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Anpassungsmesser für sehr hohe Frequenzen
Zur Messung von Anpassungen
im Gebiet sehr hoher Frequenzen werden vielfach Meßleitungen benutzt, deren Genauigkeit
vorwiegend von den mechanischen Herstellungstoleranzen abhängt, so daß der Meßgenauigkeit
hierdurch eine Grenze gesetzt ist. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine
Meßmethode und damit auch eine Meßanordnung zu schaffen, bei der die Nachteile der
Verwendung von Meßleitungen bei Anpassungsmessungen in Wegfall kommt. Außerdem soll
die Erfindung eine Verbesserung der Meßgenauigkeit und eine Verkürzung der Meßzeit
bewirken.
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Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zur Messung von Anpassungen
im Gebiet sehr hoher Frequenzen durch Ermitteln der Reflexion am Meßobjekt. Erfindungsgemäß
ist im Zuge der Leitung von der Hochfrequenzquelle zum Meßobjekt zwischen diesem
und dem Anschluß der Anzeigeeinrichtung eine Modulatoranordnung eingeschaltet, die
eine Modulation des unreflektierten Meßsignals bewirkt, vom reflektierten, modulierten
Signal jedoch ohne irgendwelche nennenswerte Beeinflussung durchlaufen wird, und
es gelangt in der Anzeigeeinrichtung nur das modulierte Signal zur Anzeige.
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Weitere Merkmale der Erfindung. sollen an Hand der Zeichnung näher
erläutert werden.
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In Fig. I ist ein allgemeiner Prinzip aufbau einer Meßeinrichtung
nach der Erfindung dargestellt.
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Von einem Höchstfrequenzgenerator I, der Frequenzen von 4000 MHz und
darüber erzeugt, wird
über eine Leitung 2, die beispielsweise eine
Koaxial-oder Hohlrohrleitung sein kann, ein Meßsignal an das am Ende der Leitung
befindliche Meßobjekt 3 gegeben. Bei der Meßeinrichtung nach der Erfindung wird
nicht mehr, wie sonst üblich, die Meßsonde bewegt und dabei längs einer stehenden
elektrischen Welle deren augenblickliche Spannungswerte abgetastet, vielmehr steht
zumindest während der Messung die Meßsonde fest. So befindet sich der Anschlußpunkt
einer Ho chfrequenzanzeigevon richtung, die beispielsweise einen Knstalldetektor
4 enthält, an einer festen Stelle der Leitung 2, wobei hinter dem Anschluß der Meßanzeigevorrichtung
im Leitungszug eine Modulatoranordnung 5 vorgesehen ist. Die Modulatoranordnung
bewirkt eine Ampli tudenmodulation des Hochfrequenzsignals im Takt einer vorzugsweise
sinusförmigen Wechselspannung.
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Diese Wechselsp,annung kann niederfrequent sein und in einfachen Fällen
soHz betragen, d. h. diem Wechselstroiniietz entnommen werden Das unmodulierte Signal
ist in der schematischen Darstellung durch geradlinige Pfeile 6 veranschaulicht,
während die danach erfolgte Modulation durch die Pfeile 7 in geschwungener Form
versinnbildlicht ist. Das eigentliche Meßsignal, also nunmehr ein moduliertes Hochfrequenzsignal,
wird nun an dem Meß objekt3 je nach der Größe der Anpassung mehr oder weniger reflektiert
und gelangt über die Anordnung 5, ohne dort nennenswert bedämpft oder nochmals moduliert
oder sonst irgendwie nennenswert beeinflußt zu werden, zurück an die Anzeigevorrichtung
mit Detektor 4 und nachgeschalietem Verstärker 8 sowie Anzeigegerät 9. Der W,echselspannungsverstärker
8 kann als Resonanzverstärker für die Modulationsfrequenz, also beispielsweise für
soHz, ausgebildet sein. Als Anzeigegerät kann ein geeignetes Meßinstmment, eine
Anzeigeröhre od. dgl, oder auch ein Braunschies Rohr verwendet werden. Dabei wird
dann nur das reflektierte modulierte Signal angezeigt.
