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HOCHFREQUENZ- und IMPULSTECHNIK - UHF- und MIKROWELLEN- MESSTECHNIK



HOCHFREQUENZ- und IMPULSTECHNIK-Referat

UHF- und MIKROWELLEN-

MESSTECHNIK

1)      Begriffserklärung: UHF, Mikrowelle


     Der UHF-Bereich (ultra high frequency) reicht von 300MHz bis 3GHz, die Wellenlängen liegen damit      zwischen 10cm und 100cm und haben die Bezeichnung Dezimeterwellen.

     Als Mikrowellenbereich wird der Frequenzbereich von etwa 1GHz bis 30GHz bezeichnet, die Wellenlängen      liegen zwischen 1cm und 30cm.

2)      Allgemeines zu Strom-, Spannungs- und Leistungsmessung bei HF

     Die Messung hochfrequenter Ströme und Spannungen läßt sich nur im Gebiet unterhalb von etwa 2GHz      praktisch durchführen. Bei höheren Frequenzen breitet sich eine elektromagnetische Welle vorwiegend als      Rohrwelle aus. der Bedarf nach Strom- und Spannungsmessung ist nur gering, an ihre Stelle tritt die      Leistungsmessung.

3)      Strommessung

    3.1.  Allgemeines zur HF-Strommessung

              Direkte Strommessungen werden in der HF-Technik nur selten durchgeführt. Meistens ersetzt man         sie durch Spannungsmessungen.

              Die Gründe sind:

              a)  Mangel an zur Verfügung stehenden Meßgeräten

              b) Zur Strommessung muß ein HF-Kreis aufgetrennt werden. Die verteilten Kapazitäten der Kreise                 bewirken, daß der Strom ortsabhängig wird, also an verschiedenen Stellen eines Leiters                                     verschiedene Werte besitzt. Der für die Messung interessante Punkt ist dabei häufig nicht                                 zugänglich.

              Im allgemeinen liegt am Strommesser eine nennenswerte Spannung gegen Erde. Über die                         unvermeidlichen Erdkapazitäten des Meßinstruments fließen dann Ströme, die mit                                 zunehmender Frequenz zu unzulässigen Fehlern führen können (bei Thermoumformern verursacht                der kapazitive Strom über das Thermoelement noch zusätzliche Fehler).

             

              Wie in Zeichnung a zu sehen ist, fließen über die Erdkapazitäten C10 und C20 Ströme gegen Erde             ab. Das Meßgerät zeigt also nicht den tatsächlichen Verbraucherstrom IZ, sondern die Summe von               IZ+I20 an. Der vom Generator abgegebene Strom IG wird dagegen um I10 zu klein gemessen.

              Dieser Meßfehler wird merkbar, wenn die Blindwiderstände von C10 bzw. C20  klein im Verhältnis          zu Z sind.

             

              Wesentlich günstigere Verhältnisse hat man, wenn der Strommesser erdseitig mit dem Verbraucher         in Reihe geschaltet wird (Zeichnung b). Dann fließt nämlich in C10 kein Strom, und C20 liegt parallel                 zum Strommesser. Der dadurch verursachte Fehler hängt vom Verhältnis des (ohm'schen)                     Innenwiderstandes des Strommessers zum Blindwiderstand von C20 ab. Der Fehler ist normalerweise               jedoch wesentlich kleiner als im Fall a.

             

              Die Parallelkapazität C12 hängt im wesentlichen vom verwendeten Meßinstrument ab.

             

 

              Wenn es die Meßobjekte zulassen, wird man den Strommesser also immer erdseitig einbinden.

              Für die in der Praxis auftretenden Fälle läßt sich durch sinngemäße Anwendung der vorhergehenden               Darstellungen stets eine Fehlerabschätzung durchführen.

              Die in den Zeichnungen angegebenen Störungen lassen sich teilweise dadurch verhindern, daß man        das gesamte Meßinstrument innerhalb eines metallischen, von Erde isolierten Schirm unterbringt,                 der entweder mit Klemme 1 oder 2 verbunden ist.

              Es wird dann wird entweder der Verbraucherstrom IZ (bei Verbindung mit Klemme 2), oder der             Generatorstrom IG (bei Verbindung mit Klemme 1) richtig angezeigt.

             

              Die in Frage kommenden Meßinstrumente haben einen relativ hohen Eigenverbrauch, sodaß durch          die Einschaltung des Instruments die Meßobjekte häufig unzulässig stark beeinflußt werden (z.B.         Dämpfung von Schwingkreisen). Die kleinsten erzielbaren Meßbereiche ergeben dabei ebenfalls            vielfach noch keine ausreichende Empfindlichkeit.

              Die Überlastbarkeit ist vor allem bei thermischen Meßgeräten nur gering.

              Schwierigkeiten bereitet die Anderung des Meßbereiches: Die bei Gleichstrom üblichen                           Nebenwiderstände sind in der HF-Technik wegen ihrer Eigen-Induktivität und Kapazität kaum            anwendbar. Deshalb werden HF-Strommesser meist nur mit einem Meßbereich ausgeführt; die              Meßbereichserweiterung erfolgt dann am besten durch Stromwandler.

