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Die Erfindung betrifft einen Leistungsmesser, insbesondere einen Hochfrequenzleistungsmesser mit großem Dynamikbereich.
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Herkömmlich werden zur Messung der Leistung von Hochfrequenzsignalen u. a. Diodenleistungsmesser eingesetzt. Das Messsignal wird einer Detektor-Diode beaufschlagt. Auf Grund der quadratischen Kennlinie der Detektor-Diode kann eine der Leistung des Signals proportionale analoge Ausgangsspannung der Detektor-Diode entnommen werden.
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Beim Einsatz eines einzelnen Detektors ergibt sich jedoch ein kleiner Dynamikbereich des Leistungsmessers, da dieser lediglich im quadratischen Kennlinienbereich der Detektor-Diode arbeitet. Wird der quadratische Bereich voll ausgenutzt, ergibt sich zusätzlich an der Grenze des quadratischen Bereichs eine geringere Messgenauigkeit.
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Um diesem Problem zu begegnen, zeigt die
DE 10 2007 047 009 A1 einen Leistungsmesser mit mehreren Messpfaden, welche für unterschiedliche Leistungsbereiche des Messsignals konzipiert sind. Dabei wird das Messsignal mittels eines ersten Schalters eingangsseitig zwischen den verschiedenen Messpfaden umgeschaltet. Gleichzeitig ist stets genau ein Messpfad aktiv. Eine Digitalisierung der Messergebnisse erfolgt nach der Zusammenführung der Messpfade mittels eines ausgangsseitigen zweiten Schalters. Dieser Leistungsmesser ist jedoch mit einigen Nachteilen behaftet. So können Signale mit schnellen Wechseln zwischen Leistungsbereichen nicht zufriedenstellend vermessen werden, da die Schalter eine Schaltlatenz aufweisen. Die Eigenschaften mechanischer Schalter (z. B. mikromechanischer MEMS-Schalter) können sich durch Umwelteinflüsse und Alterung ändern. Insbesondere kann der Kontaktwiderstand zunehmen. Eine geringere Messgenauigkeit ist die Folge.
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Die
DE 10 2006 046 966 A1 zeigt eine andere Messvorrichtung und ein anderes Messverfahren zum Messen der Leistung eines Hochfrequenzsignals. Diese beziehungsweise dieses beinhaltet jedoch lediglich einen einzigen Messpfad.
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Die
DE 199 55 342 A1 zeigt eine Anordnung zum Messen des Effektivwerts einer Hochfrequenz-Wechselspannung über einen großen Dynamikbereich. Dieser Leistungsmesser beruht jedoch auf einem gänzlich anderen Messprinzip. So werden bei diesem Messprinzip die zu messenden Signale zunächst in mehrere Teilspannungen zerlegt, dann zu der Leistung proportionalen Werten umgesetzt und diese dann anschließend erfasst.
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Die
EP 1 043 595 A1 zeigt zwar einen Leistungsmesser mit mehreren Messpfaden. Diese sind jedoch eingangsseitig und ausgansseitig mit jeweils einem Schalter mit einem entsprechenden Detektor verbunden. Individuelle Detektoren und Differenzverstärker sind für die einzelnen Messpfade nicht dort beschrieben.
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Die
GB 2 325 989 A offenbart einen Leistungsmesser, bei welchem das zu messende Hochfrequenzsignal zunächst einem Detektor zugeführt und verstärkt wird. Das resultierende Signal wird anschließend in Abhängigkeit der Signalstärke einem von mehreren Signalfaden zugeführt, welche ausgangsseitig mittels eines Schalters an einen gemeinsamen Analog/Digital- Wandler schaltbar sind.
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Die
US 2008/0084199 A1 zeigt zwar einen Leistungsmesser mit mehreren Messpfaden. Diese Messpfade beinhalten jedoch ebenfalls keinen individuellen Differenzverstärker. Auch kann dieser Druckschrift lediglich die Ausgestaltung mit zwei Messpfaden entnommen werden.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, einen Leistungsmesser zu schaffen, welcher die Leistung von Messsignalen mit hoher Genauigkeit bei geringem Platzbedarf und geringem Herstellungsaufwand misst.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des unabhängigen Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der hierauf rückbezogenen Unteransprüche.