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Es kommt bei diesem Meßprinzip vor allem darauf an, daß die Modulatoranordnung
5 so arbeitet, daß sie die zum Meßobjekt gerichteten Signale moduliert, während
sie vom reflektierten, modulierten Signal jedoch ohne irgendwelche nennenswerte
Beeinflussung durchlaufen wird. Dies ist mit verhältnistnäßig einfachen Mitteln
realisierbar und kann in weiterer Ausgestaltung der Erdung durch eine Modulatoranordnung
mit einer Elektrontenröhre bewirkt werden, in der nach Art einer Wanderfeldröhre
das H ocbfrequenzsignal eine Ver. zögerungsleitung derart durchläuft, daß eine Wechselwirkung
zwischen den Feldern der längs der Verzögerungsleitung fortschr,eitenden elektro
-magnetischen Welle einerseits und einer oder mehreren Elektronen strömungen andererseits
stattfindet.
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Bei einer Wanderfeldröhre, bei der der Wellenleiter beispielsweise
in Form einer wendelförmigen Verzögeruingsleitung ausgebildet ist, findet eine Wechselwirkung
zwischen Eiektronenströmung und den elektrischen Feldern der längs der Wendel fortschreitenden
elektromagnetischen Welle nur dann statt, wenn der Elektronenstrahl !entweder etwas
rascher oder aber um einen geringen Betrag langsamer ist als das Axialfeld der Wendel.
Wenn die Phasenges chwindigkeit der fortschreitendlen Welle auf der Wendel geringer
ist als die Elektronengeschwindigkeit, so tritt eine Verstärkung ein, während im
anderen Falle die fortsohreitende Welle gedämpft wird. Für beide Fälle gibt es ein
Optimum der Wechselwirkung, was tdurchdie Darstellung in Fig. 2 veranschaulicht
werden soll. Da. bei ist als Abszisse die ElektTonengeschwindigkeft V, die z. B.
vom Potential an der Verzögerungs. leitung abhängt, aufgetragen, während als Ordinate
die Verstärkung +G bzw. die Dämpfung als negative Verstärkung -G angegeben ist.
Aus dieser Darstellung ist zu ersehen, daß nur für einen bestimmten Bereich der
Elektronengeschwindigkeit bzw. Beschleunigungsspannung eine Verstärkung oder Dämpfung
der Wanderfeldröhre stattfindet, und daß innerhalb dieses Bereiches ebenfalls nur
für eine ganz b estimmte Elektronenges chwindigkeit Verstärkung oder Dämpfung maximal
ist.
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An Hand der Fig. 3 soll nun die Wirkungsweise der Modulatoranordnung
erläutert werden. Das in Richtung des Pfeiles 10 die Leitung 2 durchlaufende Hochfrequenzsignal
wird an den Eingang einer Wanderfeldröhre mit einer wendelförmigen Verzögerungsleitung
II gegeben. Die Röhre, von der schematisch eine Kathode 12 und ein Auffänger 13
veranschaulicht ist, zwischen welchen Elektroden die Elektronenströmung I4 verläuft,
wird so betrieben, daß das Hochfrequenzsignal ientwleder verstärkt oder gedämpft
am Ausgang 15 erscheint. Die an die Wendel übler die Hochfrequenzsperre 20 angelegte
Gleichspannung wird bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel mit einer W'echselspannung
von beispielsweise 50 Hz überlagert. Zu diesem Zweck ist in Reihe mit der Gleichspannungsqwellle
I6 ,eine Wechselspannungsquelle 17 gelegt. Entsprechend des in Fig. 2 angegebenen
Verhaltens der Wanderfeidröhre wird bei entsprechender Wahl der Gleich-bzw Wechselspannung
das A,usgangssignal mit der Wechselfrequenz mehr oder weniger verstärkt bzw. gedämpft.
