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Anordnung zur Messung der Fehlanpassung
Die Erfindung bezieht sich
auf eine Anordnung zur Messung der Fehlanpassung eines Hochfrequenzgenerators oder
-verbrauchers an eine Hochfrequenzleitung unter Verwendung eines oder mehrerer Richtungskoppler
zur Auftrennung der Wege für die hin- und rücklaufende Welle, bei der die Spannungen
dieser Wellen einer Anzeigevorrichtung zugeführt sind.
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Eine bekannte Anordnung zur Bestimmung der Fehlanpassung ist die
Meßleitung, auf der die bei Fehlanpassung auftretenden Spannungsmaxima und Spannungs
minima mittels einer längs der Leitung verschiebbaren Sonde abgetastet und gemessen
werden. Dieser Meßanordnung haftet der Nachteil an, daß auf Grund der nicht vollkommenen
mechanischen Führung der abtastenden Sonde Anzeigefehler auftreten, welche die Messung
kleiner Fehlanpassungen praktisch unmöglich machen.
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Zu Beseitigung dieses Nachteils ist es bekannt, bewegliche Teile,
wie die Abtastsonde der Meßleitung, zu vermeiden und statt dessen mittels eines
oder zweier Richtungskoppler proportionale Anteile der hin- und rücklaufenden Wellen
aus der Hochfrequenzleitung zu entnehmen. Bei diesen bekannten Anordnungen werden
die Anteile der hin-und rücklaufenden Welle entweder getrennt gleichgerichtet und
je einer Anzeigevorrichtung zugeführt oder mittels einer Umschaltvorrichitung auf
eine
gemeinsame Anzeigevorrichtung gegeben.. Die getrennte Gleichrichtung der beiden
Anteile erfordert zwei Detektoren gleicher elektrischer Daten, was in der Praxis
meist nicht realisierbar ist. Des weiteren ist es nicht ohne weiteres während des
Betriebes der Anordnung feststellbar, wenn beispielsweise einer der Detektoren infolge
Überlastung seine elektrischen Daten ändert, was die Ursache zu erheblichen Fehlmessungen
bilden kann. Die Umschaltung einer gemeinsamen Anzeigevorrichtung jeweils auf einen
der beiden Wellenanteile vermeidet diese Nachteile zwar, doch werden durch die Umschaltvorrichtung
zusätzliche Fehlerquellen eingeführt, weshalb auch diese Meßanordnung zum Teil nur
sehr ungenau arbeitet. Allen diesen bekannten Meßanordnungen mit Richtungskopplern
ist gemeinsam, daß nur ein gleichstromseitiger Amplitudenvergleich der hin- und
rücklaufenden Welle durchgeführt wird. Darin liegt auch letzten Endes die Ursache
für die bei den bekannten Anordnungen mit Richtungskopplern auftretenden Meßfehler.
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Durch die Erfindung wird ein Weg aufgezeigt, der es ermöglicht, auch
bei Meßanordnungen mit Richtungskopplern ebenso wie bei der bekannten Meßleitung
die vektorielle Summe der Spannungen der hin- und rücklaufenden Wellen an einer
gemeinswmen Anzeigevorrichtung zu erzielen und damit die Nachteile der bekannten
Anordnungen zu vermeiden Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, daß zur Bildung der
vektoriellen Summenspannung aus hin- und rücklaufender Welle der Anzeigevorrichtung
durch einen oder mehrere Richtungskoppler die eine Welle unmittelbar und die andere
über einen teilweise hiervon getrennten Weg zugeführt sind und daß einer dieser
beiden Wege in seiner elektrischen Länge gegenüber der des anderen, insbesondere
um eine halbe Betriebswellenlänge, veränderbar ausgebildet ist.
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Nachstehend wird an Hand von Ausführungsbeispielen die Erfindung
näher erläutert: Bei dem Ausführungsbeispiel der Abb. I soll der Anpassungszustand
eines Meßobjektes I an eine koaxiale Hochfrequenzleitung 2 überprüft werden.
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Es ist hierzu an das dem Meßobjekt I abgewendete Ende der Hochfrequenzleitung
2 ein Hochfrequenzgenerator 3 angeschaltet, der die für dieAnpassungsmessung erforderliche
Hochfrequenzenergie liefert.
