CN115754860B - 用于将发射信号与接收信号分离的微波电桥电路 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于将发射信号与接收信号分离的微波电桥电路，包括电路，所述电路具有：两个并联连接的电导线；第一连接点，发射信号在其上分开到第一电导线和第二电导线上；第一电导线，具有用于衰减分开的第一发射信号的衰减器；第二电导线，其与共振器连接，在第二连接点上，分开的第二发射信号被分开且第二电导线分成两个区段，第一区段从第一连接点至第二连接点延伸且第二区段从第二连接点至第三连接点延伸并且传送保留在第二连接点上的发射信号，第二电导线的各区段的长度对应于发射信号的波长的四分之一的奇数的整数多倍，且在第三连接点上，来自第一电导线和第二电导线的分开的发射信号相会，且在共振器上产生的接收信号发送给接收机。
Description
技术领域
本发明涉及用于将发射信号与接收信号分离的微波电桥电路，尤其是用于ESR应用，并且所述微波电桥电路包括电路，所述电路将发射信号从发射机引导至与电路连接的共振器以及将在共振器中产生的接收信号发送给接收机。
背景技术
这样的微波电桥电路由Aloisi et al.,“A capacitive probe for ElectronSpin Resonance detection”,Journal of Magnetic Resonance,263(2016),116-121(＝参考文献[1])已知。
本发明的背景
本发明总体地涉及用于分开发射信号与接收信号的电路的领域。这样的电路例如在电子自旋共振(＝ESR)的领域中、例如在ESR光谱仪中使用。
电子自旋共振是仪器分析的方法，利用其以未配对的电子可以确定测量样品的顺磁的中心的化学结构、动态和空间分布。为此使高频的辐射(典型地具有微波频率的辐射)入射到具有持久的磁矩的测量样品中，所述测量样品处于强烈的静磁场中。然后测量样品的电磁反应。
经常在ESR光谱仪中使用微波电桥。微波电桥不仅包含用于微波辐射的源而且包含探测器。用于微波辐射的源产生微波辐射，所述微波辐射作为发射信号引导至要测量的样品的共振器。微波辐射由样品部分地吸收并且反射。由共振器反射的微波辐射作为接收机信号引导至探测器。通过循环器，进入共振器的并且从共振器出来的微波辐射彼此分离，从而仅在共振器中反射的微波辐射引导至探测器并且借此测量被改善。
亦即循环器用于，将发射信号与接收信号分离。然而该构件不适合用于直接在实施测量的共振器上和在那里存在的强的磁场中工作。为了将循环器与强的磁场间隔开，使用同轴线缆的空心导体。然而所述空心导体可以在空间上伸展并且带来在发射信号和接收信号中的损耗。ESR光谱仪对应地较大并且ESR测量较不准确。
US2008/0164874A1(＝参考文献[2])说明一种小型化的ESR光谱仪，其在样品头中没有循环器地工作。所述迷你ESR光谱仪具有VCO(Voltage-Controlled Oscillator；电压控制的振荡器)、功率分配器、混合器和共振器。功率分配器在这里具有功能，将在VCO中产生的功率一方面用于发射、另一方面用于混合器而分配，以便在那里将接收的信号再次混入直流上。发射信号和接收信号的分离按照参考文献[2]在共振器中发生。
由US 4 782 296 A(＝参考文献[3])已知一种ESR光谱仪，其共振器通过微波电桥以连续的或间歇的信号形式的微波能量供应。为了实现这一点，由微波源产生的微波能量引导通过第一和/或第二通道并且在那里对应地转变。随后第一和第二通道再次相会并且信号通过循环器发送给共振器。发射信号和接收信号的分离按照参考文献[3]在处于共振器之前的循环器中进行。
参考文献[4](NAKAOKA,Ririko；HIRITA,Hiroshi.Noise characteristics of a750-MHz electronically tunable resonator for electron paramagnetic resonancespectroscopy.AIP Advances,20219,9.Jg.,Nr.7,S.075312)说明用于EPR光谱学的电子可调整的750MHz的共振器的噪声特性的实验的研究。在此主要是通过微调电容器代替变容二极管。
DE 3 933 439 A1(＝参考文献[5])说明一种宽带-转象差-混合，其将供给到输入门中的信号功率分成具有90°的相位差的两个量值相同的份额，从而通过绝缘的门没有功率输出。在此使用通过由λ0/2导管件构成的级联和与连接节点并联连接的、在端部上无负载运转的或短接的导管件连接的由λ0/4长的导管件构成的环。
