GROLL MIKROWELLENMESSTECHNIK

GROLL MIKROWELLENMESSTECHNIK

MIKROWELLEN MESSTECHNIK VON PROF. DR.-ING. HORST GROLL FRIEDR. VIEWEG & SOHN BRAUNSCHWEIG

ISBN 978-3-663-00790-6 ISBN 978-3-663-02703-4 (ebook) DOI 10.1007/978-3-663-02703-4 1969 Alle Rechte vorbehalten Copyright 1969 by Friedr. Vieweg & Sohn GmbH, Verlag, Braunschweig L. C. Catalog No. 78-80658 Softcover reprint of the hardcover 1 st edition 1969 I Best.-N~8~,!U

VORWORT In vielen Zweigen von Physik und Technik spielt die Meßtechnik zur Entwicklung neuer Bauteile, Anlagen und Verfahren eine wichtige Rolle. So hat sich auch in der Mikrowellentechnik, die im Lauf der Jahre ein Sondergebiet der Hochfrequenztechnik wurde, eine spezielle Meßtechnik herausgebildet, die sich von den bei niedrigeren Frequenzen angewendeten Verfahren unterscheidet und sich an die Eigenschaften der Mikrowellenbauteile anpaßt. Wenn auch durch die rasche technische Entwicklung die Konstruktionen und Bauelemente von Meßgeräten sehr schnell veralten, so bleiben doch die grundlegenden Meßmethoden und die Prinzipien konstruktiver Gestaltung von Mikrowellenbauteilen über lange Jahre die gleichen. Deshalb erschien es sinnvoll, an Hand von Beispielen heute gebräuchlicher Meßgeräte die Meßmethoden zu erläutern und mit Hilfe zahlreicher Konstruktionsskizzen auf die Eigenarten von Mikrowellenbauteilen hinzuweisen, auch wenn diese schon nach kurzer Zeit im Detail verändert sein werden. Die Entwicklung der letzten Jahre ließ in der MikroweUenmeßtechnik zwei Richtungen erkennen: die Erhöhung der Meßgenauigkeit und die Automatisierung der Meßverfahren. Die erste führte zu steigender mechanischer Präzision mancher Bauteile und zur Berücksichtigung auch kleiner Fehlerursachen. Die zweite ist gekennzeichnet durch die Einführung breitbandiger Wobbelverfahren mit oszillografischer Sichtanzeige des Meßwertes. Vorwiegend in den Abschnitten 6 und 7 wurde auf diese Verfahren eingegangen. Meinem hochverehrten Lehrer, Herrn Professor Meinke, an dessen Institut ich seit vielen Jahren arbeite, verdanke ich viele Anregungen. Meiner Frau, die die Reinschrift des Manuskripts vornahm, und dem Verlag, der mit Sorgfalt die Herstellung des Buches besorgte, sei an dieser Stelle besonders gedankt. München, im Januar 1968 H.Groll

INHALTSVERZEICHNIS 1 Allgemeines... 13 1.1 Mikrowellen............................................... 13 1.2 Leitungsbauformen... 14 1.3 Hohlleiter... 16 1.4 Leitung und Abschlußwiderstand......................................... 20 1.5 Leitungsdiagramm und Widerstandstransformation... 25 1.6, Leitungsschaltungen zur Anpassungstransformation......................... 29 1.7 Sonstige Leitungsbauelemente............................................ 32 2 Meßsender............................................................... 41 2.1 Triodensender.......................................................... 42 2.2 Reflexklystron-Sender................................................... 46 2.3 Carcinotron-Sender..................................................... 48 2.4 Die Anwendung von Oberwellen... 50 2.5 Modulation, Amplituden- und Frequenzregelung... 52 2.51 Amplitudenmodulation und -regelung................................ 52 2.52 Frequenzmodulation und -regelung... 54 2.6 Wobbelsender... '........................ 59 3 Me8empfänger........................................................... 67 3.1 Allgemeines... 67 3.2 Übersicht über die Empfängerarten... 69 3.3 Diodengleichrichter..................................................... 71 3.31 Punktkontaktdioden... 71 3.32 Tunnel- und Backwarddioden, Hot-Carrier-Dioden... 73 3.33 Der Aufbau von Diodengleichrichtern... 74 3.4 Überlagerungsempfänger... 77 3.41 Eigenschaften... 77 3.42 Dimensionierungsgesichtspunkte..................................... 80 3.43 Sonderausführungen... 82 3.44 Der Aufbau von überlagerungsempfängern... 83 3.5 Kohärente und nichtkohärente Gleichrichter............................... 85 3.51 Prinzip des kohärenten Gleichrichters... 85 3.52 Vergleich der verschiedenen Gleichrichterarten... 86 4 Absorber und Dämpfungsglieder... 93 4.1 Absorber................. 93 4.11 Koaxiale Absorber... 93 4.12 Hohlleiterabsorber................................................. 96

