专利名称：宽带平直功率检测器的制作方法
技术领域：
本发明涉及用于在宽频带上检测放大器输出功率的宽带平直功率检测器。
用于检测指示放大器功率输出水平的电压或电流的检测器是已知的。此外，在微波传输领域，微带定向耦合器是已知的。例如，美国专利第5，159，298中公开的微带定向耦合器，以及在“微波滤波器、阻抗匹配网络和耦合结构(“MicrowaveFiltersImpedancie-MatchingNetwork，andCouphingStructures.GeorgeL.Matthaei，LeoYoung，andE.M.T.Jones;MoGraw-HillBookCompany，NewYork;1964，LibraryofGongresisCatelogCardNo.64-7937”)一文中公开的微波滤波器阻抗匹配网络和耦合器。
这种用于测量放大器RF功率的检测器，例如可通过微波耦合器连到RF功率输出线上。在微波频率，该耦合器可以是如美国专利No.5，159，298中公开的微带耦合器。其中RF功率在宽频带上发送，耦合器呈现出在该宽频带上变化的传递函数。例如，当耦合器具有带通滤波器的特性时，在耦合器端口的功率输出会发生变化，在频带扩展的中心具有一个或多个尖峰的频带中当频率从低端开始增加时，功率传递特性增强，而当频率趋向带通滤波器的高端时，传递特性减小。匹配网络则可补偿随频率变化的传递函数。匹配网络的目的是接收耦合器的频率变化的输出，利用匹配网络传递特性的附加效应，尽可能为检测装置(如检测二极管)提供一个频率响应输出平直的功率。
然而，由于耦合器传递特性是非线性的，因此在二极管检测器处的功率频率传递特性随频率非线性地变化。这是由于难于对非线性耦合特性进行匹配而造成的。因此，最终信号输出例如在二极管检测器情况下的电压，在该通带频率上偏离基本上代表RF放大器功率输出的真实信号。
根据本发明，一个与功率源相连并根据所述功率源的频率和功率指示，在有限频带宽度上形成平直输出源且产生平直输出信号的宽带功率检测器，包括一个定向耦合装置，它具有原级和次级电路，以及所述次级电路中的隔离端口和耦合端口;所述耦合装置把所述功率源耦合到所述隔离端口;所述原级电路与具有其阻抗与原级电路的输出阻抗相匹配的负载相连;一个具有输入端口和输出端口的匹配网络;所述匹配网络的输入端连到所述耦合装置的隔离端口，所述耦合网络在所述隔离端口产生一个在所述有限频带宽度上基本随频率线性变化的输出信号，所述匹配网络具有输入到输出端口的响应，该响应补偿所述隔离端口的输出信号随频率的基本上呈线性的变化，并且所述匹配网络产生一个平直输出信号，该平直输出信号在所述有限频带上相对于频率是基本上不变的。
其优点是，通过把RF耦合器的耦合端与匹配的阻抗相连，且把耦合器隔离端通过一个补偿线性匹配网络与检测器相连，使检测器电压与RF功率之间的传递特性在频率扩展带(在最佳实施例中，在功率放大器的输出端测得的)上基本上是平直的。由于这种设置，在耦合器的通频带内，耦合器的传递特性随频率线性变化，补偿线性匹配网络则可与线性耦合网络相连，以根据变化的频率产生基本上平直的RF功率。
在隔离端随频率线性变化的耦合器的传递特性可在所关心的频率扩展带上有一个正的斜率。对正斜率来说，随着频率的增大，耦合到检测器网络的功率就越大。匹配网络则可设计成随频率增加而具有负斜率的线性传递特性。耦合器和匹配网络特性的叠加则在匹配网络的输出为检测器产生基本上平直的响应。因此，从匹配网络到检测装置(如检测二极管)的功率在所感兴趣的RF功率频率扩展上基本上是平直的。所以，在最佳实施例中检测二极管产生的电压基本上不受RF变化的影响，并能准确表示RF功率输出。
最好用检测二极管产生RF功率的电压指示。该二极管检测器有一个内部连接电容和一个电阻。在设计匹配网络时，连接电容包括在匹配网络中。
这里，公开了一种在感兴趣的频率扩展带范围内具有基本上平直的响应的宽带功率检测器。该检测器使用了一种耦合装置，它具有与匹配网络的输入相连的耦合器隔离端输出。耦合器的耦合端与一匹配的阻抗相连。耦合器隔离端的输出随频率变化，但基本上是线性变化。因此，匹配网络有一个与隔离端输出响应相反即倒置的响应并补偿该隔离端的响应。匹配网络输出的送至检测器输入端的结果基本上是平直响应。
所以，检测器的输出在感兴趣的频率扩展带上是基本平直的且指示耦合器输入的信号。
下面将举例并根据附图描述本发明。其中
图1是产生响应RF功率的电压的常规系统。
图2是图1的耦合器的耦合端的频率响应。
图3是图1中匹配网络的匹配网络频率响应。
