Stehwellenmessgerät
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Stehwellenverhältnis
Auf einer Leitung, die mit ihrem Wellenwiderstand reflexionsfrei abgeschlossen ist, hat eine in Richtung des Abschlusses laufende elektromagnetische Welle an allen Stellen die gleiche Amplitude. Wenn bei einem Fehlabschluss ein Teil der Welle reflektiert wird, so addieren sich die Amplituden der hin- und rücklaufenden Wellen. Dadurch entstehen auf der Leitung örtliche Maxima und Minima der Amplitude im Abstand von je einer halben Wellenlänge, sog. stehende Wellen. Das Verhältnis der maximalen Amplitude U(max) zur minimalen Amplitude U(min) nennt man das Stehwellenverhältnis SWV (engl. SWR, Standing Wave Ratio).
Weitere Messgrössen in diesem Zusammenhang sind der Reflexionsfaktor, die Anpassung und die Rückflussdämpfung:
Die stehenden Wellen lassen sich auf einer Leitung z.B. durch eine Spannungs-Sonde nachweisen, die entlang der Leitung verschiebbar ist und z.B. lose kapazitiv an den Innenleiter einer Koaxialleitung angekoppelt ist (geschlitzte Messleitung). In der Frühzeit der Funktechnik war dies die einzige Methode, um die Anpassung bzw. Reflexion einer Last an einer Leitung zu messen. Heute werden vorwiegend zwei andere Verfahren angewandt, die getrennte Messung vor- und rücklaufender Leistungen mit einem Richtkoppler und die Anpassungsmessung mit einer Messbrücke.
Richtkoppler-Stehwellenmessgerät
Ein Richtkoppler ist ein Leitungs-Bauelement, welches nur von einer Welle in einer Richtung einen gewissen Teil auskoppelt und an einem dritten Tor zur Verfügung stellt, z.B. zur Leistungsanzeige. Im VHF-/UHF-Bereich besteht der Richtkopper üblicherweise aus einer Koaxial- oder Streifenleitung im Hauptzweig, bei der ein zweiter Innenleiter dicht an den Innenleiter der Hauptleitung angenähert ist. Diese Koppelleitung ist an einem Ende mit dem Wellenwiderstand abgeschlossen, das andere Ende bildet das dritte Tor zum Anschluss von Messeinrichtungen. Durch entsprechende induktive und kapazitive Kopplung und deren Addition erzeugt nur eine Welle in einer Richtung ein Ausgangssignal am dritten Tor.
Im Kurzwellenbereich würde eine solche Koppelleitung sehr lang werden oder einen sehr kleinen Koppelfaktor erzeugen. Daher werden Richtkoppler hier häufig aus konzentrierten Bauelementen aufgebaut. Sie bestehen aus einem induktiven Koppelelement (Transformator) und einem kapazitiven Spannungsteiler. Bei richtiger Dimensionierung dieser Koppelglieder kann für einen grösseren Frequenzbereich (z.B. 1 - 50 MHz) eine frequenzunabhängige Auskopplung in einer Richtung erreicht werden.
Im SHF-Bereich werden neben Streifenleitungs-Richtkopplern auch Hohlleiter-Richtkoppler verwendet. Bei ihnen wird die Hauptleitung mit einer Nebenleitung fest verbunden, und es werden in der Trennwand zwischen Haupt- und Koppelleitung mehrere Löcher, Schlitze oder kreuzförmige Durchbrüche angebracht.
Ein Stehwellenmessgerät dieser Bauart besteht aus einem Richtkoppler (der dann gedreht werden muss) oder zwei Richtkopplern mit entgegengesetzter Auskopplung, einem bzw. zwei Spannungs- bzw. Leistungs-Sensoren (z.B. Dioden-Gleichrichtern) und Anzeigeinstrumenten für die Spannungen/Leistungen. Wegen der vernachlässigbaren Leistungsauskopplung kann es ständig in der Leitung zwischen Hf-Quelle und Verbraucher verbleiben. Die SWV-Messung geschieht in zwei Schritten. Im ersten (Kalibrierung) wird die Anzeige des Vorlauf-Instruments über einen variablen Vorwiderstand auf 100% eingestellt. Im zweiten Schritt wird auf dem Rücklauf-Instrument bzw. dem auf Rücklauf umgeschalteten Instrument der Bruchteil der rücklaufenden Spannungsamplitude angezeigt, die dem Kehrwert des SWV entspricht. Wegen der nichtlinearen Diodenkennlinien ist meist eine separate Kalibrierung der SWV-Skala erforderlich.
