebsfrequenz ab, und
man kann, wenn ein ganzes Frequenzband überstrichen werden soll, den Seitenschenkel
auf einem transversal auf der Wand des Wellenleiters beweglichen Stück anordnen.
Man kann aber auch, statt die Ankopplungsstelle des Seitenschenkels verstellbar
zu machen, den Seitenschenkel wie in Fig. 4 bis 6 fest anordnen und die Frequenzabhängigkeit
durch Anbringung einer verstellbaren Diskontinuität am unteren Ende des Seitenschenkels
berücksichtigen, beispielsweise durch die Abstimmschraube 2I, welche in die Wand
des
Seitenschenkels in der Vergleichsebene an der oberen Wand des Wellenleiters eingeschraubt
ist.
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Durch Einstellung dieser Schraube auf verschiedene Betriebsfrequenzen
läßt sich der Frequenzfehler im wesentlichen ausschalten. Wenn eine größere Genauigkeit
erwünscht ist, gilt die fiktive Schaltung nach Fig. 2 a ebenfalls, selbst wenn c
nicht genau den richtigen Wert besitzt und der runde Seitenschenkel nicht klein
ist.
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Die Anordnung mit versetztem Seitenschenkel nach Fig. 4 bis 6 kann
in einem Koaxialleitungssystem nach Fig. 7 und 8 Verwendung finden. Der Seitenschenkel
A4 ist wieder gegenüber der Achse der Haupflcoaxialleitüng, wie dargestellt, versetzt.
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Außerdem ist eine Sonde oder Antenne 22 durch den Außenleiter des
Hauptkabels hindurchgeführt, und zwar in derselben transversalen Ebene, in welcher
die Achse des Seitenschenkels liegt und unter einem rechten Winkel zum Seitenschenkel.
Diese Sonde oder Antenne dient zur Erregung einer der Hll-Wellen im Seitenschenkel,
während der Innenleiter des Kabels die andere Hll-Welle erregt. Die Anordnung nach
Fig. 7 und 8 kann für die Durch führung derselben Messungen benutzt werden wie die
Einrichtung nach Fig. 4 bis 6.
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Aus dem Vorstehenden ist ersichtlich, daß die erfindungsgemäße Verwendung
eines kreisförmigen Seitenschenkels auf verschiedene Formen von Leitungen angewendet
werden kann und daß Fig. 9 eine allgemeine Darstellung der Meßeinrichtung ist.
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Die verschiedenen Schenkel brauchen nicht gleich zu sein, sondern
es kann vielmehr der eine ein koaxiales Kabel (z. B. der Eingangslschenkel A1) und
der Ausgangs schenkel ein Wellenleiter sein, oder umgekehrt. Die Winkel, welche
die Schenkel an der Verzweigungsstelle miteinander bilden, sind ebenfalls unwichtig
mit Ausnahme der in Fig. 2 bis 8 dargestellten Fälle, in welchen der Eingangsschenkel
und der Ausgangs- oder Lastschenkel gleichachsig angeordnet sind, um Zr möglichst
gleich Z zu machen. In jedem Falle ist der Seitenschenkel A4 ein runder Wellenleiter,
in dem die Hll-Welle angeregt wird oder in dem wenigstens solche Wellen angeregt
werden, die eine einfache sinusförmige Winkelverteilung besitzen. Die fiktive Schaltung
nach Fig. 2 a ist ebenfalls allgemein gültig, wenn die Ankopplung der Schleife an
die Verzweigungsstelle nicht so eng gemacht wird, daß die sin 0- bzw. cos 0-Verteilung
gestört wird.
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Die Erfindung ist nicht auf die Benutzung einer Aufnahmevorrichtung
in Form einer Meßschleife der dargestellten. Art beschränkt, sondern man kann auch
andere, eine Richtwirkung besitzende Aufnahmevorrichtungen zur Ausmessung des Feldes
in dem runden Seitenschenkel benutzen. Eine andere geeignete Form einer Aufnahmevorrichtung
ist in Fig. 10 dargestellt, in welcher der Seitenschenkel A4 einen drehbaren Oberteil
23 besitzt, über den der Seitenschenkel mit einem kurzen rechteckigen Wellenleiter
24 gekoppelt ist, der seinerseits rechtwinklig zum Seitenschenkel verläuft. Der
direhbare Teil 23 ist mit dem Wellenleiter 24 an einem Punkte gekoppelt, der in
der Mitte der Breitseite von 24 und nahe dem einen Ende von 24 liegt. Ein geeignetes
Aufnahmeelement25, beispielsweise eine Meßsonde, ist in den Wellenleiter 24 an seinem
freien Ende eingeführt und an einen geeigneten Detektor und Spannungsmess er angeschlossen.