     3.2.  Thermische Strommeßverfahren

              Von den für Hochfrequenz anwendbaren Strommeßgeräten haben die auf thermischer Grundlage            arbeitenden die größte Verbreitung gefunden. Ihre Hauptvorzüge liegen in der weitgehenden                            Frequenzunabhängigkeit, der leichten Abschätzbarkeit von Fehlerquellen und der Freiheit von               Kurvenformfehlern.

              Allgemeine kommen nur direkt zeigende Verfahren in Betracht, die auf der Ausnützung des                    thermoelektrischen Effekts bzw. der Wärmeausdehnung beruhen.

     3.2.1.  Thermoumformer

              Thermoumformerinstrumente haben sich aus folgenden Gründen in der Hochfrequenzmesstechnik          durchgesetzt:

              *)  Es lassen sich Meßbereiche zwischen 100mA und 10A herstellen

              *)  Eine Anzeigegenauigkeit von 1% vom Endausschlag ist erreichbar

              *)  Die Eichung der Strommesser ist mit Gleichstrom möglich, dadurch lassen sich                                             Vergleichsmessungen mit noch wesentlich höherer Genauigkeit durchführen

              *)  der tolerierbare Eigenverbrauch liegt bei 1mW-2W

              *)  als obere Frequenzgrenze ist 10GHz möglich

              *)  Das Anzeigeinstrument kann getrennt vom Hochfrequenzteil angeordnet werden

              Der Thermoumformer besteht aus einem Heizdraht, der von dem zu messenden HF-Strom                       durchflossen wird. Die dadurch entstehende Temperaturerhöhung wird auf ein Thermoelement             übertragen, welches eine dazu proportionale Spannung erzeugt. Diese Spannung kann nun von                     einem Gleichstrominstrument angezeigt werden.

              Die Thermospannung ist proportional der Temperaturdifferenz zwischen der beheizten Lötstelle und      den kalten Anschlußenden, oder wenn die Wärmeabfuhr von der beheizten Lötstelle verhindert                   wird, proportional zur Heizleistung (Leistung, welche die Erwärmung verursacht).

                                  

                                               u = K*(T1-T0) = K1 *I2*R

              u=Thermospannung [V]                  K,K1=Konstanten (->Metallkombinationen)                 T1=Temperatur der warmen Lötstelle       T0=Temperatur der kalten Lötstelle  

              I=Heizstrom-Effektivwert [A]                    R=Heizdraht-Widerstand [W]                                                   

              Man erhält also einen Strommesser mit quadratischem Skalenverlauf.

a)   Thermoelement mit Heizdraht verschweißt          (direkte Heizung)

b)   Thermoelement mit Heizdraht nur thermisch              verbunden (Glasperle, indirekte Heizung)


              Zum Aufbau der Thermoumformer werden die folgenden Verfahren angewendet.

              In beiden Fällen fließt der zu messende Strom über einen Heizdraht, dessen Querschnitt dem                  Meßbereich angepaßt ist.

              Im Fall a ist das Thermoelement etwa in der Mitte des Heizdrahtes angeschweißt, durch den idealen      Wärmekontakt kommt es zu kurzen Einstellzeiten.

              Im Fall b erfolgt die Wärmeübertragung zwischen Heizdraht und Thermoelement durch eine                    Isolierschicht (z.B. Glasperle).

              Die im Heizdraht umgesetzte Leistung ist proportional zum Quadrat des Stromes, wodurch sich eine      exakte Effektivwertanzeige ergibt, und proportional zum Widerstand R. Der Anstieg des                      Wirkwiderstandes mit der Frequenz durch die Stromverdrängung (Skineffekt) führt zu einem                           positiven Anzeigefehler für den Strom und legt auch die obere Frequenzgrenze fest.

              Durch die Verwendung von dünnwandigen Heizrohren anstelle von Drähten läßt sich der Fehler             verringern, und die obere Frequenzgrenze ca. um den Faktor 10 erhöhen.

              Bei Thermostrommessern kommt zusätzlich zu den kapazitiven Störungen (siehe Bild unten) noch           die Aufheizung der Thermoelementschenkel durch den über die Raumkapazität CI des                           Anzeigeinstruments abfließenden Strom hinzu.

Die Größe dieses Stromes IC hängt von der Größe der Raumkapazität CI und der Kapazität CT zwischen Heizer und Thermoelement ab.

Der Wert von CT wird durch die Verbindungsleitungen zum Meßinstrument und bei räumlicher Trennung von Thermoumformer und Instrument erhöht.

Bei großen HF-Spannungen am Heizer führt der Strom IC zu einer zusätzlichen Erwärmung der Elementschenkel und damit zu einer wesentlichen Fehlanzeige.

              Die Eichung von Thermostrommessern kann entweder mit niederfrequentem Wechselstrom oder             auch mit Gleichstrom erfolgen.

