DE3911254A1 - Verfahren zur etablierung der komplexen messfaehigkeit homodyner netzwerkanalysevorrichtungen - Google Patents

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Erläuterungen 1. Allgemeine Erläuterungen

In der Wechselstromtechnik ist es häufig erforderlich, Meßgrößen, z. B. Ströme oder Spannungen, nach Betrag und Phasenlage zu vermessen. Die Fähigkeit, Signale nach Betrag und Phase vermessen zu können, wird im allgemeinen und somit auch im weiteren als komplexe Meßfähigkeit oder als vektorielle Meßfähigkeit bezeichnet.

Zur vollständigen Bestimmung der Eigenschaften elektrischer Schaltungen müssen meist mehrere derartige Größen vermessen werden. Geräte, deren Aufgabe das Vermessen dieser Kenngrößen ist, werden als Netzwerkanalysatoren bezeichnet. Sie lassen sich in zwei Gruppen einteilen, und zwar in skalare und vektorielle Netzwerkanalysatoren, je nachdem, ob die interessierenden Größen, d. h. die Netzwerkparameter nur dem Betrage nach oder nach Betrag und Phase bestimmt werden können.

Bei höheren Frequenzen wird es zunehmend schwieriger, die entsprechenden Informationen der Signale zu bestimmen. In der Regel wird dann das zu vermessende Signal durch einen heterodynen Mischprozeß in eine Schwingung niedriger Frequenz umgesetzt, die dann in Amplitude und Phase dem Hochfrequenzsignal proportional ist, also die interessierende Information vollständig enthält.

Derartige, nach heterodynem Prinzip arbeitende Geräte verursachen erhebliche Kosten, so daß oft auf preiswertere homodyn arbeitende Apparaturen ausgewichen wird. Solche Apparaturen arbeiten mit einem einzigen Meßsender und sind sehr robust. Ein Nachteil dieses Detektionsprozesses allerdings ist, daß er nur reellwertige Meßsignale liefert. Im wesentlichen sind dabei zwei Prinzipien verbreitet. Erstens, die Messung der Amplituden, was z. B. durch Detektordioden oder Leistungsmesser möglich ist, z. B. [4], [12]. Zweitens, die Detektion mittels Mischer, die eine dem Realteil des zu vermessenden komplexen Signales proportionale Information liefert [1]. Im Falle skalarer Netzwerkanalysatoren ist es üblich, lediglich mit der Information über den Betrag der Meßsignale zu arbeiten. Diese Vorrichtungen werden hier nicht weiter behandelt.

Zur Realisierung vektorieller Netzwerkanalysatoren muß der Nachteil der reellwertigen Meßsignale ausgeglichen werden. Dazu wird bei der Amplitudendetektion oft auf Interferenzprinzipien zurückgegriffen, bei denen zwei verschiedene Signale in unterschiedlicher Weise superponiert werden. Bei genügend vielen Superpositionen ist es dann möglich, auf das Verhältnis der beiden Signale - oder einer dazu proportionalen Größe - zu schließen. Demgegenüber wird bei der Mischerdetektion meist der Weg beschritten, daß das zu vermessende Signal einmal direkt und einmal phasenverschoben vermessen wird. Verfahren zur Etablierung der komplexen Meßfähigkeit von Meßvorrichtungen mit Mischerdetektion sind Gegenstand des vorliegenden Antrages.

2. Detektionsprinzipien

Zur Erläuterung des Detektionsvorganges sei die Anordnung gemäß Bild 1 betrachtet. Die Amplituden des am Mischer 1 anliegenden und zu detektierenden Signales a und des Lokaloszillatorsignales b seien so gewählt, daß der Mischer im linearen Betrieb arbeitet, also

|a|«|b|

gilt. Dann beträgt die durch den Tiefpaß 2 herausgefilterte Gleichspannung U im eingeschwungenen Zustand

wobei η der reelle Mischerkonversionswirkungsgrad sei. Durch eine geeignete Wahl der Bezugsebenen ist immer erreichbar, daß

U = η Rea (2)

gilt. Ferner kann ohne Einschränkung der Allgemeinheit der Mischerkon­ versionswirkungsgrad zu eins angenommen werden ( η = 1), da er sich gedanklich in die Kalibiergrößen verlagern läßt, die ebenfalls nicht bekannt sind und durch entsprechende Messungen bestimmt werden müssen.

Der Mangel der fehlenden komplexen Meßfähigkeit - U in (2) ist nur eine reelle Größe - kann auf verschiedene Art und Weise behoben werden, dazu einige erläuternde Vorüberlegungen anhand Bild 2.

Das zu detektierende Signal a wird in dem Signalteiler 3 in zwei Teile aufgeteilt, wobei

a₁=a, a₂=ka (3)

gilt. Analog zu (2) betragen dann die durch die Tiefpässe 5 und 6 herausgefilterten Gleichspannungen

U₁=Rea, U₂=Re{ka}. (4)

Durch Einsetzen läßt sich zeigen, daß mit

U(p) = U₁+pU₂ (5)

dann eine fiktive, zu a proportionale und damit komplexwertige Größe gebildet wird, wenn

gilt. Hierin ist k die effektive Phasenverschiebung, die durch den Phasenschieber 7 erzeugt wird. Ein besonders günstiger Fall ist k = e^-j90°, so daß p = j und U(p) = U₁+jU₂ ist. Aber auch der allgemeine Fall, daß |k|≠1 und arc(k)≠±90° ist, ist mit (5) und (6) erfaßt, wobei einschränkend Imk≠0 zu fordern ist.

Eine Problematik ist durch den Umstand gegeben, daß die Charakteristik des Phasenschiebers im allgemeinen nicht a priori bekannt ist, so daß die effektive Charakteristik des Phasenschiebers oder wegen (6) gleichbedeutend der komplexe Wichtungsfaktor p auf geeignete Weise meßtechnisch bestimmt werden muß. Verbreitet ist die Vorgehensweise, für k einen Näherungswert anzunehmen und eventuelle Fehler in Kauf zu nehmen. Ein solcher Näherungswert kann durch externes Vermessen des Phasenschiebers bereitgestellt werden. Dies ist deshalb nur ein Näherungswert, weil auf Grund der Verkopplungen des Phasenschiebers mit seiner Beschaltung - z. B. durch Mehrfachreflexionen - im aktuellen Meßaufbau eine andere effektive Phasenverschiebung wirksam wird als in der externen Meßapparatur. Die effektive Charakteristik k des Phasenschiebers muß also in situ bestimmt werden. Nach dem Stand der Technik kann das z. B. dadurch geschehen, daß durch Hinzunahme unbekannter binärer Phasenschieber zusätzliche Phasenverschiebungen erzeugt werden, so daß genügend Meßwerte zur Verfügung stehen, um die interessierende Größe k oder auch sogleich p bestimmen zu können, [9]. Die Verfahren, für die mit dem vorliegenden Antrag patentrechtlicher Schutz begehrt wird, zeichnen sich durch breitere Verwendbarkeit, eine geringere Zahl der zusätzlich benötigten Bauteile, deutlich geringere Anforderungen an diese selbst und deutlich geringere Anforderungen an deren Zusammenschaltung aus. Ferner beschränken sich die Verfahren nicht auf ein komplexes Voltmeter, sondern beziehen sich auf vollständige Netzwerkanalysatoren, die meist mehrere verschiedene derartige Meßstellen aufweisen. Nach der Anwendung der Verfahren ist dann sogleich bei allen Meßstellen die komplexe Meßfähigkit etabliert.

