DE19838029A1 - Coaxial high frequency power measurement head for calorimetric measurement of high frequency power; uses Bragg grating or Fabry-Perot resonator as absorber - Google Patents
Coaxial high frequency power measurement head for calorimetric measurement of high frequency power; uses Bragg grating or Fabry-Perot resonator as absorberInfo
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Abstract
Description
Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der breitbandigen kalorimetrischen Messung von kleinen HF-Leistungen mit Hilfe von koaxialen Wellenleiterstrukturen, in welchen Absorber Verwendung finden, die in Form von Metallschichtwiderständen flächenhaft oder als Einzelwiderstände auf flächenhaften oder zylinderförmigen Trägersubstraten in unterschiedlichen geometrischen Anordnungen als reflektionsarmer wellenwiderstandsangepaßter Leitungsabschluß aufgebaut sind. Die Erfindung betrifft somit einen koaxialen HF-Leistungsmeßkopf großer Bandbreite.The invention relates to the field of broadband calorimetric measurement of small RF powers with the help of coaxial waveguide structures in which absorbers Find use in the form of sheet metal resistances or as Individual resistances on flat or cylindrical carrier substrates in different geometrical arrangements as low reflection shaft resistance-adapted line termination are constructed. The invention thus relates a large bandwidth coaxial RF power sensor.
Die Temperaturänderung dieser Absorber bei anliegender HF-Leistung wird entweder direkt aus der Widerstandsänderung der Absorber bei Verwendung temperaturabhängiger Metall schichten und Termistoren oder indirekt mit Sensoren, z. B. mit Thermoelementen, ermittelt (Reichelt T.: NRVD u. NRVS, die neuen thermischen Leistungsmesser. Neues von Rohde u. Schwarz (1992) Nr. 137 S. 4-7.The temperature change of these absorbers when RF power is applied is either directly the change in resistance of the absorbers when using temperature-dependent metal layers and termistors or indirectly with sensors, e.g. B. with thermocouples, determined (Reichelt T .: NRVD u. NRVS, the new thermal power meter. News from Rohde u. Black (1992) No. 137 pp. 4-7.
Eine HF-Leistungsmessung durch Widerstandsänderung in Abhängigkeit von der Temperatur läßt sich auch mit Hilfe von Bolometer in Dünnfilmtechnik durchführen. Derartige Bolometer sind aus H. Taddiken, D. Janik: Bolometer in thin-film technique as a power transfer standard for the 3,5mm coaxial line system. MIOP 97-Kongreßunterlagen; bekannt.An RF power measurement by changing the resistance depending on the temperature can also be carried out with the help of bolometers in thin film technology. Such bolometers are from H. Taddiken, D. Janik: Bolometer in thin-film technique as a power transfer standard for the 3.5mm coaxial line system. MIOP 97 congress documentation; known.
Aus Nak Sam Chung et.: Coaxials and waveguide micro-calon.meters for RF and microwave power standards. WEE Transactions on instrumentation and measurement (43/1998) Vol. 38, No. 2) ist ein weiters Verfahren zur HF-Leistungsmessung bekannt.From Nak Sam Chung et .: Coaxials and waveguide micro-calon.meters for RF and microwave power standards. WEE Transactions on instrumentation and measurement (43/1998) Vol. 38, No. 2) Another method for HF power measurement is known.
Bei der direkten Widerstandsmessung ergibt sich das Problem, die elektrische Trennung zwischen niederfrequentem Widerstandsmeßkreis und hochfrequentem koaxialen Leitungsabschluß ohne wesentliche gegenseitige Beeinflussung und Meßfehler, z. B. Vergrößerung des Reflexionsfaktors, zu erreichen. Bei der indirekten Temperaturmessung erhöht sich die Meßträgheit und die Meßempfindlichkeit verringert sich. Bei hohen Grenzfrequenzen kommt es zusätzlich auf Grund der kleinen Abmessungen von verwendeten koaxialen Leitungen und Steckverbindern zu Problemen bei den Absorbergeometrien.The problem with direct resistance measurement is electrical separation between low-frequency resistance measuring circuit and high-frequency coaxial Line termination without significant mutual interference and measurement errors, e.g. B. To increase the reflection factor. Increased with indirect temperature measurement the measuring inertia and the measuring sensitivity decrease. At high cut-off frequencies it also occurs due to the small dimensions of the coaxial lines used and connectors to problems with the absorber geometries.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Anordnung anzugeben, die kleine Absorbergeometrien mit integriertem Temperatursensoren und absoluter elektrischer Trennung zwischen dem HF-Kreis und dem Sensormeßkreis aufweist, die kleine HF-Leistungen mit geringer Trägheit detektieren kann. The object of the invention is to provide an arrangement that is small Absorber geometries with integrated temperature sensors and absolute electrical isolation between the RF circuit and the sensor measuring circuit, the small RF power with can detect low inertia.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch eine Anordnung mit den Merkmalen nach Anspruch l gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltung sind Gegenstand der Unteransprüche 2 bis 5.According to the invention, the object is achieved by an arrangement having the features of claim 1 solved. Advantageous embodiments are the subject of dependent claims 2 to 5.
