DE102021209675B4

DE102021209675B4 - Abstimmbare Mikrowellen-Brückenschaltung mittels Phasenschieber und Abschwächer zur Trennung eines Sendesignals von einem Empfangssignal ohne Zirkulator und ESR-Spektrometer

Info

Publication number: DE102021209675B4
Application number: DE102021209675.1A
Authority: DE
Inventors: Michael Maixner
Original assignee: Bruker Biospin GmbH
Current assignee: Bruker Biospin GmbH
Priority date: 2021-09-02
Filing date: 2021-09-02
Publication date: 2023-09-07
Anticipated expiration: 2041-09-03
Also published as: CN115754860B; DE102021209675A1; CN115754860A; US11561274B1

Abstract

Mikrowellen-Brückenschaltung (10) zur Trennung eines Sendesignals von einem Empfangssignal, insbesondere für ESR-Anwendungen, und mit einer elektrischen Schaltung (11), die ein Sendesignal von einem Transmitter (12) zu einem mit der Schaltung (11) verbundenen Resonator (13) leitet sowie ein in einem Resonator (13) erzeugtes Empfangssignal an einen Empfänger (34) weiterleitet, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Schaltung (11) zwei parallel geschaltete elektrische Leitungen (15, 16) umfasst, mit- einem ersten Schaltungspunkt (TX), an dem das Sendesignal auf eine erste elektrische Leitung (15) und auf eine zweite elektrische Leitung (16) aufgeteilt wird,- der ersten elektrischen Leitung (15), die einen Abschwächer (17) zum Abschwächen eines ersten aufgeteilten Sendesignals aufweist,- der zweiten elektrischen Leitung (16), die mit dem Resonator (13) über eine abzweigende Leitung (18) an einem zweiten Schaltungspunkt (R) verbunden ist, wobei am zweiten Schaltungspunkt (R) ein zweites aufgeteiltes Sendesignal aufgeteilt wird und wobei die zweite elektrische Leitung (16) in zwei Abschnitte (L1) und (L2) aufgeteilt ist, wobei der erste Abschnitt (L1) vom ersten Schaltungspunkt (TX) zum zweiten Schaltungspunkt (R) und der zweite Abschnitt (L2) vom zweiten Schaltungspunkt (R) zu einem dritten Schaltungspunkt (RX) verläuft und das am zweiten Schaltungspunkt (R) verbleibende Sendesignal weiterleitet, wobei die Länge der Abschnitte (L1) und (L2) der zweiten elektrischen Leitung (16) jeweils einem ungeraden ganzzahligen Vielfachen eines Viertels der Wellenlänge des Sendesignals entspricht, und wobei am dritten Schaltungspunkt (RX) die aufgeteilten Sendesignale aus der ersten elektrischen Leitung (15) und der zweiten elektrischen Leitung (16) zusammengeführt werden und das im Resonator (13) erzeugte Empfangssignal an den Empfänger (34) weitergeleitet wird.

Description

Die Erfindung betrifft eine Mikrowellen-Brückenschaltung zur Trennung eines Sendesignals von einem Empfangssignal, insbesondere für ESR-Anwendungen, und mit einer elektrischen Schaltung, die ein Sendesignal von einem Transmitter zu einem mit der Schaltung verbundenen Resonator leitet sowie ein in einem Resonator erzeugtes Empfangssignal an einen Empfänger weiterleitet.
Eine solche Mikrowellen-Brückenschaltung ist aus Aloisi et al., „A capacitive probe for Electron Spin Resonance detection", Journal of Magnetic Resonance, 263 (2016), 116-121 (=Referenz [1]) bekannt geworden.
Hintergrund der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein den Bereich der elektrischen Schaltungen zur Trennung eines Sendesignals von einem Empfangssignal. Solche elektrischen Schaltungen werden beispielsweise auf dem Gebiet der Elektronenspinresonanz (=ESR), etwa in ESR-Spektrometern eingesetzt.
Die Elektronenspinresonanz ist ein Verfahren der instrumentellen Analytik, mit dem die chemische Struktur, die Dynamik und die räumliche Verteilung paramagnetischer Zentren von Messproben mit ungepaarten Elektronen bestimmt werden können. Hierzu wird in eine Messprobe mit einem permanenten magnetischen Moment, die sich in einem starken statischen Magnetfeld befindet, hochfrequente Strahlung (typischerweise Strahlung mit Mikrowellenfrequenz) eingestrahlt. Es wird dann die elektromagnetische Reaktion der Probe vermessen.
Oftmals werden in ESR-Spektrometern Mikrowellen-Brücken verwendet. Diese Mikrowellen-Brücken beinhalten sowohl die Quelle für die Mikrowellenstrahlung als auch den Detektor. Die Quelle für die Mikrowellenstrahlung erzeugt die Mikrowellenstrahlung, welche zum Resonator einer zu messenden Probe als Sendesignal geführt wird. Die Mikrowellenstrahlung wird von der Probe teilweise absorbiert und reflektiert. Vom Resonator reflektierte Mikrowellenstrahlung wird zum Detektor als Empfängersignal geführt. Über einen Zirkulator werden die zum Resonator laufende und die vom Resonator kommende Mikrowellenstrahlung voneinander getrennt, sodass nur die im Resonator reflektierte Mikrowellenstrahlung zum Detektor geführt und damit die Messung verbessert wird.
Der Zirkulator wird also dazu genutzt, das Sendesignal vom Empfangssignal zu trennen. Dieses Bauteil ist jedoch nicht dazu geeignet, direkt am Resonator, an dem die Messung durchgeführt wird, und dem dort herrschenden starken Magnetfeld zu arbeiten. Um den Zirkulator von dem starken Magnetfeld zu beabstanden, werden Hohlleiter von Koaxialkabeln verwendet. Diese können jedoch räumlich ausgedehnt sein und Verluste beim Sendesignal und Empfangssignal mit sich bringen. Das ESR-Spektrometer wird entsprechend größer und die ESR-Messungen weniger genau.
Die US 2008 / 0 164 874 A1 (=Referenz [2]) beschreibt ein miniaturisiertes ESR-Spektrometer, das im Probenkopf ohne Zirkulator auskommt. Das Mini-ESR-Spektrometer umfasst ein VCO (Voltage-Controlled Oscillator; spannungsgesteuerter Oszillator), einen Leistungsteiler, einen Mischer und einen Resonator. Der Leistungsteiler hat hier die Funktion, die im VCO erzeugte Leistung einerseits für das Senden, andererseits für den Mischer zu verteilen, um dort das empfangene Signal wieder auf Gleichstrom herunterzumischen. Die Trennung von Sendesignal und Empfangssignal geschieht gemäß Referenz [2] im Resonator.
Aus der US 4 782 296 A (=Referenz [3]) ist ein ESR-Spektrometer bekannt, dessen Resonator über eine Mikrowellen-Brücke mit Mikrowellen-Energie in Form eines kontinuierlichen oder eines intermittierenden Signals beschickt wird. Um dies zu erreichen, wird die von einer Mikrowellen-Quelle erzeugte Mikrowellen-Energie über einen ersten und/oder zweiten Kanal geleitet und dort entsprechend umgewandelt. Anschließend werden der erste und der zweite Kanal wieder zusammengeführt und das Signal über einen Zirkulator an den Resonator weitergeleitet. Die Trennung von Sendesignal und Empfangssignal erfolgt gemäß Referenz [3] im Zirkulator, der vor dem Resonator liegt.
Referenz [4] (NAKAOKA, Ririko; HIRITA, Hiroshi. Noise characteristics of a 750-MHz electronically tunable resonator for electron paramagnetic resonance spectroscopy. AIP Advances, 20219, 9. Jg., Nr. 7, S. 075312) beschreibt die experimentelle Untersuchung der Rauschcharakteristik eines elektronisch durchstimmbaren 750-MHz Resonators für die EPR-Spektroskopie. Dabei wurden unter anderem Varaktor-Dioden durch eine Trimmer-Kapazität ersetzt.
DE 3 933 439 A1 (=Referenz [5]) beschreibt ein Breitband-Quadratur-Hybrid, das eine in ein Eingangstor eingespeiste Signalleistung in zwei betragsgleiche Anteile mit 90° Phasenunterschied aufteilt, sodass durch das isolierte Tor keine Leistung austritt. Dabei wird ein über Kaskaden aus λ₀/2 Leitungsstücken und mit zu den Verbindungsknoten parallel geschalteten, am Ende leerlaufenden bzw. kurzgeschlossenen Leitungsstücken verbundener Ring aus λ₀/4-langen Leitungsstücken verwendet.
Die eingangs zitierte Referenz [1] offenbart eine Möglichkeit, eine ESR-CW-Brücke zu bauen, die ebenfalls keinen Zirkulator benötigt, um das Sendesignal und das Empfangssignal zu trennen. Die ESR-CW-Brücke umfasst einen Generator, zwei Teiler, einen Koppler, einen Resonator und einen Empfänger mit zwei Mischern. Über den Koppler wird ein fester Bruchteil der Sendeleistung derart eingekoppelt, dass theoretisch diese Teilleistung komplett in Richtung Resonator fließt. Vom Resonator reflektierte Leistung wird theoretisch fast vollständig zum Empfänger geleitet. Die Teiler dienen dazu, die Mikrowellenstrahlung aus dem Generator bzw. das Empfangssignal aus dem Resonator auf die zwei Mischer des Empfängers aufzuteilen.
Bei keiner dieser Referenzen wird beschrieben, dass man eine Verstimmung des Resonators durch Verstellen eines Abschwächers und eines Phasenschiebers ausgleichen kann.
Aufgabe der Erfindung
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Mikrowellen-Brückenschaltung der eingangs beschriebenen Art zur Verfügung zu stellen, die komplett ohne einen Magnetfeld-empfindlichen Zirkulator auskommt und daher besonders nahe am Messresonator in dem dort herrschenden starken Magnetfeld angeordnet sein, aber dennoch ein Sendesignal von einem Empfangssignal zuverlässig trennen kann.
Kurze Beschreibung der Erfindung
Diese Aufgabe wird durch die vorliegende Erfindung auf ebenso überraschend einfache wie wirkungsvolle Weise dadurch gelöst, dass die elektrische Schaltung zwei parallel geschaltete elektrische Leitungen umfasst, mit