开头引用的参考文献[1]公开可能性，构造ESR-CW电桥，其同样不需要循环器，以便将发射信号和接收信号分离。ESR-CW电桥具有发生器、两个分开器、耦合器、共振器和包括两个混合器的接收机。通过耦合器，这样耦入发射功率的固定的一小部分，使得理论上该部分功率完整地朝共振器的方向流动。由共振器反射的功率理论上几乎完全引导至接收机。分开器用于，将来自发生器的微波辐射或来自共振器的接收信号分开到接收机的两个混合器上。
在这些参考文献中都没有说明，可以通过调节衰减器和移相器补偿共振器的失谐。
发明内容
本发明的任务
本发明的任务是，提供开头所述类型的微波电桥电路，其完全地没有磁场敏感的循环器地工作并且因此可以特别靠近测量共振器地设置于在那里(主导)存在的强的磁场中，然而可以将发射信号与接收信号可靠分离。
本发明的简短说明
该任务通过本发明以同样令人意料不到地简单的以及有效的方式由此解决，即，所述电路具有两个并联连接的电导线，所述电路包括
-第一连接点TX，发射信号在所述第一连接点上分开到第一电导线和第二电导线上，
-第一电导线，所述第一电导线具有用于衰减分开的第一发射信号的衰减器，
-第二电导线，所述第二电导线与共振器通过分支的导线在第二连接点R上连接，其中，在第二连接点R上，分开的第二发射信号被分开并且第二电导线分成两个区段L1和L2，其中，第一区段L1从第一连接点TX至第二连接点R并且第二区段L2从第二连接点R至第三连接点RX延伸并且发送保留在第二连接点R上的发射信号，其中，第二电导线的区段L1和L2的长度分别对应于发射信号的波长的四分之一的奇数的整数多倍，并且在第三连接点RX上，来自第一电导线和第二电导线的分开的发射信号相会并且在共振器中产生的接收信号发送给接收机。
在按照本发明的微波电桥电路中，为了分开发射信号和接收信号，完全放弃在这样的装置中典型地使用的循环器并且代替之设计电路，所述电路适合用于，将发射信号与接收信号分离。该电路包括电的导体电路和衰减器(“阻抗”)的布置结构。
该电路具有进入的电导线，所述电导线在连接点TX上分成两个并联连接的电导线。从发射机出来的发射信号、典型地微波功率可以在该连接点TX上以两个一样大的信号分开到第一电导线和第二电导线上。
第一电导线具有衰减器，如其关于其功能–当然不关于其构造–典型地在几乎所有已知的微波桥中安装的。通常衰减器在HF技术中这样构造，使得在输入端和输出端上的波阻例如为50欧姆，这在按照本发明的布置结构中不是这种情况。
在微波电桥电路中的衰减器经常具有例如提供用于测量的变化的发射功率的任务。在按照本发明的微波电桥电路中，可以利用衰减器减弱分开的第一发射信号。第二电导线具有第一区段L1、第二连接点R和第二区段L2，共振器通过分支的导线连接在所述第二连接点上。分开的第二发射信号可以通过第一区段L1引导并且在第二连接点R上分开为分开的第二发射信号，所述第二发射信号引导至共振器。保留的发射信号可以然后通过区段L2引导至连接点RX。为了使第一电导线的分开的第一发射信号和第二电导线的保留的发射信号在连接点RX上可以相消干涉，两个信号的电压必须一样大并且两个信号的相位以180°偏移。
典型地，第一电导线的分开的第一发射信号具有比第二电导线的保留的发射信号高的功率，因为第二电导线的保留的发射信号是分开的第二发射信号的分开的一部分。然而在理想情况中，亦即当共振器优化地调谐时，在点TX上的发射功率的划分为1：1。
为了使两个信号的功率一样大，第一电导线的被分开的第一发射信号可以通过衰减器减弱这么多，使得分开的第一发射信号的功率对应于保留的发射信号的功率。
相移180°可以以简单的方式由此实现，即，第二电导线的区段L1和L2的长度分别对应于发射信号的波长的四分之一的奇数的整数多倍。区段L1和L2可以不同长，其中，所述长度总是对应于发射信号的波长的四分之一的奇数的整数多倍。由此可以灵活构造第二电导线的构造和连接点R和共振器的定位。
如果现在减弱到保留的发射信号的功率的被分开的第一发射信号与以180°相位移动的被分开的发射信号在连接点RX上彼此相遇，则这两个信号在连接点RX上相消干涉。在共振器中出现的接收信号(“ESR信号”)可以通过导电点R和通过区段L2引导至连接点RX并且从那里然后引导至接收机。发射信号和接收信号的分开可以以这种方式简单实现。
