WO2008095708A1 - Directional coupler - Google Patents

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WO2008095708A1
WO2008095708A1 PCT/EP2008/000944 EP2008000944W WO2008095708A1 WO 2008095708 A1 WO2008095708 A1 WO 2008095708A1 EP 2008000944 W EP2008000944 W EP 2008000944W WO 2008095708 A1 WO2008095708 A1 WO 2008095708A1
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WO
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directional coupler
impedance
coupling
coupler according
port
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Application number
PCT/EP2008/000944
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German (de)
French (fr)
Inventor
Ekkehard Mann
Christoph Gerhardt
Chistian Thome
Christian Wangler
Daniel Krause
Stephan Günther
Rolf Weber
Original Assignee
Hüttinger Elektronik Gmbh + Co. Kg
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Priority claimed from DE200810005204 external-priority patent/DE102008005204A1/en
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Priority to US12/537,557 priority patent/US8203398B2/en

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    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01PWAVEGUIDES; RESONATORS, LINES, OR OTHER DEVICES OF THE WAVEGUIDE TYPE
    • H01P5/00Coupling devices of the waveguide type
    • H01P5/12Coupling devices having more than two ports
    • H01P5/16Conjugate devices, i.e. devices having at least one port decoupled from one other port
    • H01P5/18Conjugate devices, i.e. devices having at least one port decoupled from one other port consisting of two coupled guides, e.g. directional couplers

Definitions

  • RF generators are used to generate and deliver RF power to a load.
  • a load for example, plasma processes, such as plasma coatings and plasma etching in question. Since the impedance of the load may change, and thus, mismatch may result in (partial) reflection of the power supplied by the RF generator, often not all of the power delivered by the RF generator is absorbed in the load (the plasma) , In order to accurately adjust or regulate the RF power delivered to the load, it is desirable to determine the power absorbed in the load.
  • BESTATIGUNGSKOPIE It is known to use a directional coupler to measure / determine the RF power absorbed in a load, the absorbed RF power resulting from the difference in power produced by the RF generator and the reflected power. This makes it possible to regulate the RF generator so that the power absorbed in the load can be set with high precision and kept constant.
  • the measurement of the power supplied to a load (incident power, forward power) by a directional coupler or by a reflectometer and the measurement of the reflected power (reflected power) is due to the finite directivity (directivity) (also directivity) of the directional coupler but faulty.
  • the measurement of the power absorbed in the load is thus also faulty.
  • a phase measurement between the traveling and the returning wave (load delivered power and load reflected power) is known. With the help of this measurement, the error can be calculated out.
  • Fig. Ia shows a high-frequency system 11 according to the prior art with a high-frequency generator 100 as a source, a coupler arrangement 12 with a designed as a directional coupler coupler 200 and a load 300 as a sink.
  • the coupler has a main line 290 with a first and second port 1, 3 and a secondary line 291 with secondary line ports 2, 4, which are terminated with impedances 205, 206 corresponding to the nominal impedance Z 0 of the high-frequency system 11 or at least that of the coupler 200.
  • a proportion of the incoming wave at the corresponding port 1 of the main line 290 can be observed with a measuring device 207;
  • a portion of the wave reflected by the load and entering at the corresponding port 3 of the main line can be observed with a measuring device 208 at the port 4.
  • the size of the share depends on the coupling factor. In the case of an ideal coupler, the directivity is infinitely large, and no portion of the incoming wave at port 3 and no portion of the incoming wave at port 1 will be observed at port 2.
  • FIG. 1b likewise shows a high-frequency system 10.
  • the coupler 240 has two secondary lines 291, 292. At port 2 of the first secondary line 291, a portion of the input to the port 1 of the main line 290 is measured at the port 4 of the second secondary line 292, a proportion of the input to the port 3 of the main line 290 wave.
  • the ports 223, 4 of the second sub-line 292 are terminated by the impedances 225, 226, which correspond to the nominal impedance Z 0 .
  • the wave strength of an incident wave at the port i is usually designated by aj and the wave strength of the outgoing wave at the port i by bj. Furthermore, it is customary to link the outgoing and incoming waves via a scattering matrix.
  • a directional coupler can be regarded as a four-port, whose transmission behavior due to the complex sizes coupling damping (coupling) and decoupling (isolation) can be described.
  • the directional coupler 10 is shown as a fourth gate with coupling lines 291, 292, which are arranged on both sides of the main line 290. It is
  • the object of the present invention is to provide a directional coupler with which the forward power delivered by an RF generator into a load and / or the reverse power reflected by the load can be measured more accurately.
  • a directional coupler designed in this way minimizes the measurement error in the measurement of the power delivered to and reflected from the load, and thus the RF power absorbed in the load.
  • the above criterion has not been considered in the production of directional couplers.
  • a directional coupler is usually applied to printed circuit board material FR4 or on ceramic in the form of printed conductors.
  • this quite precise production method still results in small inaccuracies and thus errors in such orders of magnitude that a phase error
  • ⁇ 20 ° cannot be achieved.
  • values of less than 10 °, less than 5 ° or even less than 1 ° can be achieved.
  • 0 °. this means
  • the directional coupler according to the invention can be so
  • AT 1.6, preferably ⁇ 1.2, especially
  • C f I f is preferably ⁇ 1.1. This means that in the ideal case - corresponds to - about.
  • I f , I 1 - as large as possible, and / or
  • ⁇ P meas ⁇ P measopl ; ie the load-dependent error in the power measurement is minimized.
  • the directivity during operation (not the directivity in the strict definition at nominal impedance) is almost independent of the load (neither magnitude nor phase of the load reflection factor).
  • An embodiment of the invention is characterized in that the directional coupler has two coupling lines, which are arranged at least partially parallel to each other. As a result, they can also be arranged parallel to a main line, via which the power to be measured is transmitted. With the one coupling line, the power delivered in the direction of load can be determined and with the other coupling line, the power reflected by the load can be determined.
  • the coupling lines are arranged on opposite sides of a main line.
  • the wiring of at least one port of the directional coupler can be designed so that it consists of a variable impedance arrangement whose impedance can be changed by electronic control signals.
  • the secondary line port not occupied by the measuring device can be used for this purpose.
  • the impedance arrangement may comprise one or more elements, wherein the impedance of the entire arrangement or at least one element of the arrangement is variable by the control signal.
  • a variable impedance impedance device may be connected not only to a port but to (at least) one secondary line somewhere.
  • the termination ie the impedance arrangement, may consist of a real resistor and a capacitance diode.
  • a control voltage as an electrical control signal on the capacitance diode can change its capacity.
  • the impedance arrangement may alternatively or additionally have an inductance.
  • An electronically controllable or controllable inductance and thus controllable impedance can be achieved, for example, that the permeability of the coil core of the inductance is reduced by an additional magnetic DC field, which is generated by a DC-flow-through auxiliary winding, the magnetic flux against the Saturation limit of the core material is driven.
  • a PIN diode can be used as an electronically changeable, ie by an electronic control signal variable real resistance.
  • the impedance arrangement can have at least two influenceable impedances which are connected to the port, which do not act collinearly on the complex resistance level. This means that the pointers or vectors describing the impedances in the resistance plane are not linearly dependent.
  • Such an impedance arrangement can be, for example, a circuit consisting of a capacitance diode and a PIN diode.
  • the electronically variable impedance may vary depending on the
  • Operating frequency of the system in which the coupler is integrated for example, the fundamental frequency of an RF power generator, depending on the impedance of at least one of the coupler connected source or sink and / or depending on the real characteristics of the coupler produced.
  • both ports of the secondary line of this directional coupler or corresponding one port or both ports of two secondary lines to impedance arrangements with controllable by an electronic signal Impedances are connected.
  • the characteristic of the directional coupler in the intended operating frequency range as well as the range of the possible impedance variation of the connected sources and sinks can be taken into account.
  • the control voltages for at least one electronically variable impedance can come from an electronic circuit which indicates the current operating state of the device and thus the connected impedances at at least one port of the main line, the current operating frequency and the frequency-dependent behavior and / or the real characteristic given by the production of the at least one inserted coupler knows.
  • the circuit may be analog or digital and also include a microprocessor.
  • the circuit may include memory or may access memory that sets the parameters for particular ones
  • Coupler or for other operating conditions of the high frequency system includes.
  • the memory may be a permanent memory that is described during production and / or installed in the device.
  • the memory may be a writable memory that is rewritten, for example, during a calibration process.
  • the calibration process may be performed by means of a control circuit which measures the signals on at least one port of the coupler while controlling the control voltages for the electronically variable impedances.
  • a control circuit which measures the signals on at least one port of the coupler while controlling the control voltages for the electronically variable impedances.
  • the above-mentioned circuit can be used as a control circuit.
  • the electronic circuit can also work as a permanent control.
  • all parameters can be set or the control can be operated so that an optimal behavior of the directional coupler occurs, so for example, a very high directivity.
  • the control loop should now have a low-pass characteristic whose cut-off frequency is lower than the expected change in the impedances of the connected sources and sinks connected to the coupler. If the ratios of the impedances of the sources or sinks change, then the regulation will not be able to follow so quickly, so that the directional coupler arrangement can very accurately reproduce the impedance changes due to the high directivity.
