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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Transponder-basierte Mikrowellen-Telemetrievorrichtung zum
Feststellen von Bedingungen in oder an einer Maschinenanordnung.
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Aus
der Druckschrift
DE
100 06 235 C1 t bereits ein Kurbeltriebsensor bekannt,
mit einem Mikrowellentransponder, der Mikrowellensignale an einen Messwertüberträger auf
einer ersten Frequenz sendet und von dem Messwertüberträger Messsignale auf
einer anderen Frequenz empfängt.
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Aus
der
DE 100 18 621
A1 ist bereits eine Fernmessvorrichtung bekannt mit einer
Basisstation, die ein Startsignal an eine Steuerung sendet, um diese
zu aktivieren. Das Signal wird von einem Funkempfänger empfangen.
Das Sensorelement schließt ein
Oberflächenfilterelement
ein, um die Laufzeit für eine
bestimmte Laufstrecke zu messen und Änderungen der Länge, beispielsweise
infolge von Torsion, Druck oder Temperaturänderungen zu erfassen. Die
Laufzeit wird durch die Steuerung in ein Längensignal transformiert, das
durch die Antenne übertragen
wird.
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Die
Druckschrift WO 97/45277 A1 beschreibt ebenfalls bereits eine Vorrichtung
zur drahtlosen Übertragung
von Messwerten aus bewegten Teilen, wobei ein Messwertgeber beispielsweise
an einem Reifen angeordnet ist. Der Messwertgeber besteht aus mindestens
einem Resonator gekoppelt mit mindestens einem nicht linearen elektronischen
Bauteil, wobei der Resonator von dem zu messenden Wert beeinflusst
wird. Der Messwertgeber gibt eine Frequenz aus, die unterschiedlich
zur Speisefrequenz ist.
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Es
ist bekannt, Bedingungen in einer Maschine wie etwa in einem Verbrennungsmotor
oder einem Drehmomentwandler für
ein Kraftfahrzeug festzustellen. Gewöhnlich umfasst der Motor einen
Motorblock mit einer Vielzahl von Zylindern und sich hin und her bewegenden
Kolben, die in den Zylindern angeordnet sind. Die Kolben werden
durch eine Kurbelwelle über
Verbindungsstangen hin- und
herbewegt.
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Es
ist vorteilhaft, Bedingungen wie Temperatur, Druck, Spannung, Beschleunigung,
Nähe, Geschwindigkeit
usw. innerhalb einer Maschinenanordnung wie etwa in einem Verbrennungsmotor
festzustellen. Es ist jedoch schwierig, die Bedingungen von beweglichen
Teilen und aus eingeschlossenen Bereichen des Motors als zuverlässiges und
nutzbares Signal auf kosteneffiziente Weise zu erhalten. Zum Beispiel
wurde vorgeschlagen, Signale aus dem Motor unter Verwendung von
Gleitringen und/oder mechanischen Verbindungen zu erhalten. Dies
bringt jedoch eine Anzahl von inhärenten Nachteilen mit sich. Gleitringe
sind gegenüber
einem elektrisches Rauschen empfindlich, wodurch die Zuverlässigkeit
beeinträchtigt
wird. Mechanische Verbindungen sind schwer zu installieren, erfordern
umfangreiche Modifikationen am Motor und können nur einer beschränkten Geschwindigkeit,
d.h. Umdrehungszahl des Motors pro Minute, ausgesetzt werden.
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Es
ist auch bekannt, eine Mikrowellen-Telemetrievorrichtung zum Feststellen
von Bedingungen vorzusehen. Ein Beispiel einer derartigen Vorrichtung ist
in dem US-Patent Nr. 5 555 457 an Campbell et al. angegeben, das
hier unter Bezugnahme eingeschlossen ist. In diesem Patent umfasst
eine Vorrichtung einen Sensor, um den internen Druck eines Drehmomentwandlers
festzustellen und ein diesen Druck wiedergebendes elektrisches Signal
zu erzeugen. Die Vorrichtung umfasst auch einen Mikrowellensender,
der in dem Drehmomentwandler enthalten ist und das elektrische Signal
zu einer Mikrowellenenergie umwandelt, die in das Innere des Drehmomentwandlers
gestrahlt wird. Die Vorrichtung umfasst weiterhin eine stationäre Mikrowellen-Empfangsantenne,
die zu dem Inneren des Drehmomentwandlers hin ausgerichtet ist,
um die Mikrowellen zu empfangen und ein der Mikrowellenenergie entsprechendes
elektrisches Signal an eine entfernte Empfangseinrichtung außerhalb
des Drehmomentwandlers zu senden.