    

     3.2.2.  Hitzdrahtinstrument

              War früher das meist verwendete, direkt zeigende, HF-Meßinstrument. Dabei wird die Verlängerung               des stromdurchflossenen Drahtes auf einen Zeiger übertragen.

    

              Eigenschaften:

              *)  Raumtemperaturabhängigkeit des Nullpunktes

              *)  geringe Stromempfindlichkeit (>100mA)

              *)  hoher Eigenverbrauch (0,1W - einige hundert Watt, bei großen Strömen)

              *)  geringe mechanische Festigkeit



              *)  räumliche Verbindung von Meß- und Anzeigeort

              *)  Genauigkeit ca 1%

              *)  geringe Überlastbarkeit

              *) quadratische Skala

              Ein vom Strom i durchflossener Draht mit der Länge l0 und dem Widerstand r nimmt in erster                 Näherung eine Übertemperatur von  DT = k*i2*r  an und verlängert sich dabei um

                    

              b=linearer Ausdehnungskoeffizient          k=Boltzmann Konstante = 1,38 E-23 JK-1

              Die obere Meßbereichsgrenze liegt bei einigen hundert Ampere.

     3.2.3.  Hitzdrahtluftthermometer

              Hier wird die Ausdehnung eines Gases, welches den Heizdraht in einem abgeschlossenen Gefäß             umgibt, beobachtet. Mit dieser Meßanordnung sind hohe Empfindlichkeit und guter Frequenzgang      möglich, da sich der Heizdraht sehr kurz und kapazitätsarm halten läßt, sodaß nur der berechenbare                  Skineffekt eine Rolle spielt.

             

              Der Draht erhitzt das Gas, die Ausdehnung wird z.B. durch eine Quecksilbersäule angezeigt.

              Wenn der Druck konstant ist, kann sich bei einer Temperaturänderung nur das Volumen ändern:

                                     

              aVolumsausdehungskoeffizient

              Diese Meßmethode bietet Genauigkeiten bis zu 100mA.

     3.2.4.  Photoamperemeter

              Photoamperemeter enthalten einen kurzen gestreckten Draht, der in ein evakuiertes Glasgefäß                 eingeschmolzen ist. Bei ausreichender Belastung wird vom glühenden Draht Licht ausgesendet,                   dessen Intensität mittels einer Photozelle bzw. einem Photoelement durch ein Gleichstrominstrument               angezeigt werden kann.

              Der Meßbereich ist eng begrenzt, die Eichkurve stark gekrümmt.

              Photoamperemeter sind zur Messung bei sehr hohen Frequenzen geeignet, da praktisch nur der                Skineffekt des sehr dünnen Drahtes eine Rolle spielt. Der Eigenverbrauch ist jedoch relativ hoch           (>0.1W).

     3.2.5.  Photoamperemeter mit Schlierenmethode

              Funktioniert ähnlich wie das Photoamperemeter, jedoch wird hier die Erwärmung des Drahtes                 unterhalb der Glühtemperatur über die Luftströmung um den Draht beobachtet (z.B. mittlels                             Infrarot-Lichtschranken).

              Dadurch läßt sich der Eigenverbrauch auf einige mW herabsetzen.

     3.2.6.  Strommessung durch Widerstandserhöhung - Bolometer

              Bei den Bolometerschaltungen wird die Widerstandsänderung eines durch den HF-Strom erwärmten               Leiters bestimmt, welcher ein Zweig einer Gleichstrombrücke ist.

              Die Ankopplung des Hochfrequenzkreises an den Gleichstromkreis kann z.B. induktiv erfolgen.

Zwei Drosselspulen verhindern, daß der HF-Strom außer durch den Heizdraht auch noch durch andere Teile der Brücke fließt.

Die Kondensatoren verhindern, daß der Gleichstrom zur HF-Ankopplung gelangt.


              Bei genauen Messungen muß berücksichtigt werden, daß die Widerstandstemperaturkennlinie nicht        geradlinig verläuft, sondern bei hohen Temperaturen gekrümmt ist.

              Es gilt dann folgende Gleichung:

                       

              Als temperaturabhängige Leiter werden entweder Metalldrähte (z.B. Platin) oder neuerdings auch           Heißleiter (Thermistoren) verwendet.

              Der Eigenverbrauch läßt sich bis auf 10-8 W herabsetzen.

              Es ist somit das empfindlichste der bisher genannten Meßverfahren, die obere Frequenzgrenze liegt         bei einigen 100 MHz.

    3.3. Strommesser mit Gleichrichter

              Drehspulinstrumente lassen sich in Verbindung mit Gleichrichtern auch bei Hochfrequenz zur                  Strommessung verwenden.

              Die Strom-Spannungs-Kennlinie der Kristall-Gleichrichterdioden hat um den Arbeitspunkt U0/I0             einen exponentiellen Verlauf:

                                  

              Durch die Nichtlinearität entstehen Oberwellen, die folgenden Einfluß auf die Anzeige haben:

              Geradzahlige Harmonische liefern keinen Beitrag zur Anzeige, der Meßwert liegt also unter dem             Effektivwert.

