JP2002372556A - 正弦信号の振幅の平方の測定方法および測定装置 - Google Patents

正弦信号の振幅の平方の測定方法および測定装置

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JP2002372556A JP2002106078A JP2002106078A JP2002372556A JP 2002372556 A JP2002372556 A JP 2002372556A JP 2002106078 A JP2002106078 A JP 2002106078A JP 2002106078 A JP2002106078 A JP 2002106078A JP 2002372556 A JP2002372556 A JP 2002372556A
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measuring
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William John Vanremmen Jr
ジョン バンレメン,ジュニア ウィリアム
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 フィルタリングを必要としない、正弦信号の
振幅の平方もしくは瞬間電力の測定方法および測定装置
を実現する。 【解決手段】 正弦信号の瞬間電力を決定する方法およ
び装置を提供する。概して、本発明による装置はフィル
タリングを必要としないで正弦信号の瞬間電力を決定す
る。これは、三角法の恒等式sin2x+cos2x=1
に基づいて実現される。まず入力信号を、分離後の2つ
の信号が互いに位相が90度ずれるように2つの信号に
分離し、次に分離されたこれらの信号を平方し、そし
て、この分離され平方された信号を加算することによっ
て、オリジナル信号のAC成分を効果的に除去し、オリ
ジナル信号の振幅の平方のDC部分をいかなる残留AC
成分も含まずに残存させる。オリジナル信号の振幅の平
方はオリジナル信号の瞬間電力に正比例する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、概して電力の検
出、特に、正弦信号の瞬間電力に比例する正弦信号の振
幅の平方の検出に関する。
【0002】
【従来の技術】正弦信号を含む多くのアプリケーション
において、しばしば正弦信号の瞬間電力を測定すること
が要求される。しかしながら、これは、通信やプラズマ
生成の分野のように、パルス化や変調が行われるアプリ
ケーションにおいては特に困難である。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】正弦信号の電力あるい
は振幅を測定する従来の試みは、信号を整流し、その結
果生じる信号の残存AC成分をフィルタリングして除去
することに重点を置いて来た。しかし、この方法にはい
くつかの問題があった。コンデンサの例のように、多く
の場合に、使用されるフィルタは無効分を利用して不要
な信号を除去する。しかし、コンデンサは充電に一定の
時間を要する。しばしば、コンデンサのこの「立上がり
時間」は測定する信号のパルス幅より長いことがある。
従って、このようなフィルタは多くの場合に不適当であ
る。すなわち、そのようなフィルタを使用したシステム
は、パルス幅のエンベロープが短い正弦信号の振幅もし
くは瞬間電力を正確に測定することができない。従っ
て、フィルタは、コンデンサの充電に必要な時間のため
に、正弦信号にパルス幅の最小値および変調周波数の最
大値という許容制限を有する。このような状況におい
て、これらおよびその他の問題を解消する装置技術が必
要とされている。
【0004】
【課題を解決するための手段】本発明は入力信号の振幅
の平方もしくは瞬間電力を決定するための方法および装
置を提供する。
【0005】第1の実施形態においては、入力信号の振
幅の平方の測定装置は、入力信号を互いに位相が90度
ずれるような第1部分と第2部分とに分離する分離手段
と、第1部分を平方する第1の平方手段、第2部分を平
方する第2の平方手段と、平方された第1部分と平方さ
れた第2部分を加算する加算手段と、を備え、平方され
たあとに加算される第1部分と平方されたあとに加算さ
