DET0005743MA - - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

Tag der Anmeldung: 11. Februar 1952 Bekanntgemacht am 13. September 1956

DEUTSCHES PATENTAMT

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.

Eine bekannte Anordnung zur Bestimmung der Fehlanpassung ist die Meßleitung, auf der die bei Fehlanpassung auftretenden Spannungsmaxima und Spannungsminima 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. Zur 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

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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

ίο 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.

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 gemeinsamen 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: undi daß einer dieser beiden Wege in seiner elektrischen Länge gegenüber der des anderen, insbesondere um eine halbe Betriebswellenlänge, veränderbar ausgebildet ist.

Nachstehend wird an Hand von Ausführungsbeispielen die Erfindung näher erläutert:

Bei dem Ausführungsbeispiel der Abb. 1 soll der Anpassungszustand eines Meßobjektes 1 an eine koaxiale Hochfrequenzleitung 2 überprüft werden. Es ist hierzu an das dem Meßobjekt 1 abgewendete Ende der Hochfrequenzleitung 2 ein Hochfrequenzgenerator 3 angeschaltet, der die für die Anpassungsmessung erforderliche Hochfrequenzenergie liefert.

Im mittleren Bereich der Hochfrequenzleitung 2 ist ein an sich bekannter Richtungskoppler eingeschaltet, der durch eine gegenüber der Hochfrequenzleitung 2 um 6o° 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 Nebenleitungi 4, welches auf das Meßobjekt ι hinweist, ist ein reflektierend abgeschlossener Leitungsabschnitt 6 angeschaltet.

Die Erfindung ist an sich keineswegs auf die dargestellten Richtungskopplerarten beschränkt, es können, vielmehr alle bekannten Richtungskoppler Verwendung finden. Richtungskoppler der dargestellten Art, d. h. die aus zwei um 6o° 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. Zum besseren Verständnis der Erfindung wird jedoch nachstehend das Wesentliche der Wirkungsweise der bei den Ausführungsbeispielen verwendeten Richtungskoppler kurz erläutert.

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 Nebenleitungsende vollständige Subtraktion auftritt und die Welle sich von der Hochf requenzleitung 2 nur in das dem Generator 3 zugewendete Ende der Nebenleitung 4 einkoppelt, muß also der Winkel zwischen beiden konzentrischen Leitungen 6o° betragen. Der Winkel von 6o° gilt nur für sehr dünne Außenleiter, weil die Kamindämpfungen für elektrische und magnetische Kopplungen verschieden sind. In Wirklichkeit wird dadurch der Winkel etwas größer als 6o° sein müssen.

Die Fehlanpassungsmeßanordnung der Abb. 1 arbeitet wie folgt: Vom Hochfrequenzgenerator 3 aus läuft eine Welle durch die Hochfrequenzleitung 2 zum Meßobjekt 1 hin. Beim Fassieren des Richtungskoppler wird an der Kopplungsstelle 5 ein geringer Anteil der zum Meßobjekt hinlaufenden Welle zur Anzeigevorrichtung 7 hin ausgekoppelt. Bei Fehlanpassung des Meßobjektes 1 an die Hochfrequenzleitung 2 wird an der Fehlanpassungsstelle ein Teil der zum Meßobjekt 1 hinlaufenden Welle reflektiert und wandert durch die Hochfrequenzleitung 2 zum Hochfrequenzgenerator 3

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zurück. Aus dieser rücklaufenden Welle wird an der Kopplungsstelle 5 des Richtungskopplers ebenfalls ein geringer Anteil ausgekoppelt, und zwar in Richtung zum reflektierend abgeschlossenen Leitungsabschnitt 6 hin. An dem Kurzschluß schieber 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.

Die der hin- und rücklaufenden Welle auf der Hochfrequenzleitung 2 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.

Durch Veränderung der elektrischen Länge des reflektierend abgeschlossenen Leitungsabschnitteso 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 λ/2 (λ = Betriebswellenlänge) läßt sich daher ein Spannungsminimum und ein Spahnungsmaximum in der An- Zeigevorrichtung einstellen und aus diesem Spannungsminimum und dem Spannungsmaximum analog dem Meßvorgang bei der Meßleitung mittels

Relativmessung die Fehlanpassung zu m = -~—

ermitteln.

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 sieh um einen Nullabgleich handelt, 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-Verstärkers die MeB-schärfe erhöht werden kann.

Die Abb. 2 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Anordnung nach der Erfindung, die zur Überprüfung der Anpassung am Eingang eines Empfängers 9 geeignet ist.