              Ungeradzahlige Harmonische der Ordnungszahl n führen zu einer Ausschlagsänderung, die von der        Phasenlage abhängig ist.

              Die Größtwerte dafür sind:

              Der angezeigt Wert kann also sowohl über, als auch unter dem Effektivwert liegen.

             

Das Verhalten dieser Gleichrichter, insbesondere der Frequenzgang, läßt sich anhand der Ersatzschaltung erklären.

LInduktivität der Gleichrichteranordnung

RdBahnwiderstand, maßgeblich für den Durchlaßstrom

RSSperrwiderstand (beide von Strom und Spannung abhängig)

Gleichrichterersatzschaltung

CKapazität der Sperrschicht, ebenfalls spannungsabhängig

Gideale Diode

             

a

b

              Für Hochfrequenz eignen sich in erster Linie folgende Schaltungen:

    

              Bei Ausführung a fließt die eine Halbwelle des Stromes über die obere Diode und das                             Meßinstrument, die andere durch die untere Diode am Instrument vorbei; es handelt sich                              also um eine Halbweggleichrichtung. Der Kondensator C sorgt dafür, daß am induktiven Widerstand                      der Drehspule kein zu hoher Spannungsabfall entsteht.

              Ausführung b unterscheidet sich bei ausreichend großen Kondensatoren nur dadurch, daß                       Gleichstrom gesperrt wird.

              Der Frequenzgang der Schaltungen a und b ist nicht nur durch die Raumkapazitäten C10 und C20             gegeben, sondern auch durch Kapazitäten parallel zu den Gleichrichterstrecken.

              Ihre Wirkung hängt vom Durchlaßwiderstand der Gleichrichterstrecke ab, da sich der Wechselstrom      auf der Parallelschaltung beider verzweigt. Da der Durchlaßwiderstand mit zunehmender Belastung                 kleiner wird, ist der Frequenzgang bei hohen Strombereichen besser.

              Zusätzlich zu diesen Frequenzfehlern zeigt sich auch noch eine Frequenzabhängigkeit durch                    die Trägheit der in Flußrichtung wirksamen Raumladung.

              Die vor allem bei niedrigen Frequenzen verwendete Graetz-Gleichrichterschaltung c hat den                    Vorteil, daß im Gegensatz zu den bisherigen Schaltungen, der doppelte Gleichstrom fließt.

              Dafür tritt der doppelte Spannungsabfall an jeweils 2 in Reihe liegenden Dioden auf. Außerdem             weist diese Schaltung einen schlechten Frequenzgang auf.

              Die Kapazität C30 überbrückt bei Erdung von Punkt 2 bei hoher                         Frequenz die beiden rechten Dioden, sodaß bei wachsender Frequenz

              die Schaltung in die Ausführung a übergeht und nur noch der halbe                   Strom angezeigt wird.

              Der Skalenverlauf dieser sogenannten Flächengleichrichterschaltungen (Anzeige des Strommessers         entspricht der Fläche einer oder beider Halbwellen, unabhängig von der Kurvenform) ist nahezu                  linear. Der Leistungsverbrauch liegt zwischen 10-8W und 10-2W. Gleichrichterstrommesser dieser                     Art sind hoch überlastbar.

    

     3.4.  Strommessung durch Spannungsmessung

              Bei dieser Meßmethode wird die an einer bekannten Impedanz auftretende Spannung durch eines in      der HF-Technik gebräuchlichen Spannungsmessverfahren ermittelt. Dazu eignet sich am besten ein      nahezu verlustfreier Kondensator, dessen Kapazität aber genau bekannt sein muß.

4)        Spannungsmessung

     4.1.  Allgemeines zur HF-Spannungsmessung




              Viele für NF verwendete Meßgeräte erstrecken sich in ihrem Meßbereich weit in den Bereich der            Hochfrequenz, wie auch viele HF-Meßgeräte für NF-Anwendungen geeignet sind.

              Die Frage, für welchen Frequenzbereich der Spannungsmesser geeignet ist, hängt daher weniger              vom Meßprinzip, sondern vielmehr von der Dimensionierung der einzelnen Schaltelemente ab.

             

              Wie auch bei NF soll der Meßkreis durch das Gerät nicht oder nur unwesentlich beeinflußt werden.

              Die Spannungsmesser sollen daher einen hohen Eingangswiderstand besitzen und einen geringen            Eigenverbrauch haben. Ist der Eingangswiderstand nicht rein ohm'sch, so ist der Einfluß auf den          Meßkreis auch noch frequenzabhängig. Die Eigenkapazität des Meßinstrumentes kann die                     Meßspannung verringern oder einen Schwingkreis verstimmen.

              Weitere Fehler können durch die Zuleitungen entstehen, deren Größe jedoch                                 abgeschätzt werden kann, wenn man die Kapazitäten, Induktivitäten und ohm'sche Widerstände der               Zuleitungen bedenkt.