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Ein erfindungsgemäßer Leistungsmesser verfügt über zumindest zwei Messpfade und eine Verteileinrichtung. Ein erster Messpfad beinhaltet zumindest einen Vorverstärker und einen ersten Detektor. Ein zweiter Messpfad beinhaltet zumindest eine Direktverbindung und einen zweiten Detektor. Ein zu dem zweiten Pfad alternativer oder optional zusätzlicher dritter Pfad beinhaltet zumindest ein Dämpfungsglied und einen zweiten bzw. dritten Detektor. Die Verteileinrichtung verteilt ein Messsignal auf die Messpfade. So kann auf einen Schalter zum Zusammenführen der Signale der Messpfade verzichtet werden. Eine hohe Messgenauigkeit und Messgeschwindigkeit ist so möglich.
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Die Verteileinrichtung verteilt bevorzugt Messsignale in Abhängigkeit ihrer Leistung auf die Messpfade. So kann die Genauigkeit der Messung erhöht werden.
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Die Verteileinrichtung ist bevorzugt ein passives Netzwerk. So sind eine geringe Komplexität und eine hohe Ausfallsicherheit des Leistungsmessers gewährleistet.
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Vorteilhafterweise beinhaltet das passive Netzwerk zumindest einen Leistungsteiler. So kann das Messsignal gleichmäßig auf mehrere Messpfade aufgeteilt werden.
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Bevorzugt teilt das passive Netzwerk die Messsignale des Leistungsmessers kontinuierlich auf die Messpfade auf. So können beim Übergang von einem Messpfad zum anderen Messpfad die Ausgangsspannungen mehrerer Messpfade gleichzeitig ausgewertet werden. Eine Erhöhung der Messgenauigkeit ist so möglich.
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Alternativ ist die Verteileinrichtung ein Schalter. So können komplexere Aufteilungen der Signale auf die Messpfade realisiert werden. Weiterhin kann auf einen zweiten, ausgangsseitigen Schalter verzichtet werden.
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Jeder Messpfad beinhaltet bevorzugt einen AD-Wandler. So kann auf eine Zusammenführung der Signale, insbesondere Ausgangsspannungen der Messpfade verzichtet werden. Eine Erhöhung der Messgenauigkeit ist so möglich.
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Jeder Messpfad beinhaltet bevorzugt einen Zerhacker (Chopper). So können Nullpunktfehler weiterer Komponenten der Messpfade kompensiert werden.
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Jeder Messpfad beinhaltet bevorzugt einen Differenz-Verstärker. So können die Messsignale, insbesondere die Ausgangsspannungen der Messpfade auf einen optimalen Pegel zur Digitalisierung gebracht, insbesondere verstärkt werden.
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Die Detektoren der Messpfade sind vorteilhafterweise für unterschiedliche Leistungsbereiche optimiert. So kann der Dynamikbereich des Leistungsmessers deutlich erhöht werden. Pegelanpassungen der aufgeteilten Messsignale können so reduziert werden. Dadurch können das Rauschniveau reduziert und die Messgenauigkeit erhöht werden. Alternativ können die Detektoren der Messpfade auch identisch sein. So können einfache Standardkomponenten eingesetzt werden. Dies verringert den Herstellungsaufwand des Leistungsmessers.
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Der Leistungsmesser beinhaltet bevorzugt eine digitale Signal-Verarbeitungseinrichtung, welche alle Signale aller Messpfade verarbeitet. Die digitale Signal-Verarbeitungseinrichtung verarbeitet die Messsignale aller Messpfade bevorzugt zeitlich parallel. So können die Leistungsmesswerte der unterschiedlichen Messpfade zu einem genauen gemeinsamen Leistungsmesswert kombiniert werden.
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Der Leistungsmesser beinhaltet genau eine Verteileinrichtung. So wird auf eine Zusammenführung der Signale durch eine zweite Verteileinrichtung verzichtet.
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Der Leistungsmesser beinhaltet bevorzugt zwei Messpfade. Der erste Messpfad misst bevorzugt eine Leistung eines Messsignals von -110 dBm bis +10 dBm, besonders bevorzugt von -87 dBm bis -15 dBm. Der zweite bzw. dritte Messpfad misst bevorzugt eine Leistung eines Messsignals von -45 dBm bis +50 dBm, besonders bevorzugt von -35 dBm bis +26 dBm. So können Messsignale sehr unterschiedlicher Leistungen gemessen werden.