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Im mittleren Bereich der Hochfrequenzleitung 2 ist ein an sich bekannter
Richtungskoppler eingeschaltet, der durch eine gegenüber der Hochfrequenzleitung
2 um 600 verdrehte koaxiale Nebenleitung 4 gebildet wird, die über eine Kopplungsöffnung
5 in ihrem Außenleiter mit der Hochfrequenzleitung 2 verkoppelt ist. An dem dem
Hochfrequenzgenerator 3 benachbarten Ende der Nebenleitung 4 ist eine Anzeigevorrichtung
7 angeschaltet, die dieses Nebenleitungsende praktisch reflexionsfrei abschließt,
da sich bei Reflexionen an dieser Stelle je nach der verwendeten Anordnung Meßfehler
ergeben. Die Anzeigevorrichtung 7 besteht bei dem Ausführungsbeispiel aus einem
Abschlußwiderstand, an den ein Zeigermeßinstrument mit Gleichrichter angeschaltet
ist. An das andere Ende der Nebenleitung 4, welches auf das Meßobjekt I hinweist,
ist ein reflektierend abgeschlossener Leitungsabschnitt 6 angeschaltet.
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Die Erfindung ist an sich keineswegs auf die dargestellten Richtungskopplerarten
beschränkt, es könneti vielmehr alle bekannten Richtungskoppler Verwendung finden.
Richtungskoppler der dargestellten Art, d. h. die aus zwei um 600 gegeneinander
verdrehten Hochfrequenzleitungen, beispielsweise Koaxialleitungen, bestehen und
durch eine in der Drehachse der beiden Leitungen liegende, beide Leitungen verbindende
Öffnung miteinander gekoppelt sind, sind an sich bekannt.
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Zum besseren Verständnis der Erfindung wird jedoch nachstehend das
Wesentliche der Wirkungsweise der bei den Ausführungsbeispielen verwendeten Richtungskoppler
kurz erläutert.
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Bei der dargestellten Richtungskoppelanordnung, bei der gemischt
magnetische und elektrische Kopplung vorhanden ist, addieren sich die Spannungen,
die durch die elektrische und magnetische Kopplung hervorgerufen werden, an dem
Ende der schräg gestellten konzentrischen Nebenleitung 4, das dem Generator zugewendet
ist. An dem anderen Ende der schräg gestellten konzentrischen Leitung, das dem Generator
abgewendet ist, tritt eine Subtraktion der beiden Spannungen auf. Wenn beide Leitungen
die gleiche Richtung besitzen, d. h. der Winkel zwischen ihnen Null Grad beträgt,
so ist die durch die elektrische Kopplung auftretende Spannung halb so groß wie
die durch die magnetische Kopplung hervorgerufene. Die elektrische Kopplung ist
von der Stellung der beiden konzentrischen Leitungen zueinander unabhängig, die
magnetische Kupplung hingegen ist direkt proportional dem Kosinus des Winkels zwischen
den beiden Leitungen. Wenn elektrische und magnetische Kopplung gleich groß sein
sollen, damit an dem einen NebenleitungsendevollständigeSubtraktion auftritt und
die Welle sich von der Hochfrequenzleitung 2 nur in das dem Generator 3 zugewendete
Ende der Nebenleitung 4 einkoppelt, muß also der Winkel zwischen beiden konzentrischen
Leitungen 600 betragen. Der Winkel von 600 gilt nur für sehr dünhe Außenleiter,
weil die Kamindämpfungen für elektrische und magnetische Kopplungen verschieden
sind. In Wirklichkeit wird dadurch der Winkel etwas größer als 600 sein müssen.
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Die Fehlanpassungsmeßanordnung der Abb. I arbeitet wie folgt: Vom
Hochfrequenzgenerator 3 aus läuft eine Welle durch die Hochfrequenzleitung 2 zum
Meßobjekt I hin. Beim Passieren des Richtungskopplers wird an der Kopplungsstelle
5 ein geringer Anteil der zum Meßobjekt hinlaufenden Welle zur Anzeigevorrichtung
7 hin ausgekoppelt. Bei Fehlanpassung des Meßobjektes I an die Hochfrequenzleitung
2 wird an der Fehlanpassungsstelle ein Teil der zum Meßobjekt I hinlaufenden Welle
reflektiert und wandert durch die Hochfrequenzleitung 2 zum Hochfrequenzgenerator
3
zurück. Aus dieser rücklaufenden Welle wird an der Kopplungsstelle
5 des Richtungskopplers ehenfalls ein geringer Anteil ausgekoppelt, und zwar in
Richtung zum reflektierend abgeschlossenen Leitungsabschnitt 6 hin, An dem Kurzschlußschieber
8 dieses Leitungsabschnittes 6 tritt eine totale Reflexion des ausgekoppelten Anteils
der rücklaufenden Welle ein, und der Anteil der rücklaufenden Welle läuft demzufolge
durch die Nebenleitung 4 hindurch, zu der Anzeigevorrichtung 7 hin.
