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Verfahren zur Messung der Phasenwinkeldifferenz zweier kurzer elektromagnetischer
Wellen, vorzugsweise im UKW- und Fernsehbereich Die Erfindung bezieht sich auf ein
Verfahren zur Messung der Phasenwinkeldifferenz zweier kurzer elektromagnetischer
Wellen, vorzugsweise im UKW und Fernsehbereich, mittels Meßleitung. Das Verfahren
ist dadurch gekennzeichnet, daß je eine der zu vergleichenden elektromagnetischen
Wellen einem Eingang je einer mit ihrem Wellenwiderstand abgeschlossenen Meßleitung
zugeführt und auf jeder Meßleitung ein mit je einer Klemme eines Meßinstrumentes
verbundener Abgriff so eingestellt wird, daß das Meßinstrument ein Spannungsminimum
anzeigt, worauf die Differenz der Abstände jedes Abgriffes vom Eingang der zugehörigen
Meßleitung ein Maß für die Phasenwinkeldifferenz beider Wellen darstellt.
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Es sind bereits Verfahren zur Messung der Phasenverschiebung zweier
elektromagnetischer Wellen im Dezimeterbereich bekannt, bei deren einem die eine
der zu vergleichenden Wellen an den Eingang einer mit ihrem Wellenwiderstand abgeschlossenen
Meßleitung angelegt ist, während die andere über einen derart einstellbaren Abgriff
der Meßleitung zugeführt wird, daß an einem Meßempfänger das Spannungsminimum abgelesen
wird. Bei diesem bekannten Verfahren ist jedoch die Änderung der Einstellung des
Abgriffes
an der Meßleitung ein Maß für die Änderung der Phasenwinkeldifferenz
zweier elektromagnetischer Wellen, d. h., es kann mit diesem bekannten Verfahren
zunächst nur eine relative Messung durchgeführt werden. Die Messung des absoluten
Wertes der Phasenwinkeldifferenz zweier elektromagnetischer Wellen ist erst nach
einer in einem besonderen Meßgang vorzunehmenden Eichung möglich. Demgegenüber bietet
das Verfahren nach der Erfindung den Vorteil, die absolute Messung der Phasenwinkeldifferenz
zweier elektromagnetischer Wellen ohne zusätzliche Eichung zu ermöglichen.
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Zur Erläuterung der Erfindung dienen die Fig. z bis 5. Auf den in
der Fig. = schematisch dargestellten Meßleitungen MLI' und MLIj' mit den Abschlußwiderständen
WI' und WI[' sind die an den Eingängen EI' und Ea' eintretenden Wellen I' und II',
deren Fortpflanzung in der angezeigten Richtung erfolgt, zu einem bestimmten Zeitpunkt
eingetragen, wobei angenommen ist, daß die Welle I' der Welle II' um die Strecke
voreilt. In bezug auf die in gleicher Entfernung
von den Eingängen der beiden Meßleitungen herrschenden Schwingungszustände der Wellen
I' und II' besagt dies, daß die Schwingungszustände der Welle I' denen der Welle
II' um den zu bestimmenden Phasenwinkel
voreilen. Aus der Fig. z ist ersichtlich, daß bei der gezeichneten Stellung der
beiden Abgriffe A I' und A B' auf beiden Meßleitungen zu j eder Zeit der gleiche
Schwingungszustand herrscht, so daß vom Meßinstrument ein Spannungsminimum angezeigt
wird. Die Differenz der von den beiden Eingängen ,EI' und EI,' gemessenen Abstände
ai' und a"' entspricht, wie unmittelbar der Fig. x entnommen werden kann, der Strecke
Beim gleichmäßigen und gleichzeitigen Verschieben der Abgriffe in oder entgegengesetzt
der Fortpflanzungsrichtung der Wellen werden stets Schwingungszustände gleicher
Phase bezüglich beider Wellen überstrichen, wobei die Differenz der Abstände, nämlich
erhalten bleibt. Dieselben Überlegungen gelten selbstverständlich
auch dann, wenn die Wegdifferenz der beiden Wellen- nicht, wie hier angenommen,
die Länge - irgendeinen anderen Wert beträgt. Die beim Spannungsminimum
gemessene Differenz der Abstände jedes Abgriffes vom Eingang der zugehörigen Meßleitung
ergibt direkt die Wegdifferenz der beiden Wellen oder, mit dem Faktor
multipliziert, auch die Phasenwinkeldifferenz derselben.
