DE102007047009A1

DE102007047009A1 - Leistungssensor mit zugeschaltetem Signalverstärkungsweg

Info

Publication number: DE102007047009A1
Application number: DE102007047009A
Authority: DE
Inventors: Dean B. Loveland Nicholson
Original assignee: Agilent Technologies Inc
Current assignee: Agilent Technologies Inc
Priority date: 2006-10-27
Filing date: 2007-10-01
Publication date: 2008-05-08
Also published as: US20080143320A1

Abstract

Ein HF-Leistungssensor ist von einem Gehäuse umschlossen. Ein Eingangstor des Gehäuses bringt ein HF-Signal in das Gehäuse. Ein HF-Schalter innerhalb des Gehäuses schaltet das HF-Signal zwischen einem verstärkten Weg, einem Durchgangsweg und einem gedämpften Weg um. Ein HF-Leistungsdetektor innerhalb des Gehäuses misst Wärme, die durch die HF-Energie des HF-Signals, das den verstärkten Weg, den Durchgangsweg oder den gedämpften Weg durchläuft, erzeugt wird.

Description

Die zwei häufigsten Typen von Leistungssensoren können als wärmebasierte Leistungssensoren (auch als thermisch basierte Leistungssensoren) und Gleichrichtungssensoren oder diodenbasierte Sensoren klassifiziert werden.
Thermisch basierte Leistungssensoren sind echte „Mittelungsdetektoren" und umfassen Thermoelement- und Bolometer(Thermistor- oder Barretter-) Leistungssensoren. Sie wandeln eine unbekannte HF-Leistung in Wärme um und erfassen diese Wärmeübertragung. Mit anderen Worten messen sie durch HF-Energie erzeugte Wärme. Diese Thermosensoren können im Allgemeinen keine genaue Durchschnittsleistungsmessungsfähigkeit bereitstellen, wenn das Grundrauschen geringer als etwa -30 bis -35 dBm ist. Auch nehmen sie im Allgemeinen nur genaue Leistungsmessungen über einen dynamischen Bereich von etwa 50 dB von etwa -30 dBm bis +20 dBm vor.
Einige diodenbasierte Sensoren des Stands der Technik weisen einen dynamischen Bereich von 80 dB auf, sie können jedoch die durchschnittliche Leistung modulierter Signale nicht so genau wie thermisch basierte Leistungssensoren messen.
Signalanalysatoren können Durchschnittsleistungsmessungen mit niedrigerem Grundrauschen als die thermisch basierten Leistungssensoren des Stands der Technik bereitstellen, jedoch nur mit erheblichen Softwarekorrekturen, weniger Genauigkeit und bei wesentlich höheren Kosten.
Es wäre erwünscht, die genaue Durchschnittsleistungsmessfähigkeit der thermisch basierten Sensoren des Stands der Technik aufrechtzuerhalten und gleichzeitig das Grundrau schen auf bis auf mindestens -50 dBm oder -60 dBm herab zu erweitern.
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen thermisch basierten HF-Leistungssensor und einen HF-Leistungssensor mit verbesserten Charakteristika zu schaffen.
Diese Aufgabe wird durch einen thermisch basierten HF-Leistungssensor gemäß Anspruch 1 sowie einen HF-Leistungssensor gemäß Anspruch 2 gelöst.
Die vorliegende Erfindung stellt einen thermisch basierten Leistungssensor mit zugeschaltetem Signalverstärkungsweg bereit, der ein Grundrauschen aufweist, das sich auf bis zu -50 dBm oder -60 dBm herab erstreckt, und einen dynamischen Bereich von zumindest 70 dB von etwa -50 dBm bis +20 dBm oder mehr abdeckt.
Allgemeiner ausgedrückt ist die Erfindung ein thermisch basierter HF-Leistungssensor, der ein umschließendes Gehäuse umfasst. Ein Eingangstor des Gehäuses bringt ein HF-Signal in das Gehäuse. Ein HF-Schalter in dem Gehäuse schaltet das HF-Signal zwischen einem verstärkten Weg, einem Durchgangsweg und einem gedämpften Weg um. Ein thermisch basierter HF-Leistungsdetektor in dem Gehäuse misst die durch die HF-Energie des HF-Signals, das den verstärkten Weg, den Durchgangsweg oder den gedämpften Weg durchläuft, erzeugte Wärme.
Weitere bevorzugte Merkmale der Erfindung werden nun lediglich als Beispiel mit Bezug auf die folgende Figur beschrieben.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend Bezug nehmend auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt:
