CN1381731A - 测定正弦信号瞬时功率的方法和设备 - Google Patents

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Abstract

提供了一种测定正弦信号瞬时功率的方法和装置。一般而言,本发明的设备可以测定正弦信号的瞬时功率而无需滤波。这是基于三角恒等式:sin2x+cos2x=1实现的。通过首先将输入信号分成二个信号,使得所形成信号相互间相位差为90度,并且随后平方分离信号,并将被平方的分离信号相加,该原始信号中的交流成分被有效地清除了,留下不含有任何剩余交流成分的原始信号的幅度平方的直流表示。该原始信号的幅度平方直接正比于原始信号的瞬时功率。

Description

测定正弦信号瞬时功率的方法和设备
技术领域
一般而言，本发明涉及功率检测；具体而言，本发明涉及正弦信号的幅度平方的检测，该值正比于正弦信号的瞬时功率。
背景技术
许多应用领域涉及正弦波信号，人们常常希望测量正弦信号的瞬时功率。但是，在脉冲或者调制应用的场合下，例如：在通信或者生成等离子体的场合，这种测量会尤其困难。
以前对正弦信号功率或者幅度的测量尝试集中在对信号进行整流和滤除所得信号中的残余交流成分。但是，这种方法引入了一些问题。所用滤波器经常采用电抗元件，例如电容器，将不想要的信号滤掉。然而，电容器需要一段时间进行充电。经常会发生该电容器的“上升”时间比待测信号的脉冲宽度长。因此，常常不希望使用这种滤波器，这是因为：电容器充电需要时间，所以采用这种滤波器的系统不能够精确测量具有短脉冲宽度包络的正弦信号的瞬时功率。出于电容器需要时间进行充电的原因，滤波器对正弦信号施加最小脉冲宽度和最大调制频率的限制。因此，人们需要一种克服这些和其它问题的装置。
发明内容
本发明是一种用于测定输入信号瞬时功率或者幅度平方的方法和设备。
根据第一实施方案，用于测量输入信号的幅度平方的装置包括用于将输入信号分成第一部分和第二部分的分离装置，其中第一部分与被平方的第二部分的相位相差90度；用于平方第一部分的第一平方装置；用于平方第二部分的第二平方装置；用于将被平方的第一部分与第二部分相加的加法装置，由相加的被平方的第一部分和相加的被平方的第二部分产生一个正比于输入信号幅度平方的输出信号。
根据本发明的另一个实施方案，测量正弦信号幅度平方的方法包括将正弦信号分成第一部分和第二部分，其中第一部分与第二部分的相位相差90度；平方第一部分；平方第二部分；和将被平方的第一部分与被平方的第二部分相加；由相加的被平方的第一部分和相加的被平方的第二部分产生一个正比于输入信号幅度平方的输出信号。
附图说明
通过下文并结合以下附图的描述可以对本发明有一个更加完整的了解，在这些附图中：
图1是一个本发明实施方案的方框图；
图2是一个本发明实施方案的方框图；
图3是一个本发明实施方案的示意图；和
图4是本发明的方法的流程图。
具体实施方案
根据本发明，提供了一种测定正弦信号瞬时功率的方法和设备。一般而言，如下文详细所述，本发明的设备无需滤波就可以测定正弦信号的瞬时功率。这是基于三角恒等式：sin2x+cos2x＝1实现的。通过首先将输入信号分成二个信号从而使产生的信号相互相位之间相差90度，并且随后平方分离信号并使该被平方的分离信号相加，原始信号中的交流成分被有效地清除，留下一个不含有有任何残余交流成分的原始信号幅度平方的直流表示。该原始信号的幅度平方直接正比于原始信号的瞬时功率。
现在参照附图，从图1开始进行详细描述。图1是根据本发明的优选实施方案的系统结构的总图。图1所示设备100通常包括用于产生正弦信号的信号发生器装置110；用于将输入信号分成二部分的分离器装置120，这二个信号相互间相位相差90度；用于平方分离信号中的每一个的平方装置130、140；和将二个被平方信号相加的加法装置。
图2更详细地示出本发明的设备。如图所示，实际上，该输入可以来自任何发生正弦信号的装置。例如，该输入信号可以由定向耦合器或者其它适合发生待测信号的传感器产生。应当注意的是：任何信号都可以表示为正弦信号之和。因此，本发明的实用性不应当仅仅局限于单一频率的正弦信号。
如下文所述，在一个优选的实施方案中，分离器装置120是一个正交分离器220。正交分离器220是一种已知的电路单元，该单元将信号分成二个等幅并且相位间相差90度的的分离信号。实际上，正交分离器220将输入信号分成该输入信号的正弦和余弦型式因为sin(x+π/2)＝cos(x)。
输入210与正交分离器220耦合。该输入通常是以含有高频成分正弦信号的形式的射频(RF)信号。该RF信号通常被概括为2msinθ的形式，其中2m是正弦信号的幅度。因此正交分离器220的输出是二个信号：msinθ和mcosθ。第一分离信号是msinθ，而第二分离信号是mcosθ。二个信号被分别单独地发送到平方装置230，240。从平方装置输出的信号分别是m2sin2θ和m2cos2θ。
当求和电路对信号求和时，生成的输出信号是2m2(sin2θ+cos2θ)。因为存在三角恒等式：sin2θ+cos2θ＝1，所以输出信号是一个为2m2的恒定直流输出电平。因此，输出信号直接正比于输入信号的功率。
平方电路230，240分别接收正弦和余弦信号，并对每一个单独信号平方，平方电路230，240可以例如是四象限电压输出模拟乘法器，诸如：由麻萨诸塞州的Norwood的Analog Devices，Inc公司的AD835乘法器。应当注意的是：与此相仿可以采用其它平方电路。
求和电路250将二个信号加在一起，并且输出一个不含任何剩余交流成分的原始信号幅度平方(功率)的直流表示的输出信号。可以采用不同方法构建求和电路。例如可以简单地将信号线印制在一起或者采用复合高隔离法(complex high-isolation method)来构成求和电路250。
图3示出了一个本发明的示例性的实施方案。如图所示，正交分离器220包括二对并联的电阻电容对。第一分离信号从电阻器310中引出。第二分离信号从电容器314中引出。将这二个分离信号发送到示例性的平方电路的输入端，例如Analogy Devices公司的AD835单元。AD835单元240中的一个的输出端包含本发明的输出直流信号。以下将详细讨论AD835单元的运行。
这里将对图3装置的运行进行详细地描述。输入信号由输入信号发生器210产生。该输入信号通常是幅度为2m的正弦信号。方框220表示正交分离器。该正交分离器最好包括与电容器312串联耦合的电阻310。该电阻电容器对310、312被布置成与一个匹配的电阻电容对314、316并联。在一个示例性的实施方案中，输入信号的频率为13.56MHz，在电阻310、316处正交分离器的值为51.1欧姆。匹配电容器312和314的电容各为230皮法拉。来自正交分离器220的输出信号是二个信号，并准备输入到二个不同的平方电路230、240中。第一分离信号是msinθ，第二分离信号是mcosθ，因为这种实施正交分离器引入了反映在所产生分离信号幅度中的损耗。
平方电路最好选Analog Devices公司的AD835单元230、240。AD835是带有被集成加法器的平方电路。AD835单元有二个用于实现乘法功能的输入端x1和y1。另外一个输入端z用于将一个另外的输入与x1和y1端的乘积相加。因此输出端w提供的逻辑功能为：z+(x1·y1)。可以看出，第一AD835单元230输出端的逻辑功能为：msinθ·msinθ。
可以看出，第一AD835单元230的输出端w与第二AD835单元240的输入端z耦合。因此，第二AD835单元240输出端w的逻辑功能为：m2sin2θ+(mcosθ·mcosθ)。第二AD835单元240输出端w因此为：2m2。
图4示出了用于测量正弦信号的瞬时功率的本发明的过程。首先在步骤410将信号分成二个等幅信号，其中一个信号与另一个信号相位相差90度。随后，在步骤420，平方每一个信号。最后，在步骤430将被平方的信号相加。被平方信号的的交流成分的频率是未被平方信号交流成分频率的二倍，因此被平方信号的的交流成分相位差是未被平方信号交流成分相位差的二倍(180度)。该平方过程传递一个直流成分给被平方的信号。当对信号进行求和时，由于被平方信号的交流成分相互之间相差180度的相位，所以被平方信号的交流成分被消除。因此，直流成分(该直流成分是平方的结果而非存在于该原始信号中)到达该输出。
上述发明具有许多优点。首先，输出直接为2m2，使得可以直接从本发明电路的输出信号中推算出输入信号的功率。其次，不需要低通滤波器，因此即使输入信号是被任意快调制的，也可以对其进行恢复以测量功率。
虽然通过所述各种不同的实施方案对本发明进行了说明，但是本发明并不局限于在此被公开的实施方案。因此本说明书仅用于说明。本领域的熟练技术人员可以构建出各种不同的不偏离本发明精神实质的变型和改进。所以，本发明由所附的权力要求及其等价物限定和保护。保留在所附权利要求范围内进行全面修改的独占权力。