亦即电路的按照本发明的构造不需要循环器并且能够实现，以简单的方式将发射信号与接收信号分开。在发射信号和接收信号之间的运行时间区别可以借此减少到最小值。这可以有利地作用于相对于相位噪声的响应。电路可以此外非常紧凑并且节省空间地构造，由此也能够实现在低的温度时的使用。
在失谐的共振器中，可以通过被分开的第一发射信号的功率经由衰减器和移相器的对应的调节的变化实现，被分开的第一发射信号和保留的发射信号相互在连接点RX上相消干涉，并且总是还可以获得良好的测量结果。
共振器的失谐在由现有技术已知的布置结构中不可以通过调节衰减器和移相器来补偿。
本发明的优选的实施形式和进一步构成
在优选的变型中，按照本发明的微波电桥电路可以装备有用于产生发射信号的HF发生器、用于分开发射信号的分开器和用于增强发射信号的第一放大器。通过HF发生器，可以产生高频信号，所述高频信号可以作为发射信号引导至电路和共振器。借助分开器，发射信号可以被分开并且引导至混合器以及电路和共振器。通过放大器可以增强发射信号，由此例如可以改善ESR测量的质量。
在按照本发明的微波电桥电路的完全特别优选的实施形式中设置为，第一电导线包含用于移动分开的第一发射信号的相位的移相器。
移相器典型地在几乎所有微波桥中安装。经常在微波电桥电路中的移相器具有任务，例如对测量的信号在相位方面这样旋转，使得产生最大的灵敏度。在按照本发明的微波电桥电路中，可以利用移相器移动分开的第一发射信号的相位。如果来自第二电导线的保留的发射信号的相位不是准确地以180°针对分开的第一发射信号的相位移动，则可以这样以简单的方式适配分开的第一发射信号的相位，借此分开的第一发射信号和保留的发射信号可以在连接点RX上相互相消干涉。在失谐的共振器中可以通过分开的第一发射信号的相位的变化实现，分开的第一发射信号和保留的发射信号相互在连接点RX上相消干涉，并且总是还可以获得良好的测量结果。
按照本发明的微波电桥电路的实施形式的优选的类的特征在于，所述电路由非磁性的材料构造。
由此可以避免在共振器上的测量时对均匀的磁场的干扰。此外电路本身可以较小并且较紧凑地设计，这在制造中是有利的，并且尤其是开启用于ESR传感器的新的可能性。
在其他的优选的实施形式中，按照本发明的微波电桥电路通过移相器和衰减器可调谐地构造。
由此可以省去用于自动的频率控制的AFC(＝Automatic Frequency Control)电路。在常规的微波电桥电路中，AFC电路的任务是，这样调节微波振荡器的发射频率(“工作频率”)，使得所述发射频率与共振器的谐振频率重合。为此从微波电桥电路的接收信号(“输出信号”)获得信息，所述信息适合用于，引起微波振荡器的电子的或机械的失谐。通过包括移相器和衰减器的按照本发明的电桥电路可以设计一种固定频率电桥，其在没有通常对于AFC电路需要的昂贵的构件的情况下而工作。固定频率电桥此外具有优点，即，用于产生微波功率的发生器可以在固定的频率上工作。这样的振荡器可以非常低相位噪声地构造，这是用于在例如CW微波电桥电路中优化的测量结果的前提。
此外，优选的是按照本发明的微波电桥电路的实施形式，其特征在于，移相器、衰减器和第一电导线这样设计，使得HF发生器的频率通过移相器和衰减器的运行保持不受影响。
由此可以为微波电桥电路的接收机“模拟”优化地调谐的微波电桥电路。这是用于微波电桥电路的良好的灵敏度的前提。
优选的是也是按照本发明的微波电桥电路的变型，其特征在于，移相器、衰减器和第一电导线这样设计，使得共振器的谐振频率通过移相器和衰减器的运行保持不受影响。由此可以改善测量结果的质量。
同样的是按照本发明的微波电桥电路的一种实施形式，其中，分开的第一发射信号的幅值和/或相位的调谐通过PIN二极管和/或通过电容二极管进行。
这在实际中证明可行。通过静态电流和电压的改变，可以适配发射信号的功率和相位。此外可以进行按照本发明的微波电桥电路的快速的调谐。通过使用按照本发明的电路当然生成损耗，所述损耗在使用循环器时通常不会出现。为了对此进行补偿，可以使发射功率加倍并且两次测量和积累接收信号。亦即可以改善测量的质量，其方式为：在发射侧上的发射机输出功率提高。在接收机上的灵敏度可以提高，其方式为：在接收侧上的测量的数量加倍。
按照本发明的微波电桥电路的实施形式的另一种优选的类的特征在于，共振器这样适配，使得还未分开的发射信号以不同的份额在第一连接点TX上分开到第一电导线和第二电导线上。
由此在共振器上不是吸收完整的进入的发射信号，而是发射信号的功率的一部分被反射。亦即保留的发射信号和在共振器上反射的发射信号在连接点RX上出现。通过衰减器和移相器可以这样调节分开的第一发射信号，使得分开的第一发射信号和第二电导线的发射信号相互相消干涉。通过该构造可能的是，实施在质量方面良好的测量，即使共振器不是优化地适配。取消光圈(Iris)的精调和/或共振器和/或微波源的频率的精调。