  • the coupling variances can be designed in accordance with the impedance arrangements.
  • the coupling variances can be changed in their resistance.
  • the coupling variance in its position between the coupling line and the main line can be changed.
  • the scope of the invention also includes a method for setting or designing a directional coupler according to claim 20. Method variants are specified in the dependent claims. A method according to claim 26 is also within the scope of the invention.
  • Fig. Ia, Ib each have a high-frequency system with directional coupler
  • FIG. 2 shows a schematic illustration of a high-frequency system with a coupler arrangement and an impedance arrangement
  • 3 shows an embodiment of an impedance arrangement; and 4 shows a directional coupler with coupling variances.
  • the coupler 240 shows a high-frequency system 20 with a high-frequency generator 100 as the source, a coupler arrangement 30 with a coupler 240 designed as a directional coupler and a load 300 as sink.
  • the coupler 240 has a main line 290 with a first and second port 1, 3 (main line ports) and a secondary line 291 with auxiliary power ports 2, 204.
  • the port 2 is terminated with a resistor 205, the nominal impedance Z 0 of the radio frequency system 20 or at least the of the coupler 240 corresponds.
  • a proportion of the incoming wave at the corresponding port 1 of the main line 290 can be observed with a measuring device 207.
  • the coupler 240 has a second secondary line 292 with secondary line ports 223, 4. At the port 4 of the second secondary line 292, a proportion of the input to the port 3 of the main line 290 wave is measured. For this purpose, a measuring device 228 is connected to the port 4. The port 4 of the second secondary line 292 is terminated by the resistor 226, which corresponds to the nominal impedance Z 0 .
  • the measuring devices 207, 228 shown in the figures can each be voltmeters, oscilloscopes, diodes / demodulators or the like, or analog or digital evaluation circuits with or without prior rectification of the shaft. Furthermore, the input impedances of the measuring devices can replace the terminating impedances attached to the same port or, together with these, form the impedance present at the port. In Fig. 2 there is connected to the port 204 according to the invention
  • the total impedance of the impedance arrangement 210 can be set, which is composed of the impedances 211, 212.
  • port 223 is terminated with an impedance arrangement 230 consisting of two impedances 231, 232, which are also driven by the electronic circuit 250.
  • the electronic circuit 250 obtains further information, such as the frequency-dependent behavior of the coupler 240, the current operating frequency of the generator 100, the frequency-dependent complex internal resistance of the generator 100 and the frequency-dependent impedance of the load 300.
  • the static quantities, such as the frequency-dependent behavior of the coupler 240 or the frequency-dependent impedance of the generator 100 or an antenna as a load 300 may be stored in a memory. This can be done in digital or analog form.
  • the memory may be permanent or rewritable.
  • the memory may be included in the circuit 250 or located externally. In the exemplary embodiment shown, the memory 251 is arranged in the circuit 250.
  • the coupler assembly 30 or the coupler is calibrated with associated impedance arrangements 210, 220.
  • These are the measuring devices 207, 228 with the electronic circuit 250 connected, which has a low-pass filter 252.
  • the impedances 211, 212, 231, 232 are respectively controlled such that the desired measured values are applied to the Ports 2 and 4 are present.
  • These drive values are stored in the memory 251 and used during normal operation. If the working conditions deviate from the specification, the measured values at ports 2 and 4 will be very sensitive to it.
  • variable impedances In an embodiment of the invention not shown, only one sub-line of the coupler 240 is provided with the variable impedances, i.
  • An impedance arrangement 210, 230 is only connected to a secondary line. However, in each case an impedance arrangement 210, 230 can be connected to both ports of the secondary line.
  • a coupler 200 may be provided with only one secondary line 291.
  • an impedance arrangement 210, 230 can be connected to both ports of the secondary line 291 in each case.
  • Fig. 3 shows an embodiment for the impedance arrangement 210.
  • a pair 213 of two is antiserially arranged
  • Capacitance diodes 217, 218 connected to ground, which in response to the coming of the electronic circuit 250
  • Pair 213 is placed to represent a more or less large capacity.
  • another pair 215 is antiserial Capacitance diodes 219, 220 and a real resistor 216 connected to the port 204, the second pole is connected to ground.
  • the capacitance of this pair 215 can be influenced.
  • the inductor 214, the variable capacitance of the diode pair 215, and the capacitance-parallel real resistor 216 together form an impedance that is not collinear with the capacitance of the diode pair 213 in the complex resistance plane. It follows that the impedances of an impedance arrangement can each be made up of a plurality of components.
  • the directional coupler 240 additionally has coupling variances 310, 320 between the main line 290 and a secondary line 291, in each case.
  • Coupling variants 310, 320 may be designed as variable impedances. In particular, they may be formed in the same way as the impedance arrangements 210, 230 of Figure 2, e.g. a PIN diode as a resistor, a coil with adjustable saturation, a capacitance diode or combinations thereof.
  • the coupling variants 310, 320 are adjustable in their position along the main line 290 or the coupling lines 291, 292. The adjustment can be done during the design or later. As a result, even better coordination and design of the directional coupler 240 is possible.

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Abstract

In a directional coupler (10, 20) with a. coupling loss in the forward direction cf = cf ejφcf; b. coupling loss in the rearward direction cr = cr ejφcr; c. decoupling in the forward direction If = If ejφif; d. decoupling in the rearward direction Ir = Ir ejφIr, the absolute value of Δφ = φCr + φCf - (φIr + φlf ) is ≤ 20°. As a result, phase-independent power measurement can take place.

Description

B E SC H RE I B U N G DESCRIPTION
Richtkopplerdirectional coupler
Die Erfindung betrifft einen Richtkoppler mit einer a. Koppeldämpfung in Vorwärtsrichtung Cf = Cf - e1Ψcι ;The invention relates to a directional coupler with an a. Coupling loss in the forward direction C f = C f - e 1Ψcι ;
b. Koppeldämpfung in Rückwärtsrichtung C. = Cr - eJΨCr ;b. Coupling loss in reverse direction C. = C r - e JΨCr ;
c. Entkopplung in Vorwärtsrichtung If - lf - e" ;c. Decoupling in forward direction I f - l f - e ) ψ ";
d. Entkopplung in Rückwärtsrichtung Ir = Ir - e'r .d. Decoupling in reverse direction I r = I r - e ' r .
HF-Generatoren werden dafür eingesetzt, eine HF-Leistung zu erzeugen und an eine Last zu liefern. Als Last kommen beispielsweise Plasmaprozesse, wie Plasmabeschichten und Plasmaätzen, infrage. Da sich die Impedanz der Last ändern kann, und es somit bei Fehlanpassung zur (teilweisen) Reflexion der von dem HF-Generator gelieferten Leistung kommen kann, wird häufig nicht die gesamte von dem HF-Generator gelieferte Leistung in der Last (dem Plasma) absorbiert. Um die in die Last gelieferte HF-Leistung genau einstellen beziehungsweise regeln zu können, ist es wünschenswert, die in der Last absorbierte Leistung zu bestimmen.RF generators are used to generate and deliver RF power to a load. As a load, for example, plasma processes, such as plasma coatings and plasma etching in question. Since the impedance of the load may change, and thus, mismatch may result in (partial) reflection of the power supplied by the RF generator, often not all of the power delivered by the RF generator is absorbed in the load (the plasma) , In order to accurately adjust or regulate the RF power delivered to the load, it is desirable to determine the power absorbed in the load.
BESTATIGUNGSKOPIE Es ist bekannt, zur Messung/Bestimmung der in einer Last absorbierten HF- Leistung einen Richtkoppler einzusetzen, wobei die absorbierte HF-Leistung sich aus der Differenz der von dem HF-Generator erzeugten Leistung und der reflektierten Leistung ergibt. Dadurch ist es möglich, den HF-Generator so zu regeln, dass die in der Last absorbierte Leistung hochgenau eingestellt und konstant gehalten werden kann.BESTATIGUNGSKOPIE It is known to use a directional coupler to measure / determine the RF power absorbed in a load, the absorbed RF power resulting from the difference in power produced by the RF generator and the reflected power. This makes it possible to regulate the RF generator so that the power absorbed in the load can be set with high precision and kept constant.
Die Messung der an eine Last gelieferten Leistung (incident power, forward power) durch einen Richtkoppler beziehungsweise durch einen Reflektometer und die Messung der reflektierten Leistung (reflected power) ist wegen der endlichen Richtwirkung (directivity) (auch Richtverhältnis) des Richtkopplers jedoch fehlerbehaftet. Die Messung der in der Last absorbierten Leistung ist somit ebenfalls fehlerbehaftet. Im Stand der Technik ist eine Phasenmessung zwischen der hinlaufenden und der rücklaufenden Welle (zur Last gelieferte Leistung und von der Last reflektierte Leistung) bekannt. Mit Hilfe dieser Messung kann der Fehler herausgerechnet werden.The measurement of the power supplied to a load (incident power, forward power) by a directional coupler or by a reflectometer and the measurement of the reflected power (reflected power) is due to the finite directivity (directivity) (also directivity) of the directional coupler but faulty. The measurement of the power absorbed in the load is thus also faulty. In the prior art, a phase measurement between the traveling and the returning wave (load delivered power and load reflected power) is known. With the help of this measurement, the error can be calculated out.