Es wird als Absorberkörper eine Lichtwellenleitfaser verwendet, bei der im Ge-dotierten Kern ein Bragg-Gitter photorefraktiv nach bekannten Verfahren eingebracht wird. Am Ort der Bragg- Gitterzone wird direkt auf den Mantel der Faser eine Widerstandsschicht, z. B. Ni od. CrNi, mit für den gewählten koaxialen Absorberabschluß notwendigen Flächenwiderstand und einer optimalen Geometrie abgeschieden. Die Temperaturabhängigkeit des Bragg-Gitters, hervorgerufen durch die Temperaturabhängigkeit der effektiven Brechzahl, wird als Sensoreffekt genutzt. Die Änderung des optischen Reflexions- oder Transmissionsverhaltens bezüglich Mittenwellenlänge und optischer Bandbreite des Bragg-Gitters wird detektiert und dient als Maß für die Temperaturänderung der Absorberschicht.An optical fiber is used as the absorber body, in the case of the Ge-doped core a Bragg grating is introduced photorefractive by known methods. At the location of the Bragg Lattice zone is a resistance layer, z. B. Ni or CrNi, with for the chosen coaxial absorber termination necessary surface resistance and one optimal geometry deposited. The temperature dependence of the Bragg grid, caused by the temperature dependence of the effective refractive index, is used as a sensor effect used. The change in optical reflection or transmission behavior with respect The center wavelength and optical bandwidth of the Bragg grating is detected and serves as a measure for the temperature change of the absorber layer.
An Stelle eines Bragg-Gitters kann auch ein Fabry-Perot-Resonator eingesetzt werden. Die durch die Widerstandsschicht hervorgerufene Temperaturänderung bewirkt dann eine Verstimmung des Resonators, die als Sensoreffekt ausgenutzt wird.Instead of a Bragg grating, a Fabry-Perot resonator can also be used. By the temperature change caused by the resistance layer then causes a detuning of the resonator, which is used as a sensor effect.
Die koaxiale Leitung an der Abschlußebene wird vorteilhaft durch zwei oder vier radial symmetrisch angeordnete Abschlußwiderstände breitbandig und reflexionsarm abgeschlossen.The coaxial line at the termination level is advantageously two or four radially symmetrical terminating resistors broadband and low reflection completed.
Für den breitbandigen HF-Abgleich des koaxialen Leistungsmeßkopfes können zusätzlich verstellbare Metallflächen im Abstand zur Abschlußebene der Koaxialleitung vorgesehen werden.For the broadband HF adjustment of the coaxial power sensor, you can also adjustable metal surfaces are provided at a distance from the end plane of the coaxial line become.
Eine besondere Ausführung wird erreicht, indem die Koaxialleitung durch eine Kegelleitung in ihren Abmessungen reduziert wird, so daß der im Durchmesser reduzierte Innenleiter mittelbar mit einem metallbeschichteten Lichtwellenleiter ausgebildet werden kann.A special version is achieved by the coaxial line through a conical line in their dimensions is reduced, so that the reduced diameter inner conductor indirectly can be formed with a metal-coated optical fiber.
Zur Temperaturkompensation wird ein weiterer Lichtwellenleiter mit Widerstandsschicht und Bragg-Gitter oder Fabry-Perot-Resonator im Außenleiter so angeordnet, daß nur ein thermischer Kontakt mit der unmittelbaren Umgebung der Koaxialleitung besteht, ohne daß eine thermische Beeinflussung durch die HF-Leistung erfolgt. Another temperature waveguide with a resistance layer and Bragg grating or Fabry-Perot resonator arranged in the outer conductor so that only one thermal There is contact with the immediate vicinity of the coaxial line without a thermal Influenced by the RF power.