在按照本发明的微波电桥电路的实施形式的一种备选于此的类中，衰减器和移相器这样调节，使得来自第一电导线的发射信号和来自第二电导线的保留的发射信号以正好一样大的份额但以180度的相位移在第三连接点RX上相遇。由此来自第一电导线的发射信号和来自第二电导线的保留的发射信号可以在第三连接点RX上准确地相消干涉。发射信号可以以这种方式干净地与接收信号分开。
同样优选的是按照本发明的微波电桥电路的实施形式，其中，所述电路在大约10GHz的频率中运行，并且其中所述电路的外部的尺寸不超过1cmx3cmx3cm。
该频率是实际中通常使用的频率。所述电路的外部的尺寸能够实现特别紧凑的构造。
也落入本发明的范围中的是一种ESR光谱仪，其包括如上说明的用于分离发射信号与接收信号的微波电桥电路，包括用于产生发射信号的HF发生器，包括用于将发射信号分开到至少一个混合器和用于增强发射信号的第一放大器上的分开器，以及包括电路，所述电路将发射信号从发射机引导至与电路连接的共振器并且将通过在共振器中的要分析的物质产生的接收信号发送给接收机。按照本发明的微波电桥电路的大量的优点在实际中特别良好地在ESR光谱仪的这样的构造中适用。
按照本发明的ESR光谱仪的实施形式的一种优选的类的特征在于，电桥电路具有用于增强接收信号的第二放大器。
以这种方式可以还进一步改善接收信号的质量和测量的质量。
同样优选的是按照本发明的ESR光谱仪的实施形式，其中，用于增强还未分开的发射信号的第一放大器和用于增强接收信号的第二放大器无线缆地安装在电桥电路上。由此可以避免在ESR仪器的最敏感的位置上的损耗，因为没有安装附加的线缆和插塞连接器。此外可以进一步减少ESR光谱仪的空间需求。
在按照本发明的ESR光谱仪的其他的优选的实施形式中，所述电路具有直接在共振器上设置的接收机输入级。
该特别紧凑的布置结构在实际中证明特别可行并且在由现有技术已知的ESR-CW电桥中以该形式不存在。
按照本发明的ESR光谱仪的其他的优选的实施形式的特征在于，固定频率电桥在所述电路中存在。
固定频率电桥具有优点，即，用于产生微波辐射的发生器可以在固定的频率上工作。这样的发生器可以非常低相位噪声地构造，这是用于在CW微波电桥电路中的良好的测量结果的前提。
本发明其他的优点由说明书和附图得出。示出的并且说明的实施形式不应理解为最终的列举，而是具有用于描绘本发明的示例性的特性。
附图说明
本发明的详细的说明和附图
在附图中描述并且借助实施例进一步解释本发明。
其中：
图1示出按照本发明的微波电桥电路的示意的方框电路图；
图2示出按照现有技术的示例性的微波电桥电路的示意的方框电路图；
图3示出按照本发明的微波电桥电路的与共振器连接的电路的一种实施形式的示意的方框电路图，利用其可以将发射信号与接收信号分离；
图4示出按照本发明的微波电桥电路的电路的一种实施形式的示意的电路图；以及
图5示出用于以ESR光谱仪实施ESR测量的示意的测量构造，所述ESR光谱仪包含图1的按照本发明的微波电桥电路。
具体实施方式
在图1中示出按照本发明的微波电桥电路10的示意的方框电路图，如其在ESR光谱仪中(在这里未进一步示出)可以使用的。
在这里示出的实施形式中，电桥电路10具有微波源12、例如HF发生器12a、分开器22、混合器23、第一放大器24、电路11、共振器13、第二放大器25和至接收机的输入导线14。
微波源12产生微波功率，所述微波功率作为发射信号继续传导。该发射信号引导至分开器22。发射信号在分开器22上被分开。发射信号的一部分引导至混合器23，而发射信号的另一部分被引导至第一放大器24。在这里未示出的实施形式中，发射信号可以按照应用分开到多个混合器23上。
第一放大器24无线(“无线缆”)地安装到微波电桥电路10上(在这里未进一步示出)。通过放大器24的无线缆的安装，一方面最小化通过附加的线缆和插塞连接器的损耗。另一方面微波电桥电路10的总体的空间需求减少，由此微波电桥电路10所装入的ESR光谱仪的空间需求也减少。在一种未示出的实施形式中，放大器24也可以利用线缆安装到微波桥电路10上。
在第一放大器24上，发射信号被加强并且引导至电路11。发射信号从电路11进一步引导至共振器13。共振器13包含要分析的物质(“要测量的样品”)。发射信号的微波功率由要测量的样品部分吸收和部分反射。在共振器13中出现的确定用于接收机的信号再次往回作为接收信号(“接收机信号”)引导至电路11。
