專利名稱：寬帶平直功率檢測器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及用于在寬頻帶上檢測放大器輸出功率的寬帶平直功率檢測器。
用于檢測指示放大器功率輸出水平的電壓或電流的檢測器是已知的。此外，在微波傳輸領域，微帶定向耦合器是已知的。例如，美國專利第5，159，298中公開的微帶定向耦合器，以及在“微波濾波器、阻抗匹配網(wǎng)絡和耦合結構(“MicrowaveFiltersImpedancie-MatchingNetwork，andCouphingStructures.GeorgeL.Matthaei，LeoYoung，andE.M.T.Jones;MoGraw-HillBookCompany，NewYork;1964，LibraryofGongresisCatelogCardNo.64-7937”)一文中公開的微波濾波器阻抗匹配網(wǎng)絡和耦合器。
這種用于測量放大器RF功率的檢測器，例如可通過微波耦合器連到RF功率輸出線上。在微波頻率，該耦合器可以是如美國專利No.5，159，298中公開的微帶耦合器。其中RF功率在寬頻帶上發(fā)送，耦合器呈現(xiàn)出在該寬頻帶上變化的傳遞函數(shù)。例如，當耦合器具有帶通濾波器的特性時，在耦合器端口的功率輸出會發(fā)生變化，在頻帶擴展的中心具有一個或多個尖峰的頻帶中當頻率從低端開始增加時，功率傳遞特性增強，而當頻率趨向帶通濾波器的高端時，傳遞特性減小。匹配網(wǎng)絡則可補償隨頻率變化的傳遞函數(shù)。匹配網(wǎng)絡的目的是接收耦合器的頻率變化的輸出，利用匹配網(wǎng)絡傳遞特性的附加效應，盡可能為檢測裝置(如檢測二極管)提供一個頻率響應輸出平直的功率。
然而，由于耦合器傳遞特性是非線性的，因此在二極管檢測器處的功率頻率傳遞特性隨頻率非線性地變化。這是由于難于對非線性耦合特性進行匹配而造成的。因此，最終信號輸出例如在二極管檢測器情況下的電壓，在該通帶頻率上偏離基本上代表RF放大器功率輸出的真實信號。
根據(jù)本發(fā)明，一個與功率源相連并根據(jù)所述功率源的頻率和功率指示，在有限頻帶寬度上形成平直輸出源且產(chǎn)生平直輸出信號的寬帶功率檢測器，包括一個定向耦合裝置，它具有原級和次級電路，以及所述次級電路中的隔離端口和耦合端口;所述耦合裝置把所述功率源耦合到所述隔離端口;所述原級電路與具有其阻抗與原級電路的輸出阻抗相匹配的負載相連;一個具有輸入端口和輸出端口的匹配網(wǎng)絡;所述匹配網(wǎng)絡的輸入端連到所述耦合裝置的隔離端口，所述耦合網(wǎng)絡在所述隔離端口產(chǎn)生一個在所述有限頻帶寬度上基本隨頻率線性變化的輸出信號，所述匹配網(wǎng)絡具有輸入到輸出端口的響應，該響應補償所述隔離端口的輸出信號隨頻率的基本上呈線性的變化，并且所述匹配網(wǎng)絡產(chǎn)生一個平直輸出信號，該平直輸出信號在所述有限頻帶上相對于頻率是基本上不變的。
其優(yōu)點是，通過把RF耦合器的耦合端與匹配的阻抗相連，且把耦合器隔離端通過一個補償線性匹配網(wǎng)絡與檢測器相連，使檢測器電壓與RF功率之間的傳遞特性在頻率擴展帶(在最佳實施例中，在功率放大器的輸出端測得的)上基本上是平直的。由于這種設置，在耦合器的通頻帶內(nèi)，耦合器的傳遞特性隨頻率線性變化，補償線性匹配網(wǎng)絡則可與線性耦合網(wǎng)絡相連，以根據(jù)變化的頻率產(chǎn)生基本上平直的RF功率。