Zur Erläuterung dieser Verfahren soll die Anordnung zunächst noch etwas verallgemeinert werden, wozu in Bild 2 die Knoten 3 und 4 der Leistungsaufteilung und der Phasenschieber 7 näher betrachtet werden. Die Funktionen 3 und 7 können oft von einem Bauteil 8 übernommen werden, was im Hochfrequenzbereich z. B. durch einen Koppler möglicht ist. Es sei darauf hingewiesen, daß 8 und 4 auch vertauscht werden dürfen, sich damit aber keine prinzipiellen Unterschiede ergeben, so daß im weiteren immer nur eine Variante beschrieben werden wird.

Wie die Kombination auch immer gewählt wird, es kann analog zu (5) eine komplexe Ersatzmeßgröße U(p) gebildet werden, die zur eigentlichen Meßgröße a in Amplitude und Phase proportional ist,

a∼U₁+pU₂=U(p), (7)

wobei ein eventuell vorhandener Proportionalitätsfaktor wie bereits beschrieben behandelt wird. Der Wichtungsfaktor p ist, wie bereits erwähnt, a priori nicht bekannt, so daß die Ersatzmeßgröße U(p), die folglich nur formal gebildet werden kann, immer in Abhängigkeit von diesem Wichtungsfaktor zu notieren ist.

In Abwandlung der bisherigen Schaltung kann statt der Signalaufteilung in 8 und der Detektion mit den Mischern 9 und 10 eine zeitlich nicht parallel, sondern seriell arbeitende Detektionsstelle verwendet werden.

Dazu werde die in Bild 3 dargestellte Anordnung betrachtet. Das zu detektierende Signal a - oder aber auch hier wieder das Lokaloszillatorsignal b - wird nun über einen schaltbaren binären Phasenschieber (BSP) 11, der reproduzierbar zwei verschiedene Zustände annehmen kann, einem Mischer 12 zugeführt. Dabei hat der Phasenschieber im ersten Zustand den Übertragungsfaktor c₀ und im zweiten kc₀. Auch hier ist |k|≠1 zulässig, was z. B. durch eine parasitäre Amplitudenmodulation des binären Phasenschalters hervorgerufen werden kann. Nicht zulässig ist allerdings die Verkopplung des Phasenschalters mit anderen zeitvarianten Elementen der Meßapparatur, was einen gewissen Nachteil dieser Variante darstellt.

Die tiefpaßgefilterte Mischerausgangsspannung betrage im ersten Zustand des Phasenschalters die Spannung U₁ und nach dem Umschalten in zweiten U₂. Auch hier gilt wieder

Neben den bisher erwähnten Fällen läßt sich die verwendete mathematische Darstellung auch für prinzipiell andere Anordnungen finden, so daß auch diese in das Konzept der Erfindung eingepaßt werden können. Dazu sei Bild 4 betrachtet, wo entweder das zu detektierende Signal a - oder aber auch hier wieder das Lokaloszillatorsignal b - mittels eines Einseitenbandversetzers (ESB) 13 um die Frequenz f _ZF versetzt dem Mischer zugeführt wird. Das Mischerausgangssignal seinerseits wird mit einem Bandpaß 15 der Mittenfrequenz f _ZF gefiltert, so daß dann ein Zwischenfrequenzsignal, das idealerweise - wie bei einem heterodynen Mischprozeß - dem zu detektierenden Signal in Amplitude und Phase proportional ist, zur Verfügung steht. Die gemessene komplexe Spannung sei mit U _ZF bezeichnet, für die

U _ZF∼b (9)

gilt, die im Regelfall aber wegen der nur endlich guten Unterdrückung des Spiegelbandes gestört ist. Das drückt sich darin aus, daß ein dem konjugiert komplexen Signal proportionaler Störterm existiert,

U _ZF∼b + s _e b*, (10)

der um so kleiner ist, je kleiner der komplexe Schiefheitsfaktor s _e des des Ein­ seitenbandvernetzers ist. Durch algebraische Umformungen findet man

so daß auch diese Detektionsweise formal wie die anderen bisher beschriebenen behandelt werden kann.

Nachdem nun verschiedene Detektionsprinzipien vorgestellt sind, auf die die folgenden Verfahren angewendet werden können, und für alle eine einheitliche Beschreibung eingeführt ist, wird im folgenden für alle stellvertretend ein "komplex messender homodyner Detektor" (KHD) 16 verwendet, der durch einen Parameter, den Wichtungsfaktor p, gekennzeichnet ist, Bild 5. Dabei ist zu beachten, daß im allgemeinen jeder Detektor durch einen anderen Wichtungsfaktor zu kennzeichnen ist. Nur in Sonderfällen, die besonders erwähnt werden, kann von gleichen Wichtungsfaktoren ausgegangen werden.

3. Reflektometerschaltungen

Die Etablierung der komplexen Meßfähigkeit ist gleichbedeutend mit der Bestimmung der die Meßstellen, d. h. die KHD, kennzeichnenden Wichtungsfaktoren. Wie bereits erwähnt, hat dies in situ zu geschehen und soll zunächst an einem relativ einfachen, aber recht verbreitet Anwendung findenden Meßsystem erläutert werden.

Ein-Meßstellen-Reflektometerschaltungen

Das Meßsystem ist in Bild 6 skizziert und ist Stand der Technik, nicht aber das erfundene Verfahren der Etablierung der komplexen Meßfähigkeit. Die von der Quelle 20 gelieferte Energie wird in 21 in ein Meßsignal 22 und ein Lokaloszillator 23 aufgeteilt. Das Meßsignal wird zum Meßtor 24 geleitet, an dem das Meßobjekt bzw. die Reflexionsstandards 25 angeschlossen werden. Das dort reflektierte Signal wird durch einen Koppler oder eine Ähnliches leistende Vorrichtung 26 ausgekoppelt und dem KHD 27 zugeführt, der, falls der Parameter p korrekt gewählt wurde, die komplexe Ausgangsspannung gemäß U(p)∼a liefert. Es gilt nun, den Wichtungsfaktor p zu bestimmen, ohne daß der Aufwand an exakt bekannten Reflexionsstandards über die Zahl derer hinausgeht, die für die Systemfehlerkalibrierung ohnehin erforderlich sind. Bei einem Reflektometer sind dies drei Standards [8]. Als vertretbaren Mehraufwand sind Reflexionsstandards anzusehen, die weder in Amplitude noch im Winkel bekannt zu sein brauchen, also gänzlich unbekannte Standards sind. Folglich ist es Ziel, die Bestimmung des Wichtungsfaktors von der Systemfehlerkorrektur zu trennen und bei ersterer ausschließlich mit unbekannten Standards zum Ziel zu kommen. Bei der Systemfehlerkorrektur selbst wird dann analog zu heterodynen Systemen vorgegangen.