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In der Fig. 2 ist eine zur Durchführung des Verfahrens nach der Erfindung
besonders geeignete Meßanordnung dargestellt, die sich dadurch auszeichnet, daß
die beiden 1VIeßleitungen MLI und ML], als gleich lange und parallel nebeneinanderliegende
Koaxial leiter ausgebildet sind, deren entgegengesetzt liegende Enden mit den Wellenwiderständen
der Meßleitungen angepaßten Widerständen WI und Wa abgeschlossen und deren Eingänge
mit zur Zuführung- der zu untersuchenden Wellen dienenden Anscblußköpfen AKI und
AKI, versehen sind; mittels eines gemeinsamen, auf - beiden Koaxialleitern verschiebbaren
Meßschlittens MS (Abgriffe A, undA a) wird das Spannungsminimum zwischen den'Innenleitern
bestimmt, wobei der Abstand a der mit dem Meßschlitten MS starr verbundenen Abgriffe
A, und A" vom Mittelpunkt M der Meßleitungen die halbe Differenz der Abstände
jedes Abgriffes vom Eingang der zugehörigen Meßleitung darstellt:
Diese Meßanordnung gestattet damit eine einfache Ablesung der Differenz der Abstände
jedes Abgriffes vom Eingang der' zugehörigen Meßleitung und ermöglicht außerdem,
die Länge der von den Klemmendes im MeßschlittenM S untergebrachten Instrumentes
zu den zugehörigen Abgriffen führenden Leitungen auf ein Mindestmaß zu beschränken.
Die Fig. 3 und q. dienen zur Erläuterung der bei der Durchführung der Messung auf
dieser Meßanordnung eintretenden Vorgänge.
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In der Fig. 3 sind die den beiden Meßleitungen MLI und MLa - beide
von der gleichen Länge 1 -zugeführten und in ihrer gegenseitigen Phasenlage zu untersuchenden
elektrischen Wellen I und II (z. B. gleicher Amplitude) längs der gemeinsamen x-Achse
für einen bestimmten Zeitpunkt (t = to) aufgetragen, wobei die der Meßleitung
MLI an der Stelle x = 0
zugeführte Welle I sich in Richtung der positiven
x-Achse fortpflanzt, während sich die der Meßleitung ML], an der Stelle x = C zugeführte
und gegenüber der Welle I um die zu bestimmende Phasenwinkeldifferenz nacheilende
Welle II in Richtung der negativen x-Achse fortpflanzt. Die für die beiden Wellen
I und II an den Eingangsstellen x = 0 der Meßleitung MLI bzw. x = C der Meßleitung
ML], gemäß der Fig. 3 herrschenden Schwingungszustände zur Zeit t = to sind in der
Fig. q. durch die beiden Vektoren 2[, (to, 0) bzw. UII (to, C) vergegenständlicht,
wobei nach Voraussetzung der Vektor s?X.I, (t" 1) dem Vektor U, (to, 0) um
die Phasenwinkeldifferenz d nacheilt.