Der Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung besteht darin, daß durch die Nutzung der Lichtwellenleiter mit Bragg-Gitter bzw. Fabry-Perot-Resonator und Absorber eine völlige elektrische Trennung des HF-Kreises von der Sensorauswertung erreicht wird.The advantage of the solution according to the invention is that by using the Optical waveguide with Bragg grating or Fabry-Perot resonator and absorber a complete electrical separation of the HF circuit from the sensor evaluation is achieved.
Zusätzliche elektrische Bauelemente in Netzwerkstrukturen zur elektrischen Entkopplung des Meßkreises, z. B. Trennkapazitäten, entfallen.Additional electrical components in network structures for electrical decoupling of the Measuring circuit, e.g. B. separation capacities are eliminated.
Der Einfluß parasitärer elektrischer Größen wird bei kleinen Abmessungen des Absorbers für hohe Meßfrequenzen geringer und die Voraussetzungen für eine große HF-Bandbreite des Meßkopfes verbessern sich. Die Meßzeiten für die kalorimetrische HF-Leistungsmessung werden kürzer und die Sensibilität für kleine HF-Leistungen erhöht sich. Meßfehler durch den Störgrößeneinfluß der Umgebungstemperatur können durch einen zusätzlichen Referenzsensor gleicher Bauform, der nur thermischen Kontakt mit der Umgebung der Koaxleitung hat, kompensiert werden. Auf die Lichtwellenleiterverbindungen zwischen Meßkopf und Auswerteeinheit haben elektromagnetische Störgrößen auch bei großen Verbindungslängen und großen HF-Leistungen keinen Einfluß somit kann eine große räumliche Distanz zur Auswerteeinheit für spezielle Meßkonfigurationen realisiert werden.The influence of parasitic electrical quantities is small for the absorber high measuring frequencies lower and the prerequisites for a large HF bandwidth of the Measuring head improve. The measuring times for the calorimetric HF power measurement become shorter and the sensitivity to small RF power increases. Measurement error caused by the The influence of ambient temperature can be influenced by an additional reference sensor the same design, which only has thermal contact with the surroundings of the coax line, be compensated. On the fiber optic connections between the measuring head and Evaluation unit have electromagnetic disturbances even with long connection lengths and large RF powers have no influence so a large spatial distance to Evaluation unit for special measurement configurations can be realized.
Die Erfindung wird nachstehend an Hand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. In den Zeichnungen zeigen:The invention is explained in more detail below using exemplary embodiments. In the Drawings show:
Fig. 1 ein Leitungsende einer Koaxialleitung mit vier radialsymmetrisch angeordneten Abschlußwiderständen Fig. 1 shows a line end of a coaxial line with four radially symmetrically arranged terminating resistors
Fig. 2 ein Leitungsende einer Koaxialleitung mit zwei radialsymmetrisch angeordneten Abschlußwiderständen Fig. 2 shows a line end of a coaxial line with two radially symmetrically arranged terminating resistors
Fig. 3 ein Leitungsende einer Koaxialleitung, welches durch eine Kegelleitung verjüngt ist und einem axialsymmetrischen Abschlußwiderstand Fig. 3 shows a line end of a coaxial line, which is tapered by a conical line and an axially symmetrical terminating resistor
Fig. 1 zeigt ein Leitungsende einer Koaxialleitung, bestehend aus einem Außenleiter 2, einem Innenleiter 6 und einem Dielektrium 1 zwischen Außenleiter 2 und Innenleiter 6. Der Außenleiter 2 weist einen achsnormalen Abschluß auf. Zwei Monomode-Lichtwellenleiter 3; 4, die jeweils über die Innendurchmesserlänge des Außenleiters 2 der Koaxialleitung mit einer Widerstandsschicht 5 aus Ni oder CrNi beschichtet sind, sind am Ort der Metallschicht kreuzweise radialsymmetrisch im 90°-Winkel über das Leitungsende der Koaxiaileitung geführt. Auf dem Innenleiter 6 der Koaxialleitung und auf dem Außenleiterring 2 der Koaxialleitung befinden sich die elektrischen Kontaktstellen 7 in Form von Lötpunkten oder Leitkleberpunkten. Am Ort der Kontaktstellen 7 sind die Widerstandsschichten 5 mit Goldkontaktringen versehen. Fig. 1 shows a cable end of a coaxial line consisting of an outer conductor 2, an inner conductor 6 and a dielectricum 1 between the external conductor 2 and the inner conductor 6. The outer conductor 2 has an axis-normal termination. Two single-mode optical fibers 3 ; 4 , which are each coated with a resistance layer 5 made of Ni or CrNi over the inner diameter length of the outer conductor 2 of the coaxial line, are guided radially symmetrically at the location of the metal layer in a 90 ° angle across the line end of the coaxial line. The electrical contact points 7 are located on the inner conductor 6 of the coaxial line and on the outer conductor ring 2 of the coaxial line in the form of soldering points or conductive adhesive points. At the location of the contact points 7 , the resistance layers 5 are provided with gold contact rings.
