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Hintergrund
der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Leistungssensor mit
großem
Dynamikbereich mit echtem Mittelwert (TA-WDR = true average wide dynamic range
power sensor), der verwendet werden kann, um genaue Leistungsmessungen
von –70
dBm bis +20 dBm oder mehr (großer
Dynamikbereich) durchzuführen,
unabhängig
von dem Format des Signals (echter Mittelwert). Echter-Mittelwert-Sensoren werden
seit vielen Jahrzehnten getrennt in dem –70 dBm bis –20 dBm-Bereich
(auf der Basis der Diode, die in ihrer „quadratischen" Region arbeitet),
und –30 dBm
bis +20 dBm (auf der Basis von einem Thermoelement- oder Thermistor-
oder Dioden-Sensor mit einem Dämpfungsglied
an seinem Eingang). Es gibt keinen einzigen Sensor, der den gesamten
oben genannten Dynamikbereich abdeckt.
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Vor
kurzem wurden diodenbasierte Sensoren mit großem Dynamikbereich eingeführt, die
den gesamten –70
dBm bis +20 dBm-Bereich abdecken, durch Antreiben eines Diodensensors
weit über
seine Grenze (–20
dBm) zum Messen der Leistung. Weil die Diode weit über ihre
Grenze für
eine Echter-Mittelwert-Leistungsmessung
in dem –20
dBm bis +20 dBm Bereich liegt, können
diese Sensoren nur für
die genaue Messung der Leistung einer Einzelfrequenz (Gleichwellensignal
oder CW-Signal) verwendet werden. Die meisten Anwendungen erfordern
Messungen von komplexen Signalen mit vielen Frequenzkomponenten
in denselben (die enorme Nachfrage nach solchen Sensoren liegt an
dem schnell wachsenden digitalen Kommunikationsmarkt).
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Die
US-A-5266888 beschreibt ein Strahlungsüberwachungsgerät mit großem Leistungsbereich,
das ein Paar von Dioden umfaßt,
deren Kathoden miteinander verbunden sind und ein zusätzlicher Kondensator
derselben ist parallel zu einer der Dioden gekoppelt. Der Detektor
des Strahlungsüberwachungs geräts liefert
zwei Ausgangssignale: ein Ausgangssignal kleiner Leistung und ein
Ausgangssignal großer
Leistung, wobei die Ausgangssignale zu den Anoden der Detektordioden
gekoppelt werden. Jedes Ausgangssignal wird an einen jeweiligen
nichtinvertierten Eingang von zwei Differenzverstärkern geliefert,
und einer der beiden Ausgänge
der Verstärker wird
durch einen Relaisschalter ausgewählt, abhängig von dem gemessenen Ausgangssignal
von einem der Verstärker.
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Die
US-A-4873484 beschreibt eine Sonde zum Erfassen von Hochfrequenzleistung,
die zwei unabhängig
getriebene hochfrequenzempfindliche Dioden umfasst, die durch eine
gemeinsame HF-Eingabe getrieben werden. Die Dioden sind ungleichmäßig aufgefüllt, um
einen erweiterten Empfindlichkeitsbereich zu liefern. Die Dioden
erzeugen zwei jeweilige Ausgaben, die an einen gemeinsamen Leistungsmesser
geliefert werden, der zwischen den beiden Ausgaben schaltet.
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Die
EP-A-0412392 beschreibt einen Leistungsverstärker für einen Sender, bei dem die
Ausgabe gemessen wird unter Verwendung einer parallelen Anordnung
von Ausgabeleitungen, die jeweils eine Diode enthalten, von denen
eine auch einen Dämpfungswiderstand
enthält.
Die gewünschte
Ausgabe wird ausgewählt
unter Verwendung eines Wechselschalters, der selektiv mit einer
der beiden Dioden verbunden ist.