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Die der hin- und rücklaufenden Welle auf der Hochfrequenileitung
proportionalen Wellenanteile in der Nebenleitung 4 laufen also mit gleicher Ausbreitungsrichtung
auf die Anzeigevorrichtung 7 zu, an der sich die vektorielle Summe der Spannungen
dieser beiden Wellenanteile bildet.
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Durch Veränderung der elektrischen Länge des reflektierend abgeschlossenen
Leitungsabschnittes 6 wird die elektrische Weglänge für den Anteil der reflektierten
Welle und damit die Phase zwischen den beiden Anteilen geändert. Durch Änderung
der elektrischen Weglänge um wenigstens i/2 (erz = Betriebswellenlänge) läßt sich
daher ein Spannungsminimum und ein Spannungsmaximum in der Anzeigevorrichtung einstellen
und aus diesem Spannungsminimum und dem Spannungsmaximum analog dem Meßvorgang bei
der Meßleitung mittels Umax Relativmessung die Fehlanpassung zu m = Umin ermitteln.
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Eine Meßanordnung nach der Erfindung ist beispielsweise als Betriebsüberwachungsgerät
für einen schnellen Abgleich einer Fehlanpassung geeignet. Zweckmäßig wird dabei
als Phasenschieber ein niederfrequent gewobbelter Topfkreis in Verbindung mit einem
passenden Leitungsstück verwendet und der Betrag der vektoriellen Summenspannung
mittels eines Oszillographen angezeigt oder, wenn es sich um einen Nullabgleich
hanqlelt, die hinter dem Gleichrichter der Anzeigevorrichtung 7 entstehende Niederfrequenzspannung
mit einem Zeigerinstrument bestimmt. Letzteres hat den Vorteil, daß durch die an
sich bekannte Zwischenschaltung eines NF-Verstärlf.ers die Meßschärfe erhöht werden
-kann.
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Die Abb. 2 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Anordnung
nach der Erfindung, die zur Überprüfung der Anpassung am Eingang eines Empfängers
g geeignet ist.
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Der Empfänger g ist an eine Hochfrequenzleitung 10 angeschaltet,
deren Wellenwiderstand mit dem Eingangswiderstand Re des Empfängers g verglichen
werden soll. Das dem Empfänger g abgewendete Ende der Hochfrequenzleitung 10 ist
mittels eines reflektierend abgeschlossenen Leitungsabschnittes ii abgeschlossen.
Im Mittelbereich der Hochfrequenzleitung 10 ist ein Richtungskoppler, bestehend
aus einer Nebenleitung 12 mit einer Kopplungsöffnung I3, derart angeschaltet, daß
ein Teil der von dem an das eine Nebenleitungsende angeschalteten Hochfrequenzgenerator
3 auf den Abschluß widerstand Z zulaufenden Hochfrequenzenergie in Richtung auf
den Eingang des Empfängers g hin ausgekoppelt wird. Am Ende des linearen Teiles
des Empfängers g (darunter soll jener Teil des Empfängers verstanden sein, für den
ein linearer Zusammenhang zwischen Eingangs-und Ausgangsspannung gegeben ist) ist
eine Anzeigevorrichtung 14 angeschaltet Die gestrichelt eingezeichneten Linien zeigen
die wichtigsten Hochfrequenzwege an und dienen der Erläuterung der Wirkungsweise.