Der Empfänger 9 ist an eine Hochfrequenzleitung 10 angeschaltet, deren Wellenwiderstand mit dem Eingangswiderstand R_e des Empfängers 9 verglichen werden soll. Das dem Empfänger 9 abgewendete Ende der Hochfrequenzleitung 10 ist mittels eines reflektierend abgeschlossenen Leitungsabschnittes 11 abgeschlossen. Im Mittelbereich der Hochfrequenzleitung 10 ist ein Richtungskoppler, bestehend aus einer Nebenleitung 12 mit einer Kopplungsöffnung 13, derart angeschaltet, daß ein Teil der von dem an das eine Nebenleitungsende angeschalteten Hochfrequenzgenerator 3 auf den Abschlußwiderstand Z zulaufenden Hochfrequenzenergie in Richtung auf den Eingang des Empfängers 9 hin ausgekoppelt wird. Am Ende des linearen Teiles des Empfängers 9 (darunter soll jener Teil des Empfängers verstanden sein, für den ein linearer Zusammenhang zwischen Eingangsund Ausgangsspannung gegeben ist) ist eine Anzeigevorrichtung 14 angeschaltet. Die gestrichelt eingezeichneten Linien zeigen die wichtigsten Hochfrequenzwege an und dienen der Erläuterung der Wirkungsweise.

Die Wirkungsweise dieser Anordnung nach Abb. 2 ist wie folgt. Vom Hochfrequenzgenerators aus wird ein gewisser Anteil Hochfrequenzenergie über die Koppel öffnung 13 in die Hochfrequenzleitung 10 eingekoppelt, und zwar derart, daß dieser Weillenainteil· W₁ sieh in Richtung zum Empfänger 9 hin ausbreitet. Ist der Empfängereingangswiderstand R_e 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 11. An dem totalreflektierenden Abschluß 11' dieses Leitungsabschnittes 11 wird der reflektierende Wellenanteil in seiner Ausbreitungsrichtung umgelenkt und wandert daher wieder, als Welle W₂, auf den Eingang des Empfängers 9 zu.

Dadurch bildet sich an dem Eingangswiderstand R_e des Empfängers 9 die vektorielle Summenspannung aus der ursprünglich zum Empfänger 9 hinlaufenden Welle W₁ und der dort reflektierten Welle W₂. Der lineare Teil des Empfängers 9 verstärkt den Betrag dieser vektoriellen Summen- spannung, der dann mittels der an dem Ausgang des linearen Empfängerteiles angeschalteten Anzeigevorrichtung 14 bestimmt wird.

Beim Verschieben des Kurzschlußschiebers 11' 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 11' ergeben sich daher am Eingang des Empfängers 9 Spannungsmaxima. und Spannungsminima für die vektorielle Summe der Spannungen der hinlaufenden Welle W₁ und der rücklaufenden Welle W₂, aus denen wiederum die Fehlanpassung durch Relativmessung in bekannter Weise ermittelt werden kann. Des weiteren ist hieraus auch der Reflexionsfaktor bestimmbar.

Bei dem Ausführungsbeispiel der Abb. 3 handelt es sich darum, einen Verbraucher 15 bezüglich der Anpassung an eine vorgegebene Hochfrequenzleitung 16 zu überprüfen. Es sind zu diesem Zweck zwei Richtungskoppler der vorerwähnten Art an die Hochfrequenzleitung 16 angeschaltet, die an ihrem dem Verbraucher 15 abgewendeten Ende mittels eines durch einen Kurzschluß schieber 18 abgeschlossenen Leitungsabschnittes 17 reflektierend abgeschlossen ist.

Der dem Meßobjekt 15 benachbarte Richtungskoppler besteht aus einer Nebenleitung 19, die über eine Kopplungsöffnung 20 mit der Hochfrequenz-

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leitung i6 verkoppelt ist. Die Nebenleitung 19 ist an ihrem dem Meßobjekt 15 abgewandten Ende an einen Hochfrequenzgenerator 3 angeschaltet, der die für die Anpassungsmessung erforderliche Hochfrequenzenergie liefert. Das andere Ende der Nebenteitung 19 ist reflexiansfrei abgeschlossen,.

Der dem Leitungsabschnitt 17 benachbarte Richtungskoppler besteht aus einer Nebenleitung 21, die über eine Koppelöffnung 22 mit der Hochfrequenzleitung 16 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, daß die Anzeigevorrichtung 23 nicht unbedingt angepaßt sein muß.