Eine andere Möglichkeit, die in die Last gelieferte Leistung genau zu messen, ist eine Messung des Stroms und der Spannung. Allerdings muss hierbei eine sehr gute Entkopplung des Spannungs- und des Stromsensors erreicht werden. Außerdem benötigt man eine sehr genaue Phasenmessung zwischen der Spannung und dem Strom.Another way to accurately measure the power delivered to the load is to measure the current and voltage. However, a very good decoupling of the voltage and the current sensor must be achieved here. You also need a very accurate phase measurement between the voltage and the current.
Fig. Ia zeigt eine Hochfrequenzanlage 11 nach dem Stand der Technik mit einem Hochfrequenzgenerator 100 als Quelle, einer Koppleranordnung 12 mit einem als Richtkoppler ausgebildeten Koppler 200 sowie einer Last 300 als Senke. Der Koppler hat eine Hauptleitung 290 mit einem ersten und zweiten Port 1, 3 sowie eine Nebenleitung 291 mit Nebenleitungsports 2, 4, die mit Impedanzen 205, 206 abgeschlossen sind, die der Nennimpedanz Z0 der Hochfrequenzanlage 11 oder mindestens der des Kopplers 200 entsprechen. Am Port 2 kann mit einem Messgerät 207 ein Anteil der am korrespondierenden Port 1 der Hauptleitung 290 einlaufenden Welle beobachtet werden; entsprechend kann am Port 4 ein Anteil der von der Last reflektierten und am korrespondierenden Port 3 der Hauptleitung einlaufenden Welle mit einem Messgerät 208 beobachtet werden. Die Größe des Anteils hängt jeweils vom Koppelfaktor ab. Bei einem idealen Koppler ist das Richtverhältnis unendlich groß, und es wird am Port 2 kein Anteil der am Port 3 einlaufenden Welle und am Port 4 kein Anteil der am Port 1 einlaufenden Welle zu beobachten sein.Fig. Ia shows a high-frequency system 11 according to the prior art with a high-frequency generator 100 as a source, a coupler arrangement 12 with a designed as a directional coupler coupler 200 and a load 300 as a sink. The coupler has a main line 290 with a first and second port 1, 3 and a secondary line 291 with secondary line ports 2, 4, which are terminated with impedances 205, 206 corresponding to the nominal impedance Z 0 of the high-frequency system 11 or at least that of the coupler 200. At Port 2, a proportion of the incoming wave at the corresponding port 1 of the main line 290 can be observed with a measuring device 207; Correspondingly, a portion of the wave reflected by the load and entering at the corresponding port 3 of the main line can be observed with a measuring device 208 at the port 4. The size of the share depends on the coupling factor. In the case of an ideal coupler, the directivity is infinitely large, and no portion of the incoming wave at port 3 and no portion of the incoming wave at port 1 will be observed at port 2.
Fig. Ib zeigt ebenfalls eine Hochfrequenzanlage 10. Der Koppler 240 weist zwei Nebenleitungen 291, 292 auf. Am Port 2 der ersten Nebenleitung 291 wird ein Anteil der am Port 1 der Hauptleitung 290 eingespeisten Welle gemessen, am Port 4 der zweiten Nebenleitung 292 wird ein Anteil der am Port 3 der Hauptleitung 290 eingespeisten Welle gemessen. Die Ports 223, 4 der zweiten Nebenleitung 292 sind durch die Impedanzen 225, 226 abgeschlossen, die der Nennimpedanz Z0 entsprechen.FIG. 1b likewise shows a high-frequency system 10. The coupler 240 has two secondary lines 291, 292. At port 2 of the first secondary line 291, a portion of the input to the port 1 of the main line 290 is measured at the port 4 of the second secondary line 292, a proportion of the input to the port 3 of the main line 290 wave. The ports 223, 4 of the second sub-line 292 are terminated by the impedances 225, 226, which correspond to the nominal impedance Z 0 .
Zur Beschreibung von Mehrtoren, wie beispielsweise einem Richtkoppler, ist es üblich, anstatt der Spannungsquellen an den Toren Wellenamplituden oder Wellenstärken zu betrachten. Dabei wird üblicherweise die Wellenstärke einer einfallenden Welle am Port i mit aj bezeichnet und die Wellenstärke der auslaufenden Welle am Port i mit bj. Weiterhin ist es üblich, die auslaufenden und einfallenden Wellen über eine Streumatrix zu verknüpfen.For the description of multiple ports, such as a directional coupler, it is common to consider wave amplitudes or wave strengths instead of the voltage sources at the ports. In this case, the wave strength of an incident wave at the port i is usually designated by aj and the wave strength of the outgoing wave at the port i by bj. Furthermore, it is customary to link the outgoing and incoming waves via a scattering matrix.
Ein Richtkoppler kann als Viertor betrachtet werden, dessen Übertragungsverhalten durch die komplexen Größen Koppeldämpfung (coupling) und Entkopplung (isolation) beschrieben werden können. In der Figur Ib ist der Richtkoppler 10 als Viertor mit Koppelleitungen 291, 292, die beidseits der Hauptleitung 290 angeordnet sind, dargestellt. Dabei istA directional coupler can be regarded as a four-port, whose transmission behavior due to the complex sizes coupling damping (coupling) and decoupling (isolation) can be described. In FIG. 1 b, the directional coupler 10 is shown as a fourth gate with coupling lines 291, 292, which are arranged on both sides of the main line 290. It is
Cf = Cf -eJΨc/ die Koppeldämpfung in Vorwärtsrichtung, also von Port 1 nachC f = C f -e JΨc / the coupling loss in the forward direction, ie from port 1 to
Port 2. Die Koppeldämpfung in Rückwärtsrichtung ist Cr = Cr • e3Ψcr , also vonPort 2. The coupling loss in the reverse direction is C r = C r • e 3Ψcr , ie from
Port 3 nach Port 4. Entsprechend ist If = If - e'f die Entkopplung inPort 3 to port 4. Accordingly, I f = I f - e ' f is the decoupling in
Vorwärtsrichtung (Port 1 nach Port 4) und Ir = Ir - e'r die Entkopplung inForward direction (port 1 to port 4) and I r = I r - e ' r the decoupling in
Rückwärtsrichtung (Port 3 nach Port 2). Die Größen Cf ,Cr,If ,Ir sind im vorliegenden Fall die Kehrwerte der Streuparameter der Streumatrix. Es gilt unter der Bedingung, dass l<< λ :Reverse direction (port 3 to port 2). The quantities C f , C r , I f , I r are in this case the inverse of the scattering parameters of the scattering matrix. It holds on the condition that l << λ:
bλ = Y - aλ
Figure imgf000006_0001
wobei r der Reflexionsfaktor ist.
b λ = Y - a λ
Figure imgf000006_0001
where r is the reflection factor.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Richtkoppler bereitzustellen, mit dem die von einem HF-Generator in eine Last gelieferte Vorwärtsleistung und/oder die von der Last reflektierte Rückwärtsleistung genauer gemessen werden kann.The object of the present invention is to provide a directional coupler with which the forward power delivered by an RF generator into a load and / or the reverse power reflected by the load can be measured more accurately.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Richtkoppler der eingangs genannten Art gelöst, bei dem Δφ = φCrCf - {φlr + φlf) ≤ 20°, bevorzugtThis object is achieved by a directional coupler of the type mentioned, in which Δφ = φ Cr + φ Cf - {φ lr + φ lf ) ≤ 20 °, preferably
< 10°, besonders bevorzugt <5°, ganz besonders bevorzugt <1°.<10 °, more preferably <5 °, most preferably <1 °.
Diese Aufgabe wird auch gelöst, wenn Aφ = φCr + φCf - (φlr +φ,f) ≥ -20° ist. Man kann zusammenfassend sagen, dass die Aufgabe gelöst wird, wenn der Betrag von Δφ < 20° ist, also |Δφ| < 20°, bevorzugt < 10°, besonders bevorzugt <5°, ganz besonders bevorzugt <1°.This object is also achieved if Aφ = φ Cr + φ Cf - (φ lr + φ, f ) ≥ -20 °. In summary, the problem is solved if the magnitude of Δφ is <20 °, that is | Δφ | <20 °, preferably <10 °, more preferably <5 °, most preferably <1 °.