8 Inhaltsverzeichnis 4.2 Dämpfungsglieder... 98 4.21 Absorbierende Dämpfungsglieder.................................... 99 4.22 Reflektierende Dämpfungsglieder... 105 4.3 Dämpfungsglieder mit Ferriten........................................... 108 4.31 Reziproke Ferritbauelemente... 109 4.32 Nichtreziproke Ferritbauelemente.................................... 111 5 Leistungsmessung... 120 5.1 Übersicht... 120 5.2 Der Einfluß der Fehlanpassung........................................... 121 5.3 Bolometer - Barretter und Thermistoren... 129 5.31 Barretter... 130 5.32 Thermistoren... 133 5.33 Meßbrücken und Anzeigegeräte, Eichung... 140 a) Gleichstrombrücken... 141 b) Wechselstrombrücken... 145 5.4 Kalorimetrische Leistungsmessung... 147 5.41 Meßverfahren... 147 5.42 Wasserwiderstände... 148 5.43 Feste Absorber... 151 5.5 Sonstige Leistungsmeßmethoden... 154 5.6 Eichverfahren... 155 6.Impedanzmessung... 161 6.1 Übersicht... 161 6.2 Impedanzmeßverfahren mittels Meßleitungen... 162 6.21 Das Meßprinzip................................................... 162 6.22 Der Aufbau von Meßleitungen... 166 a) Gerade Meßleitungen... 166 b) Automatische Sichtanzeige - Umlaufmeßleitungen... 171 6.23 Fehlerquellen und Absoluteichung... 176 a) Leitungsfehler... 176 b) Störspannungen................................................. 178 c) Abtasterrückwirkung... 182 d) Äußere Einflüsse... 185 e) Meßgenauigkeit und Absoluteichung... 187 6.24 Einige zweckmäßige Meßverfahren... 191 a) Messung der Lage des Minimums... 191 b) Messung sehr kleiner rn-werte (Knoten breite)... 192 c) Impedanzmessung bei sehr kleinem Pegel... 195 d) Messung des Innenwiderstandes eines Generators... 196 e) Wobbelverfahren mit Meßleitung... 198 6.25 Meßleitungsähnliche Impedanzmeßverfahren... 199 a) Schlitzlose Meßleitung - Resonanzkreisverfahren... 199 b) Meßverfahren mit veränderlicher Leitungslänge... 201 c) Meßverfahren mit Frequenzvariation... 202 6.3 Impedanzmessung nach Festsondenverfahren... " 203 6.31 Drei- und Viersondenverfahren... 203 6.32 Meßverfahren mit drehbarer Hohlleitersonde.......................... 205

Inhaltsverzeichnis 9 6.4 Impedanzmessung mittels Verzweigungsschaltungen... 206 6.41 Kombinierte Strom-Spannungsmessung............................... 206 6.42 Vergleich von Impedanzen mittels Brückenschaltungen... 207 6.43 Einstellbare Meßverzweigungen... 209 6.5 Anpassungsmessung mit Richtkopplern... 210 6.51 Aufbau und Eigenschaften von Richtkopplern......................... 210 6.52 Richtkoppler als Reflektometer... 214 6.53 Impedanzmessung mit Richtkopplern... 217 6.6 Impedanzschreiber...................................................... 221 7 Messungen an Vierpolen... 234 7.1 Allgemeines über Vierpole... 234 7.2 Direkte Messung des übertragungs- und Reflexionsfaktors... 240 7.3 Ermittlung der Streuparameter aus Impedanzmessungen... 242 7.4 Die Knotenverschiebungsmethode für verlustfreie Vierpole... 246 7.41 Die Knotenverschiebungskurve... 246 7.42 Vierpol-Ersatzbilder... 248 7.43 Die Überlagerung mehrerer Einflüsse... 255 7.44 Knotenverschiebung bei Sechs- und Achtpolen... 258 7.45 Meßgenauigkeit und technische Einzelheiten... 258 7.5 Die Meßmethode mit verschiebbarer Wirklast.............................. 260 7.6 Ersatzbilder für verlustbehaftete Vierpole... 262 7.61 Vierpole mittlerer Dämpfung... 262 7.62 Vierpole mit sehr kleiner und sehr großer Dämpfung... 265 7.7 Sonstige Vierpolmeßmethoden... 266 7.8 Messung mit Impulsreflektometer... 266 7.81 Der Abtastoszillograf (Sampling-Oszillograf)... 267 7.82 Reflexionsmessungen in der Zeitebene... " 269 8 Messung von Spannung, Strom und Phase... 281 8.1 Spannungsmessung... 281 8.2 Die Eichung von Spannungsmessern... 284 8.3 Strommessung... 285 8.4 Phasenmessung... 286 8.41 Phasenmeßverfahren... 286 a) Der Vergleich mit geeichten Phasen schiebern... 286 b) Die Meßleitung als Phasenschieber... 288 c) Direktanzeigende Phasenmeßgeräte... 289 8.42 Phasenschieber... 291 9 Messung der Güte von Resonatoren......................................... 298 9.1 Das Impedanzverhalten von Resonatoren... 299 9.2 Die Gütemessung aus dem Reflexions- und Übertragungsverhalten von Resonatoren... 304 9.21 Die Ermittlung der Güte aus der Änderung der Eingangsimpedanz....... 304 9.22 Die Ermittlung der Güte aus dem Übertragungsverhalten... 310 a) Resonatoren als Durchgangselemente... 310 b) Seitlich angekoppelte Resonatoren... 312 9.23 Gütemessung mit Hilfe von Wobbelverfahren... 312