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Es
werden derzeit verschiedene Techniken verwendet, um die Temperatur
eines Kolbens in einem Verbrennungsmotor zu messen. Zum Beispiel sendet
eine Infrarot-Telemetrie Informationen „innerhalb einer Sichtlinie" als Infrarotlichtimpulse
von den Pfaden zu einem stationären
Photodetektor, der auf der Kurbelwelle des Motors angebracht ist.
Ein weiteres Beispiel ist das Kontaktpunktverfahren, das einen kontinuierlichen
elektrischen Gleitkontakt zwischen dem Kolben und dem stationären Kontakt
auf dem Motorblock aufrechterhält.
Ein weiteres Beispiel ist das Induktionsspulenverfahren, das Information
nur an der höchsten
und niedrigsten Position des Kolbenwegs sendet, wenn eine sich bewegende
sekundäre Spule
im System mit einer stationären
primären
Spule im Motor gekoppelt wird. Ein weiteres Beispiel ist eine „L-Link"- oder „Grasshopper"-Verbindung, die dafür ausgebildet
ist, den Kabelbaum zu unterstützen,
der Informationen von dem Kolben zur Außenseite des Motors leitet.
Ein weiteres Beispiel ist eine Hochfrequenz-Telemetrie, die Informationen
von dem Kolben mittels eines am Kolben befestigten Hochfrequenzsenders überträgt, wobei
dieser Hochfrequenzsender Wellen zu einer Antenne in der Kurbelwelle
des Motors sendet. Ein weiteres Beispiel sind sogenannte „templugs", d.h. kleine und
mit einem Gewinde versehene Stöpsel
aus einer Stahllegierung, die mit einer speziellen Hitzebehandlung
behandelt wurden. Wenn die Stöpsel
höheren
Temperaturen ausgesetzt werden, werden sie einem Glühhärtungsprozess
unterworfen, wobei dann die Härte
der Stöpsel
gemessen wird, um zu bestimmen, welcher Temperatur sie ausgesetzt
wurden.
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Es
ist deshalb eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte
Transponder-basierte Mikrowellen-Telemetrievorrichtung
zum Feststellen von Bedingungen in oder an einer sich bewegenden
Maschinenanordnung anzugeben.
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Erfindungsgemäß wird diese
Aufgabe durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Bevorzugte Ausführungsbeispiele
sind in den Unteransprüchen gezeigt.
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Es
ist ein Vorteil der vorliegenden Erfindung, eine Transponder-basierte
Mikrowellen-Telemetrievorrichtung zum Feststellen von Temperatur,
Druck, Spannung, Beschleunigung, Nähe, Geschwindigkeit usw. in
oder an einer sich bewegenden Maschinenanordnung wie etwa einem
Kolben in einem Verbrennungsmotor oder einem Blattelement in einem
Drehmomentwandler anzugeben.
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Ein
Vorteil der vorliegenden Erfindung liegt darin, dass eine Transponder-basierte
Mikrowellen-Telemetrievorrichtung für eine sich bewegende Maschinenanordnung
wie etwa einen Verbrennungsmotor angegeben wird. Ein weiterer Vorteil
der vorliegenden Erfindung liegt darin, dass die Transponder-basierte
Mikrowellen-Telemetrievorrichtung eine kleinere Packungsgröße aufweist
und nicht auf eine „Sichtlinie" beschränkt ist,
was mehr Freiheit für
die Platzierung des Senders und des Empfängers gestattet. Ein weiterer
Vorteil der vorliegenden Erfindung liegt darin, dass die Transponder-basierte
Mikrowellen- Telemetrievorrichtung
eine elektromagnetische Frequenz verwendet, die relativ unbeeinflusst von
andren Störungen
in dem Motor ist und tatsächlich
durch Reflexionen innerhalb der Grenzen einer Kammer eines Verbrennungsmotors
verstärkt
wird. Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung liegt darin,
dass die Transponder-basierte Mikrowellen-Telemetrievorrichtung
einen niedrigen Stromverbrauch hat, keine Drähte benötigt, einfach zu installieren
ist, kontinuierliche Datenübertragungen
unterstützt
und eine sehr geringe Dämpfung
durch das Motoröl
in einer Kammer eines Verbrennungsmotors erfährt. Ein weiterer Vorteil der
vorliegenden Erfindung liegt darin, dass die Transponder-basierte
Mikrowellen-Telemetrievorrichtung einen Transponder umfasst, der
kleiner als herkömmliche
Sender ist und einen wesentlich niedrigeren Stromverbrauch aufweist.