Bei einem derart konzipierten Richtkoppler wird der Messfehler bei der Messung der zur Last gelieferten und von dieser reflektierten Leistung und somit der in der Last absorbierten HF-Leistung minimiert. Das oben genannte Kriterium wurde bei der Herstellung von Richtkopplern bisher nicht beachtet. Ein Richtkoppler wird zumeist auf Leiterplattenmaterial FR4 oder auf Keramik in Form von gedruckten Leiterbahnen aufgebracht. Bei dieser an sich recht genauen Produktionsmethode ergeben sich aber immer noch geringe Ungenauigkeiten und dadurch Fehler in solchen Größenordnungen, dass ein Phasenfehler |Δφ| < 20°weder gezielt noch zufällig erreicht werden kann. Nur unter Einsatz von Simulationshilfsmitteln und durch modernste Fertigungstechnologie können Werte |Δφ| < 20° erreicht werden. Mit Hilfe von Nacharbeit und besonders ausgereifter Fertigungstechnologie können Werte kleiner 10°, kleiner 5° oder sogar kleiner 1° erreicht werden. Im Idealfall ist Δφ = 0° . Dies bedeutet
Figure imgf000007_0001
A directional coupler designed in this way minimizes the measurement error in the measurement of the power delivered to and reflected from the load, and thus the RF power absorbed in the load. The above criterion has not been considered in the production of directional couplers. A directional coupler is usually applied to printed circuit board material FR4 or on ceramic in the form of printed conductors. However, this quite precise production method still results in small inaccuracies and thus errors in such orders of magnitude that a phase error | Δφ | <20 ° neither deliberately nor accidentally can be achieved. Only by using simulation tools and state-of-the-art manufacturing technology can values | Δφ | <20 ° can be achieved. With the help of rework and especially sophisticated manufacturing technology, values of less than 10 °, less than 5 ° or even less than 1 ° can be achieved. Ideally, Δφ = 0 °. this means
Figure imgf000007_0001
Alternativ oder zusätzlich kann der erfindungsgemäße Richtkoppler soAlternatively or additionally, the directional coupler according to the invention can be so
ausgestaltet werden, dass AT = 1,6 , bevorzugt < 1,2, besonders
Figure imgf000007_0002
be configured that AT = 1.6, preferably <1.2, especially
Figure imgf000007_0002
Cf If bevorzugt < 1,1. Dies bedeutet, dass im Idealfall — - etwa — entspricht. DerC f I f is preferably <1.1. This means that in the ideal case - corresponds to - about. Of the
Fehler bei der Messung der in der Last absorbierten Leistung ist dann weder vom Betrag noch von der Phase des Lastreflexionsfaktors abhängig. Damit ist der Fehler bei der Messung lastunabhängig sowohl nach Betrag als auch nach Phase der Last. Daher kann der Fehler als systematischer Fehler aus dem Messwert herausgerechnet und so vollständig kompensiert werden. Eine Phasenmessung zwischen der hinlaufenden Welle (in die Last gelieferte Leistung) und der rücklaufenden Welle (von der Last reflektierte Leistung) ist dadurch überflüssig. Somit können Kosten für die Bauelemente der Phasenmessung eingespart werden. Es ist zu beachten, dass es gemäß dem oben genannten Kriterium nicht einmal notwendig ist, dass die unerwünschten Kopplungen (If, I1-) durch mangelnde Dämpfungen verschwinden, sondern ihr Verhältnis muss nur so groß sein, wie das von Cf und C1-.Error in the measurement of the power absorbed in the load is then neither dependent on the magnitude nor on the phase of the load reflection factor. Thus, the error in the measurement is load-independent, both by amount and by phase of the load. Therefore, the error may look like a systematic error out of the measured value and thus completely compensated. A phase measurement between the outgoing wave (power delivered to the load) and the returning wave (power reflected by the load) is therefore superfluous. Thus, costs for the components of the phase measurement can be saved. It should be noted that, according to the above criterion, it is not even necessary for the unwanted couplings (I f , I 1 -) to disappear due to lack of attenuation, but their ratio need only be as great as that of C f and C 1 -.
Besonders bevorzugt ist es wenn der Richtkoppler reziprok ist und gilt: Cf = Cr und If = I1-.It is particularly preferred if the directional coupler is reciprocal and applies: C f = C r and I f = I 1 -.
Die oben genannte Bedingung wird gemäß einer Weiterbildung auf besonders einfache Art und Weise durch einen Richtkoppler realisiert, bei dem φCr = -φCf + k und φlr = -φιf + k , wobei k beliebige Werte annehmen kann. Im einfachsten Fall nimmt k den Wert 0 an, so dass gilt φCr = -φCf undThe above condition is realized according to a development in a particularly simple manner by a directional coupler, in which φ Cr = -φ Cf + k and φ lr = -φ ιf + k, where k can take any values. In the simplest case, k assumes the value 0, so that φ Cr = -φ Cf and
φ,r = -φ,f φ, r = -φ, f
Weitere Vorteile ergeben sich, wenn If und/oder Ir > Cf und/oder Cn Dies bedeutet insbesondere, dass die Werte If und/oder Ir möglichst groß sein sollten. Unter diesen Bedingungen kann ein sehr genauer Wert für die in der Last verbliebene (absorbierte) Leistung ermittelt werden.Further advantages result if I f and / or I r > C f and / or C n This means, in particular, that the values I f and / or I r should be as large as possible. Under these conditions, a very accurate value for the power remaining (absorbed) in the load can be determined.
Die am Port 2 der Nebenleitung gewonnene Messung der in die Last gelieferten Leistung beträgt Pml =
Figure imgf000008_0001
und die am Port 4 der Nebenleitung gewonnene Messung der von der Last reflektierten Leistung beträgt Pmr = Ib4 2. Die Messung der in der Last verbleibenden Leistung an den Nebenleitungen eines nicht optimierten, also fehlerhaft messenden
The measurement of the power delivered to the load at port 2 of the sub-line is P ml =
Figure imgf000008_0001
and the measurement of the power reflected by the load at port 4 of the sub-line is P mr = Ib 4 2 . The measurement of the remaining power in the load to the Secondary lines of a non-optimized, so erroneously measuring
Richtkopplers beträgtDirectional coupler amounts
1 r2 Γ2 1 2rcos(^/rCfr) 2rcos(^Cr - φlf - φr)1 r 2 Γ 2 1 2rcos (^ / rCfr ) 2 rcos (^ Cr - φ lf - φ r )
ΔPmeas = Pm, - Pmr = h /^2 + — ; r +ΔP mea s = P m , - P mr = h / ^ 2 + -; r +
C C J J C J J CC C J J C J J C
Die tatsächliche in der Last verbrauchte Leistung erhält man unter derThe actual power consumed in the load is obtained under the
1 r1 r
Messbedingung ΔPmeorap, = U Measurement condition ΔP meorap , = U
C2 CC 2 C
Einen optimalen, fehlerfrei messenden Richtkoppler und somit die tatsächlich in der Last absorbierte Leistung erhält man also unter Berücksichtigung folgender Bedingungen:An optimal directional coupler that measures without errors, and thus the power actually absorbed in the load, is thus obtained taking into account the following conditions:
1) If, I1-: möglichst groß, und/oder1) I f , I 1 -: as large as possible, and / or
2) -L = -L , und/oder Cr Ir 3) φCr + φcf = φIr + φIf 2) -L = -L, and / or C r I r 3) φ Cr + φ cf = φ Ir + φ If
Bei der Erfüllung dieser Bedingungen ist also ΔPmeas = ΔPmeasopl ; d.h. der lastabhängige Fehler bei der Leistungsmessung ist minimiert.In fulfilling these conditions, ΔP meas = ΔP measopl ; ie the load-dependent error in the power measurement is minimized.
Die Richtwirkung während des Betriebs (es ist nicht die Richtwirkung in der strengen Definition bei Nennimpedanz gemeint) ist von der Last (weder vom Betrag noch von der Phase des Lastreflexionsfaktors) nahezu unabhängig. Eine Ausgestaltung der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass der Richtkoppler zwei Koppelleitungen aufweist, die zumindest abschnittsweise parallel zueinander angeordnet sind. Dadurch können sie auch parallel zu einer Hauptleitung, über die die zu messende Leistung übertragen wird, angeordnet werden. Mit der einen Koppelleitung kann die in Richtung Last gelieferte Leistung ermittelt werden und mit der anderen Koppelleitung kann die von der Last reflektierte Leistung ermittelt wird. Vorzugsweise sind die Koppelleitungen an gegenüberliegenden Seiten einer Hauptleitung angeordnet.The directivity during operation (not the directivity in the strict definition at nominal impedance) is almost independent of the load (neither magnitude nor phase of the load reflection factor). An embodiment of the invention is characterized in that the directional coupler has two coupling lines, which are arranged at least partially parallel to each other. As a result, they can also be arranged parallel to a main line, via which the power to be measured is transmitted. With the one coupling line, the power delivered in the direction of load can be determined and with the other coupling line, the power reflected by the load can be determined. Preferably, the coupling lines are arranged on opposite sides of a main line.
Die Beschaltung mindestens eines Ports des Richtkopplers kann so gestaltet werden, dass sie aus einer variablen Impedanzanordnung besteht, deren Impedanz durch elektronische Steuersignale verändert werden kann. Bei einem zu Messzwecken eingesetzten Richtkoppler kann dafür der nicht durch das Messgerät belegte Nebenleitungsport verwendet werden.The wiring of at least one port of the directional coupler can be designed so that it consists of a variable impedance arrangement whose impedance can be changed by electronic control signals. For a directional coupler used for measuring purposes, the secondary line port not occupied by the measuring device can be used for this purpose.