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Die
US-A-4943764 beschreibt einen Hochfrequenzleistungssensor mit großem Dynamikbereich
mit einem Sensorabschnitt kleiner Leistung und einem Sensorabschnitt
hoher Leistung. Die Hochfrequenzeingabe wird über einen Gleichsignalblockkondensator
an den Sensorabschnitt kleiner Leistung geliefert, und über sowohl
den Gleichsignalsperrkondensator als auch einen weiteren Kopplungskondensator
an den Sensorabschnitt hoher Leistung. Der Sensorabschnitt kleiner
Leistung umfasst eine Diode, deren Ausgang mit einem Gleichsignalweg
verbunden ist, wobei der Gleichsignalweg über eine Kapazität mit Masse
verbunden ist, der Sensor kleiner Leistung auch einen Schalter umfasst,
der wirksam ist, um den Gleichsignalweg zu öffnen, wenn die Hochfrequenzsignale
die quadratische niedrige Region des Diodensensors kleiner Leistung überschreiten.
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Zusammenfassung
der Erfindung
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Es
wäre wünschenswert,
einen Leistungssensor mit großem
Dynamikbereich und echtem Mittelwert (TA-WDR) zu schaffen, der verwendet
werden kann, um genaue Leistungsmessungen von –70 dBm bis +20 dBm oder mehr
(großer
Dynamikbereich) durchzuführen,
unabhängig
von dem Format des Signals (echter Mittelwert).
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung ist ein Leistungssensor mit großem Dynamikbereich und echtem
Mittelwert gemäß Anspruch
1 geschaffen.
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Andere
Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden von der
folgenden detaillierten Beschreibung in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen
offensichtlich werden.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
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Die
beiliegenden Zeichnungen, die in dieser Beschreibung enthalten sind
und einen Teil derselben bilden, und bei denen gleiche Bezugszeichen gleiche
Komponenten bezeichnen, stellen Anordnungen von Sensoren dar und
dienen zusammen mit der Beschreibung dazu, die Prinzipien der Erfindung
zu erklären.
Die in 1 bis 7 dargestellten Anordnungen
stellen jedoch keine Ausführungsbeispiele der
vorliegenden Erfindung dar.
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1 zeigt
eine Implementierung eines Leistungssensors mit großem Dynamikbereich
und echtem Mittelwert.
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2 zeigt
eine weitere Implementierung eines Leistungssensors mit großem Dynamikbereich.
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3 zeigt
einen Leistungssensor mit großem
Dynamikbereich mit einem Schalter in dem HF-Weg.
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4 zeigt
einen Leistungssensor mit großem
Dynamikbereich mit einer passiven HF-Schaltung.
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5 zeigt
einen Leistungssensor mit großem
Dynamikbereich mit einem Schalter in dem Gleichstromweg.
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6 zeigt
ein Schaltbild einer Diodendetektorschaltung.
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7 zeigt
ein Schaltbild einer Dioden-Dämpfungsglied-Diodenschaltung.
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8 zeigt
ein Schaltbild, das den Schalter in dem Gleichstromweg zeigt, gemäß einem
Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung.
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9 zeigt
den Effekt des Schalters von 8 auf die
Linearität.
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Detaillierte Beschreibung
der bevorzugten Ausführungsbeispiele
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Nachfolgend
wird näher
auf Anordnungen von Sensoren Bezug genommen, die dazu dienen, Prinzipien
der vorliegenden Erfindung zu er klären, wobei Beispiele derselben
in den beiliegenden Zeichnungen dargestellt sind.
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Die
vorliegende Erfindung liefert einen Leistungssensor mit großem Dynamikbereich
mit echtem Mittelwert, der in der Lage ist, sehr genaue Leistungsmessungen
des großen
Dynamikbereichs mit echtem Mittelwert durchzuführen.
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Obwohl
es mehrere Techniken zum Entwerfen von Leistungssensoren mit großem Dynamikbereich
mit echtem Mittelwert gibt, bestehen alle diese Ideen aus dem Verwenden
einer Diode zum Messen eines Signals kleiner Leistung (–70 dBm
bis –20 dBm).