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Alternativ beinhaltet der Leistungsmesser drei Messpfade. Der erste Messpfad misst bevorzugt eine Leistung eines Messsignals von -110 dBm bis -10 dBm, besonders bevorzugt von -87 dBm bis -31 dBm. Der zweite Messpfad misst bevorzugt eine Leistung eines Messsignals von -50 dBm bis +10 dBm, besonders bevorzugt von -37 dBm bis -4 dBm. Der dritte Messpfad misst bevorzugt eine Leistung eines Messsignals von -25dBm bis +50 dBm, besonders bevorzugt von -10 dBm bis +26 dBm. So können Messsignale sehr unterschiedlicher Leistungen hochgenau gemessen werden.
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand der Zeichnung, in der ein vorteilhaftes Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt ist, beispielhaft beschrieben. In der Zeichnung zeigen:
- 1 ein erstes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Leistungsmessers, und
- 2 ein zweites Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Leistungsmessers.
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Anhand der 1 und der 2 wird der Aufbau und die Funktionsweise des erfindungsgemäßen Leistungsmessers erläutert. Identische Elemente werden in ähnlichen Abbildungen zum Teil nicht wiederholt dargestellt und beschrieben.
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In 1 wird ein erstes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Leistungsmessers 1 gezeigt. Der Leistungsmesser 1 beinhaltet einen Eingangsanschluss 10, einen Masseanschluss 11, eine Verteileinrichtung 41, mehrere Messpfade 2, 3, 4, eine digitale Signalverarbeitungseinrichtung 16 und einen Ausgangsanschluss 17. Dabei wird die Verteileinrichtung 41 durch in diesem Ausführungsbeispiel einen Schalter 12 gebildet.
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Sämtliche Messpfade 2, 3, 4 beinhalten jeweils einen Detektor 20, 21, 22, jeweils einen Zerhacker 23, 24, 25 (Chopper), jeweils einen Differenz-Verstärker 26, 27, 28 und ein Analog/Digital-Wandler 29, 30, 31. Der erste Messpfad 2 beinhaltet einen Vorverstärker 13. Der zweite Messpfad 3 beinhaltet eine Direktverbindung 14. Der dritte Messpfad 4 beinhaltet ein Dämpfungsglied 15.
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Über den Eingangsanschluss 10 wird ein Hochfrequenzsignal eingespeist. Die Abschirmung der Leitung, mittels welcher das Hochfrequenzsignal eingespeist wird, ist dabei mit dem Masseanschluss 11 verbunden. Je nach Pegel des Hochfrequenzsignals schaltet der Schalter 12 das Hochfrequenzsignal auf einen der Messpfade 2, 3, 4. Bei einem Signal geringen Pegels wird der erste Messpfad 2 ausgewählt. Bei einem Signal mittleren Pegels wird der zweite Messpfad 3 ausgewählt. Bei einem Signal hohen Pegels wird der dritte Messpfad 4 ausgewählt. Ein geringer Pegel wird durch den Vorverstärker 13 angehoben. Ein mittlerer Pegel wird durch die Direktverbindung 14 nicht beeinflusst. Ein hoher Pegel wird durch das Dämpfungsglied 15 abgeschwächt.
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So wird der Pegel des Messsignals auf den einzelnen Messpfaden 2, 3, 4 vor der eigentlichen Messung im Detektor 20, 21, 22 auf ein einfacher messbares Niveau verändert. Die Detektoren 20, 21, 22 der einzelnen Messpfade 2, 3, 4 sind in diesem Ausführungsbeispiel von identischer Bauart. Sie weisen damit auch eine identische Kennlinie auf. Die Kennlinie weist einen quadratischen Bereich auf. Die Veränderung des Pegels des Messsignals erfolgt dabei derart, dass die Detektoren in ihrem quadratischen Bereich arbeiten. Alternativ können Detektoren eingesetzt werden, deren Kennlinien quadratische Bereiche bei unterschiedlichen Pegeln aufweisen. So kann die vorab stattfindende Veränderung der Pegel geringer ausfallen.