Durch die insbesondere elektronisch variierbare Impedanz der Impedanzanordnung können Auskoppelfaktor und Richtverhältnis des Richtkopplers optimiert werden. Die Impedanzanordnung kann ein oder mehrere Elemente aufweisen, wobei die Impedanz der gesamten Anordnung oder zumindest eines Elements der Anordnung durch das Steuersignal veränderbar ist. Eine Impedanzanordnung mit veränderbarer Impedanz kann nicht nur an einem Port sondern irgendwo an (zumindest) eine Nebenleitung angeschlossen sein.Due to the particular electronically variable impedance of the impedance arrangement Auskoppelfaktor and directivity of the directional coupler can be optimized. The impedance arrangement may comprise one or more elements, wherein the impedance of the entire arrangement or at least one element of the arrangement is variable by the control signal. A variable impedance impedance device may be connected not only to a port but to (at least) one secondary line somewhere.
Wenn durch das Steuersignal nur die Impedanz eines einzelnen Elements oder einer Gruppe von Elementen verändert wird, wird natürlich auch die Gesamtimpedanz der Impedanzanordnung verändert. Der Abschluss, d. h. die Impedanzanordnung, kann aus einem reellen Widerstand und einer Kapazitätsdiode bestehen. Eine Steuerspannung als elektrisches Steuersignal an der Kapazitätsdiode kann deren Kapazität verändern.Of course, if only the impedance of a single element or a group of elements is changed by the control signal, the total impedance of the impedance arrangement is also changed. The termination, ie the impedance arrangement, may consist of a real resistor and a capacitance diode. A control voltage as an electrical control signal on the capacitance diode can change its capacity.
Die Impedanzanordnung kann alternativ oder zusätzlich eine Induktivität aufweisen. Eine elektronisch steuerbare bzw. regelbare Induktivität und damit steuerbare Impedanz kann beispielsweise dadurch erreicht werden, dass die Permeabilität des Spulenkerns der Induktivität herabgesetzt wird, indem durch ein zusätzliches magnetisches Gleichfeld, das mit einer von einen Gleichstrom durchflossenen Hilfswicklung erzeugt wird, der magnetische Fluss gegen die Sättigungsgrenze des Kernmaterials getrieben wird. Als elektronisch veränderbarer, also durch eine elektronisches Steuersignal veränderbarer reeller Widerstand kann beispielsweise eine PIN- Diode eingesetzt werden.The impedance arrangement may alternatively or additionally have an inductance. An electronically controllable or controllable inductance and thus controllable impedance can be achieved, for example, that the permeability of the coil core of the inductance is reduced by an additional magnetic DC field, which is generated by a DC-flow-through auxiliary winding, the magnetic flux against the Saturation limit of the core material is driven. For example, a PIN diode can be used as an electronically changeable, ie by an electronic control signal variable real resistance.
Um sowohl reelle als auch imaginäre Widerstandswerte für die an einen Port angeschlossene Impedanzanordnung einstellen zu können, kann die Impedanzanordnung mindestens zwei beeinflussbare Impedanzen aufweisen, die an den Port geschaltet sind, die auf der komplexen Widerstandsebene nicht kollinear wirken. Dies bedeutet, dass die Zeiger oder Vektoren, die die Impedanzen in der Widerstandsebene beschreiben, nicht linear abhängig sind. Eine derartige Impedanzanordnung kann beispielsweise eine Schaltung, bestehend aus einer Kapazitätsdiode und einer PIN-Diode, sein.To be able to set both real and imaginary resistance values for the impedance arrangement connected to a port, the impedance arrangement can have at least two influenceable impedances which are connected to the port, which do not act collinearly on the complex resistance level. This means that the pointers or vectors describing the impedances in the resistance plane are not linearly dependent. Such an impedance arrangement can be, for example, a circuit consisting of a capacitance diode and a PIN diode.
Die elektronisch variierbare Impedanz kann in Abhängigkeit von derThe electronically variable impedance may vary depending on the
Arbeitsfrequenz des Systems, in das der Koppler eingebunden ist, beispielsweise der Grundfrequenz eines HF-Leistungsgenerators, in Abhängigkeit von der Impedanz mindestens einer an den Koppler angeschlossenen Quelle oder Senke und/oder in Abhängigkeit von der realen Charakteristik des hergestellten Kopplers eingestellt werden.Operating frequency of the system in which the coupler is integrated, for example, the fundamental frequency of an RF power generator, depending on the impedance of at least one of the coupler connected source or sink and / or depending on the real characteristics of the coupler produced.
Bei komplexeren Aufgaben, beispielsweise der Kompensation von an zwei Hauptleitungsports eines Richtkopplers angeschlossenen Impedanzen, die von der Systemimpedanz abweichen, können auch beide Ports der Nebenleitung dieses Richtkopplers oder entsprechend je ein Port oder auch beide Ports von zwei Nebenleitungen an Impedanzanordnungen mit durch ein elektronisches Signal steuerbaren Impedanzen angeschlossen werden.For more complex tasks, such as the compensation of impedances connected to two main ports of a directional coupler, which deviate from the system impedance, both ports of the secondary line of this directional coupler or corresponding one port or both ports of two secondary lines to impedance arrangements with controllable by an electronic signal Impedances are connected.
Bei der Dimensionierung der Variationsbereiche der steuerbaren variablen Impedanzen kann die Charakteristik des Richtkopplers im vorgesehenen Arbeitsfrequenzbereich sowie der Bereich der möglichen Impedanzvariation der angeschlossenen Quellen und Senken berücksichtigt werden.When dimensioning the variation ranges of the controllable variable impedances, the characteristic of the directional coupler in the intended operating frequency range as well as the range of the possible impedance variation of the connected sources and sinks can be taken into account.
Die Steuerspannungen für mindestens eine elektronisch variierbare Impedanz können aus einer elektronischen Schaltung kommen, die den aktuellen Betriebszustand des Gerätes und damit die angeschlossenen Impedanzen an mindestens einem Port der Hauptleitung, die aktuelle Arbeitsfrequenz und das frequenzabhängige Verhalten und/oder die durch die Herstellung gegebene reale Charakteristik des mindestens einen eingesetzten Kopplers kennt.The control voltages for at least one electronically variable impedance can come from an electronic circuit which indicates the current operating state of the device and thus the connected impedances at at least one port of the main line, the current operating frequency and the frequency-dependent behavior and / or the real characteristic given by the production of the at least one inserted coupler knows.
Die Schaltung kann analog oder digital ausgeführt sein und auch einen Mikroprozessor enthalten. Die Schaltung kann einen Speicher enthalten oder kann auf einen Speicher zugreifen, der die Parameter für bestimmteThe circuit may be analog or digital and also include a microprocessor. The circuit may include memory or may access memory that sets the parameters for particular ones
Impedanzwerte an einem Port der Nebenleitung, für die Kompensation, für das frequenzabhängige Verhalten oder für die individuelle Charakteristik desImpedance values at a port of the secondary line, for the compensation, for the frequency dependent behavior or for the individual characteristic of the
Kopplers oder für andere Betriebszustände der Hochfrequenzanlage beinhaltet. Der Speicher kann ein permanenter Speicher sein, der bei der Produktion beschrieben und/oder in das Gerät eingebaut wird. Alternativ oder zusätzlich kann der Speicher ein beschreibbarer Speicher sein, der beispielsweise während eines Eichvorgangs neu beschrieben wird.Coupler or for other operating conditions of the high frequency system includes. The memory may be a permanent memory that is described during production and / or installed in the device. Alternatively or additionally, the memory may be a writable memory that is rewritten, for example, during a calibration process.
Der Eichvorgang kann mittels einer Regelschaltung vorgenommen werden, die die Signale an mindestens einem Port des Kopplers misst, während die Steuerspannungen für die elektronisch variierbaren Impedanzen geregelt werden. Dabei kann die oben erwähnte Schaltung als Regelschaltung eingesetzt werden.The calibration process may be performed by means of a control circuit which measures the signals on at least one port of the coupler while controlling the control voltages for the electronically variable impedances. In this case, the above-mentioned circuit can be used as a control circuit.