れる第2部分とで、入力信号の振幅の平方に比例する出
力信号を生成する。
【0006】本発明のさらなる1つの実施形態において
は、正弦信号の振幅の平方の測定方法は、正弦信号を互
いに位相が90度ずれるような第1部分と第2部分とに
分離するステップと、第1部分を平方するステップと、
第2部分を平方するステップと、平方された第1部分と
平方された第2部分とを加算するステップと、を備え、
平方されたあとに加算される第1部分と平方されたあと
に加算される第2部分とで、正弦信号の振幅の平方に比
例する出力信号を生成する。
【0007】
【発明の実施の形態】本発明によって、正弦信号の瞬間
電力を決定するための方法および装置が提供される。概
して、また以下に詳述するように、本発明による装置は
フィルタリングを必要としないで正弦信号の瞬間電力を
決定する。これは三角法の恒等式sin2x+cos2
=1に基づいて実行される。まず入力信号を、分離後の
2つの信号が互いに位相が90度ずれるように2つの信
号に分離し、次に分離されたこれらの信号を平方し、さ
らに、これらの分離され平方された信号を加算すること
によって、オリジナル信号のAC成分を効果的に除去
し、オリジナル信号の振幅の平方のDC部分をいかなる
残留AC成分も含まずに残存させる。オリジナル信号の
振幅の平方はオリジナル信号の瞬間電力に正比例する。
【0008】ここで、図1より開始して図面の詳細を参
照する。図1では、本発明による好ましい実施形態のシ
ステム構成の概要が示されている。図1に図示されてい
る装置100は、正弦信号を発生する信号発生手段11
0、入力信号を互いに位相が90度ずれている2つの部
分に分離するスプリッタ手段120、分離された各々の
信号を平方する平方手段130、140、および2つの
平方された信号を加算する加算手段150を通常は備え
る。
【0009】次に、図2は本発明による装置の詳細を示
す。図示のように、入力は実際には正弦信号を発生する
いかなる装置からでもよい。例えば、入力信号は測定す
る信号を発生する適当な方向性結合器もしくはセンサで
発生させることができる。いかなる信号も複数の正弦信
号の合計として表され得る点に注目すべきである。従っ
て、本発明の利用は単一の周波数からなる正弦信号に限
定されるべきではない。
【0010】さらに図示されているように、好ましい実
施形態においては、スプリッタ手段120は直交スプリ
ッタ220である。直交スプリッタ220は、信号を互
いに位相が90度ずれた等しい振幅の2つの別個の信号
に分離するためのよく知られた回路要素である。本質に
おいて、直交スプリッタ220は、式sin(x+π/
2)=cos(x)が示すように入力信号を入力信号の
余弦成分と正弦成分とに分離する。
【0011】入力210は直交スプリッタ220に接続
されている。入力は通常は高周波成分を有する正弦信号
の形態の無線周波数(RF)信号である。RF信号は通
常は2msinθの形式で一般化され、ここで2mは正
弦信号の振幅である。従って、直交スプリッタ220の
出力はmsinθとmcosθとの2つの信号である。
第1の分離信号はmsinθであり、第1の分離信号に
対して位相が90度ずれた成分である第2の分離信号は
mcosθである。両信号は各々平方手段230および
240に別々に送信される。平方手段からの出力は、各
々m2sin2θおよびm2cos2θである。両信号が加
算回路250で加算されると、その結果の出力信号は2
2(sin2θ+cos2θ)となる。三角法の恒等式
sin2θ+cos2θ=1のために、出力信号は2m2
の一定したDC出力レベルとなる。従って、出力信号は
入力信号の電力に正比例する。
【0012】平方回路230、240は各々、正弦信号
および余弦信号を受信し、各々の信号の振幅を平方す
る。平方回路230、240としては、例えば米国マサ
チューセッツ州ノルウッド(Norwood)のアナログ
デバイセス社(AnalogDevices, In
c.)製のモデルAD835のような4象限電圧出力ア
ナログ乗算器などを使用できる。他の平方回路も同様に
使用できる点にも留意すべきである。
【0013】加算回路250は2つの信号を加算し、オ
リジナル信号の振幅の平方(電力)のいかなる残留AC
成分も含まないDC部分である出力信号を出力する。加
算回路は様々な方法で組み込まれる。例えば、単に信号
