Table Of ContentZu diesem Buch
Die heutige HochfrequenzmeBtechnik kon
tiert die in der Praxis stehenden Ingentear
mit komplizierten MeBgeraten, bei denen die
Auswahl der MeBschaltung, die Bedienung und
die Beurteilung des MeBergebnisses genaue
Kenntnisse der Signalverarbeitung im Gerat
voraussetzen. Diese anwendungsnahen Aspekte
der HochfrequenzmeBtechnik gehoren zu den
wesentlichen Inhalten des Buches.
Es wendet sich an Studenten der Fachhochschu
len und Universitaten Bowie an Ingenieure und
Physiker in der Praxis.
Das Buch enthalt den Stoff einer vom Verfasser
durchgefUhrten Lehrveranstaltung Hochfre
quenzmeBtechnik und ist eine wichtige Grund
lage fUr die meBtechnische Ausbildung der
Studenten in den weiteren nachrichtentechni
schen Laborpraktika.
HochfrequenzmeBtechnik
MeBgerate und MeBverfahren
Von Dipl.-Ing. Peter Gerdsen
Professor an der
Fachhochschule Hamburg
Mit 112 Bildern
B. G. Teubner Stuttgart 1982
Prof. Dipl.-Ing. Peter Gerdsen
1936 in Bredstedt geboren. Abitur 1956 an der Goethe
Schule in Flensburg. Studium der Elektrotechnik an der
Technischen Hochschule in Hannover. 1965 Applikations
laboratorium der VALVO GmbH. 1971 Eintritt in den Fach
bereich Elektrotechnik der Fachhochschule Hamburg. Seit
1976 Leiter des Laboratoriums fur Hochfrequenztechnik.
1980 Ernennung zum Professor fur Elektrische Nachrichten
technik.
CIP-Kurztitelaufnahme der Deutschen Bibliothek
Gerdsen, Peter:
Hochfrequenzmesstechnik: Messgerate u. Mess
verfahren / von Peter Gerdsen. - Stuttgart :
Teubner, 1982.
(Teubner-Studienskripten ; 92 : Elektrotechnik)
ISBN-\3: 978-3-519-00092-1 e-ISBN-\3: 978-3-322-84787-4
DOl: 10.1007/978-3-322-84787-4
NE: GT
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ist an den Verlag gemaE § 54 UrhG eine Vergutung zu
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© B. G. Teubner, Stuttgart 1982
Gesamtherstellung: Beltz Offsetdruck, Hemsbach/Bergstr.
Umschlaggestaltung: W. Koch, Sindelfingen
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Vorwort
In der heutigen elektrischen MeGtechnik kommen komplexe elek
tronische MeGgerate zur Anwendung, die Uberwiegend Einrich
tungen zur elektronischen Signalverarbeitung enthalten. Das
MeGgerat im engeren Sinn, das die elektrische GraGe Spannung
in einen Zeigerausschlag oder eine Digitalanzeige verwandelt,
stellt nur einen kleinen Teil des elektronischen Me8gerates
dar.
Daher mUssen, um die Moglichkeiten eines elektronischen MeG
gerates voll auszuschopfen, keine grundsatzlichen MeGfehler
zu mach en und die MeGergebnisse richtig zu interpretieren, das
Geratekonzept und die damit bewirkte Signalverarbeitung be
kannt sein.
Me8gerate und ihre Bedienung gehoren somit zu den wesentlichen
Inhalten des Buches. Der Beschreibung der Uberwiegend herstel
lerunabhangigen Geratekonzepte, die den gegenwartigen Stand
der Hochfrequenzme8technik widerspiegeln, liegen Gerate der
Firmen Hewlett & Packard, Philips, Rohde & Schwarz, Siemens,
Tektronix und Wandel & Goltermann zugrunde.
Das Buch wendet sich an Studenten der Fachhochschulen und
Technischen Universitaten. Aber auch Ingenieure aus der Pra
xis sollen angesprochen werden. Es eignet sich sowohl zum
Nachschlagen einzelner Themen als auch zum systematischen Stu
dium.
Vorausgesetzt werden die Grundlagen der Hochfrequenztechnik.