Die elektronische Schaltung kann auch als dauernde Regelung arbeiten. In einem ersten Schritt können alle Parameter so gesetzt oder die Regelung so betrieben werden, dass ein optimales Verhalten des Richtkopplers eintritt, also beispielsweise ein sehr hohes Richtverhältnis. Die Regelschleife sollte nun eine Tiefpasscharakteristik aufweisen, deren Grenzfrequenz niedriger ist als die zu erwartende Änderung der Impedanzen der angeschlossenen Quellen und Senken, die am Koppler angeschlossen sind. Ändern sich nun die Verhältnisse der Impedanzen der Quellen oder Senken, so wird die Regelung nicht so schnell folgen können, so dass die Richtkoppleranordnung durch das hohe Richtverhältnis die Impedanzveränderungen sehr genau wiedergeben kann. Die Koppelvarianzen können entsprechend der Impedanzanordnungen ausgebildet sein. Insbesondere können sie als feste, zum Beispiel beim Design fest eingestellte Impedanzen, manuell einstellbare oder elektronische einstellbare Impedanzen ausgebildet sein. Weiterhin ist das Verwenden von PIN-Dioden, Spulen mit einstellbarer Sättigung, Kapazitätsdioden und das Zusammenschalten mehrerer solcher Elemente für die Koppelvarianzen denkbar. Zwischen zumindest einer Koppelleitung und der Hauptleitung kann eine Koppelvarianz angeordnet sein. Dabei kann die Koppelvarianz in ihrem Widerstand veränderbar sein. Alternativ oder zusätzlich kann die Koppelvarianz in ihrer Position zwischen der Koppelleitung und der Hauptleitung veränderbar sein. Es können mehrere dieser zusätzlichen Koppelvarianzen zwischen der Haupt- und jeder Nebenleitung eingesetzt werden.The electronic circuit can also work as a permanent control. In a first step, all parameters can be set or the control can be operated so that an optimal behavior of the directional coupler occurs, so for example, a very high directivity. The control loop should now have a low-pass characteristic whose cut-off frequency is lower than the expected change in the impedances of the connected sources and sinks connected to the coupler. If the ratios of the impedances of the sources or sinks change, then the regulation will not be able to follow so quickly, so that the directional coupler arrangement can very accurately reproduce the impedance changes due to the high directivity. The coupling variances can be designed in accordance with the impedance arrangements. In particular, they can be embodied as fixed, for example fixed design impedances, manually adjustable or electronically adjustable impedances. Furthermore, the use of PIN diodes, coils with adjustable saturation, capacitance diodes and the interconnection of several such elements for the coupling variances is conceivable. Between at least one coupling line and the main line can be arranged a coupling variance. In this case, the coupling variance can be changed in their resistance. Alternatively or additionally, the coupling variance in its position between the coupling line and the main line can be changed. Several of these additional coupling variances between the main and each secondary line can be used.
In den Rahmen der Erfindung fällt auch ein Verfahren zur Einstellung bzw. Auslegung eines Richtkopplers gemäß Anspruch 20. Verfahrensvarianten sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben. Auch ein Verfahren gemäß Anspruch 26 fällt in den Rahmen der Erfindung.The scope of the invention also includes a method for setting or designing a directional coupler according to claim 20. Method variants are specified in the dependent claims. A method according to claim 26 is also within the scope of the invention.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung, anhand der Figuren der Zeichnung, die erfindungswesentliche Einzelheiten zeigen, und aus den Ansprüchen. Die einzelnen Merkmale können je einzeln für sich oder zu mehreren in beliebiger Kombination bei einer Variante der Erfindung verwirklicht sein.Further features and advantages of the invention will become apparent from the following description of embodiments of the invention, with reference to the figures of the drawing, which show details essential to the invention, and from the claims. The individual features can be realized individually for themselves or for several in any combination in a variant of the invention.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung schematisch dargestellt und werden nachfolgend mit Bezug zu den Figuren der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt:Preferred embodiments of the invention are shown schematically in the drawing and are explained below with reference to the figures of the drawing. It shows:
Fig. Ia, Ib jeweils eine Hochfrequenzanlage mit Richtkoppler;Fig. Ia, Ib each have a high-frequency system with directional coupler;
Fig. 2 eine schematische Darstellung einer Hochfrequenzanlage mit einer Koppleranordnung und einer Impedanzanordnung;FIG. 2 shows a schematic illustration of a high-frequency system with a coupler arrangement and an impedance arrangement; FIG.
Fig. 3 ein Ausführungsbeispiel einer Impedanzanordnung; und Fig. 4 einen Richtkoppler mit Koppelvarianzen.3 shows an embodiment of an impedance arrangement; and 4 shows a directional coupler with coupling variances.
In den Figuren werden für sich entsprechende Bauelemente dieselben Bezugszeichen verwendet.In the figures, the same reference numerals are used for corresponding components.
Fig. 2 zeigt eine Hochfrequenzanlage 20 mit einem Hochfrequenzgenerator 100 als Quelle, einer Koppleranordnung 30 mit einem als Richtkoppler ausgebildeten Koppler 240 sowie einer Last 300 als Senke. Der Koppler 240 hat eine Hauptleitung 290 mit einem ersten und zweiten Port 1, 3 (Hauptleitungsports) sowie eine Nebenleitung 291 mit Nebenleistungsports 2, 204. Der Port 2 ist mit einem Widerstand 205 abgeschlossen, der der Nennimpedanz Z0 der Hochfrequenzanlage 20 oder mindestens der des Kopplers 240 entspricht. Am Port 2 kann mit einem Messgerät 207 ein Anteil der am korrespondierenden Port 1 der Hauptleitung 290 einlaufenden Welle beobachtet werden.2 shows a high-frequency system 20 with a high-frequency generator 100 as the source, a coupler arrangement 30 with a coupler 240 designed as a directional coupler and a load 300 as sink. The coupler 240 has a main line 290 with a first and second port 1, 3 (main line ports) and a secondary line 291 with auxiliary power ports 2, 204. The port 2 is terminated with a resistor 205, the nominal impedance Z 0 of the radio frequency system 20 or at least the of the coupler 240 corresponds. At port 2, a proportion of the incoming wave at the corresponding port 1 of the main line 290 can be observed with a measuring device 207.
Weiterhin weist der Koppler 240 eine zweite Nebenleitung 292 mit Nebenleitungsports 223, 4 auf. Am Port 4 der zweiten Nebenleitung 292 wird ein Anteil der am Port 3 der Hauptleitung 290 eingespeisten Welle gemessen. Hierzu ist ein Messgerät 228 an den Port 4 angeschlossen. Der Port 4 der zweiten Nebenleitung 292 ist durch den Widerstand 226 abgeschlossen, der der Nennimpedanz Z0 entspricht.Furthermore, the coupler 240 has a second secondary line 292 with secondary line ports 223, 4. At the port 4 of the second secondary line 292, a proportion of the input to the port 3 of the main line 290 wave is measured. For this purpose, a measuring device 228 is connected to the port 4. The port 4 of the second secondary line 292 is terminated by the resistor 226, which corresponds to the nominal impedance Z 0 .
Die in den Figuren eingezeichneten Messgeräte 207, 228 können jeweils Voltmeter, Oszilloskope, Dioden/Demodulatoren oder dgl. oder analoge oder digitale Auswerteschaltungen mit oder ohne vorheriger Gleichrichtung der Welle sein. Weiterhin können die Eingangsimpedanzen der Messgeräte die am selben Port angebrachten Abschlussimpedanzen ersetzen oder mit diesen zusammen die am Port anliegende Impedanz bilden. In Fig. 2 besteht die am Port 204 erfindungsgemäß angeschalteteThe measuring devices 207, 228 shown in the figures can each be voltmeters, oscilloscopes, diodes / demodulators or the like, or analog or digital evaluation circuits with or without prior rectification of the shaft. Furthermore, the input impedances of the measuring devices can replace the terminating impedances attached to the same port or, together with these, form the impedance present at the port. In Fig. 2 there is connected to the port 204 according to the invention
Impedanzanordnung 210 aus zwei elektronisch steuerbaren ImpedanzenImpedance arrangement 210 of two electronically controllable impedances
211, 212, die in der komplexen Widerstandsebene nicht kollinear zueinander wirken. Durch Zuführen einer Steuerspannung aus der elektronischen211, 212 which are non-collinear in the complex resistance plane. By supplying a control voltage from the electronic
Schaltung 250 können diese beiden Impedanzen 211, 212 abgestimmt werden, womit der Port 204 mit einem bestimmten, eingestellten komplexen Widerstand abgeschlossen ist. Dies bedeutet, dass durch dieCircuit 250, these two impedances 211, 212 are tuned, whereby the port 204 is completed with a certain set complex resistance. This means that through the
Schaltung 250 die Gesamtimpedanz der Impedanzanordnung 210 eingestellt werden kann, die sich aus den Impedanzen 211, 212 zusammensetzt.Circuit 250, the total impedance of the impedance arrangement 210 can be set, which is composed of the impedances 211, 212.
Symmetrisch zum Port 204 ist Port 223 mit einer Impedanzanordnung 230, bestehend aus zwei Impedanzen 231, 232 abgeschlossen, die ebenfalls von der elektronischen Schaltung 250 angesteuert werden.Symmetrically with the port 204, port 223 is terminated with an impedance arrangement 230 consisting of two impedances 231, 232, which are also driven by the electronic circuit 250.
Die elektronische Schaltung 250 erhält weitere Informationen, wie beispielsweise das frequenzabhängige Verhalten des Kopplers 240, die momentane Arbeitsfrequenz des Generators 100, den frequenzabhängigen komplexen Innenwiderstand des Generators 100 und die frequenzabhängige Impedanz der Last 300. Die statischen Größen, wie das frequenzabhängige Verhalten des Kopplers 240 oder die frequenzabhängige Impedanz des Generators 100 oder einer Antenne als Last 300 können in einem Speicher abgelegt sein. Das kann in digitaler oder analoger Form erfolgen. Der Speicher kann permanent oder wiederbeschreibbar sein. Der Speicher kann in der Schaltung 250 enthalten oder extern angeordnet sein. Im gezeigten Ausführungsbeispiel ist der Speicher 251 in der Schaltung 250 angeordnet.The electronic circuit 250 obtains further information, such as the frequency-dependent behavior of the coupler 240, the current operating frequency of the generator 100, the frequency-dependent complex internal resistance of the generator 100 and the frequency-dependent impedance of the load 300. The static quantities, such as the frequency-dependent behavior of the coupler 240 or the frequency-dependent impedance of the generator 100 or an antenna as a load 300 may be stored in a memory. This can be done in digital or analog form. The memory may be permanent or rewritable. The memory may be included in the circuit 250 or located externally. In the exemplary embodiment shown, the memory 251 is arranged in the circuit 250.