Längssymmetrisch unter den Widerstandsschichten 5 befinden sich in den Kernen der Lichtwellenleiter 3, 4 fotorefraktiv durchgehend erzeugten Bragg-Gitterzonen 8, deren Gesamtlänge jeweils größer als die Länge der zwei hintereinanderliegenden Widerstandsschichten ist. An Stelle der Bragg-Gitter 8 kann auch ein Fabry-Perot-Resonator im Lichtwellenleiter vorgesehen sein.Longitudinally symmetrical under the resistance layers 5 are in the cores of the optical fibers 3 , 4 photorefractive continuously generated Bragg grating zones 8 , the total length of which is in each case greater than the length of the two resistance layers lying one behind the other. Instead of the Bragg grating 8 , a Fabry-Perot resonator can also be provided in the optical waveguide.
Die elektrisch parallel geschalteten vier Teilwiderstände sind bezüglich der Flächenwiderstände so dimensioniert, daß insgesamt ein wellenwiderstandsrichtiger Abschluß für das verwendete koaxiale Leitungsbauelement realisiert wird. Die in den beiden Lichtwellenleitern 3, 4 enthaltenen Absorber und Bragg-Gitter bzw. Fabry-Perot-Resonator sind optisch und elektrisch gleichartig aufgebaut. Zur Verbesserung der breitbandigen Anpassungswerte des HF- Abschlusses können die kreuzweise angeordneten und widerstandsbeschichteten Lichtwellenleiter teilweise in das Dielektrikum 1 des Leitungsendes versenkt werden.The four partial resistors, which are connected in parallel, are dimensioned with respect to the surface resistances in such a way that a termination which is correct for the wave resistance is implemented for the coaxial line component used. The absorbers and Bragg grating or Fabry-Perot resonator contained in the two optical waveguides 3 , 4 are constructed optically and electrically in the same way. To improve the broadband adaptation values of the HF termination, the cross-wise arranged and resistance-coated optical fibers can be partially sunk into the dielectric 1 of the line end.
An den vier Enden 9 der Lichtwellenleiter 3, 4 kann wahlweise das Durchlaß- oder Reflexionsverhalten in Abhängigkeit von der am Eingang der Koaxialleitung anliegenden HF- Leistung detektiert werden. Bei der Verwendung von zwei Lichtwellenleitern 3, 4 und vier Teilwiderständen können die ein- und ausgekoppelten Lichtleistungen mit Hilfe von Kopplern zusammengefaßt werden. Eingangseitig wird eine stabilisierte Laserlichtquelle verwendet, deren spektrale optische Bandbreite größer als die der verwendeten Bragg-Gitter ist und mit der optischen Mittenfrequenz der verwendeten Bragg-Gittern übereinstimmt. Die Differenz von Mittenwellenlänge und Bandbreite der Durchlaß- oder Reflexionssignale der Bragg-Gitter 8%r am koaxialen Meßkopfeingang unterschiedlich anliegende HF-Leistungen wird mit Hilfe bekannter Verfahren der optischen Spektralanalyse in elektrische Meßsignale zur Ermittlung der HF-Leistungswerte umgewandelt.At the four ends 9 of the optical fibers 3 , 4 , the transmission or reflection behavior can optionally be detected depending on the RF power applied to the input of the coaxial line. If two optical fibers 3 , 4 and four partial resistors are used, the light outputs that are coupled in and out can be combined using couplers. A stabilized laser light source is used on the input side, the spectral optical bandwidth of which is greater than that of the Bragg gratings used and corresponds to the optical center frequency of the Bragg gratings used. The difference between the center wavelength and the bandwidth of the transmission or reflection signals of the Bragg grating 8% r at the coaxial measuring head input of differently applied HF powers is converted with the aid of known methods of optical spectral analysis into electrical measuring signals for determining the HF power values.