Es ist wichtig zu erkennen, daß die
Fähigkeit, eine
Messung des Signals niedrigster Leistung durchzuführen, ein
Beschränkungsfaktor
ist. Denn ein Signal höherer
Leistung kann immer ohne weiteres gedämpft werden (um einen bekannten
Faktor), um es zu einem Pegel herunterzubringen, der durch einen
Sensor kleiner Leistung gemessen werden kann. Es gibt jedoch keine
einfache Technik zum Messen von Signalen unter –70 dBm (darunter werden die
Dioden zu rauschbehaftet). Somit wird bei verschiedenen möglichen
Implementierungen eines Leistungssensors mit großem Dynamikbereich mit echtem
Mittelwert ein Diodensensor verwendet, um Signale kleiner Leistung
zu messen. Um Signale höherer
Leistung zu messen, könnte
ein Dämpfungsglied
in den HF-Signalweg des gleichen Diodensensors geschaltet werden,
wie es in 1 gezeigt ist, die das HF-Signal
auf dem HF-Signalweg 10 in den Diodensensor niedriger Leistung 12 eingegeben zeigt.
Der Diodensensor 12 empfängt HF-Signale kleiner Leistung
und das geschaltete Dämpfungsglied 14 entfernt
wirksam HF-Signale hoher Leistung durch Reduzieren solcher Signale
auf die quadratische Region.
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Bei
einer anderen Anordnung, die in 2 gezeigt
ist, wird das ankommende Signal in zwei getrennte Wege 20, 22 geleitet,
einen HF-Weg 20, der zu einer Diode 24 geht, die
die HF-Signale für
eine Messung kleiner Leistung empfängt, und den anderen HF-Weg 22,
der zu einem Sensor 26 hoher Leistung geht, der ein Thermistor-,
ein Thermoelement- oder ein gedämpfter
Dioden-Sensor (der im allgemeinen "als Sensor hoher Leistung" bezeichnet wird) sein
könnte,
der die HF-Signale empfängt,
um das Signal hoher Leistung zu messen.
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Bei
dieser zweiten Anordnung eines Leistungssensors mit großem Dynamikbereich
mit echtem Mittelwert wurde bestimmt, daß das Vorliegen des Diodensensors
kleiner Leistung sehr nachteilige Effekte hat, wenn ein Signal hoher
Leistung in diese Schaltung eingegeben wird, und der Arm hoher Leistung
dieser Schaltung versucht, eine genaue Messung durchzuführen.
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Somit
muß man
die Effekte des Diodensensors kleiner Leistung von der Schaltung
elektrisch isolieren, wenn der Signalpegel über seine quadratische Region
hinausgeht. Dies kann unter Verwendung eines Schalters 30 eines
bestimmten Typs (elektronisch, mechanisch, mikromechanisch) in dem HF-Signalweg durchgeführt werden,
um den Diodensensor kleiner Leistung zu isolieren, wie es in 3 gezeigt
ist.
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Dies
könnte
auch unter Verwendung einer passiven Schaltung 34 durchgeführt werden,
die in 4 gezeigt ist, die eine hohe Isolierung zwischen dem
Sensor hoher Leistung und dem Diodensensor kleiner Leistung liefert
(beispielsweise unter Verwendung einer hochisolierenden Teilerschaltung
oder eines hochisolierenden Richtungskopplers, usw.). Die oben erwähnten Schalter
und passiven Schaltungen liegen in dem HF-Signalweg und müssen somit mit höchster Vorsicht
entworfen werden. Aufgrund der speziellen Art dieser Schaltungen
führen
dieselben Frequenzbandbreitenbeschränkungen ein (zumindest mit
den Schaltern, die zum aktuellen Zeitpunkt verfügbar sind).