在隔離端隨頻率線性變化的耦合器的傳遞特性可在所關心的頻率擴展帶上有一個正的斜率。對正斜率來說，隨著頻率的增大，耦合到檢測器網(wǎng)絡的功率就越大。匹配網(wǎng)絡則可設計成隨頻率增加而具有負斜率的線性傳遞特性。耦合器和匹配網(wǎng)絡特性的疊加則在匹配網(wǎng)絡的輸出為檢測器產(chǎn)生基本上平直的響應。因此，從匹配網(wǎng)絡到檢測裝置(如檢測二極管)的功率在所感興趣的RF功率頻率擴展上基本上是平直的。所以，在最佳實施例中檢測二極管產(chǎn)生的電壓基本上不受RF變化的影響，并能準確表示RF功率輸出。
最好用檢測二極管產(chǎn)生RF功率的電壓指示。該二極管檢測器有一個內(nèi)部連接電容和一個電阻。在設計匹配網(wǎng)絡時，連接電容包括在匹配網(wǎng)絡中。
這里，公開了一種在感興趣的頻率擴展帶范圍內(nèi)具有基本上平直的響應的寬帶功率檢測器。該檢測器使用了一種耦合裝置，它具有與匹配網(wǎng)絡的輸入相連的耦合器隔離端輸出。耦合器的耦合端與一匹配的阻抗相連。耦合器隔離端的輸出隨頻率變化，但基本上是線性變化。因此，匹配網(wǎng)絡有一個與隔離端輸出響應相反即倒置的響應并補償該隔離端的響應。匹配網(wǎng)絡輸出的送至檢測器輸入端的結果基本上是平直響應。
所以，檢測器的輸出在感興趣的頻率擴展帶上是基本平直的且指示耦合器輸入的信號。
下面將舉例并根據(jù)附圖描述本發(fā)明。其中
圖1是產(chǎn)生響應RF功率的電壓的常規(guī)系統(tǒng)。
圖2是圖1的耦合器的耦合端的頻率響應。
圖3是圖1中匹配網(wǎng)絡的匹配網(wǎng)絡頻率響應。
圖4是圖1中檢測器的檢測二極管輸入功率頻率響應。
圖5是根據(jù)本發(fā)明的RF功率檢測器的最佳實施例。
圖6是圖5所示的耦合器的隔離端頻率響應。
圖7是圖5所示的匹配網(wǎng)絡的匹配網(wǎng)絡頻率響應。
圖8是圖5所示的檢測器改進的且基本平直的檢測器二極管輸入功率頻率響應。
參照附圖，圖1示出了現(xiàn)有的寬帶功率檢測器的電路原理圖。
圖1所示的功率檢測器10包括具有原級11和次級13的微帶定向耦合器。耦合器次級的隔離端15連到匹配阻抗17上。耦合端19如圖所示連接到匹配網(wǎng)絡23的輸入21上。檢測二極管25如圖所示產(chǎn)生檢測器電壓輸出27。
工作時，耦合器的原級11中傳播方向如箭頭31所示。耦合器的次級13中電流傳播的第一方向如箭頭33所示。耦合器次級13中電流傳播的第二方向如箭頭35所示。次級中的電磁感應電流將產(chǎn)生一個第一電流33，它與耦合器原級11的原電流31的方向相反，還產(chǎn)生一個耦合器次級13中的第二電流或反向電流35，它與原級11的電流流向相同。如箭頭35所示。
如圖2所示，耦合端19對變化的RF頻率的傳遞特性或響應是非線性的。該響應可以為所示的非線性，也可是根據(jù)耦合網(wǎng)絡的特性具有幾個尖峰的非線性。
耦合器隔離端15有一個匹配或端接電阻17，耦合系數(shù)可由次級13相對于原級11的物理位置即接近度來改變。由于檢測器25所期望的或最佳的對RF頻率的響應是平直的，所以需要設計一種匹配網(wǎng)絡，以補償在如圖2所示的耦合端19的非線性。例如，匹配網(wǎng)絡23的補償耦合器非線性的響應。但是，針對該非線性的耦合端19的響應，產(chǎn)生一個基本上平直的檢測響應的途徑，其最好結果是得到一個如圖4所示的脈動的非線性變化響應。
在圖5至圖8所示的實施例中，通過對耦合器次級倒置，并且利用耦合器次級13中電流的第二流向35，形成基本平直的二極管輸入功率頻率響應，從而產(chǎn)生RF功率輸出指示信號。