- einem ersten Schaltungspunkt TX, an dem das Sendesignal auf eine erste elektrische Leitung und auf eine zweite elektrische Leitung aufgeteilt wird,
- der ersten elektrischen Leitung, die einen Abschwächer zum Abschwächen eines ersten aufgeteilten Sendesignals aufweist,
- der zweiten elektrischen Leitung, die mit dem Resonator über eine abzweigende Leitung an einem zweiten Schaltungspunkt R verbunden ist, wobei am zweiten Schaltungspunkt R ein zweites aufgeteiltes Sendesignal aufgeteilt wird und wobei die zweite elektrische Leitung in zwei Abschnitte L1 und L2 aufgeteilt ist, wobei der erste Abschnitt L1 vom ersten Schaltungspunkt TX zum zweiten Schaltungspunkt R und der zweite Abschnitt L2 vom zweiten Schaltungspunkt R zu einem dritten Schaltungspunkt RX verläuft und das am zweiten Schaltungspunkt R verbleibende Sendesignal weiterleitet, wobei die Länge der Abschnitte L1 und L2 der zweiten elektrischen Leitung jeweils einem ungeraden ganzzahligen Vielfachen eines Viertels der Wellenlänge des Sendesignals entspricht, und wobei am dritten Schaltungspunkt RX die aufgeteilten Sendesignale aus der ersten elektrischen Leitung und der zweiten elektrischen Leitung zusammengeführt werden und das im Resonator erzeugte Empfangssignal an den Empfänger weitergeleitet wird.