1 den Leistungssensor mit dem zugeschalteten Signalverstärkungsweg der vorliegenden Erfindung.
1 zeigt einen HF-Leistungssensor 100, der ein umschließendes Gehäuse 101 umfasst. Ein Eingangstor 103 des Gehäuses bringt ein HF-Signal 119 in das Gehäuse. Der HF-Frequenzbereich soll Frequenzen von etwa 150 kHz bis in den IR-Bereich hinein abdecken, auch wenn jüngste Verbesserungen bei Gleichstrom-Sperrkondensatoren es ermöglicht haben, dass diese HF-Techniken bei vielen Anwendungen auf bis zu unter 10 kHz erweitert werden können. Bei anderen Ausführungsbeispielen kann die Frequenz auf den Mikrowellenfrequenzbereich von 1 GHz und höher begrenzt werden, oder die Frequenz kann auf den optischen Bereich begrenzt werden. Die verwendeten Übertragungsmedien können Kabel, Wellenleiter oder andere Medien sein.
In dem Gehäuse 101 befindet sich ein HF-Leistungsdetektor 105. Der HF-Leistungsdetektor 105 kann ein thermisch basierter Leistungsdetektor sein, der als ein echter „Mittelungsdetektor" dient und, z. B., ein Thermoelementdetektor, ein Thermistordetektor oder ein Barretterdetektor sein kann. Die thermisch basierten Leistungsdetektoren wandeln eine unbekannte HF-Leistung in Wärme um und erfassen die Wärmeübertragung. Anders ausgedrückt messen sie die durch die HF-Energie erzeugte Wärme. Andere Typen von Durchschnittsleistungsmessdetektoren können auch verwendet werden.
In dem Gehäuse 101 des HF-Leistungssensors 100 befinden sich drei unterschiedliche Wege, durch die sich das HF-Signal 119 zu dem HF-Leistungsdetektor 105 bewegen kann.
Die drei Wege sind ein verstärkter Weg 109, der einen Festkörperverstärker 117 umfasst, durch den das HF-Signal 119 verstärkt und an den HF-Leistungsdetektor 105 übergeben wird, ein Durchgangsweg 111, durch den das HF-Signal 119 an den HF-Leistungsdetektor 105 übergeben wird, und ein Dämp fungsweg 113, der ein HF-Dämpfungsglied 121 umfasst, durch das das HF-Signal 119 gedämpft und an den HF-Leistungsdetektor 105 übergeben wird.
Der verstärkte Weg 109 kann einen oder mehrere Festkörperverstärker 117 zum Verstärken des HF-Signals 119 umfassen. Bei anderen Ausführungsbeispielen können die Verstärker 117 andere Typen als Festkörperverstärker sein. Bei dem Verstärker 117 kann der Gewinn kalibriert und über Frequenz und Temperatur korrigiert werden, um die Genauigkeit aufrechtzuerhalten.
In dem Gehäuse 101 befindet sich auch ein erster Schalter 107. Entsprechend den drei unterschiedlichen Wegen 109, 111, 113, durch die sich das HF-Signal 119 bewegen kann, weist der Schalter drei getrennte Positionen auf.
In dem Gehäuse 101 befindet sich auch ein zweiter Schalter 115, der ebenfalls drei getrennte Positionen aufweist, die den drei unterschiedlichen Wegen entsprechen, durch die sich das HF-Signal 119 bewegen kann.
Der erste und der zweite Schalter 107, 115 befinden sich in der ersten Position, in der sie das HF-Signal 119 durch den ersten verstärkten Weg 109 leiten, wenn das HF-Signal einen niedrigen Leistungspegel von weniger als etwa -50 dBm aufweist.
Der erste und der zweite Schalter 107, 115 befinden sich in der zweiten Position, in der sie das HF-Signal 119 durch den zweiten Durchgangsweg 111 leiten, wenn das HF-Signal einen mittleren Leistungspegel von zwischen etwa -50 dBm und +30 dBm aufweist.
Der erste und der zweite Schalter 107, 115 befinden sich in der dritten Position, in der sie das HF-Signal 119 durch den dritten Dämpfungsweg 113 einschließlich eines HF- Dämpfungsglieds 121 leiten, wenn das HF-Signal einen Leistungspegel von größer als etwa +30 dBm aufweist.
Somit misst der Leistungssensor eine durch das Eingangstor empfangene durchschnittliche Leistung des HF-Signals über einen dynamischen Bereich von mehr als etwa 80 dB.