如圖5所示，其中與圖1中相同或類似的部件使用相同的標號。在耦合器原級11中，使RF電流如箭頭31所示從RF1N流到RFOUT。如上所述，耦合器的原級11中的原電流用箭頭31表示，次級13中的感應第一次級電流如箭頭33所示。次級13中的第二或反向流向的感應電流用箭頭35表示，其流向與第一感應電流33相反。該第二電流35的流向與原級11中的電流31的方向相同。
在最佳設計條件下，所述第二電流35應為0或最小，此時，耦合器原級11的輸出端負載阻抗與耦合器輸出阻抗相匹配。在這個阻抗匹配條件下，從耦合器原級11輸出端反射的電流應為0或最小。在最佳阻抗匹配的條件下，在耦合器次級13中流向絕緣端15的感應電流35應沒有或有最小的耦合器中反射的分量。
如圖5所示，耦合端19與端接電阻17相連。該端接或隔離端15與匹配網(wǎng)絡23的輸入21相連。次級中的電流方向限定了耦合端和隔離端。因此，耦合器次級13中的反向或第二感應電流35傳送到匹配網(wǎng)絡23，并通過匹配網(wǎng)絡23傳送檢測二極管25，以產(chǎn)生檢測器電壓輸出27。
圖5所示的實施例具有上述匹配原級本機阻抗，如圖6所示，耦合器次級13中的感應電流在隔離端15產(chǎn)生基本上為線性的頻率響應。與補償圖2所示的非線性變化響應相比，補償圖6所示的線性變化響應更為容易。在該實施例中，匹配網(wǎng)絡23的響應可設計成隨頻率增加，具有基本上線性的傳遞特性。在最佳實施例中，耦合器隨頻率增加的響應基本上示為具有正斜率的直線，匹配網(wǎng)絡23在同一頻率范圍的響應為線性且為負斜率。因此，當流經(jīng)耦合器原級的RF電流的頻率增加時，耦合器隔離端的輸出線性增加。但是，如圖7所示，匹配網(wǎng)絡的響應隨頻率增加而減小。耦合器隔離端15的傳遞響應(如圖6所示)與匹配網(wǎng)絡23的響應(如圖7所示)的和，產(chǎn)生平直的檢測二極管輸入功率頻率響應(如圖8所示)。
匹配網(wǎng)絡23的結構包括檢測二極管的連接電容。
這里公開了一種產(chǎn)生線性傳遞頻率響應的途徑，這樣在寬帶頻率范圍內(nèi)輸出信號基本上是平直的。
微波或其它頻率的耦合網(wǎng)絡的專門設計，或匹配網(wǎng)絡的專門設計，以及檢測器(如用于檢測輸入功率的檢測二極管)的使用都是已知，這里不再詳細描述。
權利要求
1.一種寬帶功率檢測器，它與功率源相連，并在有限頻率帶度上產(chǎn)生一個相對于頻率是平直的，指示所述功率源功率的輸出信號，其特征在于該寬帶功率檢測器包括一個定向耦合裝置，它具有一個原級和一個次級電路，且在所述次級電路中有隔離端和耦合端，所述耦合裝置把所述功率源耦合到所述隔離端，所述原級電路與具有其阻抗與原級電路的輸出阻抗相匹配的負載相連，還包括具有輸入端和輸出端的匹配網(wǎng)絡，所述匹配網(wǎng)絡的輸入端與所述耦合裝置的隔離端相連，所述耦合網(wǎng)絡在所述隔離端產(chǎn)生一個輸出信號，該信號在有限頻帶上基本上隨頻率線性變化，所述匹配網(wǎng)絡具有一個輸入至輸出的響應，該響應補償所述隔離端的基本上隨頻率線性變化的輸出信號，且所述匹配網(wǎng)絡在所述有限頻帶上產(chǎn)生一個不隨頻率變化的平直的輸出信號。
2.根據(jù)權利要求1的功率檢測器，其中所述匹配網(wǎng)絡在所述有限頻帶寬度上的所述輸入至輸出響應與所述耦合裝置隔離端在所述有限頻帶上隨頻率線性變化的輸出信號相反，即是其的倒置。
3.根據(jù)權利要求1或2的功率檢測裝置，其中所述定向耦合裝置有一個與所述定向耦合裝置的耦合端相連的匹配阻抗。