              Besonders bei hohen Frequenzen muß darauf geachtet werden, daß durch Fremdfelder nicht                   zusätzliche Spannungen in den Leitungen induziert werden. Unter Umständen müssen die Leitungen               daher abgeschirmt werden.

              Bei der Einschaltung des Spannungsmessers in einen Meßkreis ist auch die Spannungsverteilung             längs der Anordnung zu beachten (z.B. bei Antennen).

              Weiters ist zu beachten, daß manche Spannungsmesser Effektivwerte, andere jedoch Scheitelwerte         anzeigen.

     4.2.  Spannungsmessung durch Spitzengleichrichtung

              Das Standardmeßgerät für die Spannungsmessung bei HF stellt das mit Spitzengleichrichtung                 arbeitende Röhrenvoltmeter dar. Unter den verschieden Spannungsmessern haben Röhrenvoltmeter                  eine besondere Bedeutung, weil sie für einen großen Spannungs- und Frequenzbereich verwendet         werden können.

Als kleinster Meßbereich wird aus Gründen der Nullpunktstabilität meist 1V vorgesehen.

Die untere Frequenzgrenze liegt bei ca 10kHz, die obere hängt hauptsächlich von der Elektronenlaufzeit in der Röhre ab und reicht üblicherweise bis über 3GHz.

 

Für bestimmte Zwecke der Meßtechnik sind auch Röhrenvoltmeter mit bestimmter, meist schmaler, Frequenzbandbreite in Gebrauch (=selektive Röhrenvoltmeter). Es werden dafür Verstärker mit Siebgliedern oder abgestimmte Verstärker, aber auch Überlagerungsempfänger verwendet.

Durch schaltungstechnische Maßnahmen läßt sich auch eine logarithmische Anzeige erzielen, sodaß die Anzeige in Np oder dB geeicht werden kann.

              Weitere Vorteile sind der große, umschaltbare Meßbereich (0,1V bis 1kV , mit Vorverstärker und            kapazitivem Spannungsteiler von 1mV bis 100kV), der große Eingangswiderstand auch bei kleinen                  Meßspannungen, sowie kleine Eingangskapazität, hohe Überlastbarkeit und gute Genauigkeit.

    

              Wie die Überschrift schon erkennen läßt, wird der Scheitelwert angezeigt, sodaß bei verzerrter                Kurvenform nicht mehr auf den Effektivwert geschlossen werden kann.

              Andererseits ist das Meßgerät hierdurch für die Messung von Impulsamplituden (weil                  Spitzengleichrichter) geeignet, wobei die Anzeige weitgehend unabhängig von der Impulsform ist.

Die Gleichrichterstrecke wird während der negativen Halbperiode mit der doppelten Scheitelspannung in Sperrichtung beansprucht, wodurch sich Grenzen für die höchste zu messende Spannung ergeben.

Während Röhren stets einige 100V vertragen, sind Kristallgleichrichter auf etwa 100V Sperrspannung beschränkt.

              Der Wirkleistungsverbrauch ergibt sich aus der Gleichstromleistung zu P=U2/R.

              Die untere Frequenzgrenze ergibt sich durch die Entladung des Kondensators C über R.

              Für kleine Anzeigefehler F ergibt sich angenähert: F=0,5×f×R×C

              Für einen zulässigen Fehler von 2% ergibt sich damit eine Zeitkonstante von t=RC=25/f, also z.B.         bei f=25Hz   => t=1s.

              Eine solche Zeitkonstante hat eine störende Verlängerung der Abklingzeit der Anzeige bei                       Wegnahme der Meßspannung zur Folge. Die Anstiegszeit, die praktisch nur vom                                    Gleichrichterinnenwiderstand bedingt ist, wird dagegen nicht merklich beeinflußt. Es gilt also                      einen Kompromiß zwischen unterer Grenzfrequenz und Einstellzeit zu finden.

              Die obere Frequenzgrenze wird einerseits durch Resonanzüberhöhung andererseits durch die                   Elektronenlaufzeit in der Diode bestimmt.

              Die Kapazität zwischen Anode und Kathode bildet zusammen               mit der Induktivität der      Zuleitungen näherungsweise einen                       Serienresonanzkreis (siehe nebenstehende Abbildung).

              C2 stellt die Eingangskapazität der Röhre dar, L die Summe der                         Induktivitäten der Zuleitungen zu beiden Polen.

              C1 ist die Kapazität der Eingangsklemmen selbst.

              Ausgangs- zu Eingangsspannung verhält sich also wie folgt:                              

              Der dadurch verursachte Fehler beträgt näherungsweise

              Bei hohen Frequenzen wird also eine höhere Spannung gemessen als an den Klemmen anliegt.

              Um kurze Zuleitungen (und damit geringe Induktivitäten) realisieren zu können, werden Voltmeter         für hohe Frequenzen stets mit einem Tastkopf ausgeführt, welcher die Diode bzw. den Gleichrichter                enthält. Die Verbindungsleitung zum Meßgerät kann dann        beliebig lang sein, da sie nur Gleichstrom          führt. Geeignete Dioden müssen möglichst kleine Abmessungen mit kleiner Kapazität und kürzesten                Elektrodenzuleitungen vereinigen.