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Andere
Aufgaben, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden
durch die folgende Beschreibung mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen
verdeutlicht.
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1 ist
eine Teilansicht einer Transponder-basierten Mikrowellen-Telemetrievorrichtung
gemäß der vorliegenden
Erfindung, die in einer Betriebsbeziehung mit einer sich bewegenden
Maschinenanordnung wie etwa einem Verbrennungsmotor gezeigt ist.
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2A ist ein Blockdiagramm eines Transponders
der Transponder-basierten Mikrowellen-Telemetrievorrichtung von 1.
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2B ist ein Schaltungsschema eines Transponders
der Transponder-basierten Mikrowellen-Telemetrievorrichtung von 1.
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3 ist
ein Blockdiagramm der Transponder-basierten Mikrowellen-Telemetrievorrichtung
von 1.
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4 ist
ein Kurvendiagramm der Spannung in Bezug auf die Zeit für die Transponder-basierte
Mikrowellen-Telemetrievorrichtung
von 1.
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5 ist
ein Blockdiagramm einer weiteren Ausführungsform gemäß der vorliegenden
Erfindung der Transponder-basierte Mikrowellen-Telemetrievorrichtung
von 1.
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Mit
Bezug auf die Zeichnungen und insbesondere auf 1 wird
im Folgenden eine Ausführungsform
einer Transponder-basierten
Mikrowellen-Telemetrievorrichtung 10 gemäß der vorliegenden
Erfindung in einer Betriebsbeziehung zu einer sich bewegenden Maschinenanordnung
wie etwa einem Verbrennungsmotor gezeigt, der allgemein durch das
Bezugszeichen 12 angegeben wird. Der Verbrennungsmotor 12 umfasst
einen Motorblock oder eine Kammer 14 mit wenigstens einem
Zylinder 16. Der Verbrennungsmotor 12 umfasst
auch einen Kolben 18, der beweglich in dem Zylinder 16 angeordnet
ist. Der Verbrennungsmotor 12 umfasst eine Verbindungsstange 20,
deren eines Ende mittels einer geeigneten Einrichtung wie etwa einem
Zapfen 22 schwenkbar mit dem Kolben 18 verbunden
ist. Der Verbrennungsmotor 12 umfasst auch eine drehbare Kurbelwelle 24,
die mittels einer geeigneten Einrichtung wie etwa einem Zapfen 26 mit
dem Ende der Verbindungsstange 20 verbunden ist. Der Verbrennungsmotor 12 ist
ein aus dem Stand der Technik bekannter herkömmlicher Verbrennungsmotor.
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Die
Transponder-basierte Mikrowellen-Telemetrievorrichtung 10 umfasst
einen Transponder 28, der mittels einer geeigneten Einrichtung
mit dem Kolben 18 oder der Verbindungsstange 20 verbunden ist.