Während bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel die Höhe der Wendelspannung bei
der Modulation verändert wird, ist ses auch durchaus möglich, andere Methoden der
Modulation anzuwenden, beispielsweise durch eine ?.usätzliche Elektrode die Geschwindigkeit
der Elektronenströmung zu beeinflussen. Schließlich ist es auch denkbar, die Intensität
der Elelktronenströmung zu verändern und dadurch ebenfalls eine Amplitudtenmodulation
herbeizuführen.
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Das auf irgendeine der geschilderten Weisen amplitudenmodulierte
Hochfreuqenzsignal wird nun über eine Leitung I8, z. B. eine 60-Ohm-Koaxialleitung,
dem Meßobjekt 3 zugeführt. Dort wird das Signal entsprechend der Anpassung des Meßobjekts
an die 6o-Ohm-Leitu'ng mehr oder weniger stark reflektiert und gelangt wieder über
die wendelförmige Verzögerungsleitung I I der Wanderfeldröhre zurück in die Leitung
2. Dort befindet sich eine Hochfrequenzanzeigevorrichtung, z. B. ein Detektorkristall
4 mit nachgeschaltetem WJechsel-
spannungsverstärker 8. Die Ausgangsspannung
dieses Verstärkers wird an die senkrechten Abienkplattenpaare einer E1ektronenstrahlröhpre
9 angelegt.
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Die der Gleichspannung überlagerte Wechsel-spannung von beispielsweise
50 dz wird über den veränderbaren Widerstand 19 den Zeitablenkplatten, gegebenenfalls
über -einen Verstärker, zugeführt.
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Die Einrichtung arbeitet so, daß nur im Falle einer Reflexion des
Hochfrequenzsignals am MeB-objekt auf dem Leuchtschirm der Brauns-chen Röhre eine
Ablenkung sichtbar wird. Die Messung geht dann so vonstatten, daß das Meßobjekt
3 nach Betrag und Phase so lange geändert wird, bis auf dem Bratmschen Rohr nur
noch ein Strich erscheint. Dies bedeutet dann, daß die Anpassung richtig ist. Die
in der Modulationsanordnung 5 verwendet Wanderfeldröhre kann im Gegensatz zu den
für Verstärkungszwecke üblichen Röhren dieser Art besonders klein und in ihrer Länge
ve hältnismäßig kurz gehalten werden, da für diese Zwecke eine Verstärkung des Signals
nicht notwendig ist.
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Es ist weiterhin auch vollkommen ausreichend, wenn das Signal gerade
nur so stark amplitudenmoduliert ist, daß die Anzeigeeinrichtung darauf anspricht.
Man kann also mit außerordentlich schwach er Amplitudenmodulation arbeiten. Weiterhin
kann mit außerordentlich geringen Elektronenströmungen gearbeitet werden, so daß
aus allen diesen Gründen die Wanderfeldröhre leinen besonders einfachen Aufbau erhalten
kann und sich gegebenenfalls ein bündelndes Magnetfeld überhaupt erübrigt.
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Während man bei Wanderfeidverstärkerröhren sonst auf eine hohe Verstärkung
bedacht ist und Mittel anwenden muß, um leine Selbsterregung zu vermeiden, was im
allgemeinen mit Hilfe künstlicher Dämpfungen bewirkt wird, so bemüht man sich im
vorliegenden Falle, die Eigendämpfung längs der Wendel so klein zu halten, daß das
reflektierte Hochfrequenzsignal möglichst wenig gedämpft wird. Um Selbs't'erregungen
der Röhre zu ver meiden, kann die Verstärkung, z. B. durch einen entsprechend kleinen
Elektronenstrom, so gewählt werden, daß das reflektierte Signal nicht größer ist
als das ursprüngliche Signal am Eingang. Außerdem ist es möglich, durch geeignete
Wahl der Wlendel-Gleich- bzw. Wechselspannungen einen solchen Verstärkungsbereich
zu wählen, für den die Anfachungsbedingungen zur Selbsterregung besonders ungünstig
liegen. Wird für die Amplitudenmodulation der Dämpfungsbereich der Wanderfeldröhre
gewählt, dann ist eine Selbsterregung von vornherein ausgeschaltet.