Claims (19)

1.一种用于测量输入信号的幅度平方的装置，该装置包括：
用于将所述输入信号分成第一部分和第二部分的分离装置，其中所述第一部分与所述第二部分相位相差90度；
用于平方所述第一部分的第一平方装置；
用于平方所述第二部分的第二平方装置；
用于将被平方的第一部分与被平方的第二部分相加的加法装置；
由此，所述相加的被平方的第一部分与相加的被平方的第二部分产生一个正比于所述输入信号的幅度平方的输出信号。
2.根据权利要求1的装置，其中所述分离装置是一个正交分离器。
3.根据权利要求1的装置，其中所述输入信号在等离子体发生器内产生。
4.根据权利要求1的装置，其中所述输入信号由定向耦合器产生。
5.根据权利要求1的装置，其中所述输入信号是正弦信号。
6.根据权利要求1的装置，其中所述输入信号是正弦信号之和。
7.根据权利要求1的装置，其中所述输出信号是直流信号。
8.根据权利要求1的装置，其中第一平方装置是AD835单元。
9.根据权利要求8的装置，其中第二平方装置是AD835单元。
10.根据权利要求9的装置，其中所述加法装置被集成在一个AD835单元中。
11.根据权利要求1的装置，其中所述加法装置是一个求和运算放大器。
12.一种用于测量正弦信号幅度平方的方法，该方法包括：
将所述输入信号分成第一部分和第二部分，其中所述第一部分与所述第二部分相位相差90度；
平方所述第一部分；
平方所述第二部分；和
将被平方的第一部分与被平方的第二部分相加，
由此，所述相加的被平方的第一部分与相加的被平方的第二部分产生一个正比于所述正弦信号的幅度平方的输出信号。
13.根据权利要求12的装置，其中所述分离步骤由正交分离器完成。
14.根据权利要求12的装置，其中所述正弦信号在等离子体发生器内产生。
15.根据权利要求12的装置，其中所述正弦信号由定向耦合器产生。
16.根据权利要求12的装置，其中所述第一平方步骤由AD835单元完成。
17.根据权利要求16的装置，其中所述第二平方步骤由AD835单元完成。
18.根据权利要求17的装置，其中所述加法步骤由AD835单元完成。
19.根据权利要求12的装置，其中所述加法步骤由求和运算放大器完成。
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