Der erste und der zweite Schalter 107, 115 können viele unterschiedliche Typen von Schaltern wie z. B. MEMS-Schalter (MEMS = mikroelektromechanisches System) oder Festkörperschalter sein. Vorzugsweise ist der Schalter ein Schalter mit geringer Verzerrung.
Der Schalter 115 wird durch einen Prozessor 123 gesteuert, der Teil des HF-Leistungssensors 100 oder Teil z. B. eines Leistungsmessgeräts 127 sein kann. Die Steuerung Umschaltens, um zu bestimmen, welcher Weg 109, 111, 113 ausgewählt wird, so dass sich das HF-Signal 119 durch denselben hindurch bewegt, kann z. B. durch das Leistungsmessgerät 127, das auf den Sensor folgt, unter Verwendung des Prozessors 123 vorgenommen werden. Das Leistungsmessgerät 127 kennt den derzeit ausgewählten Weg und den derzeitige Leistungspegel, der gelesen wird, und kann bestimmen, ob der derzeit ausgewählte Weg der geeignete für die Messung ist, oder ob ein anderer Weg ausgewählt werden sollte. Wenn z. B. der gedämpfte Weg 113 ausgewählt wurde und kein HF-Signal oder ein HF-Signal in der Nähe des Grundrauschens des Sensors gelesen wird, stellt das Leistungsmessgerät 127 die Schalter um, um zu konfigurieren, dass die Messung mit dem Durchgangsweg 111 vorgenommen wird. Wenn der neue Leistungsmessgerätlesevorgang mit dem Durchgangsweg 11 noch immer an dem oder nahe des Grundrauschens des Sensors liegt, rekonfiguriert das Leistungsmessgerät 127 die Sensorschalter, um den verstärkten und gefilterten Weg 109 auszuwählen. Erweiterungen und weitere Beispiele dieser Technik zum Auswählen der Art und Weise, in der die Schalter für den Leistungssensor gesteuert werden, sind einfach und werden hier nicht erläutert.
Der verstärkte Weg 109 verstärkt das Niedrigleistungssignal 119 derart, dass es sich auf einem Pegel befindet, der durch den HF-Leistungsdetektor 105 erfassbar ist. Diese Verstärkung verbessert das Grundrauschen des HF-Leistungsdetektors 105, da das Grundrauschen eher durch die thermischen Rauscheffekte des HF-Leistungsdetektors 105 als durch die Rauschleistung für den HF-Leistungsdetektor 105 bestimmt ist.
Die Rauschleistung (Pn) ist: Pn = k·T·BW,wobei Pn Leistung in Watt, k die Boltzmannsche Konstante (1,38 × 10^-23 J/K), T die Temperatur in Kelvin (K) und BW die Bandbreite in Hertz ist. Bei dem HF-Leistungsdetektor 105 kann die Bandbreite BW 20 GHz sein.
Das Ergebnis für die Rauschleistung ist Pn = -71 dBm bei einer Temperatur von 290K.
Das Grundrauschen derzeitiger thermisch basierter Leistungsdetektoren, wie z. B. Thermoelement- oder Thermistor-Detektoren, ist etwa -30 bis -35 dBm. Demzufolge ist das Detektorgrundrauschen nicht durch die Rauschleistung von -71 dBm, sondern stattdessen durch den Leistungspegel eines Signals bestimmt, das benötigt wird, um die Temperatur des messenden thermisch basierten Leistungsmessdetektors über den Pegel des thermischen Rauschens anzuheben.
Somit können unter Verwendung der Schalter 107, 115, um einen oder mehrere der Verstärker 117 zuzuschalten, etwa 30 dB Gewinn zugeschaltet werden. Dieser Verstärkergewinn erhöht die Rauschleistung um 30 dB von etwa -71 dBm auf etwa -40 dBm. Dies hat keinerlei Auswirkung auf das Sensorgrundrauschen, das durch die thermischen Effekte auf etwa -30 dBm festgelegt ist und sich so noch immer 10 dB über dem Grund rauschen befindet, das durch das HF-Rauschen, das über die Frequenz integriert wurde, bestimmt ist. Mit einem Gewinn von 30 dB kann sogar ein Signal 119 mit einem Leistungspegel von -50 dBm oder weniger auf 10 dB höher als das thermische Grundrauschen des Sensors verstärkt werden, was eine schnelle und genaue Messung ermöglicht.
In der vorhergehenden Beschreibung wurde die Erfindung mit Bezug auf spezifische Ausführungsbeispiele derselben beschrieben. Die Beschreibung und die Zeichnungen sollen demzufolge in einem veranschaulichenden Sinn und nicht in einem beschränkenden Sinn verstanden werden.