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Die Wirkungsweise dieser Anordnung nach Abb. 2 ist wie folgt. Vom
Hochfrequenzgenerator 3 aus wird ein gewisser Anteil Hochfrequenzenergie über die
Koppelöffnung I3 in die Hochfrequenzleitung 10 eingekoppelt, und zwar derart, daß
dieser Wellenanteill W1 sich in Richtung zum Empfänger 9 hin ausbreitet. Ist der
Empfängereingangswiderstand Re an die Hochfrequenzleitung 10 fehlangepaßt, so wird
wenigstens ein Teil dieser hinlaufenden Welle reflektiert und läuft durch die Hochfrequenzleitung
10 hindurch zu dem reflektierend angeschlossenen Leitungsabschnitt II. An dem totalreflektierenden
Abschluß II' dieses Leitungsabschnittes 11 wird der reflektierende Wellenanteil
in seiner Ausbreitungsrichtung umgelenkt und wandert daher wieder, als Welle W2,
auf den Eingang des Empfängers g zu.
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Dadurch bildet sich an dem Eingangswiderstand Re des Empfängers g
die vektorielle Summe spannung aus der urspriinglich zum Empfängerg hinlaufenden
Welle W1 und der dort reflektierten Welle W2. Der lineare Teil des Empfängers g
verstärkt den Betrag dieser vektoriellen Summenspannung, der dann mittels der an
dem Ausgang des linearen Empfängerteiles angeschalteten Anzeigevorrichtung 14 bestimmt
wird.
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Beim Verschieben des Kurzschlußschiebers II' ändert sich die elektrische
Weglänge für den vom Eingang des Empfängers in dieHochfrequenzleitung zurücklaufenden
Wellenanteil W2, so daß zugleich eine Änderung der Phase zwischen der hinlaufenden
Welle W1 und der zurücklaufenden Welle W2 eintritt. Durch entsprechend weites Verschieben
des Kurzschlußschiebers II' ergeben sich daher am Eingang des Empfängers g Spannungsma:cima
und Spannungsminima für die vektorielle Summe der Spannungen der hinlaufenden Welle
W, und. der rücklaufenden Welle W2, aus denen wiederum die Fehlanpassung durch Relativmessung
in bekannter Weise ermittelt werden kann. Des weiterenisthieraus auch der Reflexionsfaktor
bestimmbar.
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Bei dem Ausführungsbeispiel der Abb. 3 handelt es sich darum, einen
Verbraucher 15 bezüglich der Anpassung an eine vorgegebene Hochfrequenzleitung I6
zu überprüfen. Es sind zu diesem Zweck zwei Richtungskoppler der vorerwähnten Art
an die Hochfrequenzleitung I6 angeschaltet, die an ihrem dem Verbraucher 15 abgewendeten
Ende mittels eines durch einen Kurzschlußschieber I8 abgeschlossenen Leitungs abschnittes
I7 reflektierend abgeschlossen ist.
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Der dem Meßobjekt 15 benachbarte Richtungskoppler besteht aus einer
Nebenleitung I9, die über eine Kopplungsöffnung 20 mit der Hochfrequenz-
leitung
16 verkoppelt ist. Die Nebenleitung 19 ist an ihrem dem Meßobjekt I5 abgewandten
Ende an einen Hochfrequenzgenerator 3 angeschaltet, der die für die Anpassungsmessung
erforderliche Hochfrequenzenergie liefert. Das andere Ende der Nebenleitung 19 iSt
reflexions£rei abgesE ssen.
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Der dem Leitungsabschnitt I7 benachbarte Richtungskoppler besteht
aus einer Nebenleitung 2I, die über eine Koppelöffnung 22 mit der Hochfrequenzleitung
I6 verkoppelt ist. Die Nebenleitung 21 ist an ihrem dem Leitungsabschnitt 11' zugewandten
Ende reflexionsfrei abgeschlossen, während an ihrem anderen Ende die Anzeigevorrichtung
23 angeschaltet ist. Diese Anordnung hat den Vorteil, d'ß die Anzeigevorrichtung
23 nicht unbedingt angepaßt sein muß.
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Die Wirkungsweise dieser Anordnung ist wie folgt: Mittels der Koppelöffnung
20 wird ein Teil der Hochfrequenzenergie des Generators 3 in die Hochfrequenzleitung
I6 ausgekoppelt, und zwar derart, daß dieser eingekoppelte Wellenanteil sich in
Richtung zum Leitungsabschnitt 17 fortpflanzt.
