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Schaltungsanordnung zur Messung der Frequenz sehr kurzer elektrischer
Wellen
Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Messung der Frequenz sehr
kurzer elektrischer Wellen unter Benutzung zweier Signalwege, denen beiden ein Teil
der Welle zugeführt wird und die eine ungleiche frequenzabhängige Phasenverschiebung
der Teilwellen erzeugen. Die hierbei entstehende frequenzabhängige Phasendifferenz
wird zur Frequenzmessung herangezogen.
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Derartige Schaltungsanordnungen sind an sich bekannt. Bei den bekannten
Anordnungen werden für die beiden Signalwege getrennte Bauteile verwendet. Zweck
der Erfindung ist es, die bekannten Anordnungen zu vereinfachen und eine äußerst
elegante Anordnung zur Messung der Frequenz zu schaffen.
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Dies wird gemäß der Erfindung dadurch erreicht, daß ein rechteckiger
Hohlleiter verwendet wird, der gleichzeitig beide Signalwege darstellt. Diesem werden
die Wellen, deren Frequenz zu messen ist, derart zugeführt, daß zwei senkrecht zueinander
polarisierte Teilwellen entstehen.
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Auf eine äußerst einfache und elegante Art werden somit bei der erfindungsgemäßen
Anordnung die gleichen Vorteile erzielt, wie sie auch durch die oben geschilderten
bekannten Anordnungen erreicht werden. Diese Vorteile, die insbesondere bei der
Messung der Trägerfrequenz impulsmodulierter Signale wesentlich sind, sollen im
folgenden aufgezeigt werden. So ist zu erwähnen, daß die Frequenzmessung vollkommen
unabhängig von der Amplitude des ankommenden Signals ist. Weiterhin ist die Frequenzmessung
sehr kurzzeitig, d. h., das Ergebnis steht bereits nach sehr kurzer Zeit zur Verfügung.
Außerdem ist die Signalauffaßwahrscheinlichkeit für nicht simultan einfallende Signale
gleich Iooo. Diese Vorteile sind z. Bt bei
Geräten zur Peilung von
Radarsignalen erwünscht, bei denen neben der Peilrichtung auch die Trägerfrequenz
des Signals interessiert. Beide Meßwerte, also Azimut und Frequenz, müssen hier
einander zugeordnet werden können, - d. h., beide Meßwerte müssen zum gleichen Zeitpunkt
zur Verfügung stehen. Für diesen Anwendungsfall wäre der Einsatz eines Meßverfahrens,
beruhend auf dem bekannten Zungenfrequenzmeßprinzip, nicht möglich. Die entsprechende
Meßanordnung würde dann aus Hohlraumresonatoren bestehen, die nacheinander abgefragt
werden, wobei der am stärksten durch die Trägerfrequenz des Eingangssignals erregte
Hohlraumresonator das größte Ausgangssignal aufweisen würde. Zwar ist das Ergebnis
dieses Verfahrens unabhängig von der Amplitude des einfallenden Signals, jedoch
geht, bedingt durch die Abfrage, die Kurzzeitigkeit der Messung verloren. Weiterhin
hat das Verfahren den Nachteil, diskontinuierlich zu arbeiten. Auch das sogenannte
Wobbel- oder Suchtonprinzip ist nicht anwendbar, weil es eine geringe Anffaßwahrscheinlichkeit
oder Genauigkeit besitzt. Zu dem bereits vorgeschlagenen Verfahren der Trägerfrequenzmessung
mit Hilfe einer frequenzabhängigen Versorgungsleitung stellt das Verfahren gemäß
der Erfindung eine gleichwertige Ergänzung dar. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren
treten die oben besprochenen Nachteile nicht auf. Man kann die Phasenverschiebung,
d. h. die zu messende Frequenz, in verschiedener Weise zur Anzeige bringen. So kann
man z. B. am Ausgang des rechteckigen Hohlrohres an zwei senkrecht zu einander liegenden
Stellen derart auskoppeln, daß die erhaltenen, gleichgerichteten Spannungen ein
Maß für jeweils eine Hauptachse der im Hohlleiter an der Auskopplungsstelle vorhandenen,
aus den beiden gleich großen Teilwellen bestehenden elliptisch polarisierten Welle
darstellen. Das Verhältnis dieser beiden Spannungen ist dann ein Maß für die Phasenverschiebung
und somit für die Frequenz. Man kann dieses Verhältnis auf einer Anzeigeröhre durch
Anlegen der beiden Spannungen an die Ablenksysteme in Punktform darstellen, wobei
dann der Winkel zwischen der Verbindung Mittelpunkt und angezeigter Punkt und einer
Bezugsgeraden ein Maß für die Frequenz ist.