所述电路11在此承担任务，将传导至共振器13中的发射信号与从共振器13出来的接收信号彼此分离(为此较详细地在图3和4中说明)。亦即仅产生的信号的在共振器13中产生的发射功率作为接收信号引导至接收机(“探测器”)。
在按照现有技术的微波电桥电路10中，电路11的任务经常由循环器承担(为此参考图2)。所述电路11这样设计，使得其最大占据1cmx3cmx3cm的空间(“体积”)。在这里所述尺寸适用于10GHz附近的工作频率。通常使用的循环器虽然具有类似的尺寸，然而，具有最小的弯曲半径的线缆和同轴连接器仍必须关于空间需求而被添加，由此传统的循环器的空间需求多于三倍。
此外，所述电路可以由非磁性的(“非磁性的(nichtmagnetischen)”)材料如铝、铜、银或金制造。由此可以实施在共振器13上的测量，其中，均匀的磁场在共振器13上测量时不被干扰或只轻微地被干扰。此外，所述电路11可以更近地移近共振器13。
接收信号引导至第二放大器25，以便增强接收信号。第二放大器25也无线(“无线缆”)地安装到微波电桥电路10上(在这里未进一步示出)。由此产生的优点在此相同于对于第一放大器24产生的优点。接收信号从放大器25引导到混合器23上。在混合器23之前和之后的接收信号在频率位置方面不同。在混合器23之前的频率处于发射信号附近、例如10GHz，而在混合器23之后信号处于例如0–1MHz。从那里接收信号然后通过输入导线14引导到接收机上。
图2为了与图1比较示出用于ESR光谱仪的示例性的微波电桥电路100的示意的方框电路图，如其已经由现有技术已知的。
电桥电路100具有微波源101、例如HF发生器101a、分开器102、混合器103、第一放大器104、循环器105、共振器106、第二放大器107和至接收机的输入导线108。
微波源101产生微波功率，所述微波功率作为发射信号继续传导。该发射信号引导至分开器102。所述发射信号在分开器102上被分开。发射信号的一部分被引导至混合器103，而发射信号的另一部分引导至第一放大器104。在第一放大器104上，发射信号被增强并且引导至循环器105。发射信号从循环器105进一步引导至共振器106。共振器106包含要测量的样品。
发射信号的微波功率由要测量的样品部分地吸收和部分反射。在共振器106中出现的确定用于接收机的信号再次返回作为接收机信号引导至循环器105。循环器105在此承担任务，将传导至共振器106的发射信号与从共振器106出来的接收信号彼此分离。亦即仅生成的信号的在共振器106中生成的发射功率作为接收信号引导至接收机。
接收信号被引导至第二放大器107，以便增强接收信号。接收信号从放大器107引导给混合器103。在混合器103之前和之后的接收信号在频率位置方面不同。在混合器103之前的频率处于发射信号的附近、例如10GHz，而在混合器103之后信号处于例如0–1MHz。从那里接收信号然后通过输入导线108引导至接收机。
图3示出按照本发明的微波电桥电路的与共振器13连接的电路11的一种实施形式的示意的方框电路图，如其可以在ESR光谱仪中使用的，并且利用其可以将发射信号与接收信号分离。所述电路11可以例如在10GHz的频率情况下运行。
在这里示出的形式中，所述电路11具有从发射机出来的输入导线29、引导至接收机的输出导线30、第一连接点TX、第二连接点R、第三连接点RX、第一电导线15、分成第一区段L1和第二区段L2的第二电导线16、分支的导线18、共振器13、衰减器17和移相器19。
输入导线29与第一连接点TX连接。在第一连接点TX上，输入导线分成第一电导线15和第二电导线16。第一电导线15和第二电导线16并联连接。
第一电导线15在第一连接点TX和第三连接点RX之间延伸并且具有移相器19和衰减器17。移相器19和衰减器17可以例如作为PIN二极管和电容二极管构成(为此参见图4)。在另一种未示出的实施形式中，第一电导线15具有仅一个衰减器17。
第二电导线16分成第一区段L1和第二区段L2，所述第一区段从第一连接点TX引导至第二连接点R，所述第二区段从第二连接点R引导至第三连接点RX，在所述第三连接点上，第一电导线15和第二电导线16再次彼此相遇。所述第一区段L1和第二区段L2分别具有发射信号的波长的四分之一的奇数的整数多倍的长度。在10GHz的工作频率时，这在最短的可能的情况中、亦即区段L1和L2的长度分别对应于发射信号的波长的四分之一的情况中对应于大约每个区段L1和L2的2mm至7.5mm的长度。该长度依赖于使用的电介质。例如该长度在空气作为电介质时为大约7.5mm。但优选可用的也是作为在基底上的导线结构的实施方式，其中，同样可实现在2.5mm以下、亦即例如2mm的导线长度。共振器13通过分支的导线18与连接点R并且因此与第二电导线16连接。