Der Transponder 28 misst eine Bedingung wie etwa die Temperatur
des Kolbens 18 in dem Verbrennungsmotor 12 und
moduliert das von einem weiter unten beschriebenen Sendeempfänger 32 empfangene
Signal, um ein Signal zu erzeugen, das Informationen zu der Bedingung
enthält,
indem die Streueffizienz der Transponderantenne variiert wird. Dabei ist
zu beachten, dass es sich bei der Bedingung um Temperatur, Druck,
Spannung, Beschleunigung, Nähe,
Geschwindigkeit usw. handeln kann. Es ist weiterhin zu beachten,
dass die Ausführungsform
in Bezug auf den Verbrennungsmotor 12 gezeigt ist, wobei die
Transponder-basierte Mikrowellen-Telemetrievorrichtung 10 jedoch
auch verwendet werden kann, um Bedingungen in oder an einer anderen
sich bewegenden Maschinenanordnung wie etwa einem Drehmomentwandler
festzustellen. Weiterhin ist zu beachten, dass der Transponder 28 an
einer beliebigen, ausreichenden Raum gewährenden Position angebracht
werden kann und derart gepackt werden kann, dass er Belastungen
wie Stößen, Vibrationen
oder Temperaturen standhält.
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Die
Transponder-basierte Mikrowellen-Telemetrievorrichtung 10 umfasst
weiterhin eine Empfangsantenne 30, deren eines Ende sich
durch die Kammer 14 erstreckt, um das modulierte Mikrowellensignal
von dem Transponder 28 zu empfangen. Die Transponder-basierte
Mikrowellen-Telemetrievorrichtung 10 umfasst einen Sendeempfänger 32, der
mit dem anderen Ende der Empfangsantenne 30 verbunden ist.
Der Sendeempfänger 32 ist
vom Mikrowellentyp und kann das modulierte Signal empfangen und
Mikrowellenenergie senden. Die Transponder-basierte Mikrowellen-Telemetrievorrichtung 10 umfasst
weiterhin eine Sendeantenne 34, deren eines Ende mit dem
Sendeempfänger 32 verbunden ist
und deren anderes Endes sich durch die Kammer 14 erstreckt,
um die Kammer 14 des Verbrennungsmotors 12 mit
Mikrowellenenergie aus dem Sendeempfänger 32 zu füllen. Dabei
ist zu beachten, dass temperaturempfindliche Thermistoren (nicht
gezeigt) in dem Kolben 18 verwendet werden, um die Temperatur
des Kolbens 18 festzustellen. Die Thermistoren sind mittels
einer geeigneten Einrichtung wie etwa Drähten (nicht gezeigt) mit dem
Transponder 28 verbunden.
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Wie
in 2A gezeigt, weist der Transponder 28 vier
spezifische Teile auf. Der Transponder 28 umfasst einen
Schalter 28a, eine Informationssammelschaltung 28b,
eine Antenne 28c und eine Stromquelle 28d, die
einen Gleichstrom oder Induktionsstrom zuführt. Der Schalter 28a schaltet
die Antenne 28c mit einer Frequenz EIN bzw. AUS, die durch
die Informationssammelschaltung 28b bestimmt wird. Es ist
zu beachten, dass das EIN- bzw. AUS-Schalten der Antennenamplitude die gestreute
Komponente der eingehenden Mikrowellenenergie oder des Trägers von
dem Sendeempfänger 32 moduliert.
Dabei ist zu beachten, dass dies durch das Schalten der Antenne
zwischen resonanten (mit hoher Signalausgabe) und nicht-resonanten
(mit niedriger Signalausgabe) Bedingungen bewerkstelligt wird.
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2B zeigt ein Schaltungsschema des Transponders 28.
Der Transponder 28 umfasst einen Timer-Chip 36 wie
zum Beispiel einen LM555CN-Typ oder einen AD537 Spannung-zu-Frequenz-Wandler und
eine Diode 38 wie zum Beispiel eine HP5082-2835 Schottky-Diode,
die als Schalter 28a dient. Der Transponder 28 umfasst
auch eine Stromquelle 28d wie etwa eine 9V-Batterie 40 und
einen ersten Widerstand 42, der mit einer Seite der Diode 38 verbunden
ist. Der erste Widerstand 42 ist auch mit dem Timer-Chip 36 verbunden
und weist einen vorbestimmten Widerstand von etwa 1 kΩ auf. Der Transponder 28 umfasst
einen zweiten Widerstand 44, der mit der anderen Seite
der Diode 38 und dem Timer-Chip 36 verbunden ist.
Der zweite Widerstand 44 weist einen vorbestimmten Widerstand
von etwa 1 kΩ auf.