Die Wirkungsweise dieser Anordnung ist wie folgt: Mittels der Koppelöffnung 20 wird ein Teil der Hochfrequenzenergie des Generators 3 in die Hochfrequenzleitung 1.6 ausgekoppelt, und zwar derart, daß dieser eingekoppelte Wellenanteil sich in Richtung zum Leitungsabschnitt 17 fortpflanzt. Vor dem Erreichen dieses reflektierend abgeschlossenen Leitungsabschnittes wird aus dieser Welle beim Passieren der Koppelöffrmng 22 des zweiten Richtungskoppler ein geringer Anteil zur Anzeigevorrichtung 23 hin ausgekoppelt. Der in der Hochfrequenzleitung 16 weiterlaufende Wellenanteil wird am Kurzschlußschieber 18 in seiner Ausbreitungsrichtung umgelenkt und erreicht nach dem Durchlaufen der Hochfrequenzleitung 16 das Meßobjekt 15.

Ist das Meßobjekt an die Hochfrequenzleitung 16 fehlangepaßt, so wird ein Teil der zum Meßobjekt 15 hinlaufenden Welle reflektiert und läuft daher zum Leitungsabschnitt 17 zurück. Aus diesem zurücklaufenden Wellenanteil wird jedoch an der Kopplungsstelle 22 ebenfalls ein geringer Anteil in Richtung auf die Anzeigevorrichtung 23 hin ausgekoppelt,

Auf die Anzeigevorrichtung 23 laufen also zwei Weillenanteile 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 16 zurücklaufenden Welle proportional ist. Durch Änderung der Phase zwischen den beiden zur Anzeigevorrichtung 23 hinlaufenden Wellenanteilen mittels Verschiebung des Kurzschluß-Schiebers 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 Anordnungen verwendet werden, wenn diese die Bedingung erfüllen, daß die scheinbare elektrische Länge des durch diese Anordnungen gebildeten Leitungsstückes veränderbar ist, zweckmäßig wenigstens um eine halbe Betriebswellenlänge. Beispielsweise kann an Stelle des Lei tungsabschnittes mit Kurzschluß schieber 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 Durchstimmung von Topfkreisen, insbesondere die periodische, ist an sich bekannt und wird auch als*Wobbelung bezeichnet.

In manchen Fällen ist es auch vorteilhaft, an Stelle des reflektierend abgeschlossenen Leitungsabschnittes ein kurzes widerstandstransformieren- des Leitungsstück zu verwenden und dieses an seinem der Anschluß seite abgewandten Ende mit einem elektrisch veränderbaren Widerstand abzuschließen, beispielsweise einer Diode. Bekanntlich läßt sich dann' die scheinbare elektrische Länge dieses LeitungsStücks durch entsprechende Wahl ^: des Diodenstromes in weitem. Grenzen, beliebig einstellen.

Claims (7)

1. PATENTANSPRÜCHE:

   ι. Anordnung zur Messung der Fehlanpassung eines Hochfrequenzgenerators oder -Verbrauchers an eine Hochfrequeni^eitung 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 Summenspannurig ^sa,us 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.
2. 2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als veränderbarer elektrischer Weg ein reflektierend abgeschlossener, in seinem Impedanzwert veränderbarer Leitungsabschnitt vorgesehen ist. no
3. 3. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Leitungsabschnitt mit einem elektrisch in seinem Impedanzwert veränderbaren Abschlußwiderstand versehen ist.
4. 4. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzielung einer veränderbaren elektrischen Weglänge in den zu verändernden Weg ein abstimmbarer Topfkreis eingeschaltet ist.
5. 5. Anordnung nach Anspruch 1, 2 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß zur periodischen Änderung der elektrischen Weglänge ein mechanischer Antrieb vorgesehen ist.
6. 6. Anordnung nach einem der Ansprüche 1

   bis S, dadurch gekennzeichnet, daß zur Anzeige der vektoriellen Summenspannung aus hin- und

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   rücklaufender Welle eine oszillographische Anzeigevorrichtung vorgesehen ist.
7. 7. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß bei periodischer Änderung dier elektrischen Weglänge im Takte einer Niederfrequenz die hinter dem Gleichrichter für die vektorielle Summenspannung auftretende Niederfrequenz einem Drehspulinstrument zugeführt ist.

   In Betracht gezogene Druckschriften: Zeitschrift für angewandte Physik, III. Band, 1951, Heft 2, S. 44 bis 52; USA.-Patentschrift Nr. 2 566 020.

   Hierzu ι Blatt Zeichnungen