In einer Ausführungsform der Erfindung wird die Koppleranordnung 30 bzw. der Koppler mit zugehörigen Impedanzanordnungen 210, 220 geeicht. Dazu sind die Messgeräte 207, 228 mit der elektronischen Schaltung 250 verbunden, die einen Tiefpassfilter 252 aufweist. Bei einer Frequenz des Generators 100 oder über einen bestimmten Frequenzbereich und bei bestimmten äußeren Bedingungen, beispielsweise bei einem definierten ohmschen Widerstand oder einer fehlerfreien Antenne als Last 300 werden die Impedanzen 211, 212, 231, 232 jeweils so angesteuert, dass die gewünschten Messwerte an den Ports 2 und 4 anliegen. Diese Ansteuerwerte werden in dem Speicher 251 abgelegt und bei normalem Betrieb verwendet. Weichen nun die Arbeitsbedingungen von der Vorgabe ab, so werden die Messwerte an den Ports 2 und 4 sehr empfindlich darauf ansprechen.In one embodiment of the invention, the coupler assembly 30 or the coupler is calibrated with associated impedance arrangements 210, 220. These are the measuring devices 207, 228 with the electronic circuit 250 connected, which has a low-pass filter 252. At a frequency of the generator 100 or over a certain frequency range and under certain external conditions, for example in the case of a defined ohmic resistance or a faultless antenna as the load 300, the impedances 211, 212, 231, 232 are respectively controlled such that the desired measured values are applied to the Ports 2 and 4 are present. These drive values are stored in the memory 251 and used during normal operation. If the working conditions deviate from the specification, the measured values at ports 2 and 4 will be very sensitive to it.
In einer nicht gezeigten Ausführungsform der Erfindung wird nur eine Nebenleitung des Kopplers 240 mit den variablen Impedanzen ausgestattet, d.h. wird nur an eine Nebenleitung eine Impedanzanordnung 210, 230 angeschlossen. Es kann jedoch an beide Ports der Nebenleitung jeweils eine Impedanzanordnung 210, 230 angeschlossen werden.In an embodiment of the invention not shown, only one sub-line of the coupler 240 is provided with the variable impedances, i. An impedance arrangement 210, 230 is only connected to a secondary line. However, in each case an impedance arrangement 210, 230 can be connected to both ports of the secondary line.
In einer Ausführungsform der Erfindung kann ein Koppler 200 mit nur einer Nebenleitung 291 vorgesehen sein. Dabei kann an beide Ports der Nebenleitung 291 jeweils eine Impedanzanordnung 210, 230 angeschlossen werden. Es kann jedoch auch nur an einen Port eine Impedanzanordnung 210, 230 angeschlossen werden.In one embodiment of the invention, a coupler 200 may be provided with only one secondary line 291. In this case, an impedance arrangement 210, 230 can be connected to both ports of the secondary line 291 in each case. However, it is also possible to connect an impedance arrangement 210, 230 to only one port.
Fig. 3 zeigt eine Ausführungsform für die Impedanzanordnung 210. Am Port 204 der Nebenleitung 291 ist ein Paar 213 von zwei antiseriell angeordnetenFig. 3 shows an embodiment for the impedance arrangement 210. At the port 204 of the sub-line 291, a pair 213 of two is antiserially arranged
Kapazitätsdioden 217, 218 nach Masse angeschlossen, die in Abhängigkeit von der aus der elektronischen Schaltung 250 kommendenCapacitance diodes 217, 218 connected to ground, which in response to the coming of the electronic circuit 250
Steuerspannung, die auf den Zentralpunkt bzw. Verbindungspunkt desControl voltage applied to the central point or connection point of the
Paares 213 gelegt ist, eine mehr oder weniger große Kapazität darstellen. Über eine Induktivität 214 ist ein weiteres Paar 215 antiserieller Kapazitätsdioden 219, 220 sowie ein reeller Widerstand 216 an den Port 204 angeschlossen, deren zweiter Pol jeweils an Masse liegt. Durch einePair 213 is placed to represent a more or less large capacity. Via an inductor 214, another pair 215 is antiserial Capacitance diodes 219, 220 and a real resistor 216 connected to the port 204, the second pole is connected to ground. By a
Steuerspannung am Zentralpunkt des Diodenpaares 215, die ebenfalls aus der elektronischen Schaltung 250 kommt, kann auch die Kapazität dieses Paares 215 beeinflusst werden. Die Induktivität 214, die variable Kapazität des Diodenpaars 215 und der zur Kapazität parallele reelle Widerstand 216 bilden zusammen eine Impedanz, die in der komplexen Widerstandsebene nicht kollinear zur Kapazität des Diodenpaares 213 ist. Hieraus ergibt sich, dass die Impedanzen einer Impedanzanordnung jeweils aus mehreren Bauelementen aufgebaut sein können.Control voltage at the central point of the diode pair 215, which also comes from the electronic circuit 250, the capacitance of this pair 215 can be influenced. The inductor 214, the variable capacitance of the diode pair 215, and the capacitance-parallel real resistor 216 together form an impedance that is not collinear with the capacitance of the diode pair 213 in the complex resistance plane. It follows that the impedances of an impedance arrangement can each be made up of a plurality of components.
Beim Ausführungsbeispiel der Figur 4 weist der Richtkoppler 240 zusätzlich Koppelvarianzen 310, 320 jeweils zwischen der Hauptleitung 290 und einer Nebenleitung 291 auf. Die Koppelvarianzen 310, 320 können als veränderbare Impedanzen ausgebildet sein. Insbesondere können sie in gleicher Weise ausgebildet sein, wie die Impedanzanordnungen 210, 230 der Figur 2, also z.B. eine PIN-Diode als Widerstand, eine Spule mit einstellbarer Sättigung, eine Kapazitätsdiode oder Kombinationen davon aufweisen. Zusätzlich kann vorgesehen sein, dass die Koppelvarianzen 310, 320 in ihrer Position entlang der Hauptleitung 290 bzw. der Koppelleitungen 291, 292 verstellbar sind. Die Verstellung kann während des Designs oder nachträglich erfolgen. Dadurch ist eine noch bessere Abstimmung und Auslegung des Richtkopplers 240 möglich. In the exemplary embodiment of FIG. 4, the directional coupler 240 additionally has coupling variances 310, 320 between the main line 290 and a secondary line 291, in each case. Coupling variants 310, 320 may be designed as variable impedances. In particular, they may be formed in the same way as the impedance arrangements 210, 230 of Figure 2, e.g. a PIN diode as a resistor, a coil with adjustable saturation, a capacitance diode or combinations thereof. In addition, it can be provided that the coupling variants 310, 320 are adjustable in their position along the main line 290 or the coupling lines 291, 292. The adjustment can be done during the design or later. As a result, even better coordination and design of the directional coupler 240 is possible.

Claims

PATENTANSPRÜCHE
1. Richtkoppler (10, 20) mit einer a. Koppeldämpfung in Vorwärtsrichtung Cf - Cf- eJΨc/ ;1. directional coupler (10, 20) with an a. Coupling loss in the forward direction C f - C f - e J c / ;
b. Koppeldämpfung in Rückwärtsrichtung Cr =Cr-eJΨcr;b. Coupling loss in reverse direction C r = C r -e JΨcr ;
c. Entkopplung in Vorwärtsrichtung If =If-e'f ;c. Decoupling in forward direction I f = I f -e 'f;
d. Entkopplung in Rückwärtsrichtung lr =lr-e";d. Decoupling in reverse direction l r = l r -e ) φ ";
dadurch gekennzeichnet, dass der Betrag von Aφ = φCrc/-(φ,rIf)≤20° bevorzugt < 10°, besonders bevorzugt < 5°, ganz besonders bevorzugt < 1° und/oder bevorzugt <1,2,
Figure imgf000019_0001
besonders bevorzugt <1,1.
characterized in that the amount of Aφ = φ Cr + φ c / - (φ, r + φ If ) ≤20 ° preferably <10 °, more preferably <5 °, most preferably <1 ° and / or preferably <1 , 2,
Figure imgf000019_0001
more preferably <1.1.
2. Richtkoppler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Q = Cn und If= Ir.2. Directional coupler according to claim 1, characterized in that Q = C n and I f = I r .
3. Richtkoppler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass3. directional coupler according to claim 1 or 2, characterized in that
Ψcr = -<PC/ + k Und Ψlr = -<Plf + * Ψcr = - <PC / + k and Ψlr = - <Plf + *
4. Richtkoppler nach einem der vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass i> und/oder Ir > Cf und/oder CΛ.4. Directional coupler according to one of the preceding claims, characterized in that i> and / or I r > C f and / or C Λ .
5. Richtkoppler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Richtkoppler (10, 20) zwei Koppelleitungen (290, 291, 292) aufweist, die zumindest abschnittsweise parallel zu einander angeordnet sind.5. Directional coupler according to one of the preceding claims, characterized in that the directional coupler (10, 20) two Coupling lines (290, 291, 292), which are arranged at least partially parallel to each other.