Wesentlich für die erzeugte fiktive Ersatzmeßgröße U(p) ist folglich, daß sie geeignet ist, als Meßgröße zu dienen, mit der das System kalibrierbar ist. Das bedeutet, daß zwischen der am Meßtor 24 angeschlossenen Reflexion r 25 und der Größe U(p) ein ähnlicher Zusammenhang besteht wie zwischen r und a, der eigentlichen Meßgröße. D. h., es muß der bekannte bilineare Zusammenhang

bestehen. Wenn dies gewährleistet ist, gilt auch die als Möbius-Transformation bezeichnete Beziehung

wobei r₁ . . . r₄ vier verschiedene Reflexionen sind, die an das Meßtor 24 angeschlossen werden, und die U₁(p) . . . U₄(p) sind die zugehörigen komplexen Ersatzmeßgrößen.

Werden dieselben Reflexionen als Belastung eines beliebigen, nicht trivialen Zweitores 28, dessen Eigenschaften nicht bekannt zu sein brauchen, verwendet, so gilt eine ebensolche Beziehung zwischen denselben Reflexionen r₁ . . . r₄ und dem Betriebseingangsreflexionsfaktor Γ des Zweitores:

Wird dieses so belastete Zweitor an das Meßtor 24 angeschlossen, kommt es zu den Spannungen U′₁(p), . . . U′₄(p), und es gilt

und in Verbindung mit (13)

Einsetzen von (7) führt zu einer charakteristischen Gleichung für den Parameter p, die sich letztlich als Gleichung 4. Grades in p darstellt,

α₄p⁴+α₃p³+α₂p²+α₁p+α₀=0, (17)

worin die Koeffizienten α₀ . . . α₄ ausschließlich aus den gemessenen Spannungen zusammengesetzt sind und somit reell sind. Demzufolge können entweder

-zwei konjugiert komplexe Lösungspaare oder
-ein konjugiert komplexes Lösungspaar und zwei reelle Lösungen oder
-vier reelle Wurzeln

existieren.

Der Fall der vier reellen Wurzeln kann nicht auftreten, da das "richtige" p, für das Im p ≠ 0 gilt, auch Lösung ist, so daß mindestens eine komplexe Lösung, dann aber wegen des Fundamentalsatzes der Algebra auch eine zweite komplexe Wurzel existiert, nämlich die konjugiert komplexe. Es zeigt sich, daß zwei reelle Lösungen existieren sowie ein konjugiert komplexes Lösungspaar. Die richtige Lösung ist wie gesagt unter den komplexwertigen zu suchen. Die Unsicherheit, welche der beiden komplexwertigen Lösungen die gesuchte ist, ist typisch für derartige Differenzphasenkonzepte und kann leicht durch eine grobe Konstruktionskenntnis der Detektionsvorrichtung KHD oder mittels Kausalitätsüberlegungen beseitigt werden.

Mit dem so bestimmten Wichtungsfaktor p läßt sich die fiktive komplexe Meßgröße U(p) derart bilden, daß (12) gilt und somit das Meßsystem kalibrierbar und als Meßgerät einsetzbar ist, Anspruch 2 und Anspruch 3. In Abwandlung dieses Anspruches ist es möglich, für die unbekannten Reflexionen - oder zumindest für einen Teil derer - die Reflexionsstandards zu verwenden, die bei der Systemfehlerkorrektur Verwendung finden, so daß auch die zugehörigen Meßwerte unmittelbar für die Etablierung der komplexen Meßfähigkeit herangezogen werden können. Damit reduziert sich der Mehraufwand auf eine unbekannte Reflexion, Anspruch 20.

Darüber hinaus besteht die Möglichkeit, den Wichtungsfaktor zusammen mit der Systemfehlerkalibrierung mit vier bekannten Reflexionsstandards, also einen zusätzlichen bekannten Standard für den Wichtungsfaktor, zu bestimmen, so daß auf das zusätzliche Zweitor verzichtet werden kann, Anspruch 10.

Stand der Technik ist die Möglichkeit, den Wichtungsfaktor mit der Anzahl von acht - mindestens aber fünf - in ihrer Amplitude unbekannten, aber identischen (!) und in ihrer Phase unbekannten, aber verschiedenen Re­ reflexionsstandards zu bestimmen, [10]. In Abgrenzung dazu arbeitet das hier vorgeschlagene Verfahren mit weniger Standards, nämlich vier, die außerdem noch alle völlig unbekannt sein dürfen, was deutlich geringere Anforderungen an die Herstellung der Standards stellt.

Zwei-Meßstellen-Reflektometerschaltungen

Das soeben beschriebene Verfahren setzt allerdngs voraus, daß die Signalquelle 20 in ihrer Amplitude konstant bleibt. In vielen Fällen kann dies in hinreichendem Maße durch technische Maßnahmen erreicht werden. Im Zweifelsfalle oder bei höheren Anforderungen muß jedoch auch jeweils ein Maß für die auf das Meßobjekt emittierte Welle gewonnen werden.

Dazu sei Bild 7 betrachtet. Ein Sender 30 speist neben dem Lokaloszillatorzweig 31, 32 ein Viertor 33, an das neben dem Meßobjekt 34 zwei KHD 35, 36 angeschlossen sind, welche beliebig fehlangepaßt sein dürfen und deren Reflexionsfaktoren mit r₃₅ und r₃₆ bezeichnet seien. Das Viertor ist im Inneren beliebig aufgebaut, allerdings unter der Maßgabe, daß die Meßwerte der KHD nicht linear voneinander abhängig sind. Naheliegenderweise wird vorgeschlagen, einen KHD vorwiegend mit hinlaufender und einen KHD vorwiegend mit reflektierter Welle zu versorgen.

Für das Viertor gilt allgemein

was unter den Randbedingungen

a₃ = rb₃, a₂ = S₃₅ b₂, a₄ = r₃₆ b₄, U₁(p₁)∼b₂, U₂(p₂)∼b₄ (19)

algebraisch umgeformt wird zu

woraus letztlich

gewonnen wird.

Im Falle, daß sowohl U₁(p₁) als auch U₂(p₂) durch Veränderungen der Reflexion r am Meßtor beeinflußt werden können, besteht die Möglichkeit, diese zwei Größen getrennt voneinander jeweils wie bei dem Ein-Meßstellen­ Reflektometer zu behandeln, Anspruch 4 und Anspruch 5. Anderenfalls wird mit der Größe Γ (p₁, p₂) analog zu U(p) in (12) verfahren, wobei allerdings durch vier andere unbekannte Reflexionen oder ein anderes Zweitor weitere Informationen zur Verfügung zu stellen sind, Ansprüche 6, 7, 8 und 9. Da es sich hier im wesentlichen um mathematischen Mehraufwand handelt, wird an dieser Stelle nicht weiter darauf eingegangen.

Statt dessen soll ein im Aufwand an Kalibrierstandards erheblich günstigeres Verfahren näher erläutert werden, Anspruch 11. Zu diesem Zwecke sei die Anordnung gemäß Bild 8 betrachtet, die durch Einfügung des Zweitores 38 aus der in Bild 7 hervorgeht. Das hinzugekommene Zweitor wird nur zur Etablierung der komplexen Meßfähigkeit benötigt, kann zwei verschiedene Zustände annehmen, braucht aber nicht reproduzierbar zu arbeiten.