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Nachdem von dem jeweils eingesetzten Detektor 20, 21, 22 eine Gleichrichtung des Messsignals durchgeführt wurde, wird dieses an den jeweiligen Zerhacker (Chopper) 23, 24, 25 weitergeleitet. Dieser multipliziert das Signal mit einem Rechtecksignal der Werte +1 und -1. Dieser Schritt dient der Kompensation von Nullpunktfehlern des Verstärkers 26, 27, 28 und Analog/Digital-Wandlers 29, 30, 31 des jeweiligen Messpfads 2, 3, 4. Das zerhackte Messsignal wird anschließend an den Verstärker 26, 27, 28 des jeweiligen Messpfads 2, 3, 4 weitergeleitet, der bevorzugt als Differenzverstärker ausgebildet ist. Dieser hebt den Pegel des Signals auf ein für die folgende Analog/Digital-Wandlung optimales Niveau an. Das Signal wird an den Analog/Digital-Wandler 29, 30, 31 des jeweiligen Messpfads 2, 3, 4 weitergeleitet. Dieser digitalisiert das Signal und übermittelt es an die digitale Signalverarbeitungseinrichtung 16. Diese kompensiert rechnerisch die durchgeführten Verstärkungen bzw. Abschwächungen und gibt das Signal über den Ausgangsanschluss 17 aus. Dabei werden die Ausgangssignale, insbesondere die Ausgangsspannungen der Analog/Digital-Wandler 29, 30, 31 in der Signalverarbeitungseinrichtung 16 parallel von separaten Aufbereitungsschaltungen verarbeitet.
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Durch den Einsatz von getrennten Detektoren 20, 21, 22 und separaten Analog/Digital-Wandlern 29, 30, 31 kann auf einen ausgangsseitigen Schalter verzichtet werden. Dies vermeidet negative Effekte eines ausgangsseitigen Schalters auf die Messgenauigkeit und die Messgeschwindigkeit.
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2 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Leistungsmessers 1. Der hier dargestellte Leistungsmesser 1 entspricht in weiten Teilen dem Leistungsmesser 1 aus 1. Der hier gezeigte Leistungsmesser 1 beinhaltet jedoch keinen Schalter 12 wie in 1. Stattdessen wird die Verteileinrichtung 41 von einem passiven Netzwerk 40 gebildet. Auch der Einsatz eines aktiven Netzwerks wäre grundsätzlich möglich. Das passive Netzwerk 40 beinhaltet zumindest einen Leistungsteiler, welcher das Messsignal auf die drei Messpfade 2, 3, 4 verteilt. Dabei kann die Verteilung des Messsignals auf die drei Messpfade 2, 3, 4 wie bei 1 erfolgen; d.h. es ist jeweils genau ein Messpfad 2, 3, 4 aktiv. Im Weiteren wird jedoch eine zweite Alternative dargestellt. So sind gleichzeitig mehrere Messpfade 2, 3, 4 aktiv. Signalanteile geringen Pegels werden von dem ersten Messpfad 2 verarbeitet. Signalanteile mittleren Pegels werden von dem zweiten Messpfad 3 verarbeitet. Signalanteile hohen Pegels werden von dem dritten Messpfad 4 verarbeitet. Im Gegensatz zu den in 1 dargestellten Detektoren 20, 21, 22 weisen die hier dargestellten Detektoren 41, 42, 43 unterschiedliche Kennlinien auf. So sind lediglich geringere Anpassungen der Pegel des Messsignals in den einzelnen Messpfaden 2, 3, 4 notwendig.
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Durch den Einsatz des passiven Netzwerks 40 kann die Messgenauigkeit weiter erhöht werden. Zum einen kann auf einen eingangsseitigen Schalter verzichtet werden. Dies vermeidet negative Effekte des Schalters auf das Messsignal. Auch ein eingangsseitiger Schalter hätte darüber hinaus negative Auswirkungen auf die Langzeitstabilität des Leistungsmessers 1. Er könnte auch die Eingangsanpassung verschlechtern.
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Insbesondere die Aufteilung des Messsignals auf die Messpfade 2, 3, 4 mit kontinuierlichen und/oder weichen Leistungsbereichgrenzen führt zu einer deutlichen Erhöhung der Messgenauigkeit, da für Signalanteile unterschiedlicher Pegel jeweils eine optimale Messung durchgeführt wird.
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Die Erfindung ist nicht auf das dargestellte Ausführungsbeispiel beschränkt. Wie bereits erwähnt, kann der erfindungsgemäße Leistungsmesser auch mit lediglich zwei Messpfaden aufgebaut werden. Auch eine Erweiterung auf mehr als drei Messpfade ist möglich. Alle vorstehend beschriebenen Merkmale oder in den Figuren gezeigten Merkmale sind im Rahmen der Erfindung beliebig vorteilhaft miteinander kombinierbar.