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Das
richtige Funktionieren des Sensors hoher Leistung kann dadurch beeinträchtigt werden, daß der übermäßige Gleichstrom
durch die Diode des Wegs kleiner Leistung fließt, wenn der Eingangsanschluß derselben
unvermeidlich auf das HF-Signal hoher Leistung trifft, das wirklich
durch den Sensor hoher Leistung gemessen werden soll. Die meisten Vorteile
des Isolierens des Diodensensors kleiner Leistung von dem HF-Signalweg
können
einfach erreicht werden durch Abtrennen des Gleichstromwegs von
der Diode, wodurch verhindert wird, daß Gleichstrom durch die Diode
fließt.
Diese Anordnung ist in 5 gezeigt, die den Schalter 38 in
dem Gleichstromweg 40 zeigt.
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Anders
als das Abtrennen oder Isolieren des HF-Wegs ist es sehr einfach,
die Gleichstromschaltung unter Verwendung von ohne weiteres verfügbaren Schaltern
zu trennen (dies könnte
jeder geeignete Schalter sein, der die Leistungsfähigkeit
des Diodensensors nicht verschlechtert, wenn er in der Tat verwendet
wird, um Messungen niedriger Leistung durchzuführen).
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Dioden
werden bei allen Arten von elektronischen Schaltungen sehr häufig verwendet.
Die Nicht-Linear-Strom-über-Spannung-Charakteristika (I-V-Charakteristika)
der Dioden werden in mehreren Schaltungen genutzt, um sinnvolle
Aufgaben durchzuführen.
Die Nicht-Linear-I-V-Charakteristik führt zu einer schwankenden Diodenimpedanz,
da der Strom durch die Diode schwankt. Bei Mikrowellenschaltungen
ist das Anpassen der Impedanz einer Schaltung an die Impedanz einer
Quelle von höchster
Wichtigkeit, um eine effiziente Signalübertragung mit geringen Signalreflexionspegeln
zu erreichen. In vielen Fällen
ist die variierende Diodenimpedanz eine unvermeidbare Tatsache,
die der Entwurf auszugleichen versuchen sollte. Bei anderen Anwendungen, wo
die Diode nicht aktiv verwendet wird, können viele der nachteiligen
Effekte der Diodenimpedanzschwankung eliminiert werden, einfach
durch Abtrennen des Gleichstromwegs der Diode von der Schaltung
unter Verwendung entweder eines mechanischen oder eines elektronischen
Schalters. Diese Technik wurde bei dem Leistungssensor mit großem Dynamikbereich
mit echtem Mittelwert demonstriert, und hat zu wesentlichen Verbesserungen
bei der Genauigkeit und Leistungsfähigkeit dieses Geräts geführt.
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Der
Einfluß des
Gleichstroms auf die Diodenimpedanz wird nun beschrieben. Die Beziehung zwischen
Spannung und Strom in einer Diode ist I(V) =
Is(eaV –1)wobei
I der Strom durch die Diode ist, wenn die Spannung V über dieselbe
angelegt ist. Is ist der Sättigungsstrom,
der bei jeder bestimmten Temperatur eine Konstante ist. Allgemein,
falls V aus einer Gleichstromkomponente, Vo,
und einer Wechselstromkomponente, v, besteht, gilt folgendes: V = Vo + v
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Die
Diodenimpedanz, die allgemein als Videowiderstandsfähigkeit
Rv bekannt ist, ist:
wobei I
o der
Vorspannungsstrom aufgrund der Gleichstromspannung V
o ist.