Im Zustand I dieses Zweitores werden bei einer ersten beliebigen Reflexion am Meßtor 37 an den Detektoren 35 und 36 die Spannungen U₁(p₁) und U₂(p₂) gemessen, im Zustand II sind es U′₁(p₁) und U′₂(p₂). Da das Umschalten bewirkt, daß sich alle Wellengrößen im Viertor um einen unbekannten, aber gemeinsamen Faktor t ändern, was wegen der Proportionalität gemäß (7) auch für die Ersatzgrößen U₁(p₁) und U₂(p₂) gilt, bestehen die Zusammenhänge

Durch Quotientenbildung wird eine charakteristische Gleichung gewonnen:

→U₁(p₁)U′₂(p₂)-U′₁(p₁)U₂(p₂) = O. (24)

Da es sich um zwei komplexe Unbekannte handelt, die zu bestimmen sind, muß eine zweite derartige Gleichung bereitgestellt werden, was durch das Anbringen einer anderen, aber ebenso beliebigen und unbekannten Reflexion an das Meßtor 37 geschieht.

Elimination von z. B. p₂ führt auf eine quadratische Gleichung zur Bestimmung von p₁:

a₂p²₁+a₁p₁+a₀=0. (25)

Da die Koeffizienten ausschließlich aus den reellwertigen Mischerausgangsspannungen bestehen, wird unter Berücksichtigung der Erläuterungen von oben nur konjugiert komplexes Lösungspaar als Wurzeln in Frage kommen. Die Wahl zwischen diesen beiden Lösungen ist in der bereits beschriebenen Weise zu treffen. Mit dem so bestimmten p₁ kann via (24) p₂ berechnet werden, so daß die Größen U₁(p₁) und U₂(p₂) tatsächlich gebildet werden können.

Damit ist die komplexe Meßfähigkeit etabliert, Anspruch 11.

Auch hier besteht wieder die Möglichkeit, als konkrete Realisierung der beliebigen unbekannten Reflexionen die ohnehin für die Systemfehlerkalibrierung erforderlichen Standards zu verwenden, Anspruch 20.

In allen Fällen kann das Zweitor 38 für den weiteren Betrieb der Meßvorrichtung in einem beliebigen Zustand verharren oder auch entfernt werden.

Beliebig verkoppeltes Reflektometer

Zur Erläuterung von Anspruch 12 werde eine allgemeinere Meßvorrichtung betrachtet.

Den Ausführungen liege Bild 9 zu Grunde. Die Quelle 30 speise über das Zweitor 38, das in zwei verschiedene Zustände versetzt werden kann, die nicht näher bekannt und nicht reproduzierbar zu sein brauchen, ein Gebilde mit sechs Toren 39, von denen vier mit den Mischern 40, 41, 42 und 43 als Detektoren beschaltet sind und eines das Meßtor 44 sei, an das verschiedene Reflexionen 45 u. a. auch das Meßobjekt anzuschließen sind. In diesem allgemeinen Fall, der beliebige Verkopplungen der innerhalb des Sechstores zuläßt, ist die Beschreibung der KHD nicht mehr mit nur einem komplexen Wichtungsfaktor möglich. Daher muß hier das bisher verwendete Konzept der KHD verlassen und eine neue Beschreibung verwendet werden.

Das Sechstor kann intern beliebig aufgebaut sein unter der Bedingung, daß die vier Meßwerte, die die Mischer liefern, nicht linear voneinander abhängig sind. Damit besteht eine gewisse Ähnlichkeit zu dem sogenannten Sechstor­ verfahren [4], die sich aber auf diese selbstverständliche Bedingungen beschränkt. Die Meßprozedur und das Detektionsprinzip unterscheiden sich erheblich und - so wird sich noch zeigen - übertreffen sowohl in der gelieferten Information als auch in der Meßdynamik das dort vorgeschlagene Verfahren.

Das physikalisch vorliegende Sechstor, die Fehlanpassungen und die Wirkungsgrade der Detektoren werden ohne Beschränkung der Allgemeinheit gedanklich analog zu (18)-(20) zu einem neuen fiktiven Sechstor zusammengefaßt. Dann gilt für die Wellengrößen an den Toren des fiktiven Sechstores a₁=a₂=a₃=a₄=0, und zwischen den von null verschiedenen Wellengrößen besteht dann der Zusammenhang

der sich durch algebraische Umformungen auf den Sachverhalt

konzentrieren läßt, wobei die Koeffizienten γ _ÿ ausschließlich von den Parametern des Sechstores und der Detektoren abhängen, also charakteristisch für die Meßanordnung sind.

Da es sich bei der Detektion der Wellengrößen b₁ . . . b₄ um einen kohärenten Mischprozeß handelt, sind lediglich reellwertige Meßgrößen verfügbar, und zwar gemäß den Vorüberlegungen zu (2) und (4)

U₁=Reb₁, U₂=Reb₂, U₃=Reb₃, U₄=Reb₄. (28)

Die Verbindung von (27) mit (28) liefert

Reb₃=Re{γ₁₁b₁ + q₁₂b₂}=Re{γ₁₁b₁}+Re{γ₁ ₂b₂}
=Reγ₁₁ Reb₁-Imγ₁₁ Imb₁ +Reγ₁₂ Reb₂-Imγ₁₂ Imγ₁₂ Imb₂, (29)

Reb₄=Re{γ₂₁b₁ + q₂₂b₂}=Re{γ₂₁b₁}+Re{γ₂₂b₂}
=Reγ₂₁ Reb₁-Imγ₂₁ Imb₁ +Reγ₂₂ Reb₂-Imγ₂₂ Imb₂, (29)

was durch algebraische Umformungen übergeht in

worin die α _i , β _i reelle, ausschließlich von den Parametern des Sechstores und der Detektoren abhängende, unbekannte Konstanten des Meßsystemes sind und die U _i die gemessenen reellwertigen Spannungen sind.

Formal werden damit die Wellen b₁ und b₂ gemäß

rekonstruiert.

Durch Änderung des Zustandes des Zweitores 38 wird wieder bewirkt, daß sich alle Wellengrößen im Sechstorgebilde um einen unbekannten, aber gemeinsamen Faktor t verändern, der in erster Linie von den Eigenschaften des Zweitores abhängt, aber auch von den Parametern des Sechstores und der Detektoren, ja sogar von der jeweils aktuell am Meßtor angeschlossenen Reflexion beeinflußt wird.

Analog zu (33) und (34) wird

notiert, wobei die U′ _i die in diesem Zustand meßbaren reellwertigen Mischer­ ausgangsspannungen sind.

Durch Division wird eine charakteristische Gleichung hergeleitet:

Da diese Gleichung komplexwertig ist, werden zur Bestimmung der acht reellen Konstanten α _i , β _i vier Gleichungen dieses Typs benötigt, die durch das Anschließen von vier verschiedenen unbekannten Reflexionsstandards zur Verfügung gestellt werden.

Dieses Gleichungssystem hat als Lösungen zwei Sätze von α _i , β _i ,

{a _1,1, α _1,2, α _1,3, α _1,4, β _1,1, β _1,2, b _1,3, β _1,4} (41)

und

{α _2,1, α _2,2, α _2,3, α _2,4, β _2,1, β _2,2, β _2,3, β _2,4} (42)

wobei diese durch Multiplikation mit -1 ineinander übergehen,

α _1,i =-α _2,i , β _1,i =-β _2,i , i = 1, 2, 3, 4. (43)

Zur Auswahl des richtigen Satzes werden beide in (33) und (35) (bzw. (34) und (36)) eingesetzt, so daß der Faktor t durch Quotientenbildung

rekonstruiert werden kann, wobei sich natürlich zwei verschiedene Werte ergeben. Hierbei gilt wegen (43)

t₁=t*₂, (46)

was eine Doppeldeutigkeit im weiter oben bereits diskutierten Sinne ist, die wieder mit denselben Überlegungen beseitigt wird.