按照本发明的电桥电路能够通过移相器19和衰减器17调谐。这两个构造元件能够实现，使用用于微波桥的固定频率振荡器。由此设计固定频率电桥并且省去包括昂贵的构件的用于自动的频率控制的AFC电路。
移相器19和衰减器17的设计这样进行，使得移相器19和衰减器17在运行中不影响或不显著影响HF发生器的频率。为微波电桥电路的接收机以这种方式模拟优化调谐的微波电桥电路。
基本上能够对于包括电路11的微波桥电路的运行区分两种情况。在第一情况中，共振器优化地适配，即，共振器具有优化的阻抗。在第二情况中，共振器不适配，即，共振器具有与优化的调节的情况偏离的阻抗。
第一情况(优化适配的共振器)：
通过输入导线29，由发射机发射的发射信号引导至电路11。在第一连接点TX上，发射信号以各相同的部分作为分开的第一发射信号分开到第一电导线15上并且作为分开的第二发射信号分开到第二电导线16上。
具有由发射机发射的发射信号的一半功率的分开的第二发射信号从第一连接点TX通过第二电导线16的第一区段L1引导至第二连接点R。在经过第一区段L1时，分开的第二发射信号的相位旋转90°。在第二连接点R上，分开的第二发射信号重又分开为各相同的部分。
分开的第二发射信号的具有由发射机发射的发射信号的功率的四分之一的第一部分在此通过分支的导线18引导至共振器13，所述共振器包含要测量的样品。到达的信号由在共振器13中的样品完全吸收。
分开的第二发射信号的具有由发射机发射的发射信号的功率的四分之一的第二部分从连接点R通过第二电导线16的第二区段L2引导至第三连接点RX。在经过第二区段L2时，分开的第二发射信号的第二部分的相位旋转90°。
亦即分开的第二发射信号的第二部分以由发射机发射的发射信号的功率的四分之一和180°的相移在第三连接点RX上出现。为了使分开的第二发射信号的第二部分和分开的第一发射信号相互相消干涉，从而不再有发射信号通过输出导线30发送给接收机，分开的第一发射信号这样适配，使得其相对于分开的第二发射信号的第二部分具有相同的功率和以180°移动的相位。
为此具有由发射机发射的发射信号的一半功率的分开的第一发射信号从第一连接点TX通过第一电导线15引导至第三连接点RX。在此分开的第一发射信号经过移相器19和衰减器17。移相器19这样调节，使得其不移动相位(即，其调节到0°)，因为各发射信号在连接点RX上已经以180°的相移相遇。衰减器17这样调节，使得分开的第一发射信号的功率减少50％，借此分开的第一发射信号也具有由发射机发射的发射信号的功率的四分之一。在第三连接点RX上，于是各发射信号相消干涉。
在共振器13中出现的接收信号(“ESR信号”)从共振器通过分支的导线18引导至第二连接点R并且从那里进一步通过第二电导线16的一个区段L2引导至第三连接点RX。从那里接收信号可以与发射信号分离地通过输出导线30进一步引导至接收机。
第二情况(未适配的共振器)：
通过输入导线29，由发射机发射的发射信号引导至电路11。在第一连接点TX上，发射信号以不相同的部分作为分开的第一发射信号分开到第一电导线15上并且作为分开的第二发射信号分开到第二电导线16上。
具有由发射机发射的发射信号的功率的一部分的分开的第二发射信号从第一连接点TX通过第二电导线16的第一区段L1引导至第二连接点R。在经过第一区段L1时，分开的第二发射信号的相位旋转90°。在第二连接点R上，分开的第二发射信号重又以不相同的部分分开。
分开的第二发射信号的具有分开的第二发射信号的功率的一部分的第一部分在此通过分支的导线18引导至共振器13，所述共振器包含要测量的样品。到达的信号由共振器13中的样品只部分地吸收。在共振器13上到达的信号的未吸收的部分被反射并且通过分支的导线18引导至第二连接点R。
分开的第二发射信号的具有分开的第二发射信号的功率的一部分的第二部分和在共振器13上反射的发射信号共同从连接点R通过第二电导线16的第二区段L2引导至第三连接点RX。在经过第二区段L2时，分开的第二发射信号的第二部分的相位和在共振器13上反射的发射信号旋转90°。