Wenn die Skala der Vorlauf-Messung in Leistung kalibriert ist bzw. auf eine solche Skala umgeschaltet werden kann, so werden diese Bauformen auch häufig als Hf-Leistungsmesser angeboten. Bei sog. Kreuzzeiger-Instrumenten werden vor- und rücklaufende Leistung auf zwei Skalen getrennt angezeigt. Der Kreuzungspunkt der beiden Zeiger bewegt sich auf einer Kurvenschar der Skala, die in SWV kalibriert ist. Auf diese Weise kann auch bei wechselnder Vorlauf-Leistung jederzeit ohne Kalibriervorgang das SWV abgelesen werden.
In neuerer Zeit werden Stehwellenmessgeräte dieser Art häufig mit Digitalanzeige und Mikroprozessor-Steuerung aufgebaut, womit Kalibrierung, Leistungs- und SWV-Anzeige automatisiert erfolgen können.
Stehwellen-Messbrücke
Ein zweites Prinzip zur Messung von Anpassung bzw. Reflexion auf Leitungen verwendet eine Messbrücke aus ohmschen Widerständen. Speist man eine Brückenschaltung aus drei gleichen Widerständen (z.B. 50 Ohm) und einem vierten Widerstand, der durch das Messtor mit dem Messobjekt gebildet wird, mit Hochfrequenz, so ist die Brücken-Diagonalspannung proportional zum Reflexions-Faktor am Messtor. Die Kalibrierung dieser Brücke geschieht durch Kurzschluss oder Leerlauf am Messtor und Normierung der Diagonalspannung auf Reflexionsfaktor R = 1 (bzw. Rückflussdämpfung a = 0 dB). Schliesst man an das Messtor einen idealen Abschlusswiderstand an, so sollte R = 0 angezeigt werden. In der Praxis wird eine kleine Restanzeige übrigbleiben, die man wie bei Richtkopplern als Richtschärfe oder Direktivität bezeichnet.
Eine solche Messbrücke kann man natürlich nicht ständig zur Überwachung der Anpassung eines Verbrauchers in der Leitung lassen, da die Brückenwiderstände Leistung verbrauchen und meist nur für kleine Belastungen gebaut sind. Sie dient nur zur messtechnischen Beurteilung von Anpassungen.
Bei einfacheren Messbrücken ist ein Dioden-Gleichrichter in die Brücken-Diagonale eingebaut. Da die Dioden-Gleichspannung über hochohmige Widerstände aus der Brücke abgenommen werden kann, wird der Frequenzbereich und die Direktivität nur durch die Bauform der Brücken-Widerstände und deren Verbindungsleitungen bestimmt. Durch die heutige Mikrominiaturisierung und SMD-Technik sind Frequenzbereiche bis in den GHz-Bereich leicht realisierbar, kommerzielle Brücken sind bis über 50 GHz erhältlich.
Bei höheren Ansprüchen an die Messgenauigkeit und bei vektoriellen Messungen muss dagegen die gegen Masse symmetrische Diagonalspannung an eine (unsymmetrische) Koaxialbuchse geleitet werden, damit dort ein hochgenaues Hf-Leistungsmessgerät, ein Messempfänger oder Netzwerk-Analysator angeschlossen werden kann. Dafür ist ein Balun erforderlich, der hochfrequenztechnisch grössere Probleme bereitet, den nutzbaren Frequenzbereich einengt und zu komplizierteren Bauformen führt. Solche Messbrücken sind heute meist in einem Netzwerkanalysator oder Antennen-Analysator enthalten bzw. als Zubehör dazu erhältlich.
Geschlitzte Messleitung
Wie bereits erwähnt ist die direkte Abtastung des Spannungsverlaufs auf einer Leitung das älteste Verfahren zur Messung des SWV. In der Vergangenheit wurden dafür geschlitzte Messleitungen gebaut. Sie bestehen aus einer starren Koaxialleitung, in deren Aussenleiter ein Schlitz entlang der Längsachse eingearbeitet ist. Dieser Schlitz stört die Wellenausbreitung in der Koaxialleitung nicht, da bei der hier vorkommenden TEM-Wellenform die Wandströme nur in Längsrichtung fliessen. In den Schlitz ragt eine kleine Sonde, die kapazitiv an den Innenleiter gekoppelt ist. Mit einer aussen liegenden verschiebbaren Halterung und einem an die Sonde angeschlossenen Hf-Voltmeter kann die ortsabhängige Amplitude längs der Leitung abgetastet und durch Messung von U(max) und U(min) das SWV gemessen werden. Natürlich muss die Leitung für die niedrigste Frequenz länger als eine Viertel-Wellenlänge sein, um mindestens ein Maximum und ein Minimum zu erfassen.
Auch für einige Hohlleiter-Typen wurde diese geschlitzte Messleitung realisiert. Im H01-Rechteck-Hohlleiter fliessen genau auf der Mittellinie der Breitseite keine Quer-Wandströme, so dass dort ohne Störung ein Längs-Schlitz angebracht und eine Sonde eingeführt werden kann.