Somit stehen die Parameter α _i , β _i zur Rekonstruktion der komplexen Wellengrößen b₁ und b₂ mittels (33) und (34) zur Verfügung, so daß die komplexe Meßbarkeit etabliert ist.

Mit den zwei komplexen Wellengrößen b₁ und b₂ wird - wie noch gezeigt werden wird - in die nachfolgende Systemfehlerkalibrierung eingestiegen, wenn die beschriebene Schaltung Teil einer Zweitormeßvorrichtung ist. Lediglich beim Betrieb der Vorrichtung als einzelnes Reflektometer wird noch die Ersatzgröße

gebildet, die dann als Meßgröße für die nachfolgende Systemfehlerkalibrierung dient. Soweit die Erläuterung zu Anspruch 12.

An dieser Stelle sei auf einen wesentlichen Unterschied zum Stand der Technik, dem konventionellen Sechstorverfahren mit Leistungsmessern, hingewiesen:

Mit den erfundenen Verfahren gelingt es, zwei Wellengrößen separat zu rekonstruieren, nämlich z. B. b₁ und b₂, während das dortige nur eine, nämlich den Quotienten Γ = b₁/b₂, liefert. Dieser Vorteil hat bei der Verschaltung zweier solcher Reflektometer zu einem für Mehrtormessungen geeigneten Doppelreflektometer weitreichende Konsequenzen. Darauf und auf weitere entscheidende Vorteile wird am Ende der Erläuterungen weiter eingegangen.

4. Doppelreflektometerschaltungen

Nachdem bisher Reflektometerschaltungen erläutert wurden, soll nun zu Doppelreflektometeranordnungen übergegangen werden. Diese bestehen aus zwei einzelnen Reflektometern, so daß Zweitore oder auch Mehrtore vermessen werden können.

Zur Etablierung der komplexen Meßfähigkeit kann zum einen jedes der Re­ flektometer einzeln betrachtet werden. Es ergeben sich in diesem Falle keine Änderungen gegenüber dem bisher Gesagten. Ferner können die bekannten oder unbekannten Reflexionen durch bekannte oder unbekannte Zweitore ersetzt werden. Das erspart Arbeitsaufwand und unter Umständen auch Rechenaufwand, bedeutet aber auch keinen grundsätzlichen Unterschied. Daher werden die Erläuterungen der Doppelreflektometeranordnungen auf qualitativ andersartige Vorgehensweisen beschränkt.

Um einen Einstieg in die Problematik zu ermöglichen, sei zunächst nochmals auf den Teil der Vorrichtung eingegangen, in dem komplexwertige Signale existieren. Vor diesem Hintergrund werden dann die für homodyne Systeme charakteristischen Zusammenhänge erläutert.

Allgemeine Erläuterungen

Den Ausführungen liege ein Modell nach Bild 10 zu Grunde. Die Signalquelle 50 speist ein Dreitor 51, welches die Energie auf die beiden Meßzweige aufteilt. Das Dreitor hat zwei Umstände unterschiedlicher Signalaufteilung, die z. B. durch einen Umschalter realisiert werden können. Alternativ dazu sei auf die Möglichkeit hingewiesen, daß das Dreitor 51, die zwei verschiedenen Zustände auch zeitlich parallel realisiert. Dazu versieht es die zwei Ausgangssignale mit verschiedenen Modulationen, so daß die zu den zwei Zuständen gehörigen Informationen nun gleichzeitig zur Verfügung stehen. Bei vielen Anwendungen ist es aber nicht zulässig, das Meßobjekt 54 mit modulierten Signalen zu beaufschlagen, so daß alle Erläuterungen auf der Grundlage der zeitseriellen Realisierung vorgenommen werden.

Zwischen Dreitor 51 und den von außen zugänglichen Meßtoren 55 und 56, an die das Meßobjekt 54 angeschlossen wird, ist jeweils ein Viertor 57 und 58 angeordnet. An Tor 2 und Tor 4 der Viertore 57 bzw. 58 werden nach Betrag und Phase messende Signaldetektoren 59 und 60 bzw. 61 und 62 angeschlossen, welche fehlangepaßt sein dürfen.

Das Viertor 57, das Meßtor 55 und die Detektoren 59 und 60 werden gedanklich ohne Einschränkung der Allgemeinheit durch Verlagerung der Bezugsebenen als ein die Unzulänglichkeiten von 55, 59 und 60 mit einschließendes Viertor und zwei ideal arbeitende Detektoren interpretiert. Zwischen den komplexen Wellenamplituden an den Toren dieses Viertores bestehen dann die Zusammenhänge (vgl. (18)-(20))

b _1A = S _11A a_1A + S _13A a_3A (48)
b _2A = S _21A a_1A + S _23A a_3A (49)
b _3A = S _31A a_1A + S _33A a_3A (50)
b _4A = S _41A a_1A + S _43A a_3A (51)

die auf die Form

gebracht werden.

Bei der Beschreibung des aus 56, 58, 61 und 62 bestehenden Teiles der Meßvorrichtung wird analog zu oben vorgegangen. Die Zusammenhänge zwischen den komplexen Wellenamplituden an den Toren des dabei entstehenden Viertores

b _1B = S _11B a_1B + S _13B a_3B (53)
b _2B = S _21B a_1B + S _23B a_3B (54)
b _3B = S _31B a_1B + S _33B a_3B (55)
b _4B = S _41B a_1B + S _43B a_3B (56)

werden auf die Form

gebracht.

Zur Beschreibung des Zusammenwirkens der bisher beschriebenen Teilsysteme betrachte man ein zwischen die Meßtore 55 und 56 geschaltetes Zweitor mit der Transmissionsparametermatrix T,

das aufgrund der Randbedingungen

b₁ = a _3A , a₁ = b _3A , a₂ = b _1B und b₂ = a _1B (58)

unter Verwendung von (52) und (57) zu

führt.

Gleichung (60) beschreibt die Anordnung in dem ersten der beiden Zustände, die das Dreitor 51 annehmen kann. Die Kenngrößen beider Zustände dürfen vollständig unbekannt sein, es muß lediglich gewährleistet sein, daß sie zu linear unabhängigen Meßwerten führen. Der Betrieb der Meßvorrichtung in ihrem zweiten Zustand zieht geänderte Meßwerte nach sich, die ein ′ zur Kennzeichnung tragen sollen, so daß analog zu (60) nun

gilt. Die Vereinigung der zwei Vektorgleichungen führt zur Matrixgleichung

die als

M = A T B ^-1 (63)

geschrieben wird, worin

sich aus Meßwerten zusammensetzt und

bedeuten.

Sind die Elemente der Matrizen A und B bekannt, lassen sich aus den Meßwerten

MX = A NX B ^-1 (66)

zu einem unbekannten Meßobjekt mit der Transmissionsmatrix NX die Parameter des Meßobjektes über

NX = A ^-1 MX B (67)

bestimmen. Die Ermittlung der Matrizen A und B ist die Aufgabe einer Systemfehlerkorrektur, also nicht Gegenstand dieser Erläuterungen. Hier kann davon ausgegangen werden, daß sie nötigenfalls bestimmbar sind, z. B. mit Verfahren gemäß [2], [3], [4], [6]. Gegenstand des vorliegenden Antrages sind Verfahren zur Bereitstellung geeigneter komplexwertiger Meßwertmatrizen mit homodyn arbeitenden Meßapparaturen.