Claims

Thermisch basierter HF-Leistungssensor (100), der ein umschließendes Gehäuse (101) umfasst, der folgende Merkmale aufweist: ein Eingangstor (103) des Gehäuses (101), um ein HF-Signal (119) in das Gehäuse (101) zu bringen; einen thermisch basierten HF-Leistungsdetektor (105) innerhalb des Gehäuses (101); einen ersten Schalter (107) innerhalb des Gehäuses (101), der zwischen einer ersten Position, wenn das HF-Signal (119) einen Leistungspegel von weniger als etwa -50 dBm aufweist, einer zweiten Position, wenn das HF-Signal (119) einen Leistungspegel von zwischen etwa -50 dBm und +30 dBm aufweist, und einer dritten Position, wenn das HF-Signal (119) einen Leistungspegel von größer als etwa +30 dBm aufweist, umschaltet; einen zweiten Schalter (115) innerhalb des Gehäuses (101), der zwischen einer ersten Position, einer zweiten Position und einer dritten Position umschaltet; einen verstärkten Weg (109), der einen Festkörperverstärker (117) umfasst, durch den das HF-Signal (119) verstärkt und an den HF-Leistungsdetektor (105) übergeben wird, wenn sich der erste (107) und der zweite Schalter (115) in der ersten Position befinden; einen Durchgangsweg (111), durch den das HF-Signal (119) an den HF-Leistungsdetektor (105) übergeben wird, wenn sich der erste (107) und der zweite Schalter (115) in der zweiten Position befinden; und einen Dämpfungsweg (113), der ein HF-Dämpfungsglied (121) umfasst, durch das das HF-Signal (119) gedämpft und an den HF-Leistungsdetektor (105) übergeben wird, wenn sich der erste (107) und der zweite Schalter (115) in der dritten Position befinden.
HF-Leistungssensor (100), der folgende Merkmale aufweist: ein Gehäuse (101); ein Eingangstor (103) des Gehäuses (101), um ein HF-Signal (119) in das Gehäuse (101) zu bringen; einen HF-Schalter innerhalb des Gehäuses (101) zum Umschalten des HF-Signals (119) zwischen einem verstärkten Weg (109) und einem nicht verstärkten Weg; und einen HF-Leistungsdetektor (105) innerhalb des Gehäuses (101) zum Messen einer HF-Leistungsausgabe aus dem verstärkten Weg (109).
Leistungssensor gemäß Anspruch 2, bei dem der HF-Leistungsdetektor (105) ein Thermoelement-Detektor ist.
Leistungssensor gemäß Anspruch 2 oder 3, bei dem der HF-Leistungsdetektor (105) ein Thermistor-Detektor ist.