              Hierzu tritt noch die Forderung nach kleinem Abstand zwischen Anode und Kathode, denn wenn          die Laufzeit der Elektronen in die Größenordnung der Periodendauer der Meßspannung kommt, tritt               nicht mehr die volle Richtspannung auf.

             

             

             

Die Richtspannung U entspricht in beiden Schaltungen dem doppelten Scheitelwert der Wechselspannung.

Die Spannungsverdopplerschaltung b ist besonders für einpolig geerdete Spannungen geeignet, da dann auch die Richtspannung einpolig an Erde liegt. Dabei tritt auf der Gleichstromseite die Meßspannung nicht auf.

In beiden Fällen stört eine der Meßspannung überlagerte Gleichspannung nicht.

              Während die Einweggleichrichterschaltungen nur eine der meist sehr verschiedenen Halbwellen              erfassen, liefert die Zweiweggleichrichterschaltung die Amplitude von "Spitze zu Spitze".

              Bei Effektivwerteichung ist also mit einem entsprechenden Wert (abhängig von der Kurvenform) zu      multiplizieren.

        

     4.3.  Samplingoszilloskop

Die wichtigsten Komponenten (Triggereinheit, Zeitablenkung) eines "normalen" Oszilloskopes sind nicht beliebig breitbandig (derzeit ca 1GHz). Man hat deshalb für den Einsatz im UHF und Mikrowellenbereich ein Verfahren entwickelt, mit dem auch diese Frequenzen gemessen werden können. Vorraussetzung ist ein periodisches Signal mit konstanter Amplitude.

Das Originalsignal wird abgetastet, wobei auf das Abtasttheorem keine Rücksicht genommen wird, also z.B. nur eine Abtastung je Periode oder mehreren Perioden durchgeführt wird.

Der Abtastzeitpunkt wird gegenüber dem vorigen immer um eine bestimmte Zeit ti verschoben.

Da das Signal periodisch ist, kann der ursprüngliche Kurvenzug wiedergegeben werden, der Zeitmaßstab wird bei diesem Verfahren also gedehnt.

4.4 Tastköpfe

Im Frequenzbereich über 1GHz ist hochohmiges Messen mit üblichen Tastköpfen (1MW, 10pF) nicht zulässig. Um Anpassung zu erreichen bzw. richtig abschließen zu können, müssen daher spezielle Durchführungstastköpfe mit einem Eingangswiderstand von 50W verwendet werden.

5)        Leistungsmessung

     5.1.  Allgemeines zur HF-Leistungsmessung

Bei Frequenzen über 1GHz wird meist die Leistungsmessung einer Strom- bzw- Spannungsmessung vorgezogen.

Dabei ist es oft üblich, den Leistungsmesser als Gesamtlast zu verwenden.

Es werden aber auch Leistungsmesser gebaut, die den Leitungsstrom durch eine Rohrleitung oder ein koaxiales Kabel zum Verbraucher messen, selbst aber nur einen Bruchteil der Gesamtleistung benötigen.

Hiezu zweigen die empfindlichen Meßgeräte aus der Leitung einen bestimmten, der Gesamtleistung proportionalen Teil ab.

Zu diesen Geräten gehören das Bolometer und der Thermoumformer.

Weiters ist zwischen mittlerer Leistung und Impulsleistung (Leistung, die nur als Impuls über eine kurze Zeitdauer auftritt) zu unterscheiden. In der Regel zeigen die Meßgeräte aber unmittelbar die mittlere Leistung an.

     5.2.  Leistungsmessung mit dem Bolometer

Beim Bolometer wird die temperaturabhängige Widerstandsänderung eines sich durch die HF-Leistung erwärmenden Drahtes  zur indirekten Messung der Leistung benutzt.

Die Bolometeranordnungen werden wegen ihrer großen Empfindlichkeit vorwiegend zur Messung kleiner Leistungen benützt. Als temperaturabhängige Widerstände verwendet man dafür den Baretter und den Thermistor (Erklärung siehe später unten). Die Empfindlichkeit kann durch Verstärkung wesentlich erhöht werden.

Eine große Empfindlichkeit erhält man ebenfalls, wenn man die Bolometereinrichtung als Zweig

eines Phasenbrücken-Rückkopplungsgliedes verwendet.

Der Generator ist so abgeglichen, daß der maximale Ausschlag entsteht, wenn der temperaturabhängige Widerstand keine HF erhält.

Durch eintreffende HF wird die Brücke verstimmt und der Rückkopplungsfaktor verringert, das Instrument zeigt einen geringeren Ausschlag. Das Meßgerät ist unmittelbar in mW Hochfrequenzleistung geeicht, man erreicht eine Empfindlichkeit von ca 50mW bei Vollausschlag.