Kalibrierung über unbekannte externe Standards

Zur Erläuterung dieser Verfahren wird auf verschiedene Fälle eingegangen, die bei homodyn arbeitenden Anordnungen eintreten können. Dazu werden die interessierenden Signale, b _2A , b _4A , b _2B , b _4B , komplex messenden homodynen Detektoren (KHD) zugeführt. Das heißt, daß die komplexen Meßstellen 59, 60, 61 und 62 durch KHDs ersetzt werden. Diese sind jeweils durch einen unbekannten Wichtungsfaktor gekennzeichnet, die im allgemeinen verschieden voneinander sind und im Wichtungsvektor p = (p₁, p₂, p₃, p₄) formal notiert seien.

Analog zu (60)-(62) kann

und damit über die Vereinigung der zwei Vektorgleichungen die Matrixgleichung

bzw.

M _A(p) = A T B ^-1 M _B(p)→M _A(p) M _B(p)^-1 = M(p) = A -T B ^-1 (71)

formuliert werden, womit eine Darstellung gefunden ist, die dem komplexwertigen Problem gleicht, allerdings in parametrisierter Form.

Es werden nun zwei beliebige, aber verschiedene Zweitore mit den unbekannten Transmissionsmatrizen N 1 und N 2 vermessen, deren zugehörige Meßwerte in

M 1 (p) = A N 1 B ^-1 (72)
M 2 (p) = A N 2 B ^-1 (73)

in Abhängigkeit von dem noch unbekannten Wichtungsvektor p notiert seien, womit

Q(p) = (M 2 _A (p) M 2 _B (p)^-1) (M 1 _A (p) M 1 _-B (p)^-1)^-1 (74)

gebildet wird. Für die Determinante von Q(p) gilt

Ferner läßt sich über det Q(p) eine weitere Aussage machen, nämlich

Sind nun N 1 und N 2 zu reziproken Netzwerken gehörende Transmissionsmatrizen, dann gilt

det N 1 = det N 2 = 1, (77)

und es kann

bzw.

det M 2 _A (p) det M 1 _B (p)-det M 2 _B (p) det M 1 _A (-p) 0 (79)

gefordert werden.

Reziprozität ist eine physikalische Grundeigenschaft, die mit elementaren Forderungen gesichert werden kann. So sind z. B. passive Gebilde aus isotropen Materialien immer reziprok, unabhängig von der konkreten Ausführung und der Komplexität des Gebildes. Das heißt, daß die Reziprozität und damit die Gültigkeit von (77) ohne technischen Aufwand immer gesichert werden kann.

Nun zu einigen Spezialfällen.

Einzel-p-Verfahren

Durch konstruktive Maßnahmen läßt sich (näherungsweise) erreichen, daß alle KHD durch ein und denselben Wichtungsfaktor gekennzeichnet sind, p _i = p, i = 1,2,3,4. Das kann z. B. dadurch erreicht werden, daß die Phasenschalter der KHD im Lokaloszillatorzweig angeordnet werden und nicht jeder KHD über einen separaten Phasenschalter verfügt, sondern diese Funktion von einem einzigen Phasenschalter möglichst geringer parasitärer Amplituden­ modulation für alle gemeinsam wahrgenommen wird. Inwieweit die Annahme der identischen Wichtungsfaktoren in der Tat erfüllt ist, kann notfalls durch die ebenfalls erfundenen allgemeineren Verfahren nachgeprüft werden.

Zur Bestimmung des gemeinsamen Wichtungsfaktors p wird aus (79) durch algebraische Umformungen die charakteristische Gleichung

a₄p⁴ + a₃p³ + a₂p² + a₁p + a₀ = 0 (80)

hergeleitet, deren reelle Koeffizienten a _i sich ausschließlich aus den gemessenen Spannungen zusammensetzen. Die Gleichung (80) ist durch geeignete Verfahren zu lösen. Gute Ergebnisse sind z. B. mit der Müller-Methode [11] zu erzielen.

Es kann jedoch auch alternativ ein linearer Weg beschritten werden, der auf Kosten eines weiteren Kalibrierstandards eine einfachere mathematische Vorgehensweise ermöglicht.

Mit dem so bestimmten Wichtungsvektor p werden gemäß (70)-(71) die komplexen Signale und Meßwertmatrizen rekonstruiert, so daß wie im komplexen Fall fortgeschritten werden kann, Anspruch 13.

In Abwandlung von Anspruch 12 werden für die zwei bzw. drei benötigten Zweitore jene genommen, die durch die erforderlichen Messungen für die System­ fehlerkorrektur ohnehin benötigt werden. Dann sind mit den herkömmlichen Kalibriermessung bereits alle Daten für die Bestimmung des Wichtungsfaktors vorhanden, ohne daß ein Zusatzaufwand eintritt, Anspruch 20.

In der Praxis haben Phasenmodulatoren oft eine parasitäre Amplitudenmodulation. Ab einem gewissen Ausmaß dieser Erscheinung wird es nicht mehr zulässig sein, die oben verwendete Lösung für das Einzel-p-Verfahren anzuwenden, da der Phasenmodulator im nichtlinearen Zweig der Mischer angeordnet ist. Denn wegen der nicht exakt gleichen Abhängigkeit der Konversions­ eigenschaften der Mischer von der Pumpleistung wäre jeder Mischer durch einen anderen Wichtungsfaktor zu kennzeichnen. Um in diesem Fall trotzdem zum Ziel zu kommen, sind verschiedene Vorgehensweisen denkbar, die zu verschiedenen Konsequenzen führen.

Doppel-p-Verfahren

Dieses Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, daß zu seiner Beschreibung zwei verschiedene Wichtungsfaktoren erforderlich sind und ausreichen. Beispielsweise kann ein solcher Fall dadurch eintreten, daß der Phasenschalter im linearen Zweig des Mischers, also in dem Signalzweig angeordnet wird. D. h. in Bild 10 wird der binäre Phasenschalter 63 eingeführt, der für alle KHD gemeinsam den jeweiligen Phasenschalter 11 ersetzt. Die sich mit der Schalterstellung ändernde Eingangsimpedanz des Schalters führt zu einer von der Schalterstellung abhängigen effektiven Phasenverschiebung des Phasenschalters und damit zu einem schalterstellungsabhängigen Wichtungsfaktor. Es ist also p = (p₁, p₁, p₂, p₂) anzusetzen, wobei p₁ zu Schaltzustand I und p₂ zu Schaltzustand II des Dreitores 51 gehört.

Eine zu (75)-(78) analoge Vorgehensweise stellt die Bedingung

det M 2 _A (p₁, p₂) det M 1 _B (p₁, p₂)-det M 2 _B (p₁, p₂) det M 1 _A (p₁, p₂) 0 (82)

zur Verfügung, was zu einer charakteristischen Gleichung des Typs

führt. Das im Einzel-p-Verfahren nur im Interesse der einfacheren Lösbarkeit hinzugezogene dritte Zweitor wird hier immer benötigt, da für zwei Unbekannte mindestens zwei Gleichungen bereitzustellen sind. Somit steht das Gleichungssystem

zur Verfügung.