Leistungssensor gemäß einem der Ansprüche 2 bis 4, der ferner einen zweiten Schalter (115) zum Umschalten zwischen dem verstärkten Weg (109), um ein verstärktes HF-Signal (119) zu dem HF-Leistungsdetektor (105) zu leiten, und dem nicht verstärkten Weg, um ein nicht verstärktes Signal zu dem HF-Leistungsdetektor (105) zu leiten, aufweist.
Leistungssensor gemäß einem der Ansprüche 2 bis 5, bei dem der verstärkte Weg (109) einen Festkörperverstärker (117) umfasst.
Leistungssensor gemäß Anspruch 6, bei dem der Festkörperverstärker (117) einen Gewinn von etwa +30 dB aufweist.
Leistungssensor gemäß einem der Ansprüche 2 bis 7, bei dem der nicht verstärkte Weg ein Dämpfungsgliedweg (113) ist, der ein HF-Dämpfungsglied (121) umfasst.
Leistungssensor gemäß einem der Ansprüche 5 bis 8, der ferner eine Dämpfungsgliedweg (113) aufweist, der ein HF-Dämpfungsglied (121) umfasst, und bei dem der nicht verstärkte Weg ein Durchgangsweg (111) ist.
Leistungssensor gemäß Anspruch 9, bei dem der zweite Schalter (115) zum Umschalten zwischen dem verstärkten Weg (109), dem Durchgangsweg (111) und dem Dämpfungsgliedweg (113) vorgesehen ist.
Leistungssensor gemäß einem der Ansprüche 2 bis 10, wobei der Leistungssensor eine Durchschnittsleistung des durch das Eingangstor (103) empfangenen HF-Signals (119) über einen dynamischen Bereich von zumindest 80 dB misst.
Leistungssensor gemäß einem der Ansprüche 2 bis 11, wobei der Leistungssensor eine Durchschnittsleistung des durch das Eingangstor (103) empfangenen HF-Signals (119) misst.
Leistungssensor gemäß einem der Ansprüche 10 bis 12, bei dem der HF-Schalter innerhalb des Gehäuses (101) das HF-Signal (119) auf den verstärkten Weg (109) schaltet, wenn das durch das Eingangstor (103) empfan gene HF-Signal (119) einen Leistungspegel von weniger als etwa -50 dBm aufweist.
Leistungssensor gemäß einem der Ansprüche 10 bis 13, bei dem der HF-Schalter innerhalb des Gehäuses (101) das HF-Signal (119) auf den Durchgangsweg (111) schaltet, wenn das durch das Eingangstor (103) empfangene HF-Signal (119) einen Leistungspegel von zwischen etwa -50 dBm und +30 dBm aufweist.
Leistungssensor gemäß einem der Ansprüche 10 bis 14, bei dem der HF-Schalter innerhalb des Gehäuses (101) das HF-Signal (119) auf den Dämpfungsgliedweg (113) schaltet, wenn das durch das Eingangstor (103) empfangene HF-Signal (119) einen Leistungspegel von größer als etwa +30 dBm aufweist.
Leistungssensor gemäß einem der Ansprüche 2 bis 15, bei dem der HF-Schalter ein MEMS-Schalter ist.
Leistungssensor gemäß einem der Ansprüche 2 bis 16, bei dem der HF-Schalter ein Festkörperschalter ist.