Bei der erfindungsgemäßen Mikrowellen-Brückenschaltung wird zur Trennung des Sendesignals und des Empfangssignals auf den bei solchen Vorrichtungen typischerweise verwendeten Zirkulator gänzlich verzichtet und stattdessen eine elektrische Schaltung eingerichtet, die dazu geeignet ist, ein Sendesignal von einem Empfangssignal zu trennen. Diese elektrische Schaltung besteht aus einer Anordnung von elektrischen Leiterbahnen und einem Abschwächer („Widerstand“).
Diese elektrische Schaltung umfasst eine eingehende elektrische Leitung, die sich an einem Schaltungspunkt TX in zwei parallel geschaltete elektrische Leitungen aufteilt. Das vom Transmitter kommende Sendesignal, typischerweise Mikrowellenleistung, kann an diesem Schaltungspunkt TX in zwei gleich große Signale auf eine erste elektrische Leitung und eine zweite elektrische Leitung aufgeteilt werden.
Die erste elektrische Leitung umfasst einen Abschwächer, wie er hinsichtlich seiner Funktion -allerdings nicht in Bezug auf seinen Aufbau- typischerweise in fast allen bekannten Mikrowellenbrücken verbaut ist. Üblicherweise werden Abschwächer in der HF-Technik so aufgebaut, dass der Wellenwiderstand am Ein- und Ausgang z.B. 50 Ohm beträgt, was bei der erfindungsgemäßen Anordnung nicht der Fall ist.
Häufig haben Abschwächer bei Mikrowellen-Brückenschaltungen die Aufgabe z.B. eine variable Sendeleistung für eine Messung zur Verfügung zu stellen. Bei der erfindungsgemäßen Mikrowellen-Brückenschaltung kann mit dem Abschwächer ein erstes aufgeteiltes Sendesignal abgeschwächt werden. Die zweite elektrische Leitung umfasst einen ersten Abschnitt L1, einen zweiten Schaltungspunkt R, an dem über eine abzweigende Leitung der Resonator verbunden ist und einen zweiten Abschnitt L2. Ein zweites aufgeteiltes Sendesignal kann durch den ersten Abschnitt L1 geführt werden und am zweiten Schaltungspunkt R in ein zweites aufgeteiltes Sendesignal aufgeteilt werden, welches zum Resonator geführt wird. Ein verbleibendes Sendesignal kann dann über den Abschnitt L2 zu einem Schaltungspunkt RX geführt werden. Damit sich das erste aufgeteilte Sendesignal der ersten elektrischen Leitung und das verbleibende Sendesignal der zweiten elektrischen Leitung am Schaltungspunkt RX auslöschen können, muss die Spannung beider Signale gleich groß sein und die Phase beider Signale um 180° verschoben sein.
Typischerweise wird das erste aufgeteilte Sendesignal der ersten elektrischen Leitung eine höhere Leistung haben als das verbleibende Sendesignal der zweiten elektrischen Leitung, da es sich beim verbleibenden Sendesignal der zweiten elektrischen Leitung um einen aufgeteilten Teil des zweiten aufgeteilten Sendesignals handelt. Im Idealfall jedoch, also wenn der Resonator optimal abgestimmt ist, liegt die Aufteilung der Sendeleistung am Punkt TX bei 1:1.
Damit die Leistung beider Signale gleich groß ist, kann das erste aufgeteilte Sendesignal der ersten elektrischen Leitung durch den Abschwächer soweit abgeschwächt werden, dass die Leistung des ersten aufgeteilten Sendesignals der Leistung des verbleibenden Sendesignals entspricht.
Eine Phasenverschiebung um 180° kann auf einfache Weise dadurch erreicht werden, dass die Länge der Abschnitte L1 und L2 der zweiten elektrischen Leitung jeweils einem ungeraden ganzzahligen Vielfachen eines Viertels der Wellenlänge des Sendesignals entspricht. Die Abschnitte L1 und L2 können unterschiedlich lang sein, wobei die Länge stets einem ungeraden ganzzahligen Vielfachen eines Viertels der Wellenlänge des Sendesignals entspricht. Hierdurch kann der Aufbau der zweiten elektrischen Leitung und die Positionierung des Schaltungspunktes R und des Resonators flexibel gestaltet werden.
Treffen nun das auf die Leistung des verbleibenden Sendesignals abgeschwächte erste aufgeteilte Sendesignal auf das um 180° in Phase verschobene aufgeteilte Sendesignal am Schaltungspunkt RX aufeinander, löschen sich diese beiden Signale am Schaltungspunkt RX aus. Ein im Resonator entstandenes Empfangssignal („ESR-Signal“) kann über den Leitungspunkt R und über den Abschnitt L2 zum Schaltungspunkt RX geleitet werden und von dort dann zu einem Empfänger geführt werden. Eine Trennung von Sendesignal und Empfangssignal kann auf diese Weise einfach umgesetzt werden.
Der erfindungsgemäße Aufbau der elektrischen Schaltung bedarf also keines Zirkulators und ermöglicht es, auf einfache Weise das Sendesignal vom Empfangssignal zu trennen. Die Laufzeitunterschiede zwischen Sendesignal und Empfangssignal können damit auf ein Minimum reduziert werden. Dies kann sich positiv auf das Verhalten gegenüber Phasenrauschen auswirken. Die elektrische Schaltung kann außerdem sehr kompakt und platzsparend aufgebaut werden, wodurch ein Einsatz auch bei tiefen Temperaturen ermöglicht wird.
Bei einem verstimmten Resonator kann durch die Veränderung der Leistung des ersten aufgeteilten Sendesignals durch entsprechende Einstellungen des Abschwächers und des Phasenschiebers erreicht werden, dass sich das erste aufgeteilte Sendesignal und das verbleibende Sendesignal gegenseitig am Schaltungspunkt RX auslöschen, und immer noch gute Messergebnisse erhalten werden können.
Eine Verstimmung des Resonators kann bei den aus dem Stand der Technik bekannten Anordnungen nicht durch Verstellen eines Abschwächers und eines Phasenschiebers ausgeglichen werden.
Bevorzugte Ausführungsformen und Weiterbildungen der Erfindung
In bevorzugten Varianten kann die erfindungsgemäße Mikrowellen-Brückenschaltung mit einen HF-Generator zur Erzeugung des Sendesignals, einem Teiler zum Aufteilen des Sendesignals und einem ersten Verstärker zum Verstärken des Sendesignals ausgestattet sein. Durch den HF-Generator kann ein Hochfrequenzsignal erzeugt werden, welches als Sendesignal zur elektrischen Schaltung und zum Resonator geführt werden kann. Mit Hilfe des Teilers kann das Sendesignal aufgeteilt werden und zu einem Mischer sowie zur elektrischen Schaltung und zum Resonator geführt werden. Über den Verstärker kann das Sendesignal verstärkt werden, wodurch beispielsweise die Qualität von ESR-Messungen verbessert werden kann.
Bei ganz besonders bevorzugten Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Mikrowellen-Brückenschaltung ist vorgesehen, dass die erste elektrische Leitung einen Phasenschieber zum Verschieben der Phase des ersten aufgeteilten Sendesignals beinhaltet.
Phasenschieber sind typischerweise in fast allen Mikrowellenbrücken verbaut. Häufig haben Phasenschieber bei Mikrowellen-Brückenschaltungen die Aufgabe, z.B. das gemessene Signal in der Phase so zu drehen, dass sich eine maximale Empfindlichkeit ergibt. Bei der erfindungsgemäßen Mikrowellen-Brückenschaltung kann mit dem Phasenschieber die Phase des ersten aufgeteilten Sendesignals verschoben werden. Falls die Phase des verbleibenden Sendesignals aus der zweiten elektrischen Leitung nicht genau 180° gegen die Phase des ersten aufgeteilten Sendesignals verschoben ist, kann so auf einfache Weise die Phase des ersten aufgeteilten Sendesignals angepasst werden, damit sich das erste aufgeteilte Sendesignal und das verbleibende Sendesignal am Schaltungspunkt RX gegenseitig auslöschen können. Bei einem verstimmten Resonator kann durch die Veränderung der Phase des ersten aufgeteilten Sendesignals erreicht werden, dass sich das erste aufgeteilte Sendesignal und das verbleibende Sendesignal gegenseitig am Schaltungspunkt RX auslöschen, und immer noch gute Messergebnisse erhalten werden können.
Eine bevorzugte Klasse von Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Mikrowellen-Brückenschaltung ist dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Schaltung aus unmagnetischem Material aufgebaut ist.
Hierdurch können Störungen des homogenen Magnetfelds bei Messungen am Resonator vermieden werden. Weiterhin kann die elektrische Schaltung selbst kleiner und kompakter ausgestaltet werden, was vorteilhaft in der Fertigung ist, und insbesondere neue Möglichkeiten für ESR-Sensoren eröffnet.
Bei weiteren bevorzugten Ausführungsformen ist die erfindungsgemäße Mikrowellen-Brückenschaltung über den Phasenschieber und den Abschwächer abstimmbar gestaltet.
Dadurch kann eine AFC(=Automatic Frequency Control)-Schaltung zur automatischen Frequenzkontrolle eingespart werden. In herkömmlichen Mikrowellen-Brückenschaltungen ist die Aufgabe der AFC-Schaltung, die Sendefrequenz („Arbeitsfrequenz“) eines Mikrowellenoszillators so einzustellen, dass diese mit der Resonanzfrequenz des Resonators zusammenfällt. Dazu werden aus den Empfangssignalen („Ausgangssignalen“) der Mikrowellen-Brückenschaltung Informationen gewonnen, die geeignet sind, eine elektronische oder mechanische Verstimmung des Mikrowellenoszillators zu veranlassen. Durch die erfindungsgemäße Brückenschaltung mit Phasenschieber und Abschwächer kann eine Festfrequenzbrücke eingerichtet werden, die ohne teure Bauteile auskommt, die normalerweise für eine AFC-Schaltung nötig wären. Eine Festfrequenzbrücke hat zudem den Vorteil, dass der Generator zur Erzeugung der Mikrowellen-Leistung auf einer festen Frequenz arbeiten kann. Ein solcher Oszillator kann sehr Phasenrauscharm gebaut werden, was Voraussetzung für optimale Messergebnisse bei z. B. CW-Mikrowellen-Brückenschaltungen ist.
Weiterhin bevorzugt sind Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Mikrowellen-Brückenschaltung, die sich dadurch auskennzeichnen, dass der Phasenschieber, der Abschwächer und die erste elektrische Leitung so ausgestaltet sind, dass die Frequenz des HF-Generators durch den Betrieb von Phasenschieber und Abschwächer unbeeinflusst bleibt.
Hierdurch kann dem Empfänger der Mikrowellen-Brückenschaltung eine optimal abgestimmte Mikrowellen-Brückenschaltung „vorgetäuscht“ werden. Dies ist eine Voraussetzung für eine gute Empfindlichkeit der Mikrowellen-Brückenschaltung.
Bevorzugt sind auch Varianten der erfindungsgemäßen Mikrowellen-Brückenschaltung, die sich dadurch auszeichnen, dass der Phasenschieber, der Abschwächer und die erste elektrische Leitung so ausgestaltet sind, dass die Resonanzfrequenz des Resonators durch den Betrieb von Phasenschieber und Abschwächer unbeeinflusst bleibt. Hierdurch kann die Qualität der Messergebnisse verbessert werden.
Ebenso sind Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Mikrowellen-Brückenschaltung, bei denen eine Abstimmung der Amplitude und/oder der Phase des ersten aufgeteilten Sendesignals über Pin-Dioden und/oder über Kapazitätsdioden erfolgt.
Dies hat sich in der Praxis bewährt. Durch eine Änderung des Ruhestroms und der Spannung können die Leistung und die Phase des Sendesignals angepasst werden. Weiterhin kann eine schnelle Abstimmung der erfindungsgemäßen Mikrowellen-Brückenschaltung erfolgen. Durch die Verwendung der erfindungsgemäßen Schaltung werden freilich Verluste generiert, die bei der Verwendung eines Zirkulators üblicherweise nicht auftreten würden. Um diese auszugleichen, kann die Sendeleistung verdoppelt und das Empfangssignal zweimal gemessen und akkumuliert werden. Die Qualität der Messungen kann also verbessert werden, indem eine Senderausgangsleistung auf der Sendeseite erhöht wird. Die Empfindlichkeit am Empfänger kann erhöht werden, indem die Zahl der Messungen auf einer Empfangsseite verdoppelt wird.
Eine weitere bevorzugte Klasse von Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Mikrowellen-Brückenschaltung ist dadurch gekennzeichnet, dass der Resonator derart angepasst ist, dass das noch nicht aufgeteilte Sendesignal sich zu unterschiedlichen Anteilen am ersten Schaltungspunkt TX auf die erste elektrische Leitung und die zweite elektrische Leitung aufteilt.
Hierdurch wird am Resonator nicht das komplette eingehende Sendesignal absorbiert, sondern ein Teil der Leistung des Sendesignals wird reflektiert. Am Schaltungspunkt RX kommt also ein verbleibendes Sendesignal und das am Resonator reflektierte Sendesignal an. Durch den Abschwächer und den Phasenschieber kann das erste aufgeteilte Sendesignal so eingestellt werden, dass sich das erste aufgeteilte Sendesignal und die Sendesignale der zweiten elektrischen Leitung gegenseitig auslöschen. Durch diesen Aufbau ist es möglich, qualitativ gute Messungen durchzuführen auch wenn der Resonator nicht optimal angepasst ist. Eine Feinabstimmung einer Iris und/oder der Frequenzen von Resonator und/oder Mikrowellenquelle entfallen.
Bei einer dazu alternativen Klasse von Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Mikrowellen-Brückenschaltung sind der Abschwächer und der Phasenschieber derart eingestellt, dass das Sendesignal aus der ersten elektrischen Leitung und das restliche Sendesignal aus der zweiten elektrischen Leitung, zu genau gleich großen Anteilen aber mit 180 Grad Phasenverschiebung, am dritten Schaltungspunkt RX zusammentrifft. Hierdurch können sich das Sendesignal aus der ersten elektrischen Leitung und das restliche Sendesignal aus der zweiten elektrischen Leitung am dritten Schaltungspunkt RX genau auslöschen. Das Sendesignal kann auf diese Weise sauber vom Empfangssignal getrennt werden.
Ebenso bevorzugt sind Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Mikrowellen-Brückenschaltung, bei der die elektrische Schaltung bei einer Frequenz von etwa 10 GHz betrieben wird, und wobei die äußeren Abmessungen der elektrischen Schaltung 1 cm x 3 cm x 3 cm nicht überschreiten.
Bei dieser Frequenz handelt es sich um eine in der Praxis üblicherweise verwendete Frequenz. Die äußeren Abmessungen der elektrischen Schaltung ermöglichen einen besonders kompakten Aufbau.
In den Rahmen der vorliegenden Erfindung fällt auch ein ESR-Spektrometer mit einer Mikrowellen-Brückenschaltung zur Trennung eines Sendesignals von einem Empfangssignal wie oben beschrieben, mit einem HF-Generator zur Erzeugung des Sendesignals, mit einem Teiler zum Aufteilen des Sendesignals auf wenigstens einen Mischer und einen ersten Verstärker zum Verstärken des Sendesignals sowie mit einer elektrischen Schaltung, die ein Sendesignal von einem Transmitter zu einem mit der Schaltung verbundenen Resonator leitet und ein durch die zu analysierende Substanz im Resonator erzeugtes Empfangssignal an einen Empfänger weiterleitet. Die zahlreichen Vorteile der erfindungsgemäßen Mikrowellen-Brückenschaltung kommen in der Praxis besonders gut bei einem derartigen Aufbau eines ESR-Spektrometers zur Geltung.
Eine bevorzugte Klasse von Ausführungsformen des erfindungsgemäßen ESR-Spektrometers ist dadurch gekennzeichnet, dass die Brückenschaltung einen zweiten Verstärker zum Verstärken des Empfangssignals umfasst.
Auf diese Weise kann die Qualität des Empfangssignals und die Qualität der Messungen noch weiter verbessert werden.
Ebenso bevorzugt sind Ausführungsformen des erfindungsgemäßen ESR-Spektrometers, bei denen der erste Verstärker zum Verstärken des noch nicht aufgeteilten Sendesignals und der zweite Verstärker zum Verstärken des Empfangssignals kabelfrei an der Brückenschaltung angebaut sind. Hierdurch können Verluste an der empfindlichsten Stelle des ESR-Geräts vermieden werden, da keine zusätzlichen Kabel und Steckverbinder angebaut sind. Außerdem kann der Platzbedarf des ESR-Spektrometers weiter verringert werden.
Bei weiteren bevorzugten Ausführungsformen des erfindungsgemäßen ESR-Spektrometers weisen die elektrische Schaltung eine direkt am Resonator angeordnete Empfängereingangsstufe auf.
Diese besonders kompakte Anordnung hat sich in der Praxis besonders bewährt und ist bei aus dem Stand der Technik bekannten ESR-CW-Brücken in dieser Form nicht vorhanden.
Weitere bevorzugte Ausführungsformen des erfindungsgemäßen ESR-Spektrometers zeichnen sich dadurch aus, dass eine Festfrequenzbrücke in der elektrischen Schaltung vorhanden ist.
Die Festfrequenzbrücke hat den Vorteil, dass der Generator zur Erzeugung der Mikrowellenstrahlung auf einer festen Frequenz arbeiten kann. Ein solcher Generator kann sehr Phasenrauscharm gebaut werden, was Voraussetzung für gute Messergebnisse bei CW-Mikrowellen-Brückenschaltungen ist.
Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der Zeichnung. Die gezeigten und beschriebenen Ausführungsformen sind nicht als abschließende Aufzählung zu verstehen, sondern haben vielmehr beispielhaften Charakter für die Schilderung der Erfindung.
Detaillierte Beschreibung der Erfindung und Zeichnung
Die Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert.
Es zeigen:

1 ein schematisches Blockschaltbild der erfindungsgemäßen Mikrowellen-Brückenschaltung;
2 ein schematisches Blockschaltbild einer beispielhaften Mikrowellen-Brückenschaltung nach dem Stand der Technik;
3 ein schematisches Blockschaltbild einer Ausführungsform einer mit einem Resonator verbundenen elektrischen Schaltung der erfindungsgemäßen Mikrowellen-Brückenschaltung, mit welcher ein Sendesignal von einem Empfangssignal getrennt werden kann;
4 ein schematisches Schaltungsbild einer Ausführungsform einer elektrischen Schaltung der erfindungsgemäßen Mikrowellen-Brückenschaltung; und
5 einen schematischen Messaufbau zur Durchführung einer ESR-Messung mit einem ESR-Spektrometer, welches die erfindungsgemäße Mikrowellen-Brückenschaltung aus 1 beinhaltet.

In 1 ist ein schematisches Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Mikrowellen-Brückenschaltung 10 gezeigt, wie sie in einem ESR-Spektrometer (hier nicht näher dargestellt) verwendet werden kann.
In der hier gezeigten Ausführungsform umfasst die Brückenschaltung 10 eine Mikrowellen-Quelle 12, beispielsweise einen HF-Generator 12a, einen Teiler 22, einen Mischer 23, einen ersten Verstärker 24, eine elektrische Schaltung 11, einen Resonator 13, einen zweiten Verstärker 25 und eine Zuleitung 14 zu einem Empfänger.
Die Mikrowellen-Quelle 12 erzeugt eine Mikrowellen-Leistung, die als Sendesignal weitergeführt wird. Dieses Sendesignal wird zum Teiler 22 geführt. Das Sendesignal wird am Teiler 22 aufgeteilt. Ein Teil des Sendesignals wird zum Mischer 23 geführt, während der andere Teil der Sendesignals zum ersten Verstärker 24 geführt wird. In einer hier nicht gezeigten Ausführungsform kann das Sendesignal, je nach Anwendung, auf mehrere Mischer 23 aufgeteilt werden.
Der erste Verstärker 24 ist kabellos („kabelfrei“) an die Mikrowellen-Brückenschaltung 10 angebaut (hier nicht näher dargestellt). Durch den kabelfreien Anbau des Verstärkers 24 werden zum einen Verluste durch zusätzliche Kabel und Steckverbinder minimiert. Andererseits reduziert sich der allgemeine Platzbedarf der Mikrowellen-Brückenschaltung 10, wodurch auch der Platzbedarf des ESR-Spektrometers, in welches die Mikrowellen-Brückenschaltung 10 eingebaut ist, reduziert wird. In einer nicht gezeigten Ausführungsform kann der Verstärker 24 auch mit Kabeln an die Mikrowellenbrückenschaltung 10 angebaut werden.
Am ersten Verstärker 24 wird das Sendesignal verstärkt und zur elektrischen Schaltung 11 geführt. Das Sendesignal wird von der elektrischen Schaltung 11 weiter zum Resonator 13 geführt. Der Resonator 13 beinhaltet eine zu analysierende Substanz („zu messende Probe“). Die Mikrowellen-Leistung des Sendesignals wird von der zu messenden Probe zum Teil absorbiert und zum Teil reflektiert. Ein im Resonator 13 entstandenes Signal, das für den Empfänger bestimmt ist, wird wieder zurück zur elektrischen Schaltung 11 als Empfangssignal („Empfängersignal“) geführt.
Die elektrische Schaltung 11 übernimmt dabei die Aufgabe, die zum Resonator 13 laufenden Sendesignale von den vom Resonator 13 kommenden Empfangssignalen voneinander zu trennen (näheres hierzu wird in den 3 und 4 beschrieben). Es wird also nur die im Resonator 13 entstandene Sendeleistung des entstandenen Signals als Empfangssignal zum Empfänger („Detektor“) geführt.
Häufig wird bei Mikrowellen-Brückenschaltungen 10 nach dem Stand der Technik die Aufgabe der elektrischen Schaltung 11 von einem Zirkulator übernommen (vergleiche hierzu 2)., Die elektrische Schaltung 11 ist so ausgestaltet, dass sie maximal einen Raum („Volumen“) von 1 cm x 3 cm x 3 cm einnimmt. Die hier genannten Abmessungen gelten für eine Arbeitsfrequenz um 10 GHz. Ein typischerweise verwendeter Zirkulator hat zwar ähnliche Abmessungen, doch müssen die Koaxialverbinder und die Kabel mit den minimalen Biegeradien zum Platzbedarf hinzugerechnet werden, wodurch sich der Platzbedarf eines klassischen Zirkulators mehr als verdreifacht.
Weiterhin kann die elektrische Schaltung aus unmagnetischen („nichtmagnetischen“) Materialien wie Aluminium, Kupfer, Silber oder Gold gefertigt sein. Dadurch können Messungen am Resonator 13 durchgeführt werden, bei denen das homogene Magnetfeld bei Messungen am Resonator 13 nicht oder nur geringfügig gestört wird. Weiterhin kann die elektrische Schaltung 11 näher an den Resonator 13 heranrücken.
Das Empfangssignal wird zum zweiten Verstärker 25 geführt, um das Empfangssignal zu verstärken. Auch der zweite Verstärker 25 ist kabellos („kabelfrei“) an die Mikrowellen-Brückenschaltung 10 angebaut (hier nicht näher dargestellt). Die Vorteile, die sich hierdurch ergeben, sind dabei gleich den Vorteilen, die sich für den ersten Verstärker 24 ergeben. Vom Verstärker 25 wird das Empfangssignal an den Mischer 23 geführt. Das Empfangssignal vor und nach dem Mischer 23 unterscheidet sich in der Frequenzlage. Die Frequenz vor dem Mischer 23 ist in der Nähe des Sendesignals z. B. 10 GHz, während das Signal nach dem Mischer 23 bei z. B. 0 - 1 MHz liegt. Von dort wird das Empfangssignal dann über die Zuleitung 14 an den Empfänger geführt.
2 zeigt für einen Vergleich mit 1 ein schematisches Blockschaltbild einer beispielhaften Mikrowellen-Brückenschaltung 100 für ein ESR-Spektrometer, wie sie bereits aus dem Stand der Technik bekannt geworden ist.
Die Brückenschaltung 100 umfasst eine Mikrowellen-Quelle 101, beispielsweise einen HF-Generator 101a, einen Teiler 102, einen Mischer 103, einen ersten Verstärker 104, einen Zirkulator 105, einen Resonator 106, einen zweiten Verstärker 107 und eine Zuleitung 108 zu einem Empfänger.
Die Mikrowellen-Quelle 101 erzeugt eine Mikrowellen-Leistung, die als Sendesignal weitergeführt wird. Dieses Sendesignal wird zum Teiler 102 geführt. Das Sendesignal wird am Teiler 102 aufgeteilt. Ein Teil des Sendesignals wird zum Mischer 103 geführt, während der andere Teil der Sendesignals zum ersten Verstärker 104 geführt wird. Am ersten Verstärker 104 wird das Sendesignal verstärkt und zum Zirkulator 105 geführt. Das Sendesignal wird vom Zirkulator 105 weiter zum Resonator 106 geführt. Der Resonator 106 beinhaltet eine zu messende Probe.
Die Mikrowellen-Leistung des Sendesignals wird von der zu messenden Probe zum Teil absorbiert und zum Teil reflektiert. Ein im Resonator 106 entstandenes Signal, das für den Empfänger bestimmt ist, wird wieder zurück zum Zirkulator 105 als Empfängersignal geführt. Der Zirkulator 105 übernimmt dabei die Aufgabe, die zum Resonator 106 laufenden Sendesignale von den vom Resonator 106 kommenden Empfangssignalen voneinander zu trennen. Es wird also nur die im Resonator 106 entstandene Sendeleistung des entstandenen Signals als Empfangssignal zum Empfänger geführt.
Das Empfangssignal wird zum zweiten Verstärker 107 geführt, um das Empfangssignal zu verstärken. Vom Verstärker 107 wird das Empfangssignal an den Mischer 103 geführt. Das Empfangssignal vor und nach dem Mischer 103 unterscheidet sich in der Frequenzlage. Die Frequenz vor dem Mischer 103 ist in der Nähe des Sendesignals z. B. 10 GHz, während das Signal nach dem Mischer 103 bei z. B. 0 - 1 MHz liegt Von dort wird das Empfangssignal dann über die Zuleitung 108 an den Empfänger geführt.
3 zeigt ein schematisches Blockschaltbild einer Ausführungsform einer mit dem Resonator 13 verbundenen elektrischen Schaltung 11 der erfindungsgemäßen Mikrowellen-Brückenschaltung, wie sie in einem ESR-Spektrometer verwendet werden kann und mit welcher ein Sendesignal von einem Empfangssignal getrennt werden kann. Die elektrische Schaltung 11 kann beispielsweise bei einer Frequenz von 10 GHz betrieben werden.