4.根據(jù)權利要求1-3的任何一個的功率檢測器，包括一個與所述匹配網(wǎng)絡的輸出端相連的檢測器，所述檢測器根據(jù)所述匹配網(wǎng)絡在所述輸出端的輸出信號，產(chǎn)生一個來自所述功率源的功率的指示信號。
5.根據(jù)權利要求4的功率檢測器，其中所述檢測器是二極管檢測器，所述二極管檢測器有一個內(nèi)部連接電容且所述匹配網(wǎng)絡包括該連接電容。
6.根據(jù)權利要求1-5的任何一個所述的功率檢測器，其中所述功率源在所述耦合裝置的次級電路中產(chǎn)生一個第一電流，它向所述耦合端的方向傳播，并產(chǎn)生一個耦合裝置中的第二電流，它向所述隔離端的方向傳播。
7.根據(jù)權利要求6所述的功率檢測器，其中所述功率源在所述耦合裝置的原級電路中產(chǎn)生一個電流;在所述耦合裝置的所述次級電路中產(chǎn)生所述第二電流，作為反射波按所述耦合裝置的原級電路中的電流方向傳播。
8.根據(jù)權利要求7的功率檢測器，其中所述隔離端的所述輸出信號隨頻率的增加而增加，而所述匹配網(wǎng)絡的輸入至輸出響應隨頻率的增加而減小。
9.根據(jù)權利要求8的功率檢測器，其中所述匹配網(wǎng)絡響應隨頻率的增加，以這樣一種速率減小，該速率基本上為所述絕緣端輸出信號的增加速率。
10.一種在有限頻帶寬度上產(chǎn)生相對于頻率是平直的功率指示信號的方法，其特征在于該方法包括下列步驟把定向耦合器的原級電路與具有在有限頻帶寬度上變化的頻率的功率源相連，把所述原級電路的輸出端與一匹配負載相連，在所述耦合器的隔離端，產(chǎn)生一個在所述有限頻帶寬度上的與所述功率源頻率有關的信號，把所述定向耦合器的次級電路的耦合端與一匹配阻抗相連，且所述耦合器的隔離端與一個匹配網(wǎng)絡相連，把所述隔離端的輸出的信號連到所述匹配網(wǎng)絡，所述匹配網(wǎng)絡有線性頻率傳遞特性，并補償所述隔離端的所述線性變化輸出，在所述匹配網(wǎng)絡的輸出端產(chǎn)生一個在所述有限頻帶寬度上的相對于頻率的平直輸出信號。
11.根據(jù)權利要求10的方法包括使用匹配網(wǎng)絡的步驟，該匹配網(wǎng)絡具有隨頻率的增加斜率下降的線性傳遞特性，此時，所述絕緣端的輸出隨頻率的增加而增加。
12.根據(jù)權利要求11的方法包括把二極管檢測器與所述匹配網(wǎng)絡的輸出端的所述輸出信號相連、以產(chǎn)生所述功率指示信號的步驟。
13.根據(jù)權利要求12的方法包括構成所述匹配網(wǎng)絡的所述二極管檢測器部分的連接電容的步驟。
14.根據(jù)權利要求13的方法包括在耦合器的次級電路中感應一個電流并把所述耦合裝置的次級電路中感應的電流傳送給所述匹配網(wǎng)絡的步驟。
全文摘要
一個利用耦合器隔離端的信號產(chǎn)生基本上平直的響應的寬帶檢測器。由于隔離端的響應或傳遞特性基本上是線性的，所以隨頻率變化的具有相反的傳遞特性的匹配網(wǎng)絡可與耦合器相連。將匹配網(wǎng)絡傳遞特性與耦合器隔離端的傳遞特性疊加。匹配網(wǎng)絡的傳遞特性補償耦合器隔離端線性變化的傳遞特性，使匹配網(wǎng)絡產(chǎn)生一個平直的輸出。與匹配網(wǎng)絡的輸出相連的檢測器則將在所關心的頻帶范圍內(nèi)產(chǎn)生基本平直的檢測器信號。
文檔編號G01R21/10GK1089358SQ9311279
公開日1994年7月13日 申請日期1993年12月21日 優(yōu)先權日1992年12月21日
發(fā)明者詹姆斯·A·萊恩斯, 王旭吾 申請人:哈里公司