線を結線する方法もしくは他の複合高絶縁方式などによ
って加算回路250を形成することができる。
【0014】次に図3は、本発明による回路を具体的な
実施形態で示している。図示のように、直交スプリッタ
220は並列に組まれた二対の抵抗とコンデンサとを有
している。第1の分離信号は抵抗310から取り出さ
れ、第2の分離信号はコンデンサ314から取り出され
る。分離信号は例えばアナログデバイセス社(Anal
og Devices)製のAD835ユニットにより
構成されるような良好な平方回路の入力ポートに送信さ
れる。AD835ユニットのうちの1つのユニット24
0の出力ポートからは、本発明によるDC信号が出力さ
れる。AD835ユニットの動作については以下に詳細
を説明する。
【0015】図3の装置の動作の詳細をここに記載す
る。入力信号は入力信号発生器210によって発生す
る。入力信号は通常は振幅が2mの正弦信号である。直
交スプリッタはブロック220に図示されている。直交
スプリッタは好ましくはコンデンサ312と直列に接続
された抵抗310を含む。一組の抵抗およびコンデンサ
310、312が整合する一組の抵抗およびコンデンサ
314,316と並列に接続されている。入力信号の周
波数が13.56MHzである典型的な実施形態におい
て、直交スプリッタの抵抗値は抵抗310、316にお
いて51.1オームである。整合するコンデンサ312
および314は各々230ピコファラッドである。直交
スプリッタ220からの出力信号は2つの信号であり、
2つの別々の平方回路230、240に入力される。第
1の分離信号はmsinθであり、第2の分離信号はm
cosθであるが、これは、この手段による直交スプリ
ッタが、分離後の信号の振幅に現れる損失を導出するか
らである。
【0016】平方回路は好ましくはアナログデバイセス
社(Analog Devices)製のAD835ユ
ニットによる230、240である。AD835ユニッ
トは一体化した加算器を有する平方回路である。AD8
35ユニットは乗算機能を実行するための2つの入力ポ
ートx1およびy1を有する。x1およびy1ポートの積に
追加の入力を加算するために、追加の入力ポートzが設
けられている。従って、出力ポートwは論理関数z+
(x1・y1)を供給する。図に見られるように、第1の
AD835ユニット230の出力ポートは論理関数ms
inθ・msinθを供給する。
【0017】図に見られるように、第1のAD835ユ
ニット230の出力ポートは第2のAD835ユニット
240の入力ポートzに接続されている。従って、第2
のAD835ユニット240の出力ポートwは論理関数
2sin2θ+(mcosθ・mcosθ)を供給す
る。従って、第2のAD835ユニット240の出力ポ
ートwは2m2である。
【0018】次に図4は、正弦信号の瞬間電力を測定す
るための本発明の手順を示している。信号は、第1にス
テップ410で等しい振幅の2つの信号に分離され、一
方の信号は他方の信号と位相が90度ずれている。次
に、ステップ420において各々の信号が平方される。
最後に、ステップ430において平方された信号が加算
される。平方された信号のAC成分は、2回の処理を通
じて周波数は平方される前から変化がなく、2回の処理
を通じて位相差(180度)が生じる。平方の処理によ
ってDC成分は平方された信号に付与される。信号が加
算されるときに、平方された信号のAC成分は、互いに
対して位相が180度ずれているので打ち消し合う。従
って、DC成分(平方の結果でありオリジナル信号には
存在しなかった)が出力される。
【0019】
【発明の効果】上記の発明の特徴は多くの利点を持つ。
第1に、出力は2m2そのものであるので、入力信号の
電力を本発明による回路の出力信号から直接導出でき
る。第2に、低域フィルタを必要としないので、入力信
号上の任意に速い速度で変調された関数でも電力の測定
のために再生できる。
【0020】本発明は様々な具体的な実施形態で説明さ
れているが、本発明をここに開示されたとおりの実施形
態に制限することは意図されていない。従って、本説明
は説明だけを目的としていると解釈されるべきである。
この技術分野の当業者は、本発明の範囲および精神を逸
脱しない範囲で様々な改変および変更を行うことができ
る。従って、本発明の範囲は後続の請求項および相応事