Drei reziproke, ansonsten gänzlich unbekannte Zweitore reichen aus, um die zu zwei verschiedenen effektiven Phasenverschiebungen gehörigen Wichtungsfaktoren zu bestimmen.

Neben dieser direkten Lösung besteht auch hier die Möglichkeit, durch Hinzunehmen weiterer Zweitore zu einem linearen Lösungsweg zu kommen. In diesem Fall sind fünf verschiedene, unbekannte, reziproke Zweitore zu nehmen.

4-p-Verfahren

Für dieses Verfahren besteht dann Notwendigkeit, wenn es nicht gelingt, eine Beschreibung der Vorrichtung zu finden, die eine Darstellung nach dem Einzel-p- oder Doppel-b-Verfahren ermöglicht. Das kann z. B. der Fall sein, wenn der Phasenschalter im L.O-Zweig belassen und in Kauf genommen wird, daß nun jede Meßstelle durch einen anderen Wichtungsfaktor zu kennzeichnen ist. In diesem Fall gilt

Wiederum analoge Vorgehensweise führt auf ein System charakteristischer Gleichungen:

Da es sich um vier Unbekannte handelt, enthält das System vier, i = 1,2,3,4, Gleichungen. Wenn N die Zahl der verschiedenen, unbekannten, reziproken Kalibrierzweitore ist, muß

gelten, da jeweils zwei Messungen miteinander verknüpft eine Gleichung liefern. Daraus folgt, daß vier derartige Zweitore genügen, dann sogar sechs Gleichungen bereitstehen.

Das Gleichungssystem (86) kann wie in den bisherigen Fällen numerisch gelöst werden, aber wiederum auch durch einen Mehraufwand an Kalibrierzweitoren einer linearen Lösung zugeführt werden.

Nachdem nun der (die) Wichtungsfaktor(en) bestimmt sind, können die mit den gemessenen reellen Spannungen zusammenhängenden komplexen Meßwerte rekonstruiert werden, so daß das System im weiteren wie jedes komplex messende behandelt werden kann.

Vollständige Selbstkalibrierung

Nach diesen Erläuterungen, die sich mit Verfahren beschäftigen, die immer eine gewisse Anzahl (unbekannter) Kalibrierzweitore benötigen, sei im folgenden auf ein Verfahren eingegangen, das ohne jeglichen Standard arbeitet. Dazu wird die Verschaltung der Reflektometeranordnung gemäß Bild 8 zu einem Doppelreflektometer gemäß Bild 10 betrachtet. Das Zweitor 38 ist hier analog zum Phasenschalter 63 anzuordnen.

Neben der bereits erwähnten Möglichkeit, jedes der beiden Reflektometer getrennt zu behandeln, oder der Möglichkeit, die Reflexionsstandards gegen Zweitorstandards (ebenfalls unbekannt, auch nichtreziprok) auszutauschen, kann ein weiteres Verfahren angewendet werden. Dazu werden die beiden Meßtore beliebig miteinander verbunden, was im speziellen auch eine direkte Verbindung der beiden Tore sein kann. Zur Bestimmung der Wichtungsfaktoren wird für (22) der Zustand I und der Zustand II durch entsprechende Steuerung des Zweitores 38 erzeugt. Die erforderliche zweite Gleichung wird nun nicht durch Anschluß eines anderen Standards an die Meßtore, sondern durch das Schalten des Dreitores 51 in seinen zweiten Zustand bereitgestellt. Damit stehen genügend Informationen zur Bestimmung der Wichtungsfaktoren zur Verfügung, so daß die komplexe Meßfähigkeit ohne einen einzigen Standard erfolgen kann, Anspruch 14 und Anspruch 15.

Werden Reflektometer des Typs aus Bild 9 in derselben Weise verschaltet, wird neben der ersten beliebigen Verbindung der beiden Meßtore eine weitere, sich von der ersten unterscheidende Verbindung benötigt, die aber wiederum unbekannt und nichtreziprok sein darf, Anspruch 16 und Anspruch 17.

Nach diesen Erläuterungen sei noch einmal auf die wesentlichen Unterschiede zum konventionellen Sechstorverfahren hingewiesen, welches mit Leistungsmessern statt mit Mischern arbeitet und z. B. in [4] und [12] beschrieben wird. Mit den erfindungsgemäßen Verfahren gelingt in allen Fällen für jedes der Reflektometer die Rekonstruktion zweier verschiedener Wellengrößen, welche als Eingangsdaten für (60)-(62) dienen, so daß unmittelbar in die komplexe Systemfehlerkorrektur eingestiegen werden kann. Demgegenüber liefert das konventionelle Verfahren lediglich eine komplexwertige Information - vgl. Anmerkungen zu (49) -, so daß ein solcher Einstieg nicht möglich ist, was weitreichende Konsequenzen hat:

Während das konventionelle Verfahren zur Vermessung reziproker Meßobjekte Messungen unter drei verschiedenen Bedingungen durchführen muß [12], welche dort durch zwei schaltbare Dämpfungsglieder und einen schaltbaren Phasenschieber erzeugt werden, genügen bei dem erfundenen Verfahren bereits zwei verschiedene Zustände, die hier durch das Dreitor 51 erzeugt werden, welches z. B. einfach durch einen Schalter realisiert werden kann. Der Vorteil wird noch größer bei nichtreziproken Meßobjekten. Beim erfindungsgemäßen Verfahren tritt kein Mehraufwand ein, beim konventionellen Verfahren müssen jedoch drei weitere Kalibriermessungen vorgenommen werden, die darüber hinaus Reproduzierbarkeit bei Schaltungselementen voraussetzten, bei denen das im erfindungsgemäßen Verfahren nicht erforderlich ist.

Ferner hat die Mischerdetektion auf Grund der linearen Konversion einen um Größenordnungen höheren Dynamikumfang als die quadratische Leistungsdetektion.

Außerdem sei darauf hingewiesen, daß an das Zweitor 38 noch nicht einmal Reproduzierbarkeitsanforderungen zu stellen sind.

Als Sonderfall der bisher beschriebenen Vorrichtungen ist die Transmissions­ meßvorrichtung gemäß Bild 11 zu betrachten. Die Quelle 50 speist (über das Meßobjekt 54 und) über das Zweitor 38 einen Verzweigungspunkt 67, an dem ein KHD 68 direkt und ein weiterer KHD 68 über das Zweitor 64 angeschlossen ist. Das Zweitor 64 ist vom Typ des Zweitores 38, muß aber nicht dieselben Daten aufweisen und darf ebenfalls in seinen Eigenschaften unbekannt sein. Die Vorgehensweise zur Etablierung der komplexen Meßfähigkeit ist identisch mit dem Formalismus, der mit den Formeln (22)-(25) verbunden ist, wobei hier die zweite Gleichung nicht durch eine zweite Reflexion, sondern durch den zweiten Zustand des Zweitores 64 erzeugt wird. Dabei sind die Meßtore 65 und 66 beliebig zu verbinden, Anspruch 18 und Anspruch 19.