             

              Die Einkopplung der HF kann wie bei der Strommessung (siehe 3.2.6.) durchgeführt werden. Es gibt               jedoch auch noch andere Möglichkeiten wie z.B. die Baretter-Anordnung in einem Rechteckrohr.

Die Widerstandsachse verläuft dabei in Richtung des elektrischen Feldes der sich in horizontaler Richtung fortbewegenden Welle



Baretter: Der Baretter ist ein dünner Platindraht der sich in einem Glasgefäß befindet.

Dieses ist, zwecks kleinerer Zeitkonstante zur Abkühlung, nicht evakuiert, obwohl dadurch die Empfindlichkeit steigen würde.

Die Wärmeträgheit des Widerstandes ist so gering, daß die Widerstandsänderung auch einer niederfrequenten Modulation der HF folgen kann.

Der Baretter kann mit Niederfrequenz geeicht werden. Die Widerstandszunahme aufgrund des Skineffektes ist für Frequenzen bis zu 10GHz geringer als 1%.

Zwischen der Widerstandserhöhung und der zugeführten Leistung besteht nahezu ein linearer Zusammenhang: R-R0=k*Pn

R ist der Widerstand bei zugeführter HF-Leistung, R0 der Widerstand ohne Leistungszufuhr (etwa 100W). n liegt zwischen 0.9 und 1.0, k ist eine Konstante von meist einigen W/mW.

Thermistor

P=Perle aus Halbleiter mit hohem negativen Temperaturkoeffizienten des Widerstandes

Thermistor: Der Thermistor ist ein temperaturabhängiger Halbleiter, in der Form einer kleinen Perle. Ein üblicher Widerstandswert ist 10kW. Die Anordnung in einer Glaspatrone schützt vor Einfluß von Luftströmungen, das Gefäß ist zur Vermeidung  der Wärmeträgheit nicht evakuiert. Die Empfindlichkeit ist etwas größer als die des Baretters, jedoch ist auch die Zeitkonstante größer.

    

5.3.     Leistungsmessung mit Thermoelementen

    

Thermoumformer mit Vakuumthermoelementen zeigen nahezu die gleiche Empfindlichkeit wie das Bolometer. Wegen der größeren Leiterabmessungen lassen sich aber Thermoumformer nur bis etwa 3GHz verwenden, der Kohlefaden-Thermoumformer ist jedoch auch für höhere Frequenzen brauchbar.

Thermoelemente aus Eisen und Konstantan in Form von Vakuumthermoelementen werden hauptsächlich bei geringeren Frequenzen benützt.

Für hohe Frequenzen eignet sich vor allem äußerst dünner Platindraht gegen Platinrhodium, es gibt jedoch auch Thermoelemente mit Widerstandsperlen für sehr hohe Frequenzen bei großer Empfindlichkeit (siehe 3.2.1.).

Die Empfindlichkeit des Thermoumformers liegt bei einigen Hundertstel mV/mW.

    5.4.  Elektrostatischer Leistungsflußmesser

Die Rohrwand eines Rechteckrohrleiters ist an einer Stelle durch eine dünne Metallmembran M ersetzt. Ihr gegenüber befindet sich, außerhalb des Rohrleiters, eine feste Elektrode E.

Bei Auftreten hochfrequenter Felder im inneren des Rohrleiters wird die Membran durchgebogen und somit die Kapazität zwischen Membran und Elektrode vermindert.

Diese Kapazitätsänderung ist ein Maß für die Feldstärke im Rohrleiter und somit auch für den Leistungsfluß.

Aus der Überlegung, daß die mechanische Arbeit gleich der elektrischen sein muß folgt bei Differentiation nach s:

dWmech=F*ds  =  dWel=0.5*U2*dC

F ist die Kraft zwischen den beiden Platten, U die anliegende Spannung, ds der Weg, der unter der Wirkung dieser Kraft zurückgelegt wird und dC die daraus folgende Kapazitäts-Anderung.

Die Kapazität zweier Platten mit der Fläche A, dem Abstand a und der Dielektrizitätskonstante e ist:

    

Wie man sieht, kann die Kapazitätsänderung durch Verändern der Elektrodenfläche oder, so wie es bei diesem Meßprinzip durchgeführt wird, durch Verändern des Abstandes erfolgen.

Es werden Meßwerke nach beiden Verfahren gebaut.

Die Anordnung ist frequenzunabhängig und hat einen sehr geringen Leistungsbedarf.

Es können noch Leistungen in der Größe von 1mW gemessen werden.

    

    5.5   Messung großer Leistungen mit dem Kalorimeter

Das Kalorimeter stellt gleichzeitig die Gesamtlast dar, welche die Leistung verbraucht und wird daher meist als Abschluß eines Koaxialkabels oder eines Rohrleiters angeordnet.

Wasser eignet sich gut als Kalorimeterflüssigkeit, denn infolge seiner hohen dielektrischen Verluste erwärmt es sich im elektrischen Feld.

Seltener wird eine Mischung aus Öl und Kohlepulver verwendet.