亦即分开的第二发射信号的第二部分与在共振器13上反射的发射信号一起以由发射机发射的发射信号的功率的一小部分并且相位移动地在第三连接点RX上抵达。为了使分开的第二发射信号的第二部分与在共振器13上反射的发射信号一起和分开的第一发射信号相互相消干涉，从而不再有发射信号通过输出导线30发送给接收机，分开的第一发射信号这样适配，使得其相对于分开的第二发射信号的第二部分连同在共振器13上反射的发射信号具有相同的功率和以180°移动的相位。
为此，具有由发射机发射的发射信号的功率的一部分的分开的第一发射信号从第一连接点TX通过第一电导线15引导至第三连接点RX。在此分开的第一发射信号经过移相器19和衰减器17。移相器19这样调节，使得分开的第一发射信号和分开的第二发射信号的第二部分与在共振器13上反射的发射信号的一起以180°的相移相遇。衰减器17这样调节，使得分开的第一发射信号的功率对应于分开的第二发射信号的第二部分连同在共振器13上反射的发射信号的功率。在第三连接点RX上，然后所述发射信号相消干涉。
在共振器13中出现的接收信号从共振器通过分支的导线18引导至第二连接点R并且从那里进一步通过第二电导线16的一个区段L2引导至第三连接点RX。从那里，接收信号可以与发射信号分离地通过输出导线30进一步引导至接收机。
在图4中示出按照本发明的微波电桥电路的电路11的一种实施形式的示意的电路图，如其在图3中说明的。
在这里示出的形式中，所述电路具有从发射机出来的输入导线29、引导至接收机的输出导线30、第一阻抗31a、第二阻抗31b、第一连接点TX、第二连接点R、然后第三连接点RX、附加的连接点Z、第一电导线15、分成第一区段L1和第二区段L2的第二电导线16、分支的导线18、带有作为共振器和样品物质的所有的吸收功率的部分的总和的损耗阻抗26的共振器结构组合件33、PIN二极管20、更准确地说是第一PIN二极管20a和第二PIN二极管20b、电容二极管21和电容器32。
在该实施形式中，阻抗31a和31b用于能够实现流过PIN二极管20的电流。电容器32在这里用于，将在连接点Z上存在的直流电压与电容二极管21分开。在电容二极管21上的电压独立于在点Z上的直流电压可控制。通常用于按照本发明的电路的高频功能既不需要电容器32也不需要阻抗31a和31b。
因为图4的电路图基本上再一次较详细地描述图3的构造，所以只详细说明至今未说明的特征。
第一电导线15具有PIN二极管20a和20b并且通过附加的连接点Z与电容二极管21连接。分开的第一发射信号、更准确地说是分开的第一发射信号的功率(“幅值”)和相位在这里示出的实施形式中通过PIN二极管20a和20b并且通过电容二极管21适配并且这样调谐，使得在第三连接点RX上的发射信号相互抵消并且仅在共振器结构组合件33上出现的接收信号通过导线30发送至接收机。
图5示出用于以ESR光谱仪1实施ESR测量的示意的测量构造，其包含图1的按照本发明的微波电桥电路10。
在这里对于微波电桥电路10示出微波源12、电路11和接收机34。微波源12典型地是HF发生器12a。此外，微波电桥电路10具有分开器、混合器、第一放大器和第二放大器(未进一步示出)。备选地，固定频率电桥也可以集成到微波电桥电路10中。第一和第二放大器可以利用线缆或无线缆地安装在电桥电路10上。
分支的导线18从电路11引导至共振器13。要测量的样品35装入共振器13中。共振器13此外由磁体布置结构36包围。在图5的示例中，所述电路11定位在磁体布置结构36外。也可能的是，将电路11直接在测量样品35中设置在磁极之间，因为所述电路可没有磁性的组成部分地实现。
附图标记列表
1 ESR光谱仪
10 微波电桥电路
11 电路
12 微波源
12a HF发生器
13 共振器
14 (至接收机的)输入导线
15 第一电导线
16 第二电导线
17 衰减器
18 (至共振器的)分支的导线
19 移相器
20 PIN二极管
20a 第一PIN二极管
20b 第二PIN二极管
21 电容二极管
22 分开器
23 混合器
24 第一放大器
25 第二放大器
26 损耗电阻
29 输入导线(从发射机出来)
30 输出导线(引导至接收机)
31a 第一阻抗
31b 第二阻抗
32 电容器
33 共振器结构组合件
34 接收机
35 样品
36 磁体布置结构
100 微波电桥电路
101 微波源
101a HF发生器
102 分开器
103 混合器
104 第一放大器
105 循环器
106 共振器
107 第二放大器
108 (至接收机的)输入导线
L1 (第二电导线的)第一区段
L2 (第二电导线的)第二区段
R 第二连接点
RX 第三连接点
TX 第一连接点