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Vor dem Erreichen dieses reflektierend abgeschlossenen Leitungsabschnittes
wird aus dieser Welle heim Passieren der Koppelöffnung 22 des zweiten Richtungskopplers
ein geringer Anteil zur Anzeigevorrichtung 23 hin ausgekoppelt. Der in der Hochfrequenzleitung
I6 weiterlaufende Wellenanteil wird am Kurzschlußschieber I8 in seiner Ausbreitungsrichtung
umgelenkt und erreicht nach dem Durchlaufen der Hochfrequenzleitung I6 das Meßobjekt
15.
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Ist das Meßobjekt an die Hochfrequenzleitung I6 fehlangepaßt, so
wird ein Teil der zum Meßobjekt 15 hinlaufenden Welle reflektiert und läuft daher
zum Leitungsabschnitt I7 zurück. Aus diesem zurücklaufenden Wellenanteil wird jedoch
an der Kopplungsstelle 22 ebenfalls ein geringer Anteil in Richtung auf die Anzeigevorrichtung
23 hin ausgekoppelt.
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Auf die Anzeigevorrichtung 23 laufen also zwei Wellenanteile zu,
von denen der eine der zum Meßobjekt 15 hinlaufenden Welle proportional ist und
in seiner Phasenlage festliegt und von denen der andere der vom Meßobjekt 15 in
die Hochfrequenzleitung I6 zurücklaufenden Welle proportional ist.
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Durch Änderung der Phase zwischen den beiden zur Anzeigevorrichtung
23 hinlaufenden Wellenanteilen mittels Verschiebung des Kurzschlußschiebers ergeben
sich an der Anzeigevorrichtung 23 Spannungsmaxima und Spannungsminima, aus denen
wieder in bekannter Weise durch Relativmessung die Fehlanpassung bestimmt werden
kann Für besonders genaue Messungen werden zweckmäßig Anordnungen verwendet, wie
sie vorstehend beschrieben sind. An Stelle der beschriebenen reflektierend abgeschlossenen
Leitungsabschnitte können jedoch auch andere Anorhinngen verwendet werden, wenn
diese die Bedingung erfüllen, daß die scheinbare elestrische Länge des durch diese
Anordnungen; gebildeten Leitungs stückes veränderbar ist, zweckmäßig wenigstens
um eine halbe Betriebswellenlänge. Beispielsweise kann an Stelle des Leitungsabschuittes
mit Kurzschlußschieber ein in seiner Abstimmung veränderbarer Topfkreis treten,
was besonders zweckmäßig bei motorischer Durchstimmung ist, die auch bei dem vorerwähnten
reflektierend abgeschlossenen Leitungsabschnitt Anwendung finden kann. Die motorische
Durch-Stimmung von Topfkreisen, insbesondere die periodäsche, ist an sich, bekannt
und wird auch alslWobbelung bezeichnet.
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In manchen Fällen ist es auch vorteilhaft, an Stelle des reflektierend
abgeschlossenen Leitungsabschnittes ein kurzes widerstandstransformierendes Leitungsstück
zu verwenden und dieses an seinem der Anschlußseite abgewandten Ende mit einem elektrisch
veränderbaren Widerstand abzuschließen, beispielsweise einer Diode. Bekanntlich
läßt sich dann die scheinbare elektrische Länge dieses Leitungsstücks durch enpredbede
Wahl des Diodenetromes in weiten Grenzen beliebig einstellen.
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PATENTASSPRUCHE 1. Anordnung zur Messung der Fehlanpassung eines
Hochfrequenzgenerators oder -verbrauchers an eine Hochfrequenzleitung unter Verwendung
eines oder mehrerer Richtungskoppler zur Auftrennung der Wege für die hin-und rücklaufende
Welle, bei der die Spannungen dieser Wellen einer Anzeigevorrichtung zugeführt sind,
dadurch gekennzeichnet, daß zur Bildung der vektoriellen Summenspannung aus hin-
und rücklaufender Welle der Anzeigevorrichtung durch einen oder mehrere Richtungskoppler
die eine Welle unmittelbar und die andere über einen teilweise hiervon getrennten
Weg zugeführt sind und daß einer dieser beiden Wege in seiner elektrischen Länge
gegenüber der des anderen, insbesondere um eine halbe Betriebswellenlänge, veränderbar
ausgebildet ist.