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In dem vorn erörterten Anwendungsfall der gleichzeitigen Anzeige
von Trägerfrequenz und Azimut eines einfallenden kurzzeitigen Signals wünscht man
das Azimut in üblicher Weise, also als radialen Strich bzw. als Punkt auf diesem
Strich auf der Anzeigeröhre anzuzeigen. Die Frequenz soll dann als Abstand dieses
Punktes vom Mittelpunkt oder vom Rand der Anzeigeröhre darstellbar sein. Für diese
Darstellung benötigt man das Meßergebnis in Form einer Impuls amplitude, mit der
die zur- Azimutdarstellung des gleichen Signals vorhandenen Spannungen amplitudenmoduliert
werden. Für diesen Anwendungsfall und für weitere Fälle, in denen man das Meßergebnis
in Form einer Spannungsamplitude wünscht, werden gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel
der Erfindung die beiden Teilwellen in üblicher Weise aus dem Hohlleiter ausgekoppelt.
Sie werden dann in ihrer Amplitude auf gleiche Beträge begrenzt. Es ist vor der
Begrenzung auch eine Zwischenschaltung eines Mischteils zur Herabsetzung der Frequenz
möglich. Die beiden Ausgangsspannungen der Begrenzerstufen werden dann zueinander
addiert oder voneinander subtrahiert, und danach werden die dabei entstehenden Impulse
der einen Polarität beseitigt. Das Meßergebnis liegt nunmehr in der Breite der verbleibenden
Impulse. Integriert man diese Impulse, so erhält man eine Spannung, deren Amplitude
ein Maß der Frequenz ist. Mit dieser Amplitude kann man z. B. dann die zur Azimutdarstellung
vorhandenen Spannungen modulieren.
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Es soll noch erwähnt werden, daß man die gleichen Ergebnisse auch
erhält, wenn man an Stelle eines rechteckigen Hohlleiters einen elliptischen Hohlleiter
verwendet. Mit unter die Erfindung soll auch die Möglichkeit fallen, daß man am
Eingang des rechteckigen Hohlleiters derart einkoppelt, daß nur eine der beiden
Teilwellen entsteht und daß man innerhalb des Hohlleiters dann eine Drehung der
Polarisationsebene dieser Welle vornimmt, und zwar derart, daß hierdurch zwei senkrecht
zueinander polarisierte, z. B. gleich große Teilwellen entstehen.
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In den Figuren der Zeichnung sind die Anordnungen zur Durchführung
der beiden oben beschrie benen Verfahren dargestellt, und zwar in der Fig. I das
Ausführungsbeispiel, bei dem das Verhältnis der Hauptachsen angezeigt wird. Zum
einfacheren Verständnis besteht hier der Hohlleiter I aus drei Teilen, von dem zwei,
und zwar das Eingangsstück 2 und das Auskoppelstück 3, quadratischen Querschnitt
aufweisen, während das Mittelstück 4 rechteckigen Querschnitt hat.
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Dieser Hohlleiteraufbau ist möglich, jedoch nicht notwendig. Die
z. B. über die Antenne 5 empfangene Welle wird derart in den Hohlleiter eingespeist,
daß zwei senkrecht zueinander polarisierte, parallel zu der Seitenfläche des Hohlleiters
schwingende, gleich große Teilwellen entstehen. Da dieses Ergebnis in verschiedener
Weise erzielt werden kann, ist die Ankopplung der Antenne 5 an den Hohlleiter I
nur schematisch angedeutet. Tatsächlich kann die Einkopplung z. B. durch Zerlegung
der empfangenen Welle in zwei Teile und durch senkrecht zueinander erfolgter Einkopplung
der beiden Teile in den Hohlleiter realisiert werden.
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Es ist aber auch die obenerwähnte Möglichkeit der Einkopplung nur
in einer zu einer der Seitenflächen des Hohlrohrs parallelen Ebene möglich. Dann
muß eine Drehung der Polarisationsebenen um einen bestimmten Betrag vorgenommen
werden.