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Somit
ist Rv invers proportional zu Io + Is. Bei einer Nullvorspannung (Io =
0) ist Rv:
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Eine
HF-Leistungserfassung und Leistungsmessung ist eine der wichtigsten
Anwendungen von Dioden bei Mikrowellenschaltungen. Ein Schema einer
Detektorschaltung ist in 6 gezeigt. Bei dieser Schaltung
wird die HF-Spannung über
die parallele Kombination eines Anpassungswiderstands Rm und der
Diode D angelegt. Für
kleine HF-Signale erscheint eine gleichgerichtete Gleichstromspannung proportional
zu dem Quadrat der HF-Spannung an dem Ausgangsanschluß. Unter
diesen Bedingungen wird gesagt, daß sich die Diode in ihrer quadratischen
Betriebsregion befindet. Der Kondensator Cb schließt das HF-Signal
an dem Diodenausgang kurz, und stellt sicher, daß die gesamte HF-Spannung über der
Diode D erscheint. Da derselbe ein Gleichstromblock ist, ermöglicht er
außerdem,
daß die
erfaßte Spannung
Vd an dem Ausgangsanschluß abgegriffen wird.
Der Lastwiderstand RL wirkt als ein Entladungsweg
für den
Spannungsaufbau über
den Kondensator. Für
eine gegebene Vd bewirkt der Lastwiderstand einen
Gleichstrom gleich Vd/RL,
der ebenfalls durch die Diode D fließen muß.
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Von
dem Schaltbild ist klar, daß die
HF-Anpassungsimpedanz des Detektors gleich der parallelen Kombination
von Rv und Rm ist.
Um eine gute Anpassung beizubehalten, ist es erforderlich, daß die Diodenwiderstandsfähigkeit
im Vergleich zu Rm hoch bleibt. Rv kann jedoch nicht zu hoch sein, da derselbe die
Diodenempfindlichkeit verringert. Ein Kompromiß zwischen einer guten Empfindlichkeit
niedriger Leistung und einer Übereinstimmung
erfordert, daß Rv in dem Bereich von 1 bis 2 Kiloohm liegt.
Die Anpassung bleibt gut, wenn die Diode D in ihrer quadratischen
Region ist, wobei die erfaßte
Spannung klein ist und der Gleichstrom durch den Lastwiderstand
(typischerweise 10 Kiloohm) sehr klein ist.
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Bis
vor kurzem wurden Diodendetektoren in Leistungssensoren immer mit
der Diode in ihrer quadratischen Region verwendet. Somit war der
sich ändernde
Wert von Rv kein Thema. Bei höheren Eingangsleistungspegeln,
wo die erfaßte
Spannung höher
ist, kann der Gleichstrom durch die Diode so hoch sein, daß die Diodenwiderstandsfähigkeit
zu klein werden kann, um eine gute Anpassung beizubehalten. In neuesten
Leistungssensoren wurde eine Diode verwendet, um HF-Signale bis
zu 100 mW zu messen, unter Verwendung im wesentlichen der gleichen
Detektorschaltung, wie oben gezeigt ist. In der Region über 10 Mikrowatt,
wo sich der Diodendetektor nicht mehr in seiner quadratischen Region
befindet, kann jedoch nur ein Gleichwellensignal genau gemessen
werden. Dies ist ein großer
Nachteil für
die Sensoren, da viele Anwendungen, insbesondere Digitalkommunikation,
eine genaue Messung von Nicht-CW-Signalen erfordern.
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Bei
der Anordnung von 7 wurden zwei getrennte Detektorschaltungen
auf dem gleichen GaAs-Chip integriert. Einer der Detektoren 44 mißt das Signal
direkt von der Quelle. Dem anderen Detektor 84 wird ein
Abtastwert des Signals vorgelegt, das unter Verwendung eines chipinternen
resistiven Teilernetzwerks, einschließlich R1, R2, stark gedämpft ist.
Die erfaßten
Spannungen von den direkten und den gedämpften Detektoren werden verwendet,
um Signale niedriger bzw. hoher Leistung zu messen. Das Schaubild
ist in 7 gezeigt.
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Beide
Detektoren 44, 48 messen eine HF-Leistung, wenn
die Dioden in der quadratischen Region sind. Wenn die Detektoren
jedoch zum Messen von Signalen hoher Leistung verwendet werden, erfährt die
Diode D1 in dem direkten Detektor 44 sehr hohe HF-Spannungen über ihre
Anschlüsse.