Nebenstehende Abbildung zeigt die Leistungsmessung an einem Koaxialkabel.

Am Ende ist das Kabel von einem Wasserstrom durchflossen, der das Dielektrikum darstellt.

Leistungsmessung an einem koaxialen Kabel  mittels Kalorimeter

Ist m die Flüssigkeitsmenge je Sekunde in g/s, cp die spezifische Wärme in cal/(g*°C) und DT die Temperaturerhöhung, so ergibt sich die absorbierte Leistung entsprechend dem elektrischen Wärmeäquivalent  zu

         P=4,18*m*cp*DT   [Watt]                 1[cal ]= 4.186 [J]

Für  kleine Leistungen werden entsprechend kleine Flüssigkeitsmengen benötigt.

Kalorimetrische Meßgeräte lassen sich zur direkten Anzeige ausbauen, indem man in das zufließende und in das abfließende Wasser je ein Widerstandsthermometer einbaut.

Ist die Brücke dann ohne Temperaturdifferenz abgeglichen, so kann der Ausschlag des Nullinstruments direkt zur Anzeige der Temperaturdifferenz und bei konstantem Durchfluß zur Anzeige der Leistung dienen.

     5.6.  Leistungsmessung mit Glühlampen

Zum Nachweis von HF-Leistung können auch Glühlampen verwendet werden.

Der sehr dünne Wolframdraht befindet sich in einem evakuierten Glaskolben.

Man mißt die Temperaturerhöhung durch den Hochfrequenzstrom mittels Photozelle oder über die Widerstandsänderung in Bolometeranordnung. Eine andere Möglichkeit ist der Helligkeitsvergleich mit einer gleichstromgespeisten Lampe.

Die Empfindlichkeit hängt von der Stärke des Glühfadens ab, erreichbar sind einige hundertstel Watt. Diese Leistungsmessung wird bis ca. 1kW verwendet.

     5.7.  Leistungsmessung durch Spannungsmessung an einem Widerstand

Sind der ohm'sche Zustand und der Ohmwert bekannt, so kann bei Anpassung die Leistung folgendermaßen aus der Spannung berechnet werden (z.B. wenn eine Antenne mit Hilfe eines Abstimmgerätes, z.B. Stehwellenmeßgerät oder Antennen-Anpaßgerät ("Matchbox"), nach Größe und Phase richtig an eine Antennenspeiseleitung mit dem Wellenwiderstand ZL angepaßt ist):

Ist exakte Anpassung nicht gegeben, so kann im Mittelwellengebiet und bei längeren Wellen mit folgender Schaltung eine einfache Leistungsmessung realisiert werden:

Einfaches Verfahren zur Leistungsmessung bei kleinem Phasenfehler

Am Lastwiderstand ZA liegt die Spannung UA und es fließt der Strom IA.

Zur experimentellen Ermittlung der in Richtung von IA liegenden Komponente von UA ist vor das Voltmeter eine Hilfsspule geschaltet, in welche eine mit variabler Kopplung veränderliche Hilfsspannung UL mit 90° Nacheilung senkrecht auf IA induziert wird.

Bei Variation der Kopplung durchläuft die Anzeige des Voltmeters ein

Minimum |U|min = Umin. Die Wirkleistung ergibt sich dann zu:

      P=IA×UA×cosj = IA×Umin

Der Widerstand sollte einen möglichst geringen Skineffekt aufweisen.

              Dieses Verfahren führt oft zu großen Meßfehlern, da der Spannungsverlauf bei Dezimeterwellen             meist stark von der Sinusform abweicht.

              Für Labormessungen im UKW- und                                              Dezimeterwellengebiet eignet sich eine Meßleitung mit                       verschiebbarem Abtaster.

              Man stellt die absolute Größe des Maximums und des                 Minimums der Spannungsverteilungskurve längs der         Leitung fest.

              Die Leistung ist dann gleich:    

              s=Umax/Umin

              Somit ist

              Wird die Stromverteilung abgetastet, so gilt:

             

     5.8.  Leistungsmessung durch Strommessung an einem Widerstand

              Hier ergeben sich die gleichen Probleme wie beim vorhergehenden Verfahren, die beide nur wegen         ihrer Einfachkeit verwendet werden. Zu beachten sind die bei Dezimeterwellen besonders stark in        Erscheinung tretenden Fehler durch Skineffekt und kapazitive Nebenschlüsse. Um diese Fehler zu        vermeiden bzw. zu verringern werden diese Meßgeräte so dimensioniert, daß von ihnen die gesamte                 Leistung aufgenommen und kein Teiler benötigt wird.

6)        Literaturverzeichnis

     Meinke/Gundlach. "Taschenbuch der Hochfrequenztechnik", 3.Auflage, Springer Verlag, TU

     F.Benz: "Meßtechnik für Funkingenieure", Springer Verlag, TU

     P.M.Pflier: "Elektrische Meßgeräte und Meßverfahren", 2.Auflage, Springer Verlag, Schulbibliothek










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