Der Transponder 28 kann andere elektrische Komponenten
umfasst, die elektrisch mit dem Timer-Chip 36 verbunden
sind: etwa einen Kondensator 46 mit einer vorbestimmten Kapazität von 10 nF,
einen dritten Widerstand 48 mit einem vorbestimmten Widerstand
von etwa 1 kΩ und
einen vierten Widerstand 50 mit einem vorbestimmten Widerstand
von 3,3 kΩ.
Es ist zu beachten, dass diese Widerstände und der Kondensator 46 die
Frequenz bestimmen, mit der die Diode schaltet. Es ist weiterhin zu
beachten, dass einer der Widerstände
ein Thermistor ist.
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Der
Timer-Chip 36 wird als Informationssammelschaltung 28b verwendet,
welche die Diode 38 mit einer durch das festgestellte Signal
bestimmten Rate EIN und AUS vorspannt. Die Diode 38 erfordert eine
vorbestimmte Spannung von etwa 0,5 V, bevor sie vollständig Strom
leitet. Die Diodenamplitude moduliert den eingehenden Träger aus
der Sendeantenne 34, und seine Drahtanschlüsse strahlen
das AM-Signal zurück
zu der Empfangsantenne 30. Die Signalentwicklung in der
Zeit- und Frequenzdomäne für den Transponder 28 ist
in 4 gezeigt. Dabei ist zu beachten, dass der Timer-Chip 36 entfernt
werden kann und die Rechteckwellenausgabe aus der Informationssammelschaltung
mit der Diode 38 verbunden werden kann. Es ist weiterhin
zu beachten, dass diese Alternative auch gestattet, auf einen Thermistor
zu verzichten.
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3 zeigt
die Transponder-basierte Mikrowellen-Telemetrievorrichtung 10 diagrammatisch. Der
Sendeempfänger 32 umfasst
einen Signalerzeuger 32a zum Senden eines Signals mit 2
bis 26 Gigahertz (GHz), in der gezeigten Ausführungsform vorzugsweise 2,144199
GHz, und einen Empfänger 32b zum
Empfangen eines Signals mit einer Frequenz von ungefähr 144 Megahertz
(MHz) sowie zum Ausgeben eines Signals von ungefähr 1,0 KHz. Der Sendeempfänger 32 kann
einen ersten Ringmischer 52 für einen ersten Kanal des Hochfrequenzsignals
und einen zweiten Ringmischer 54 für einen zweiten Kanal des Hochfrequenzsignals
umfassen. Die Mischer 52 und 54 können ein
Hochfrequenzsignal von ungefähr
0 bis ungefähr
18 GHz empfangen. Der Sendeempfänger 32 kann
einen Frequenzmultiplizierer 56 mit einem Ausgang zu den
Mischern 52 und 54 umfassen, die eine Eingabe
von dem Signalerzeuger 32a empfangen. Der Frequenzmultiplizierer 56 ist
ein 20X-Frequenzmultiplizierer
mit einem FLO von 2,0 GHz. Der Empfänger 32b empfängt die
Ausgabe von den Mischern 52 und 54. Ein Spektralanalysierer 58 und
ein Audioverstärker 60 können mit
dem Ausgang des Empfängers
und miteinander verbunden sein, um die Mikrowellen-Telemetrievorrichtung 10 zu
analysieren. Der Spektralanalysierer 58 kann ein HP3585A
mit einem Bereich von ungefähr
20 Hz bis ungefähr
40 MHz sein, und der Audioverstärker 60 kann
ein Elektro-Voice-Modell EV 1282 sein.
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Während des
Betriebs sendet der Signalerzeuger des Sendeempfängers 32 eine sinusförmigen Mikrowellenfrequenzträger an den
Transponder 28. Der Transponder 28 moduliert die
Amplitude des Trägers
mit der Rechteckwellenausgabe des Timer-Chips 36. Das AM-Signal
wurde zu zwei Empfangsantennen 30 gestrahlt, die jeweils
mit ihren eigenen Mischern 52,54 verbunden waren.