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Fig. II zeigt, wie für die Messungen eine Smith-Karte an eine erfindungsgemäße
Einrichtung mit ruindem Seitenschenkel angebracht werden kann.
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Die Simth-Karte ist in Kombination mit einer Einrichtung nach Fig.
4 bis 6 dargestellt, kann jedoch auch ebensogut zusammen mit Einrichtungen nach
Fig. 2, 7, 9 und 10 verwendet werden. Der drehbare Träger 13 für die Aufnahmevorrichtung
ist mit einer Spindel 26 versehen, welche vertikal über den Seitenschenkel A4 hinausragt.
Das obere Ende der Spindel 26 läuft durch den Mittelpunkt einer feststehenden Smith-Karte
27 hindurch und ist an der Innenseite eines durchsichtigen Armes 28 derart befestigt,
daß der Arm mit der Aufnahmevorrichtung gedreht werden kann. Der Arm 26 ist mit
einer Skala für die Welligkeit versehen, und es ist ferner auf ihm ein Schieber
29 angebracht, der eine Marke oder Linie trägt. Die Smith-Karte 27 enthält eine
Reihe von Kurven, welche verschiedene Faktoren, beispielsweise den Wirkwiderstand
und den Bi'indwi'derstands anteil des zu messenden Scheinwiderstandes, angeben.
Weitere Einzelheiten bezüglich der Ausbildung der Smith-Karte sind in zwei Arbeiten,
welche in der Zeitschrift »Electronics «; Januar I939 und Januar In44, erschienen
sind, beschrieben.
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Bei der Benutzung einer Einrichtung nach Fig. II wird die Welligkeit
zunächst in der normalen Weise gemessenem Wert der Welligkeit auf dem drehbaren
Arm 28 eingestellt. Sodann wird die Meß'schleife gedreht, bis die aufgenommene SpannungeinMinimum
wird, und es werden anschließend der Realteil und der Imaginärteil des Scheinwiderstandes
auf der Smith-Karte unmittelbar unterhalb des Schiebers abgelesen. Dieser Vorgang
ist halbauitomatisch, da die Einstellungen von Hand durch geführt werden und die
beiden Anteile des Scheinwiderstandes unmittelbar auf der Karte abgelesen werden
können. Wenn die Größe A nicht gleich I ist, so muß der abgelesene Scheinwiderstand
mit A multipliziert werden. Allgemeiner gesprochen, muß Zr entsprechend der fiktiven
Schaltung in Fig. 2 a transformiert werden, wenn die letztere nicht angepaßt ist.
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Die Fig. 12 zeigt eine weitere Ausführungsform zur Zuordnung einer
Anzeigekarte zum beweglichen Aufnahmeelement. Diese Anordnung weicht von den oben
beschriebenen dadurch ab, daß der drehbare Träger 13 für die Aufnahmevorrichtung
sowohl längs seiner Achse verschoben werden als auch um seine Achse gedreht werden
kann Dieser Träger ist mit einem zylindrischen Teil 30 von größerem Durchmesser
versehen, auf dem eine Karte aufgespannt werden kann. Ein fest mit dem Seitenschenkel
A4 verbundener Arm 31 trägt ein Fadenkreuz 32 zur Ablesung der Karte, auf welcher
zwei Koordinatenachsen vorhanden sind. Die auf dem Mantel des Zylinders 30 befindlichen
Kreise
sind Linien konstanter Größe des Reflexionskoeffizienten
K, wobei der Kreis für K = 0 auf dem Zylinder 30 am weitesten oben liegt. Die geraden,
senkrechten Linien sind Linien konstanten Phasenwinkels von K. Die beiden anderen
sich gegenseitig schneidenden Kurvenscharen stellen den Wirkwiderstands- und Blindwiderstandsanteil
des zu messenden Scheinwiderstandes dar. Diese letzteren Linien sind im allgemeinen
keine geraden Linien oder Kreise und die in Fig. 12 dargestellte Form der letzteren
Linien soll nicht etwa ihren tatsächlichen Verlauf andeuten.
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Die Meßeinrichtung nach Fig. I2 wird folgendermaßen benutzt: Die
Schleife wird gedreht, bis der Detektor einen Minimalwert anzeigt, und wird dann
- ohne dabei weiter verdreht zu werden -nach unten oder nach oben geschoben, bis
die Linie K= 0 unter dem Fadenkreuz liegt. Sodann wird die Schleife - ohne eine
weitere axiale Verschiebung - von neuem verdreht, bis der Detektor einen Maximalwert
zeigt, und anschließend wird die Schleife - ohne gleichzeitige Drehbewegung -herausgezogen,
bis der Detektor wieder den anfänglichen Minimalwert liefert. Der gewünschte Refiexionskoeffizient
und der Realteil sowie Imaginärteil des Scheinwiderstandes können dann von der Karte
unterhalb des Fadenkreuzes abgelesen werden. Wenn A nicht gleich I ist, so mulß
der abgelesene Scheinwiderstand mit A multipliziert werden.