Somit ist die erfaßte
Spannung in dem direkten Detektor 44 hoch. Dies bewirkt,
daß ein
hoher Vorspannungsstrom durch diese Diode D1 fließt, wodurch
bewirkt wird, daß die
Impedanz derselben fällt,
und somit die HF-Spannung über
den Sensor hoher Leistung 48 geändert wird. Diese Änderung
bei der Impedanzanpassung bewirkt eine offensichtliche Nichtlinearität bei der
erfaßten
Spannung an dem Dämpfungsglieddetektor 48,
und beeinträchtigt
somit den Zweck dieses neuen Entwurfs.
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Die
vorliegende Erfindung löst
dieses Problem. Der Hauptgrund des Problems ist der Gleichstrom,
der durch die Diode D1 in dem direkten Detektor 44 fließt, wenn
die Erfassung desselben nicht mehr verwendet wird. Somit kann die
hohe Impedanz desselben durch Öffnen
seines Gleichstromwegs beibehalten werden. Bei einem Ausführungsbeispiel wurde
der Entwurf mit einem FET-(Feldeffekttransistor-)Schalter implementiert,
der die Schaltungen des Gleichstromwegs in dem direkten Detektor öffnet, sobald
die gedämpfte
Detektorspannung verwendet wird, um Signale hoher Leistung zu messen.
Diese Anordnung ist in 8 gezeigt, die den Schalter 50 in
dem Gleichstromweg 40 zeigt. Nun fließt kein Gleichstrom durch die
Diode D1 kleiner Leistung. Statt einem FET-Schalter hätte auch
ein mechanischer Schalter verwendet werden können. FET-Schalter sind jedoch
wiederholbarer und halten viel länger.
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Diese
Technik hat den Dynamikbereich, die Genauigkeit, die Impedanzanpassung
und Frequenzantwort des Leistungssensors gemäß der vorliegenden Erfindung
wesentlich verbessert. Der wichtigste Leistungsfähigkeitsparameter, die Linearität des Detektors
mit und ohne die Verwendung dieser Technik ist in 9 gezeigt,
um den Vorteil dieser Technik herauszuheben. 9 zeigt,
daß der
Fehler bei der Linearität,
wenn der Schalter nicht verwendet wird, sehr hoch ist. Der Restfehler
bei der Linearität,
wenn der Schalter verwendet wird, liegt an dem gedämpften Detektor 48 selbst.
Somit wurde die große
Mehrzahl der nachteiligen Effekte des Diodensensors kleiner Leistung
eliminiert, durch Öffnen
des Gleichstromwegs in dieser Schaltung. In 9 ist der
Fehler bei der Linearität
sehr hoch, wenn die Diode kleiner Leistung einen Gleichstrom leitet.
Wenn der Schalter den Gleichstromweg öffnet und verhindert, daß Gleichstrom
durch den Diodensensor kleiner Leistung fließt, bleibt die Meßgenauigkeit
hoher Leistung intakt.
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Die
vorhergehenden Beschreibungen eines spezifischen Ausführungsbeispiels
der vorliegenden Erfindung wurden zu Darstellungszwecken und Beschreibungszwecken
vorgelegt. Sie sollen nicht erschöpfend sein oder die Erfindung
auf die genau offenbarte Form begrenzen, und es sollte klar sein,
daß viele
Modifikationen und Variationen hinsichtlich der obigen Lehre möglich sind.
Das Ausführungsbeispiel wurden
ausgewählt
und beschrieben, um die Prinzipien der Erfindung und deren praktische
Anwendbarkeit am besten zu erklären,
um es dadurch anderen Fachleuten auf diesem Gebiet zu ermöglichen,
die Erfindung und verschiedene Ausführungsbeispiele mit verschiedenen
Modifikationen, wie sie für
die spezielle in Betracht gezogene Verwendung geeignet sind, am
besten zu verwenden.