6. Richtkoppler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an zumindest eine Nebenleitung (291, 292) eine Impedanzanordnung (210, 230) mit veränderbarer Impedanz angeschlossen ist, insbesondere zumindest ein Port (3, 4) einer Nebenleitung (291, 292) mit einer Impedanzanordnung (210, 230) mit veränderbarer Impedanz abgeschlossen ist.6. Directional coupler according to one of the preceding claims, characterized in that at least one secondary line (291, 292) an impedance arrangement (210, 230) is connected with variable impedance, in particular at least one port (3, 4) of a secondary line (291, 292 ) is terminated with a variable impedance impedance arrangement (210, 230).
7. Richtkoppler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen zumindest einer Koppelleitung (291, 292) und der Hauptleitung (290) eine Koppelvarianz (310, 320) angeordnet ist.7. Directional coupler according to one of the preceding claims, characterized in that between at least one coupling line (291, 292) and the main line (290) a coupling variance (310, 320) is arranged.
8. Richtkoppler nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Koppelvarianz (310, 320) in ihrem Widerstand veränderbar ist.8. directional coupler according to claim 7, characterized in that the coupling variance (310, 320) is variable in their resistance.
9. Richtkoppler nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Koppelvarianz in ihrer Position zwischen der Koppelleitung (291,9. directional coupler according to claim 7 or 8, characterized in that the coupling variance in position between the coupling line (291,
292) und der Hauptleitung (290) veränderbar ist.292) and the main line (290) is variable.
10. Richtkoppler nach einem der vorhergehenden Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Impedanz der Impedanzanordnung (210, 230) durch ein elektronisches10. Directional coupler according to one of the preceding claims 6 to 9, characterized in that the impedance of the impedance arrangement (210, 230) by an electronic
Steuersignal veränderbar ist.Control signal is changeable.
11. Richtkoppler nach einem der vorhergehenden Ansprüche 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass eine elektronische Schaltung (250) zur Ansteuerung der Impedanzanordnung (210, 230) vorgesehen ist.11. Directional coupler according to one of the preceding claims 6 to 10, characterized in that an electronic circuit (250) is provided for controlling the impedance arrangement (210, 230).
12. Richtkoppler nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die elektronische Schaltung (250) als Regelschaltung ausgebildet ist.12. Directional coupler according to claim 11, characterized in that the electronic circuit (250) is designed as a control circuit.
13. Richtkoppler nach einem der vorhergehenden Ansprüche 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Regelschaltung einen Tiefpassfilter (252) umfasst.13. Directional coupler according to one of the preceding claims 11 or 12, characterized in that the control circuit comprises a low-pass filter (252).
14. Richtkoppler nach einem der vorhergehenden Ansprüche 6 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Impedanzanordnung (210, 230) zumindest zwei Impedanzen (211, 212, 231, 232) aufweist.14. Directional coupler according to one of the preceding claims 6 to 13, characterized in that the impedance arrangement (210, 230) has at least two impedances (211, 212, 231, 232).
15. Richtkoppler nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Impedanzanordnung (210, 230) zumindest zwei veränderbare Impedanzen (211, 212, 231, 232) aufweist, die in der komplexen Widerstandsebene nicht kollinear sind.15. Directional coupler according to claim 14, characterized in that the impedance arrangement (210, 230) has at least two variable impedances (211, 212, 231, 232) which are not collinear in the complex resistance plane.
16. Richtkoppler nach einem der vorhergehenden Ansprüche 6 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Impedanzanordnung (210, 230) einen Widerstand (216) und eine Kapazitätsdiode (217-220) umfasst.16. Directional coupler according to one of the preceding claims 6 to 15, characterized in that the impedance arrangement (210, 230) comprises a resistor (216) and a capacitance diode (217-220).
17. Richtkoppler nach einem der vorhergehenden Ansprüche 6 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Impedanzanordnung (210, 230) eine Induktivität mit einem Kern und eine Hilfswicklung aufweist. 17. Directional coupler according to one of the preceding claims 6 to 16, characterized in that the impedance arrangement (210, 230) has an inductance with a core and an auxiliary winding.
18. Richtkoppleranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 6 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Impedanzanordnung (210, 230) einen steuerbaren Widerstand aufweist.18. Directional coupler arrangement according to one of the preceding claims 6 to 17, characterized in that the impedance arrangement (210, 230) has a controllable resistance.
19. Richtkoppler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an mehreren Ports (2, 204, 3, 223) des Kopplers (200, 240) eine durch ein elektronisches Steuersignal veränderbare Impedanzanordnung (210, 230) angeschlossen ist.19. Directional coupler according to one of the preceding claims, characterized in that at a plurality of ports (2, 204, 3, 223) of the coupler (200, 240) an adjustable by an electronic control signal impedance arrangement (210, 230) is connected.
20. Verfahren zur Einstellung eines Richtkopplers mit einer a. Koppeldämpfung in Vorwärtsrichtung Cf = Cf - eJΨcj ;20. Method for setting a directional coupler with an a. Coupling loss in forward direction C f = C f - e JΨcj ;
b. Koppeldämpfung in Rückwärtsrichtung Cr = Cr -eJΨcr ;b. Coupling loss in reverse direction C r = C r -e JΨcr ;
c. Entkopplung in Vorwärtsrichtung If = If - e" ;c. Decoupling in forward direction I f = I f - e } ψ ";
d. Entkopplung in Rückwärtsrichtung Ir - Ir - e'r ;d. Decoupling in reverse direction I r - I r - e 'r;
dadurch gekennzeichnet, dass der Richtkoppler derart eingestellt wird, dass zumindest eine der Bedingungen:characterized in that the directional coupler is set such that at least one of the conditions:
• Δφ = φCrcf -(φlr + φIf) ≤ 20° bevorzugt < 10°, besonders bevorzugt < 5°, ganz besonders bevorzugt < 1°Δφ = φ Cr + φ cf - (φ lr + φ If ) ≤ 20 °, preferably <10 °, more preferably <5 °, most preferably <1 °
Cf IC f I
• K = -J-* — ≤ \,6 , bevorzugt < 1,2, besonders bevorzugt < 1,1.• K = - J - * - ≤ \, 6, preferably <1.2, more preferably <1.1.
Cr If • If und/oder I1- > Cf und/oder C1- erfüllt ist.C r I f • I f and / or I 1 -> C f and / or C 1 - is satisfied.
21. Verfahren nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass eine21. The method according to claim 20, characterized in that a
Impedanzanordnung (210, 230) an zumindest einen Nebenport (2, 204, 3, 223) und/oder eine Koppelvarianz (310, 320) zwischenImpedance arrangement (210, 230) to at least one secondary port (2, 204, 3, 223) and / or a coupling variance (310, 320) between
Hauptleitung (290) und eine Nebenleitung (291, 292) angeschlossen wird und der Wert der Impedanz und/oder Koppelvarianz (310, 320) so lange verändert wird, bis zumindest eine der Bedingungen erfüllt ist.Main line (290) and a secondary line (291, 292) is connected and the value of the impedance and / or coupling variance (310, 320) is changed until at least one of the conditions is met.
22. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 20 oder 21, dass die Impedanzanordnung (210, 230) zur Veränderung des22. The method according to any one of the preceding claims 20 or 21, that the impedance arrangement (210, 230) for changing the
Impedanzwertes mit einer Steuerspannung angesteuert wird.Impedance value is driven with a control voltage.
23. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 20 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest zwei durch zumindest ein elektronisches Steuersignal veränderbare Impedanzen (211, 212,23. The method according to any one of the preceding claims 20 to 22, characterized in that at least two by at least one electronic control signal variable impedances (211, 212,
231, 232) an zumindest einen Port (204, 223) angeschlossen werden und die Impedanzen (211, 212, 231, 232) eingestellt werden.231, 232) are connected to at least one port (204, 223) and the impedances (211, 212, 231, 232) are adjusted.
24. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 20 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass ein Eichvorgang durchgeführt wird, indem Signale an zumindest einem Port (203, 224) des Kopplers (200, 240) gemessen werden, während die Steuersignal(e) für die Impedanz(en) derart geregelt werden, dass das gewünschte Verhalten des Kopplers (200, 240) eintritt.24. The method according to any one of the preceding claims 20 to 23, characterized in that a calibration process is performed by signals on at least one port (203, 224) of the coupler (200, 240) are measured while the control signal (s) for the Impedance (s) are controlled so that the desired behavior of the coupler (200, 240) occurs.
25. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 20 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass eine frequenzabhängige Eichkurve erzeugt wird.25. The method according to any one of the preceding claims 20 to 24, characterized in that a frequency-dependent calibration curve is generated.
26. Verfahren, bei dem ein Richtkoppler nach einem der Ansprüche 1 bis 19 in einer Leistungsversorgung oder zwischen der Leistungsversorgung eines Plasmaprozesses und einer Plasmalast zur Bestimmung der in der Plasmalast verbrauchten Leistung eingesetzt wird. 26. Method in which a directional coupler according to one of claims 1 to 19 is used in a power supply or between the power supply of a plasma process and a plasma load for determining the power consumed in the plasma load.
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