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Ein Vorteil des Anzeigeverfahrens nach Fig. II und 12 liegt darin,
daß, wenn der Scheinhviderstand des Hauptwellenleiters in einer anderen Vergleichsebene
gesucht ist als derjenige, für welche die Einrichtung geeicht wurde, man lediglich
entweder die Karte nach Fig. II oder den Anzeiger nach Fig. I2 um einen Winkel zu
verdrehen braucht, der gerade zweimal so groß ist als die Anzahl der elektrischen
Grade, um welche die Vergleichsebene verschoben werden soll. Diese Eigenschaft ist
auch von Bedeutung, wenn die Vergleichsebenen für die Eichung Funktionen der Frequenz
sein müssen. In diesem Zusammenhang ist daran zu erinnern, daß A zu I angenommen
worden war.
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Die stehende Wellenverteilung, die bei den verschiedenen Ausführungsformen
auftritt, kann auf dem Schirm einer Kathodenstrahlröhre sichtbar gemacht werden,
wenn man die Aufnahmevorrichtung mit konstanter Geschwindigkeit umlaufen läßt und
somit einen Wechselstrom am Ausgang des Detektors erzeugt, der gewünschtenfalls
verstärkt werden kann. Die Alusgangsleistung der Aufnahmevorrichtung kann mittels
eines Schleifringes herausgeführt und den vertikalen Ablenkplatten einer Kathodenstrahlröhre,
gewünschtenfalls nach vorheriger Verstärkung, zugeführt werden. Durch Benutzung
eines sich drehenden Trägers für die Aufnahmevorrichtung zutr Betätigung eines Auslösekontaktes
für die Kathodenstrahlablenkung bei jedem Umlauf kann der horizontale Ablenkgenera:
tor der Kathodenstrahlröhre bei jeder Umdrehung in einem bestimmten Zeitpunkt angestoßen
werden, so daß der Kathodenstrahl die Wellenverteilung auf dem Schirm aufzeichnet.
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Man sieht, daß bei jeder der beschriebenen Ausführungsformen für
die Widerstandsmeßeinrichtung eine Verzweigung von wenigstens drei Leitungen mit
sogenannten inneren Feldern benutzt wird und daß es sich dabei sowohl um Hohlleiter
als auch um koaxiale Kabel handeln kann. Außerdem ist aus den dargelegten Gründen
die H11-Welle im runden Seitenschenkel elliptisch polarisiert.
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Im Fall eines rechteckigen Wellenleiters nach Art der Fig. 4 bis
6 wird der runde Seitenschenkel im allgemeinen einen Durchmesser erhalten, der beträchtlich
kleiner ist als die längere transversale Abmessung des Hauptwellenleiters und dabei
kleiner sein kann als die Hälfte dieser längeren transversalen Abmessung. Vorzugsweise
soll zwar der Seitenschenkel bis unterhalb seiner Grenzfrequenzen bemessen werden,
uim höhere Wellen als die H11-Wellen zu unterdrücken, jedoch können diese höheren
Wellen auch durch andere Formen von Wellenfiltern unterdrückt werden.
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PATENTANSPROCHE: I. Scheinwiderstandsmeßeinrichtung, welche eine
Verzweigungsstelle für Energieleiter enthält, von der wenigstens drei Schenkel aus
gehen, wobei der eine Schenkel einen Eingangs schenkel darstellt und zur Zuführung
von hoch,-frequenter elektrischer Energie zur Verzwveigungsstelle dient, ein anderer
Schenkel einen Belastungsschenkel darstellt und zum Anschluß eines zu messenden
Scheinwiderstandes dient und ein dritter runder Schenkel eine Aufnahmevorrichtung
mit Richtwirkung enthält, die sich um die Achse des dritten Schenkels zur Ausmessung
der Felder drehen läßt, dadurch gekennzeichnet, daß der dritte Schenkel so bemessen
ist, daß er bei der Betriebsfrequenz unterhalb der Grenzfrequenz arbeitet und daß
ein Wellenfilter innerhalb des dritten Schenkels zwischen dem Anfuahmeelement und
derVerzweigungsstelle zur Ausschaltung aller Hohlleiterwellentypen mit Ausnahme
derjenigen, welche eine elliptisch polarisierte Welle am freien Ende des dritten
als Hohlleiter ausgebildeten Schenkels erzeugen, vorhanden ist.