10 Inhaltsverzeichnis 9.3 Gütemessung mittels modulierter Schwingungen... 314 9.31 Gütemessung über die Phasenverschiebung der Modulation... 314 9.32 Gütemessung über die Oberwellenbildung der Modulation... 316 9.33 Gütemessung mittels Impulstastung... 316 10 Dämpfungsmessung... 321 10.1 Allgemeines... 321 10.2 Meßverfahren zur Dämpfungsmessung... 324 10.21 Messung des Leistungsverhältnisses... 324 10.22 Dämpfungsmessung mittels Substitution... 326 a) Hochfrequente Substitution... " 327 b) Niederfrequente Substitution... 327 c) Zwischenfrequente Substitution... 328 10.23 Ermittlung der Dämpfung aus der Reflexionsfaktormessung............ 329 10.3 Die Eichung von Dämpfungsnormalien... " 331 10.4 Die Messung von Abschirmungen... 331 11 Messwg von Materialkonstanten........................................... 338 11.1 Materialmessung in Leitungen... 339 11.11 Messung an Kabeln... 341 11.12 Proben hoher Dämpfung... 342 11.13 Stoffprobe in der Meßleitung... 343 11.14 Kurzschlußmeßverfahren... 344 a) Stoff probe beliebiger Länge...................................... 344 b) Die Länge der Stoff probe ist;';2... 345 c) Messung dünner Scheiben..., 347 11.15 Fehler durch Passungsluft... 349 1l.2 Materialmessung in Resonatoren... 349 11.3 Materialmessung bei Freiraumausbreitung... 353 11.4 Messung der Leitfähigkeit... 354 12 Messung von Wellenlänge und Frequenz... 359 12.1 Die direkte Messung der Wellenlänge... 359 12.2 Die Wellenlängenmessung mit Resonatoren... 360 12.21 Wellenmesserkonstruktionen... ~... 361 12.22 Die Anschaltung von Wellenmessern............................. 364 12.3 Frequenzmessung durch Überlagerung... 365 12.4 Normalfrequenzgeneratoren... 369 12.41 Eichgeneratoren mit Festfrequenzen - Eichung von Wellenmessern... 369 12.42 Variable Normalfrequenzgeneratoren... 371 12.43 Primäre Frequenznormale... 371 12.5 Spektral-Analysatoren... 372 12.51 Der Aufbau von Spektralanalysatoren............................... 372 12.52 Die Anwendung von Spektralanalysatoren... 374 13 Messung des Rauschfaktors... 379 13.1 Rauschgeneratoren... 379 13.11 Rauschdioden... 379

Inhaltsverzeichnis 11 13.12 Rauschquellen mit Gasentladungsröhren............................. 381 13.13 Sonstige Rauschgeneratoren... 382 13.2 Meßverfahren zur Bestimmung des Rauschfaktors... 383 13.21 Messung mit Sinusgenerator... 383 13.22 Messung mit Rauschgeneratoren... : 386 a) Mit Rauschdiode............................................... 386 b) Mit Gasentladungsröhre... 387 13.23 Rauschfaktormeßgeräte mit direkter Anzeige... 387 13.24 Sonstige Rauschmeßverfahren...................................... 389 a) Generatorrauschen... 389 b) Messung von sehr kleinen Rauschleistungen... 389 Sachwortverzeichnis... 393