In der hier gezeigten Form umfasst die elektrische Schaltung 11 eine von einem Transmitter kommende Eingangsleitung 29, eine zum Empfänger führende Ausgangsleitung 30, einen ersten Schaltungspunkt TX, einen zweiten Schaltungspunkt R, einen dritten Schaltungspunkt RX, eine erste elektrische Leitung 15, eine zweite elektrische Leitung 16, welche in einen ersten Abschnitt L1 und in einen zweiten Abschnitt L2 eingeteilt ist, eine abzweigende Leitung 18, den Resonator 13, einen Abschwächer 17 und einen Phasenschieber 19.
Die Eingangsleitung 29 ist mit dem ersten Schaltungspunkt TX verbunden. Am ersten Schaltungspunkt TX teilt sich die Eingangsleitung auf die erste elektrische Leitung 15 und die zweite elektrische Leitung 16 auf. Die erste elektrische Leitung 15 und die zweite elektrische Leitung 16 sind parallel geschaltet.
Die erste elektrische Leitung 15 verläuft zwischen dem ersten Schaltungspunkt TX und dem dritten Schaltungspunkt RX und umfasst den Phasenschieber 19 und den Abschwächer 17. Der Phasenschieber 19 und der Abschwächer 17 können beispielsweise als Pin-Dioden und Kapazitätsdioden ausgebildet sein (siehe hierzu 4). In einer weiteren, nicht gezeigten Ausführungsform umfasst die erste elektrische Leitung 15 nur einen Abschwächer 17.
Die zweite elektrische Leitung 16 ist aufgeteilt in den ersten Abschnitt L1, der vom ersten Schaltungspunkt TX zum zweiten Schaltungspunkt R führt und dem zweiten Abschnitt L2, der vom zweiten Schaltungspunkt R zum dritten Schaltungspunkt RX führt, an dem die erste elektrische Leitung 15 und die zweite elektrische Leitung 16 wieder aufeinander treffen. Der erste Abschnitt L1 und der zweite Abschnitt L2 weisen jeweils eine Länge von einem ungeraden ganzzahligen Vielfachen eines Viertels der Wellenlänge des Sendesignals auf. Bei einer Betriebsfrequenz von 10 GHz entspricht dies im kürzest möglichen Fall, also dem Fall, dass die Länge der Abschnitte L1 und L2 jeweils einem Viertel der Wellenlänge des Sendesignals entsprechen, ungefähr einer Länge von 2 mm bis 7,5 mm pro Abschnitt L1 und L2. Diese Länge ist vom verwendeten Dielektrikum abhängig. Beispielsweise würde diese Länge bei Luft als Dielektrikum ungefähr 7,5 mm betragen. Bevorzugt nutzbar sind aber auch Ausführungen als Leitungsstruktur auf einem Substrat, wobei eine Leitungslänge von unter 2,5 mm, also von beispielsweise 2 mm, ebenfalls realisierbar ist. Der Resonator 13 ist über die abzweigende Leitung 18 mit dem Schaltungspunkt R und somit mit der zweiten elektrischen Leitung 16 verbunden.
Die erfindungsgemäße Brückenschaltung lässt sich über den Phasenschieber 19 und den Abschwächer 17 abstimmen. Die beiden Bauelemente ermöglichen es, einen Festfrequenzoszillator für eine Mikrowellenbrücke zu verwenden. Hierdurch wird eine Festfrequenzbrücke eingerichtet und eine AFC-Schaltung zur automatischen Frequenzkontrolle mit teure Bauteilen wird eingespart.
Die Ausgestaltung des Phasenschiebers 19 und des Abschwächers 17 erfolgt so, dass der Phasenschieber 19 und der Abschwächer 17 im Betrieb die Frequenz des HF-Generators nicht oder nicht wesentlich beeinflussen. Dem Empfänger der Mikrowellen-Brückenschaltung wird auf diese Weise eine optimal abgestimmte Mikrowellen-Brückenschaltung vorgespiegelt.
Im Wesentlichen lassen sich für den Betrieb der Mikrowellenbrückenschaltung mit der elektrischen Schaltung 11 zwei Fälle unterscheiden. Im ersten Fall ist der Resonator optimal angepasst, d. h. der Resonator weist eine optimale Impedanz auf. Im zweiten Fall ist der Resonator nicht angepasst, d. h. der Resonator weist eine Impedanz auf, die vom optimalen eingestellten Fall abweicht.
Erster Fall (optimal angepasster Resonator):
Über die Eingangsleitung 29 wird das vom Transmitter ausgesendete Sendesignal zur elektrischen Schaltung 11 geführt. Am ersten Schaltungspunkt TX wird das Sendesignal zu gleichen Teilen auf die erste elektrische Leitung 15 als ein erstes aufgeteiltes Sendesignal aufgeteilt und auf die zweite elektrische Leitung 16 als ein zweites aufgeteiltes Sendesignal aufgeteilt.
Das zweite aufgeteilte Sendesignal, welches die halbe Leistung des vom Transmitter ausgesendeten Sendesignals aufweist, wird vom ersten Schaltungspunkt TX über den ersten Abschnitt L1 der zweiten elektrischen Leitung 16 zum zweiten Schaltungspunkt R geführt. Beim Durchlaufen des ersten Abschnitts L1 wird die Phase des zweiten aufgeteilten Sendesignals um 90° gedreht. Am zweiten Schaltungspunkt R wird das zweite aufgeteilte Sendesignal erneut zu gleichen Teilen aufgeteilt.
Ein erster Teil des zweiten aufgeteilten Sendesignals, welcher ein Viertel der Leistung des vom Transmitter ausgesendeten Sendesignals aufweist, wird dabei über die abzweigende Leitung 18 zum Resonator 13 geführt, der die zu messende Probe beinhaltet. Das ankommende Signal wird von der Probe im Resonator 13 vollständig absorbiert.
Ein zweiter Teil des zweiten aufgeteilten Sendesignals, welcher ein Viertel der Leistung des vom Transmitter ausgesendeten Sendesignals aufweist, wird vom Schaltungspunkt R über den zweiten Abschnitt L2 der zweiten elektrischen Leitung 16 zum dritten Schaltungspunkt RX geführt. Beim Durchlaufen des zweiten Abschnitts L2 wird die Phase des zweiten Teils des zweiten aufgeteilten Sendesignals um 90° gedreht.
Der zweite Teil des zweiten aufgeteilten Sendesignals kommt also mit einem Viertel der Leistung des vom Transmitter ausgesendeten Sendesignals und einer Phasenverschiebung von 180° am dritten Schaltungspunkt RX an. Damit sich der zweite Teil des zweiten aufgeteilten Sendesignals und das erste aufgeteilte Sendesignal gegenseitig auslöschen, sodass kein Sendesignal mehr über die Ausgangsleitung 30 an den Empfänger weitergeleitet wird, wird das erste aufgeteilte Sendesignal so angepasst, dass es eine gleiche Leistung und eine um 180° verschobene Phase zum zweiten Teil des zweiten aufgeteilten Sendesignals aufweist.
Dazu wird das erste aufgeteilte Sendesignal, welches die halbe Leistung des vom Transmitter ausgesendeten Sendesignals aufweist, vom ersten Schaltungspunkt TX durch die erste elektrische Leitung 15 zum dritten Schaltungspunkt RX geführt. Dabei passiert das erste aufgeteilte Sendesignal den Phasenschieber 19 und den Abschwächer 17. Der Phasenschieber 19 ist so eingestellt, dass er die Phase nicht verschiebt (d. h. er ist auf 0° eingestellt), da die Sendesignale am Schaltungspunkt RX bereits mit einer Phasenverschiebung von 180° zusammentreffen. Der Abschwächer 17 ist so eingestellt, dass die Leistung des ersten aufgeteilten Sendesignals um 50% reduziert wird, damit auch das erste aufgeteilte Sendesignal ein Viertel der Leistung des vom Transmitter ausgesendeten Sendesignals aufweist. Am dritten Schaltungspunkt RX löschen sich dann die Sendesignale aus.
Ein im Resonator 13 entstandenes Empfangssignal („ESR-Signal“) wird vom Resonator über die abzweigende Leitung 18 zum zweiten Schaltungspunkt R geführt und von dort weiter über den Abschnitt L2 der zweiten elektrischen Leitung 16 zum dritten Schaltungspunkt RX geführt. Von dort kann das Empfangssignal, getrennt vom Sendesignal, über die Ausgangsleitung 30 zum Empfänger weitergeführt werden.
Zweiter Fall (nicht angepasster Resonator):