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Bei der Bestimmung der Schwingungszustände der beiden Wellen an dem
Mittelpunkt der Meßleitung
der als Ausgangspunkt der Messung dient, ist zu beachten, daß dieser Punkt bezüglich
der Eingangspunkte x = 0 und x = C in der Fortpflanzungsrichtung beider
Wellen liegt; d. h. daß dort für jede der beiden Wellen ein Schwingungszustand herrscht,
der bereits früher bezüglich der Welle I an dem Punkt x = 0 und bezüglich der Welle
II an dem Punkt x = 1 geherrscht hat.. In der Vektordarstellung der Fig. q. kommt
dies dadurch zum Ausdruck, daß sowohl der Vektor 2[I (to, 0) als auch der Vektor
Ua (1" t) in der negativen Zeitrichtung gedreht wird, und zwar beide um denselben
Winkel
worin die Wellenlänge in dem Dielektrikum der Isolierung zwischen Innen- und Außenleiter
der Meßleitung bedeutet. Diese Drehung führt in der Fig. 4 auf die beiden Vektoren
U,
und Xa
die sich beide im Zeitablauf mit einer der Frequenz der fortschreitenden
Wellen
entsprechenden Winkelgeschwindigkeit drehen. Die an dieser Stelle an den Klemmen
des verschiebbaren Meßschlittens MS liegende Wechselspannung wird in dem Vektordiagramm
der Fig. q. durch den Vektor
dargestellt, dessen Länge als -Amplitude der Wechselspannung ein Maß für die angezeigte
Spannung an der Stelle x =
ist. Ausgehend von diesem Bezugspunkt x =
werden beim Verschieben des Meßschlittens MS beispielsweise in der positiven Richtung
der x-Achse die Schwingungszustände überstrichen, die bezüglich der Welle I bereits
früher die Stelle x =
passierten und bezüglich der Welle II die Stelle x =
noch passieren werden. Dies hat zur Folge, daß sich in der Fig. q. der Vektor UI
in der negativen und der Vektor 52.1]I
in der positiven Zeitrichtung drehen, wobei die .Länge des Differenzvektors nCD
und damit auch die angezeigte Spannung stetig abnimmt und nach Erreichen des Nullwertes
wieder stetig zunimmt. Der ausgezeichnete Nullwert wird gemäß der Fig. q. dann erreicht,
wenn sich-jeder der beiden Vektoren um einen Winkel gedreht hat, der gleich der
halben Phasenwinkeldifferenz A p ist. Dieser Winkel ist mit der auf der Meßleitung
überstrichenen Strecke A C durch die Gleichung
verknüpft. Aus der Gleichung läßt sich mittels der gemessenen Strecke J C die Phasenwinkeldifferenz
Ap berechnen. In der Fig.3 ist die Differenzspannung 21D (to) zurzeit to als gestrichelte
Kurve dargestellt.
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Die Meßanordnung nach der Erfindung gestattet, zusätzlich eine Wellenlängenmessung
auszuführen, wie sie unmittelbar aus den obigen Betrachtungen hervorgeht. Ein Verschieben
des Meßschlittens MS von einer Nullage 01 in die nächstbenachbarte Nullage 02 bewirkt
nämlich in der Fig. q. eine entgegengesetzte Drehung der beiden Vektoren 21I (to,
0l) und 913, (to, 0l) um den Winkel :L 7r, dem ein Fortschreitenlängs der beiden
Wellen I und II um die halbe Wellenlänge entspricht. Die gemessene Entfernung zweier
Nullpunktlagen braucht somit nur mit 2 multipliziert zu werden, um die Wellenlänge
A, zu erhalten.
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Die bisher bei Wellen gleicher Amplitude durchgeführten Betrachtungen
ändern sich im wesentlichen nicht, wenn im Gegensatz hierzu die Amplituden der zu
untersuchenden elektrischen Wellen nicht die gleiche Größe besitzen. An den ausgezeichneten
Punkten liegt dann'an den Klemmen des Meßschlittens nicht mehr die Spannung 0, sondern
eine Wechselspannung mit minimaler Amplitude, deren Größe gleich der Amplitudendifferenz
beider Wellen ist. In der Fig.5 ist ein Anwendungsbeispiel für das Verfahren nach
der Erfindung mit der in der Fig. 2 wiedergegebenen Meßanordnung schematisch dargestellt.
Danach speist eine Hochfrequenzenz-giequelle Egr über ein zu untersuchendes Objekt
V, das beispielsweise durch einen aktiven (z. B. Verstärker) oder passiven (z. B.
Siebglied) Vierpol oder durch eine Reihe von Vierpolen, welche Elemente von verschiedenen
Hochfrequenzvorrichtungen (z. B. Verstärker, Sender u. a. m.) sind, dargestellt
sein kann, einen Verbraucher R. Die Messung der zwischen Eingang E und Ausgang A
des zu untersuchenden Objektes V entstehenden Phasenwinkeldifferenz d 99 der hochfrequenten
Welle und damit auch unmittelbar die Phasenlaufzeit
wird dadurch ermöglicht, daß vom Eingang E und Ausgang A des zu untersuchenden Objektes
V zu den Anschlußköpfen AKI und AKI, der beiden Meßleitungen MLI und ML], Verbindungsleitungen
L, und L], gleicher elektrischer Länge führen. Die Messung der Phasenwinkeldifferenz
der den beiden Meßleitungen auf diesem Wege zugeführten Wellen erfolgt dann, wie
oben beschrieben.