Um das Lesen des Buches zu erleichtern, wurden einzelne The
men aus den Grundlagen, wie z. B. Gruppenlaufzeit, Spektrum,
Pegel, Symmetrie,in einem Anhang erlautert.
Themen, wie z. B. Me8bereiche und Skala, die zu den Grundla
gen gehoren, wurden in das Buch aufgenommen, weil sie in Dar
stellungen der Grundlagen der MeGtechnik nur sehr kurz erlau
tert werden, fur die Praxis der Hochfrequenzme8technik aber
wichtig sind.
Da die Einsteller elektronischer Gerate nahezu ausschlie8lich
durch englische Bezeichnungen gekennzeichnet sind, werden die-
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se bei der Seschreibung der MeBgerate beibehalten. Die imText
verwendeten englischen FachausdrUcke sind mit einer Erlaute
rung der jeweiligen deutschen Bedeutung in einem Glossar zu
sammengefaBt.
Der Zielsetzung des Suches entsprechend, kommen im Text zahl
reiche Slockschaltbilder vor. Die in ihnen verwendeten Schalt
zeichen haben DIN 40700 zur Grundlage und sind in einer Liste
zusammengestellt.
Besonders hervorheben mochte ich den Beitrag meiner Mitarbei
ter, der Herren Oipl.-Ing. R.Brendel und Dipl.-Ing. P.Vendel,
die durch ihre Anregungen und Hinweise wesentlichen Anteil an
der Entstehung des Buches haben.
Meinen Kollegen von der Fachhochschule Hamburg, insbesondere
Herrn Prof. Dr.-Ing. P. Vaske, danke ich fUr wertvolle Rat
schlage.