Über die Eingangsleitung 29 wird das vom Transmitter ausgesendete Sendesignal zur elektrischen Schaltung 11 geführt. Am ersten Schaltungspunkt TX wird das Sendesignal zu ungleichen Teilen auf die erste elektrische Leitung 15 als das erste aufgeteilte Sendesignal aufgeteilt und auf die zweite elektrische Leitung 16 als das zweite aufgeteilte Sendesignal aufgeteilt.
Das zweite aufgeteilte Sendesignal, welches einen Teil der Leistung des vom Transmitter ausgesendeten Sendesignals aufweist, wird vom ersten Schaltungspunkt TX über den ersten Abschnitt L1 der zweiten elektrischen Leitung 16 zum zweiten Schaltungspunkt R geführt. Beim Durchlaufen des ersten Abschnitts L1 wird die Phase des zweiten aufgeteilten Sendesignals um 90° gedreht. Am zweiten Schaltungspunkt R wird das zweite aufgeteilte Sendesignal erneut zu ungleichen Teilen aufgeteilt.
Der erste Teil des zweiten aufgeteilten Sendesignals, welcher einen Teil der Leistung des zweiten aufgeteilten Sendesignals aufweist, wird dabei über die abzweigende Leitung 18 zum Resonator 13 geführt, der die zu messende Probe beinhaltet. Das ankommende Signal wird von der Probe im Resonator 13 nur teilweise absorbiert. Der nicht absorbierte Teil des am Resonator 13 ankommenden Signals wird reflektiert und über die abzweigende Leitung 18 zum zweiten Schaltungspunkt R geführt.
Der zweite Teil des zweiten aufgeteilten Sendesignals, welcher einen Teil der Leistung des zweiten aufgeteilten Sendesignals aufweist, und das am Resonator 13 reflektierte Sendesignal werden gemeinsam vom Schaltungspunkt R über den zweiten Abschnitt L2 der zweiten elektrischen Leitung 16 zum dritten Schaltungspunkt RX geführt. Beim Durchlaufen des zweiten Abschnitts L2 wird die Phase des zweiten Teils des zweiten aufgeteilten Sendesignals und das am Resonator 13 reflektierte Sendesignal um 90° gedreht.
Der zweite Teil des zweiten aufgeteilten Sendesignals zusammen mit dem am Resonator 13 reflektierten Sendesignal kommt also mit einem Bruchteil der Leistung des vom Transmitter ausgesendeten Sendesignals und phasenverschoben am dritten Schaltungspunkt RX an. Damit sich der zweite Teil des zweiten aufgeteilten Sendesignals zusammen mit dem am Resonator 13 reflektierten Sendesignal und das erste aufgeteilte Sendesignal gegenseitig auslöschen, sodass kein Sendesignal mehr über die Ausgangsleitung 30 an den Empfänger weitergeleitet wird, wird das erste aufgeteilte Sendesignal so angepasst, dass es eine gleiche Leistung und eine um 180° verschobene Phase zum zweiten Teil des zweiten aufgeteilten Sendesignals zusammen mit dem am Resonator 13 reflektierten Sendesignal aufweist.
Dazu wird das erste aufgeteilte Sendesignal, welches einen Teil der Leistung des vom Transmitter ausgesendeten Sendesignals aufweist, vom ersten Schaltungspunkt TX durch die erste elektrische Leitung 15 zum dritten Schaltungspunkt RX geführt. Dabei passiert das erste aufgeteilte Sendesignal den Phasenschieber 19 und den Abschwächer 17. Der Phasenschieber 19 ist so eingestellt, dass das erste aufgeteilte Sendesignal und der zweite Teil des zweiten aufgeteilten Sendesignals zusammen mit dem am Resonator 13 reflektierten Sendesignal mit einer Phasenverschiebung von 180° zusammentreffen. Der Abschwächer 17 ist so eingestellt, dass die Leistung des ersten aufgeteilten Sendesignals der Leistung des zweiten Teils des zweiten aufgeteilten Sendesignals zusammen mit dem am Resonator 13 reflektierten Sendesignal entspricht. Am dritten Schaltungspunkt RX löschen sich dann die Sendesignale aus.
Ein im Resonator 13 entstandenes Empfangssignal wird vom Resonator über die abzweigende Leitung 18 zum zweiten Schaltungspunkt R geführt und von dort weiter über den Abschnitt L2 der zweiten elektrischen Leitung 16 zum dritten Schaltungspunkt RX. Von dort kann das Empfangssignal getrennt vom Sendesignal über die Ausgangsleitung 30 zum Empfänger weitergeführt werden.
In 4 ist ein schematisches Schaltungsbild einer Ausführungsform einer elektrischen Schaltung 11, wie sie in 3 beschrieben wurde, der erfindungsgemäßen Mikrowellen-Brückenschaltung gezeigt.
In der hier gezeigten Form umfasst die elektrische Schaltung die vom Transmitter kommende Eingangsleitung 29, die zum Empfänger führende Ausgangsleitung 30, einen ersten Widerstand 31a, einen zweiten Widerstand 31 b, den ersten Schaltungspunkt TX, den zweiten Schaltungspunkt R, denn dritten Schaltungspunkt RX, einen zusätzlichen Schaltungspunkt Z, die erste elektrische Leitung 15, die zweite elektrische Leitung 16, welche in den ersten Abschnitt L1 und in den zweiten Abschnitt L2 eingeteilt ist, die abzweigende Leitung 18, eine Resonatorbaugruppe 33 mit einem Verlustwiderstand 26 als Summe aller leistungsabsorbierenden Teile des Resonators und der Probensubstanz, Pin-Dioden 20, genauer eine erste Pin-Diode 20a und eine zweite Pin-Diode 20b, eine Kapazitätsdiode 21 und einen Kondensator 32.
In dieser Ausführungsform dienen die Widerstände 31 a und 31 b dazu, einen Stromfluss durch die Pin-Dioden 20 zu ermöglichen. Der Kondensator 32 dient hier dazu, eine am Schaltungspunkt Z vorhandene Gleichspannung von der Kapazitätsdiode 21 zu trennen. Die Spannung an der Kapazitätsdiode 21 ist unabhängig von der Gleichspannung an Punkt Z steuerbar. Im Allgemeinen sind für die Hochfrequenzfunktion der erfindungsgemäßen Schaltung weder der Kondensator 32 noch die Widerstände 31 a und 31 b erforderlich.
Da das Schaltungsbild aus 4 im Wesentlichen den Aufbau aus 3 noch einmal detaillierter darstellt, wird nur auf die bisher nicht beschriebenen Merkmale näher eingegangen.
Die erste elektrische Leitung 15 umfasst die Pin-Dioden 20a und 20b und ist über den zusätzlichen Schaltungspunkt Z mit der Kapazitätsdiode 21 verbunden. Das erste aufgeteilte Sendesignal, genauer die Leistung („Amplitude“) und die Phase des ersten aufgeteilten Sendesignals werden in der hier gezeigten Ausführungsform über die Pin-Dioden 20a und 20b und über die Kapazitätsdiode 21 angepasst und so abgestimmt, dass sich die Sendesignale am dritten Schaltungspunkt RX gegenseitig aufheben und nur das an der Resonatorbaugruppe 33 entstandene Empfangssignal über die Leitung 30 zum Empfänger weitergeleitet wird.
5 zeigt einen schematischen Messaufbau zur Durchführung einer ESR-Messung mit einem ESR-Spektrometer 1, welches die erfindungsgemäße Mikrowellen-Brückenschaltung 10 aus 1 beinhaltet.
Hier gezeigt für die Mikrowellen-Brückenschaltung 10 sind die Mikrowellen-Quelle 12, die elektrische Schaltung 11 und der Empfänger 34. Bei der Mikrowellen-Quelle 12 handelt es sich typischerweise um den HF-Generator 12a. Weiterhin umfasst die Mikrowellen-Brückenschaltung 10 den Teiler, den Mischer, den ersten Verstärker und den zweiten Verstärker (nicht näher dargestellt). Alternativ kann auch eine Festfrequenzbrücke in die Mikrowellen-Brückenschaltung 10 integriert sein. Der erste und der zweite Verstärker können mit Kabeln oder kabelfrei an der Brückenschaltung 10 angebaut sein.
Von der elektrischen Schaltung 11 führt die abzweigende Leitung 18 zum Resonator 13. In den Resonator 13 ist eine zu vermessende Probe 35 eingesetzt. Der Resonator 13 ist weiterhin von einer Magnetanordnung 36 umgeben. Im Beispiel der 5 ist die elektrische Schaltung 11 außerhalb der Magnetanordnung 36 positioniert. Es wäre auch möglich, die elektrische Schaltung 11 direkt bei der Messprobe 35 zwischen den Magnetpolen anzuordnen, da sie ohne magnetische Bestandteile realisierbar ist.
Bezugszeichenliste:

1: ESR-Spektrometer
10: Mikrowellen-Brückenschaltung
11: elektrische Schaltung
12: Mikrowellen-Quelle12a HF-Generator
13: Resonator
14: Zuleitung (zum Empfänger)
15: erste elektrische Leitung
16: zweite elektrische Leitung
17: Abschwächer
18: abzweigende Leitung (zum Resonator)
19: Phasenschieber
20: Pin-Diode
20a: erste Pin-Diode
20b: zweite Pin-Diode
21: Kapazitätsdiode
22: Teiler
23: Mischer
24: erster Verstärker
25: zweiter Verstärker
26: Verlustwiderstand
29: Eingangsleitung (vom Transmitter kommend)
30: Ausgangsleitung (zum Empfänger führend)
31a: erster Widerstand
31b: zweiter Widerstand
32: Kondensator
33: Resonatorbaugruppe
34: Empfänger
35: Probe
36: Magnetanordnung
100: Mikrowellen-Brückenschaltung
101: Mikrowellen-Quelle
101a: HF-Generator
102: Teiler
103: Mischer
104: erster Verstärker
105: Zirkulator
106: Resonator
107: zweiter Verstärker
108: Zuleitung (zum Empfänger)
L1: erster Abschnitt (der zweiten elektrischen Leitung)
L2: zweiter Abschnitt (der zweiten elektrischen Leitung)
R: zweiter Schaltungspunkt
RX: dritter Schaltungspunkt
TX: erster Schaltungspunkt
Z: zusätzlicher Schaltungspunkt