Eine lokale Oszillatoreingabe für
beide Mischer 52, 54 wurde erzeugt, indem eine
stabile Hochfrequenzreferenz von dem Signalerzeuger 32a des
Sendeempfängers 32 multipliziert
wurde. Die Mischer 52, 54 subtrahierten die lokale
Oszillationsfrequenz von der empfangenen Signalfrequenz. Die zwei
resultierenden Hochfrequenzsignale wurden zu einem Empfänger 32b des Sendeempfängers 32 gesendet.
Der Empfänger nahm
dieselbe Frequenz-Abwärtswandlungsoperation
nochmals vor. Diesmal vom Hochfrequenzbereich zum hörbaren Bereich
(20 Hz bis 20 kHz). Der einzige Unterschied bestand darin, dass
die lokale Oszillatorfrequenz einstellbar war, sodass die resultierenden
Audiosignale derart eingestellt werden konnten, dass sie in das
durch einen Tiefpassfilter erzeugte „Frequenzfenster" fielen. Das Vorhandensein
des AM-Signals wurde visuell durch den Spektralanalysierer 58 und
den Audioverstärker 60 festgestellt.
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Die
Verifizierung des Betriebs des Transponders 28 wurde erfolgreich
unter Verwendung des oben beschriebenen Aufbaus abgeschlossen. Das Vorhandensein
der ungeradzahligen Oberschwingungen im oberen und unteren Seitenband
des AM-Signals wurden
bis zur neunten Harmonischen verifiziert. Durch eine Einstellung
der lokalen Oszillationsfrequenz des Empfängers wurde das Spektrum des
AM-Signals in der Frequenzdomäne
nach vorne und nach hinten verschoben. Wenn eine der Spektralkomponenten
des AM-Signals in das Frequenzfenster des Tiefpassfilters fiel,
konnte eine scharfe Spitze in dem Spektralanalysierer 58 beobachtet werden
und war ein Ton aus dem Audioverstärker 60 hörbar. Wenn
die 9V-Batterie 40 des
Transponders getrennt wurde, verschwanden die Spitze und der Ton,
außer
wenn der Träger
eingestellt war. Die Spitze und der Ton verschwanden in diesem Fall
nicht, weil der Träger
weiterhin direkt von dem Signalerzeuger empfangen wurde. Durch Ausschalten
des Signalerzeugers konnte dies verifiziert werden. Es ist zu beachten,
dass die Ergebnisse dieses Tests auch erwiesen haben, dass der Transponder 28 eine
Amplitudenmodulation unter einer Hochfrequenz-Recheckwellenimpulswellenform verwenden
kann.
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5 zeigt
diagrammatisch eine andere Ausführungsform
gemäß der vorliegenden
Erfindung der Transponder-basierten Mikrowellen-Telemetrievorrichtung 10.
Gleiche Teile werden durch entsprechende Bezugszeichen angegeben,
die um einhundert (100) erhöht sind. In dieser Ausführungsform
der Transponder-basierten
Mikrowellen-Telemetrievorrichtung 110 umfasst der Sendeempfänger 132 einen Signalerzeuger 180 zum
Senden eines Signals von 1,5 bis 26 Gigahertz (GHz) und einen Empfänger zum
Empfangen eines Signals mit einer Frequenz von ungefähr 144 Megahertz
(MHz) sowie zum Ausgaben eines Signals mit ungefähr 1,0 KHz. Der Sendeempfänger 132 kann
einen Mischer 182 für
das Hochfrequenzsignal umfassen. Der Mischer 180 kann ein
Hochfrequenzsignal von ungefähr
1,5 bis ungefähr
26 GHz empfangen. Der Sendeempfänger 132 kann
ein Filter 184 zum Empfangen einer Eingabe von dem Signalerzeuger
sowie zum Filtern des empfangenen Signals umfassen. Der Sendeempfänger 132 kann
einen Frequenz-zu-Spannungs-Wandler 186 umfassen, der die
festgestellte Bedingung empfängt
und eine Eingabe von dem Filter 184 empfängt. Dabei
ist zu beachten, dass der Betrieb der Transponder-basierten Mikrowellen-Telemetrievorrichtung 110 dem
Betrieb der Transponder-basierten Mikrowellen-Telemetrievorrichtung 10 ähnlich ist.