Hamburg, Juli 1982 Peter Gerdsen
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I n hal t
1. Einleitung 11
2. MeGverfahren 11
2.1 Besonderheiten der HochfrequenzmeGtechnik 13
2.2 Spannungsmessung 15
2.2.1 Einteilung der elektronischen Voltmeter 16
2.2.2 Gleichrichtung 17
2.2.3 MeGbereiche und Skala 22
2.2.4 Empfindlichkeit 25
2.3 Strommessung 27
2.3.1 Umwandlung mit ohmschem Widerstand 28
2.3.2 Stromzange 28
2.3.3 Thermoumformer 31
2.4 Leistungsmessung 31
2.4.1 Multiplikatoren 32
2.4.2 Absorptionsleistungsmesser 34
2.4.3 Ourchgangsleistungsmesser 35
2.5 Phasenmessung 36
2.5.1 PhasenmaG 37
2.5.2 Gruppenlaufzeit 38
2.5.2.1 Methode von Nyquist 38
2.5.2.2 Vergleichsmethode 38
2.5.2.3 Statische Methode 39
2.6 Frequenzmessung 40
2.6.1 Frequenz 40
2.6.2 Frequenzanderung 41
2.6.2.1 Vergleich mit Resonanzfrequenz bzw.
Laufzeit 41
2.6.2.2 Vergleich mit Bezugsfrequenz 42
2.7 Reflexionsfaktormessung 43
2.7.1 HochfrequenzmeGleitung 43
2.7.2 Richtkoppler 44
2.7.3 BrUckenschaltung 45
2.7.4 Verfahren ohne Richtkoppler 46
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3. Me/3gerate 47
3.1 Signalgeneratoren 47
3.1.1 Frequenzteil 47
3.1.2 Ameli tudenteil 54
3.1. 3 Mo dula ti ons tei 1 57
3.1. 4 Qualitatsmerkmale 58
3.1. 5 Mel3technische Hinweise 60
3.2 8reitbandvoltmeter 61
3.2.1 Verstarkervoltmeter 61
3.2.2 Diodenvoltmeter 64
3.2.3 Mel3technische Hinweise 70
3.3 Selektives Voltmeter 70
3.3.1 GrundsatzlichEr Aufbau 71
3.3.2 Ampli tudenteil 74
3.3.3 Frequenzteil 77
3.3.4 MentEchnische Hinweise 80
3.4 Spektrumanalys5tor 81
3.4.1 Prinzipien 84
3.4.2 Wichtige Gesetzma/3igkeiten 85
3.4.3 Aufbau 91
3.4.4 Ampli tudenteil 92
3.4.5 Frequenzteil 93
3.4.6 Tracking Generator 97
3.4.7 Ablenkteil und Frequenzzahler 99
3.4.8 Betriebsweisen 102
3.4.9 Spezifikationen 102
3.4.10 MeGtechnische Hinweise 103
3.5 Vektorvoltmeter 104
3.5.1 Wirkungsweise 104
3.5.1.1 Frequenzumsetzung 105
3.5.1.2 Signalverarbeitung im ZF-Bereich 107
3.5.2 Me/3moglichkeiten 109
3.5.3 Vektorvoltmeter mit Mikrocomputer 116
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3.6 Netzwerkanalysator 125
3.6.1 Aufbau 127
3.6.2 Wobbelgenerator 12B
3.6.3 Netzwerkanalysator 130
3.6.4 EinschUbe 1 32
3.6.5 MeBschaltungen 140
3.7 PegelmeBplatz 144
3.7.1 Beschreibung 145
3.7.2 Wobbelbetrieb 147
3.B oszilloskop 150
3.B.1 Moglichkeiten der Signalanalyse 150
3.B.2 Beschreibung 156
3.9 Impulsreflektometer 163
3.9.1 Grundlagen 164
3.9.2 Aufbau 16B
3.10 Frequenzzahler 170
3.10.1 Wirkungsweise 170
3.10.2 Aufbau 173
3.10.3 MeBgenauigkeit 175
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Anhang
A1 Symmetrie in der elektrischen Nachrichtentechnik 177
A2 Logarithmische MaGe 180
A3 Mittelwertbildung beim Orehspulinstrument 181
A4 Rauschen 183
AS Vierquadrantenmultiplikator 186
A6 WellengroGen und Streumatrix 189
A7 Richtkoppler 192
A8 Gruppenlaufzeit 194
A9 Spektrum 197
A10 Bandbreite bei der Spektrumanalyse 200
A11 Leistungsteiler 202
Erganzende Bucher 205
Formelzeichen 207
Schaltzeichen der Hochfrequenztechnik 210
Schaltzeichen der Oigitaltechnik 214
Glossar 215
Sachverzeichnis 218
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1. Einleitung
Klassische Darstellungen der HochfrequenzmeGtechnik stellen
die physikalischen Gr~Gen Strom, Spannung, Leistung, Impedan~
Phasenwinkel und Frequenz in den Vordergrund. Hier 5011 das
Messen dieser Gr~Gen in einem Abschnitt behandelt werden. Be
sonderes Gewicht 5011 gelegt werden auf MeGgerate, ihre Be
dienung, ihre MeGmoglichkeiten und die zugeh~rigen MeGschal
tungen.
Voraussetzung fur die erfolgreiche Anwendung der MeGgerate
und das Ausschopfen ihrer Moglichkeiten ist die Kenntnis des
Geratekonzeptes. Es wird mit Blockschaltbildern erklart, die
moglichst einfach, dabei aber gerade so ausfuhrlich sind, daG
- aIle Eingange und Ausgange
- aIle Bedienungsknopfe und Schalter enthalten sind sowie
- die Wirkungsweise soweit durchsichtig wird, wie es fur die
Anwendung wichtig ist.
Den beschriebenen Geraten liegen Konzepte zugrunde, die sehr
weitgehend herstellerunabhangig sind und den gegenwartigen
Stand der HochfrequenzmeGtechnik widerspiegeln. Das Darstel
len der Geratekonzepte hat zwei Grunde:
- Es sollen die Moglichkeiten eines Gerats voll ausgeschopft
werden k~nnen und keine grundsatzlichen MeGfehler gemacht
werden.
Es zeigt einige interessante Prinzipien der Signalverarbei
tung, die auch auf vielen anderen Gebieten Anwendung finden.
2. MeGverfahren
In der Nachrichtentechnik lassen sich gegenuberstellen
- Signale und
- Systeme.
Signale als physikalische Darstellungen von Nachrichten sind
- Spannungen,