Referenz) iste
Für die Beurteilung der Patentfähigkeit in Betracht gezogene Publikationen:

[1] Aloisi et al., „A capacitive probe for Electron Spin Resonance detection", Journal of Magnetic Resonance, 263 (2016), 116-121
[2] US 2008 / 0 164 874 A1
[3] US 4 782 296 A
[4] NAKAOKA, Ririko; HIRITA, Hiroshi. Noise characteristics of a 750-MHz electronically tunable resonator for electron paramagnetic resonance spectroscopy. AIP Advances, 20219, 9. Jg., Nr. 7, S. 075312
[5] DE 3 933 439 A1

Claims

Mikrowellen-Brückenschaltung (10) zur Trennung eines Sendesignals von einem Empfangssignal, insbesondere für ESR-Anwendungen, und mit einer elektrischen Schaltung (11), die ein Sendesignal von einem Transmitter (12) zu einem mit der Schaltung (11) verbundenen Resonator (13) leitet sowie ein in einem Resonator (13) erzeugtes Empfangssignal an einen Empfänger (34) weiterleitet, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Schaltung (11) zwei parallel geschaltete elektrische Leitungen (15, 16) umfasst, mit - einem ersten Schaltungspunkt (TX), an dem das Sendesignal auf eine erste elektrische Leitung (15) und auf eine zweite elektrische Leitung (16) aufgeteilt wird, - der ersten elektrischen Leitung (15), die einen Abschwächer (17) zum Abschwächen eines ersten aufgeteilten Sendesignals aufweist, - der zweiten elektrischen Leitung (16), die mit dem Resonator (13) über eine abzweigende Leitung (18) an einem zweiten Schaltungspunkt (R) verbunden ist, wobei am zweiten Schaltungspunkt (R) ein zweites aufgeteiltes Sendesignal aufgeteilt wird und wobei die zweite elektrische Leitung (16) in zwei Abschnitte (L1) und (L2) aufgeteilt ist, wobei der erste Abschnitt (L1) vom ersten Schaltungspunkt (TX) zum zweiten Schaltungspunkt (R) und der zweite Abschnitt (L2) vom zweiten Schaltungspunkt (R) zu einem dritten Schaltungspunkt (RX) verläuft und das am zweiten Schaltungspunkt (R) verbleibende Sendesignal weiterleitet, wobei die Länge der Abschnitte (L1) und (L2) der zweiten elektrischen Leitung (16) jeweils einem ungeraden ganzzahligen Vielfachen eines Viertels der Wellenlänge des Sendesignals entspricht, und wobei am dritten Schaltungspunkt (RX) die aufgeteilten Sendesignale aus der ersten elektrischen Leitung (15) und der zweiten elektrischen Leitung (16) zusammengeführt werden und das im Resonator (13) erzeugte Empfangssignal an den Empfänger (34) weitergeleitet wird.
Mikrowellen-Brückenschaltung (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erste elektrische Leitung (15) einen Phasenschieber (19) zum Verschieben der Phase des ersten aufgeteilten Sendesignals beinhaltet.
Mikrowellen-Brückenschaltung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Schaltung (11) aus unmagnetischem Material aufgebaut ist.
Mikrowellen-Brückenschaltung (10) nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Brückenschaltung (11) über den Phasenschieber (19) und den Abschwächer (17) abstimmbar gestaltet ist.
Mikrowellen-Brückenschaltung (10) nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Phasenschieber (19), der Abschwächer (17) und die erste elektrische Leitung (15) so ausgestaltet sind, dass die Frequenz des HF-Generators (12a) durch den Betrieb von Phasenschieber (19) und Abschwächer (17) unbeeinflusst bleibt.
Mikrowellen-Brückenschaltung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Abstimmung der Amplitude und/oder der Phase des ersten aufgeteilten Sendesignals über Pin-Dioden (20) und/oder über Kapazitätsdioden (21) erfolgt.
Mikrowellen-Brückenschaltung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Resonator (13) derart angepasst ist, dass das noch nicht aufgeteilte Sendesignal sich zu unterschiedlichen Anteilen am ersten Schaltungspunkt (TX) auf die erste elektrische Leitung (15) und die zweite elektrische Leitung (16) aufteilt.
Mikrowellen-Brückenschaltung (10) nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Abschwächer (17) und der Phasenschieber (19) derart eingestellt sind, dass das Sendesignal aus der ersten elektrischen Leitung (15) und das restliche Sendesignal aus der zweiten elektrischen Leitung (16), zu genau gleich großen Anteilen aber mit 180 Grad Phasenverschiebung, am dritten Schaltungspunkt (RX) zusam m entrifft.
Mikrowellen-Brückenschaltung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Schaltung (11) bei einer Frequenz von etwa 10 GHz betrieben wird, und dass die äußeren Abmessungen der elektrischen Schaltung (11) 1 cm x 3 cm x 3 cm nicht überschreiten.
ESR-Spektrometer (1) mit einer Mikrowellen-Brückenschaltung (10) zur Trennung eines Sendesignals von einem Empfangssignal nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit einem HF-Generator (12a) zur Erzeugung des Sendesignals, mit einem Teiler (22) zum Aufteilen des Sendesignals auf wenigstens einen Mischer (23) und einen ersten Verstärker (24) zum Verstärken des Sendesignals sowie mit einer elektrischen Schaltung (11), die ein Sendesignal von einem Transmitter (12) zu einem mit der Schaltung (11) verbundenen Resonator (13) leitet und ein durch die zu analysierende Substanz im Resonator (13) erzeugtes Empfangssignal an einen Empfänger (34) weiterleitet.
ESR-Spektrometer (1) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Brückenschaltung (10) einen zweiten Verstärker (25) zum Verstärken des Empfangssignals umfasst.
ESR-Spektrometer (1) nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Verstärker (24) zum Verstärken des noch nicht aufgeteilten Sendesignals und der zweite Verstärker (25) zum Verstärken des Empfangssignals kabelfrei an der Brückenschaltung (10) angebaut sind.
ESR-Spektrometer (1) nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Schaltung (11) eine direkt am Resonator (13) angeordnete Empfängereingangsstufe aufweist.
ESR-Spektrometer (1) nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass eine Festfrequenzbrücke in der elektrischen Schaltung (11) vorhanden ist.