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Schließlich kann man die Welle, deren Frequenz zu messen ist, auch
unter einem von go° und seinem Vielfachen verschiedenen Winkel zu den Seitenflächen
des Hohlleiters einkoppeln. Durch eine die ser Möglichkeiten soll also im Hohlleiterteil
2 eine Welle hervorgebracht werden, deren Schwingungsebene durch den Vektor 6 angedeutet
ist. Die Welle mit dieser Schwingungsebene kann man sich in zwei senkrechte zueinander
polarisierte Teilwellen
6a und 6b zerlegt denken, die parallel zu
den Seitenflächen des Hohlleiters schwingen. Im quadratischen Teil 2 haben beide
Komponenten gleiche Phasengeschwindigkeit, d. h., die Gesamtwelle behält ihre durch
den Vektor 6 angedeutete Polarisationsebene bei. Dagegen sind die Phasengeschwindigkeiten
der beiden Komponenten bekanntlich im rechteckigen Hohlleiter, also im Teil 4 unterschiedlich.
Man erhält somit am Ausgang des rechteckigen Teils 4 des Hohlrohrs und somit auch
im quadratischen Teil 3 des Hohlrohrs nunmehr eine elliptisch polarisierte Welle.
Das Verhältnis der Hauptachsen der entstehenden elliptischen Polarisation der gesamten
Welle ist ein Maß für die Frequenz. Man wird also in Richtung der Lage der Hauptachsen,
z. B. durch entsprechende Anordnung der Auskopplungsstifte, auskoppeln.
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Die Verhältnisse am Ausgang sind in Fig. 1 a nochmals im Querschnitt
des quadratischen Hohlleiters 3 angedeutet. Die eingezeichnete Ellipse 7 stellt
die Polarisation der Gesamtwelle, bestehend aus den phasenverschobenen Teilwellen
7 a und 7 b, dar. Die Auskopplung wird in Richtung der Hauptachsen 8 und 9 vorgenommen,
indem die Auskopplungsstifte 10 und ii entsprechend angeordnet wurden. Die hierbei
an den Auskopplungstiften erhaltenen Spannungen werden in den Gleichrichtern I2
und I3 gleichgerichtet, und auf der Anzeigeröhre wird das Verhältnis der beiden
Spannungen in Form eines Winkels a dargestellt.
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In dem oben geschilderten weiteren Ausführungsbeispiel, bei dem jeweils
senkrecht zu den Seitenflächen des Hohlrohrs ausgekoppelt wird, bleibt die Anordnung
bis zum Auskopplungspunkt wie in Fig. I erhalten. Es wird daher in der Fig. 2 nur
eine Querschnittsdarstellung der Auskoppelstelle dargestellt. Der dem Hohleiterstück
3 entsprechende Querschnitt ist deshalb ebenfalls mit 3 bezeichnet.
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Hier werden nunmehr aber mittels der Auskoppelstifte 15 und I6 die
durch die Vektoren I7 und I8 angedeuteten gegeneinander phasenverschobenen Teilwellen
ausgekoppelt und in den Gliedern I9 und 20 auf gleiche Beträge begrenzt und in den
Gliedern 21 und 22 gleichgerichtet. Es verbleiben somit nur noch Impulse einer Polarität.
Die begrenzten und gleichgerichteten Spannungen werden dann im Glied 23 z. B. addiert,
wobei die Länge der verbleibenden Impulse ein Maß der Frequenz ist, da diese Länge
von dem Grad der Phasenverschiebung der Teilwellen gegeneinander abhängt.
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Integriert man über mehrere derartige Impulse (Glied 2I), so erhält
man eine Spannungsamplitude, die ein Maß der Frequenz ist und in beliebiger Weise
zur Anzeige gebracht werden kann.
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PATENTANSPROCHE: I. Schaltungsanordnung zur Messung der Frequenz
sehr kurzer elektrischer Wellen unter Benutzung zweier Signalwege, denen beiden
ein Teil der Welle zugeführt wird und die eine ungleiche frequenzabhängige Phasenverschie
bung der Teilwellen erzeugen, wobei die hierbei entstehende frequenzabhängige Phasendifferenz
zwischen den Teilwellen zur Frequenzmessung herangezogen wird, gekennzeichnet durch
die Verwendung eines die beiden Signalwege darstellenden rechteckigen Hohlleiters,
dem die Wellen, deren Frequenz zu messen ist, derart zugeführt wird, daß zwei senkrecht
zueinander polarisierte Teilwellen entstehen.