Der Lichtwellenleiter 10 mit gleichartigem Absorber 5 und Bragg-Gitter 8 befindet sich nur im thermischen Kontakt mit der unmittelbaren Umgebung der Koaxialleitung, ohne thermische Beeinflussung durch die HF-Leistung. Das von dieser zusätzlichen Faser erhaltene Meßsignal dient zur Kompensation des Umgebungstemperatureinflusses.The optical waveguide 10 with the same absorber 5 and Bragg grating 8 is only in thermal contact with the immediate vicinity of the coaxial line, without thermal influence by the RF power. The measurement signal obtained from this additional fiber is used to compensate for the influence of the ambient temperature.
Fig. 2 zeigt ein Leitungsende einer Koaxialleitung mit zwei radialsymmetrisch angeordneten Abschlußwiderständen. Im Unterschied zu der Darstellung in der Fig. 1 reicht hier ein Lichtwellenleiter 3 aus. Für den HF-Abgleich des Leistungsmeßkopfes sind zwei verstellbare Metallflächen 11 im Abstand zum Koaxialleitungsende vorgesehen. Fig. 2 shows an end of a coaxial line with two radially symmetrically arranged terminating resistors. In contrast to the illustration in FIG. 1, an optical waveguide 3 is sufficient here. For the HF adjustment of the power measuring head, two adjustable metal surfaces 11 are provided at a distance from the end of the coaxial line.
Fig. 3 zeigt ein Leitungsende einer Koaxialleitung mit einer Kegelleitung 12. Die Koaxialleitung wird mit der Kegelleitung in ihren Abmessungen so stark reduziert, daß der Innenleiter 6 mit dem widerstandsbeschichteten Lichtwellenleiter 3 verlängert werden kann. Der Außenleiter 2 ist von dem Lichtwellenleiter 3 bzw. von der Widerstandsschicht 5 beabstandet. Elektrische Kontaktierungen 7 sind zwischen dem Innenleiter 6 und der Widerstandsschicht 5 und zwischen der Widerstandsschicht 5 und dem Außenleiter 2 vorgesehen, so daß sich ein axialsymmetrischer Abschlußwiderstand durch die Widerstandsschicht 5 ergibt. Fig. 3 shows a cable end of a coaxial line with a tapered conduit 12. The dimensions of the coaxial line are reduced so much with the conical line that the inner conductor 6 can be extended with the resistance-coated optical waveguide 3 . The outer conductor 2 is spaced from the optical waveguide 3 or from the resistance layer 5 . Electrical contacts 7 are provided between the inner conductor 6 and the resistance layer 5 and between the resistance layer 5 and the outer conductor 2 , so that there is an axially symmetrical terminating resistance through the resistance layer 5 .
11
Dielektrikum
dielectric
22nd
Außenleiter
Outer conductor
33rd
erster Lichtwellenleiter
first optical fiber
44th
zweiter Lichtwellenleiter
second optical fiber
55
Widerstandsschicht
Resistance layer
66
Innenleiter
Inner conductor
77
elektrische Kontaktierung
electrical contacting
88th
Bragg-Gitterzone
Bragg grid zone
99
Ende des Lichtwellenleiters
End of the optical fiber
1010th
Referenzlichtwellenleiter
Reference optical fiber
1111
kapazitive Kompensationsfläche
capacitive compensation area
1212th
Kegelleitung
Cone pipe
Claims (6)
Priority Applications (1)
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---|---|---|---|
DE1998138029 DE19838029B4 (en) | 1998-08-21 | 1998-08-21 | Large bandwidth coaxial RF power sensor |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE1998138029 DE19838029B4 (en) | 1998-08-21 | 1998-08-21 | Large bandwidth coaxial RF power sensor |
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---|---|
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---|---|---|---|
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Country | Link |
---|---|
DE (1) | DE19838029B4 (en) |
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