Z 附加的连接点
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Claims (14)
1.用于将发射信号与接收信号分离的微波电桥电路(10)，并且所述微波电桥电路包括电路(11)，所述电路将发射信号从发射机(12)引导至与电路(11)连接的共振器(13)以及将在共振器(13)中产生的接收信号发送给接收机(34)，
其特征在于，
所述电路(11)具有两个并联连接的电导线(15、16)，所述电路包括
-第一连接点(TX)，发射信号在所述第一连接点上分开到第一电导线(15)和第二电导线(16)上，
-第一电导线(15)，所述第一电导线具有用于衰减分开的第一发射信号的衰减器(17)，
-第二电导线(16)，第二电导线与共振器(13)通过分支的导线(18)在第二连接点(R)上连接，其中，在第二连接点(R)上，分开的第二发射信号被分开并且第二电导线(16)分成第一区段(L1)和第二区段(L2)，其中，第一区段(L1)从第一连接点(TX)至第二连接点(R)延伸并且第二区段(L2)从第二连接点(R)至第三连接点(RX)延伸并且传送保留在第二连接点(R)上的发射信号，其中，第二电导线(16)的第一区段(L1)和第二区段(L2)的长度分别对应于发射信号的波长的四分之一的奇数的整数多倍，并且
其中，在第三连接点(RX)上，来自第一电导线(15)和第二电导线(16)的分开的发射信号相会，并且在共振器(13)中产生的接收信号发送给接收机(34)，并且第一电导线(15)包含用于移动分开的第一发射信号的相位的移相器(19)。
2.按照权利要求1所述的微波电桥电路(10)，其特征在于，所述电路(11)由非磁性的材料构造。
3.按照权利要求1或2所述的微波电桥电路(10)，其特征在于，所述电路(11)通过移相器(19)和衰减器(17)可调谐地构造。
4.按照权利要求1或2所述的微波电桥电路(10)，其特征在于，移相器(19)、衰减器(17)和第一电导线(15)设计成，使得HF发生器(12a)的频率保持不通过移相器(19)和衰减器(17)的运行所影响。
5.按照权利要求1或2所述的微波电桥电路(10)，其特征在于，分开的第一发射信号的幅值和/或相位的调谐通过PIN二极管(20)和/或通过电容二极管(21)进行。
6.按照权利要求1或2所述的微波电桥电路(10)，其特征在于，共振器(13)被适配，使得还未分开的发射信号以不同的份额在第一连接点(TX)上分开到第一电导线(15)和第二电导线(16)上。
7.按照权利要求2所述的微波电桥电路(10)，其特征在于，衰减器(17)和移相器(19)被调节，使得来自第一电导线(15)的发射信号和来自第二电导线(16)的剩余的发射信号以正好一样大的份额但以180度的相移在第三连接点(RX)上相遇。
8.按照权利要求1或2所述的微波电桥电路(10)，其特征在于，所述电路(11)在10GHz的频率时运行，并且所述电路(11)的外部的尺寸不超过1cmx3cmx3cm。
9.按照权利要求1所述的微波电桥电路(10)，其特征在于，所述微波电桥电路构成为用于ESR应用。
10.ESR光谱仪(1)，包括按照权利要求1至9之一所述的用于分离发射信号与接收信号的微波电桥电路(10)；包括用于产生发射信号的HF发生器(12a)；包括分开器(22)，以用于将发射信号分开到至少一个混合器(23)和用于增强发射信号的第一放大器(24)上；以及包括电路(11)，所述电路将发射信号从发射机(12)引导至与电路(11)连接的共振器(13)并且将通过在共振器(13)中的要分析的物质产生的接收信号发送给接收机(34)。
11.按照权利要求10所述的ESR光谱仪(1)，其特征在于，电桥电路(10)具有用于增强接收信号的第二放大器(25)。
12.按照权利要求11所述的ESR光谱仪(1)，其特征在于，用于增强还未分开的发射信号的第一放大器(24)和用于增强接收信号的第二放大器(25)无线缆地安装在电桥电路(10)上。
13.按照权利要求10至12之一所述的ESR光谱仪(1)，其特征在于，所述电路(11)具有直接在共振器(13)上设置的接收机输入级。
14.按照权利要求10至12之一所述的ESR光谱仪(1)，其特征在于，在所述电路(11)中存在固定频率电桥。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
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