5. Literatur

[1] King, R. J., Microwave Homodyne Systems, Peter Peregrinus, 1978
[2] Hewlett Packard, Applying the HP 8510B TRL Calibration for Noncoaxial Measurements, Product Note 8510-8, Oct. 1987
[3] Franzen, N. R., Speciale, R. A., A New Procedure for System Calibration and Error Removal in Automated S-Parameter Measurements, Proc. 5. EuMC, Hamburg, 1975, pp. 69-73
[4] Engen, G. F., Hoer, C. A., Thru-Reflect-Line: An Improved Technique for Calibrating the Dual Six Port Automatic Network Analyzer, IEEE MTT-27, Dec. 1979, pp. 987-993
[5] Schiek, B., Meßsysteme der Hochfrequenztechnik, Hüthig Verlag, Heidelberg 1984
[6] Eul, H. J., Schiek, B., Thru-Match-Reflect: One Result of a Rigorous Theory for De-embedding and Networkanalyzer Calibration, Proceedings of the 18 ^th European Microwave Conference, Stockholm, 1988, pp. 909-914
[7] Eul, H. J. Schiek, B., Error-corrected Two-state Unidirectional Net­ workanalyzer, Electronics Letters, Vol. 24 No. 19, Sept. 1988, pp. 1197- 1198
[8] Hewlett Packard, Automating the HP 8410B Microwave Network Analyzer, Application Note 221A, June 1980
[9] Gärtner, U., Schiek, B., A Broad-Band Homodyne Network Analyzer with Binary Phase Modulation, IEEE MTT-34, Aug. 1986, pp. 902- 906
[10] Neumeyer, B., A Homodyne W-Band Networkanalyzer with Integrated Quadrature Detector, Proceedings of the 18 ^th European Microwave Conference, Stockholm, 1988, pp. 333-338
[11] Schwarz, H. R., Numerische Mathematik, Teubner Verlag, Stuttgart, 1986
[12] Hoer, C. A., A Network Analyzer Incorporating Two Six-Port Reflectometers, IEEE-25, Dec. 1977, pp. 1070-1074

Claims (20)

1. Verfahren zur Etablierung der komplexen Meßfähigkeit homodyn arbeitender Netzwerkanalysevorrichtungen, gekennzeichnet durch das Vermessen von bekannten oder unbekannten Kalibrierstandards.

2. Verfahren zur Etablierung der komplexen Meßfähigkeit eines homodynen Reflektometers mit einer Meßstelle, gekennzeichnet durch das Vermessen von vier verschiedenen, bekannten oder unbekannten Reflexionen, die jeweils über zwei verschiedene, in ihren Eigenschaften bekannte oder unbekannte Zweitore an das Meßtor angebracht werden.

3. Verfahren gemäß Anspruch 2, gekennzeichnet durch die Realisierung eines der Zweitore als eine Durchverbindung.

4. Verfahren zur Etablierung der komplexen Meßfähigkeit eines homodynen Reflektometers mit zwei Meßstellen, gekennzeichnet durch das Vorgehen gemäß Anspruch 2.

5. Verfahren gemäß Anspruch 4, gekennzeichnet durch die Realisierung eines der Zweitore als eine Durchverbindung.

6. Verfahren gemäß Anspruch 2, hier jedoch gekennzeichnet durch die Verwendung von acht statt vier Reflexionsstandards.

7. Verfahren gemäß Anspruch 3, hier jedoch gekennzeichnet durch die Verwendung von acht statt vier Reflexionsstandards.

8. Verfahren gemäß Anspruch 2, hier jedoch gekennzeichnet durch die Verwendung von drei statt zwei Zweitoren.

9. Verfahren gemäß Anspruch 3, hier jedoch gekennzeichnet durch die Verwendung von drei statt zwei Zweitoren.

10. Verfahren zur Etablierung der komplexen Meßfähigkeit und gleichzeitiger Systemfehlerkalibrierung eines homodynen Reflektometers mit einer Meßstelle, gekennzeichnet durch das Vermessen von vier verschiedenen bekannten Reflexionsstandards.

11. Verfahren zur Etablierung der komplexen Meßfähigkeit eines homodynen Reflektometers mit zwei Meßstellen, bei dem in dem Signalzweig ein Zweitor angeordnet ist, das in zwei verschiedene, bekannte oder unbekannte Zustände versetzt werden kann, gekennzeichnet durch das Vermessen von zwei verschiedenen, bekannten oder unbekannten Reflexionen.

12. Verfahren zur Etablierung der komplexen Meßfähigkeit einer beliebigen sechstorigen Vorrichtung, bei der vier Tore mit homodyn arbeitenden, linearen Mischern beschaltet sind, gekennzeichnet durch das Vermessen von vier verschiedenen, bekannten oder unbekannten Reflexionen.

13. Verfahren zur Etablierung der komplexen Meßfähigkeit eines homodyn arbeitenden Doppelreflektometers (Netzwerkanalysator), gekennzeichnet durch das Vermessen von mindestens zwei verschiedenen, bekannten oder unbekannten, reziproken Kalibrierzweitoren.

14. Verfahren zur Etablierung der komplexen Meßfähigkeit eines homodyn arbeitenden Doppelreflektometers (Netzwerkanalysator), bei dem in dem Signalzweig ein Zweitor angeordnet ist, das in zwei verschiedene, bekannte oder unbekannte Zustände versetzt werden kann, gekennzeichnet durch das Vermessen eines beliebigen, bekannten oder unbekannten, reziproken oder nichtreziproken Kalibrierzweitores.

15. Verfahren gemäß Anspruch 14, gekennzeichnet durch die Realisierung eines der Zweitore als unmittelbare Verbindung der beiden Meßtore.

16. Verfahren zur Etablierung der komplexen Meßfähigkeit eines homodyn arbeitenden Doppelreflektometers gemäß Anspruch 14, jedoch aufgebaut aus Reflektometern gemäß Anspruch 12, gekennzeichnet durch das Vermessen von zwei verschiedenen, bekannten oder unbekannten, reziproken oder nichtreziproken Kalibrierzweitoren.

17. Verfahren gemäß Anspruch 16, gekennzeichnet durch die Realisierung eines der Zweitore als unmittelbare Verbindung der beiden Meßtore.

18. Verfahren zur Etablierung der komplexen Meßfähigkeit einer homodynen Transmissionsmeßvorrichtung mit zwei Meßstellen, bei dem in dem Signalzweig, der beiden Meßstellen gemeinsam ist, ein Zweitor angeordnet ist, das in zwei verschiedene, bekannte oder unbekannte Zustände versetzt werden kann, und bei dem in dem Signalzweig einer Meßstelle ein weiteres Zweitor angeordnet ist, das in zwei verschiedene, bekannte oder unbekannte Zustände versetzt werden kann, gekennzeichnet durch das Vermessen eines beliebigen, bekannten oder unbekannten, reziproken oder nichtreziproken Kalibrierzweitores.

19. Verfahren gemäß Anspruch 18, gekennzeichnet durch die Realisierung des Zweitores als unmittelbare Verbindung der beiden Meßtore.

20. Verfahren zur Etablierung der komplexen Meßfähigkeit homodyn arbeitender Reflektometer oder Doppelreflektometer gemäß den Ansprüchen 1 bis 19, diese jeweils zusätzlich dadurch gekennzeichnet, daß die zur Etablierung der komplexen Meßfähigkeit erforderlichen Messungen teilweise (je nach Anzahl und Art des Systemfehlerkalibrierverfahrens auch vollständig) durch jene Messungen ersetzt werden, die für die Systemfehlerkorrektur durchzuführen sind.