項により決定され、かつ保護される。請求項の範囲内の
すべての変更の排他的適用の権利が留保される。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施形態のブロック線図である。
【図2】本発明の実施形態のブロック線図である。
【図3】本発明の実施形態の概要図である。
【図4】本発明による方法の流れ図である。
【符号の説明】
100…測定装置 110…信号生成手段 120…スプリッタ手段 130、140、230、240…平方手段 150…加算手段 210…入力 220…直交スプリッタ 230、240…平方回路 250…加算回路

Claims (19)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 入力信号の振幅の平方の測定装置であっ
    て、 前記入力信号を、互いに位相が90度ずれている第1部
    分および第2部分に分離する分離手段と、 前記第1部分を平方する第1平方手段と、 前記第2部分を平方する第2平方手段と、 平方された前記第1部分と平方された前記第2部分とを
    加算する加算手段と、を備え、 平方されたあとに加算される前記第1部分と、平方され
    たあとに加算される前記第2部分とで、前記入力信号の
    振幅の平方に比例する出力信号を生成することを特徴と
    する入力信号の振幅の平方の測定装置。
  2. 【請求項2】 前記分離手段が直交スプリッタである請
    求項1に記載の測定装置。
  3. 【請求項3】 前記入力信号がプラズマ発生装置内で生
    成される請求項1に記載の測定装置。
  4. 【請求項4】 前記入力信号が方向性結合器によって生
    成される請求項1に記載の測定装置。
  5. 【請求項5】 前記入力信号が単一の正弦信号である請
    求項1に記載の測定装置。
  6. 【請求項6】 前記入力信号が複数の正弦信号の合計で
    ある請求項1に記載の測定装置。
  7. 【請求項7】 前記出力信号がDC信号である請求項1
    に記載の測定装置。
  8. 【請求項8】 前記第1平方手段がAD835ユニット
    である請求項1に記載の測定装置。
  9. 【請求項9】 前記第2平方手段がAD835ユニット
    である請求項8に記載の測定装置。
  10. 【請求項10】 前記加算手段が前記AD835ユニッ
    トのうちの1つの内部に一体化された請求項9に記載の
    測定装置。
  11. 【請求項11】 前記加算手段が加算演算増幅器である
    請求項1に記載の測定装置。
  12. 【請求項12】 正弦信号の振幅の平方の測定方法であ
    って、 前記正弦信号を、互いに位相が90度ずれている第1部
    分および第2部分に分離する分離ステップと、 前記第1部分を平方する第1の平方ステップと、 前記第2部分を平方する第2の平方ステップと、 平方された前記第1部分と平方された前記第2部分とを
    加算する加算ステップと、を備え、 平方されたあとに加算される第1部分と、平方されたあ
    とに加算される第2部分とで、前記正弦信号の振幅の平
    方に比例する出力信号を生成することを特徴とする正弦
    信号の振幅の平方の測定方法。
  13. 【請求項13】 前記分離ステップが直交スプリッタに
    よって実行される請求項12に記載の測定方法。
  14. 【請求項14】 前記正弦信号がプラズマ発生装置内で
    生成される請求項12に記載の測定方法。
  15. 【請求項15】 前記正弦信号が方向性結合器によって
    生成される請求項12に記載の測定方法。
  16. 【請求項16】 前記第1の平方ステップがAD835
    ユニットによって実行される請求項12に記載の測定方
    法。
  17. 【請求項17】 前記第2の平方ステップがAD835
    ユニットによって実行される請求項16に記載の測定方
    法。
  18. 【請求項18】 前記加算ステップがAD835ユニッ
    トによって実行される請求項17に記載の測定方法。
  19. 【請求項19】 前記加算ステップが加算演算増幅器に
    よって実行される請求項12に記載の測定方法。
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