图4是图1中检测器的检测二极管输入功率频率响应。
图5是根据本发明的RF功率检测器的最佳实施例。
图6是图5所示的耦合器的隔离端频率响应。
图7是图5所示的匹配网络的匹配网络频率响应。
图8是图5所示的检测器改进的且基本平直的检测器二极管输入功率频率响应。
参照附图，图1示出了现有的宽带功率检测器的电路原理图。
图1所示的功率检测器10包括具有原级11和次级13的微带定向耦合器。耦合器次级的隔离端15连到匹配阻抗17上。耦合端19如图所示连接到匹配网络23的输入21上。检测二极管25如图所示产生检测器电压输出27。
工作时，耦合器的原级11中传播方向如箭头31所示。耦合器的次级13中电流传播的第一方向如箭头33所示。耦合器次级13中电流传播的第二方向如箭头35所示。次级中的电磁感应电流将产生一个第一电流33，它与耦合器原级11的原电流31的方向相反，还产生一个耦合器次级13中的第二电流或反向电流35，它与原级11的电流流向相同。如箭头35所示。
如图2所示，耦合端19对变化的RF频率的传递特性或响应是非线性的。该响应可以为所示的非线性，也可是根据耦合网络的特性具有几个尖峰的非线性。
耦合器隔离端15有一个匹配或端接电阻17，耦合系数可由次级13相对于原级11的物理位置即接近度来改变。由于检测器25所期望的或最佳的对RF频率的响应是平直的，所以需要设计一种匹配网络，以补偿在如图2所示的耦合端19的非线性。例如，匹配网络23的补偿耦合器非线性的响应。但是，针对该非线性的耦合端19的响应，产生一个基本上平直的检测响应的途径，其最好结果是得到一个如图4所示的脉动的非线性变化响应。
在图5至图8所示的实施例中，通过对耦合器次级倒置，并且利用耦合器次级13中电流的第二流向35，形成基本平直的二极管输入功率频率响应，从而产生RF功率输出指示信号。
如图5所示，其中与图1中相同或类似的部件使用相同的标号。在耦合器原级11中，使RF电流如箭头31所示从RF1N流到RFOUT。如上所述，耦合器的原级11中的原电流用箭头31表示，次级13中的感应第一次级电流如箭头33所示。次级13中的第二或反向流向的感应电流用箭头35表示，其流向与第一感应电流33相反。该第二电流35的流向与原级11中的电流31的方向相同。
在最佳设计条件下，所述第二电流35应为0或最小，此时，耦合器原级11的输出端负载阻抗与耦合器输出阻抗相匹配。在这个阻抗匹配条件下，从耦合器原级11输出端反射的电流应为0或最小。在最佳阻抗匹配的条件下，在耦合器次级13中流向绝缘端15的感应电流35应没有或有最小的耦合器中反射的分量。
如图5所示，耦合端19与端接电阻17相连。该端接或隔离端15与匹配网络23的输入21相连。次级中的电流方向限定了耦合端和隔离端。因此，耦合器次级13中的反向或第二感应电流35传送到匹配网络23，并通过匹配网络23传送检测二极管25，以产生检测器电压输出27。
图5所示的实施例具有上述匹配原级本机阻抗，如图6所示，耦合器次级13中的感应电流在隔离端15产生基本上为线性的频率响应。与补偿图2所示的非线性变化响应相比，补偿图6所示的线性变化响应更为容易。在该实施例中，匹配网络23的响应可设计成随频率增加，具有基本上线性的传递特性。在最佳实施例中，耦合器随频率增加的响应基本上示为具有正斜率的直线，匹配网络23在同一频率范围的响应为线性且为负斜率。因此，当流经耦合器原级的RF电流的频率增加时，耦合器隔离端的输出线性增加。但是，如图7所示，匹配网络的响应随频率增加而减小。耦合器隔离端15的传递响应(如图6所示)与匹配网络23的响应(如图7所示)的和，产生平直的检测二极管输入功率频率响应(如图8所示)。
匹配网络23的结构包括检测二极管的连接电容。
这里公开了一种产生线性传递频率响应的途径，这样在宽带频率范围内输出信号基本上是平直的。
微波或其它频率的耦合网络的专门设计，或匹配网络的专门设计，以及检测器(如用于检测输入功率的检测二极管)的使用都是已知，这里不再详细描述。
权利要求
1.一种宽带功率检测器，它与功率源相连，并在有限频率带度上产生一个相对于频率是平直的，指示所述功率源功率的输出信号，其特征在于该宽带功率检测器包括一个定向耦合装置，它具有一个原级和一个次级电路，且在所述次级电路中有隔离端和耦合端，所述耦合装置把所述功率源耦合到所述隔离端，所述原级电路与具有其阻抗与原级电路的输出阻抗相匹配的负载相连，还包括具有输入端和输出端的匹配网络，所述匹配网络的输入端与所述耦合装置的隔离端相连，所述耦合网络在所述隔离端产生一个输出信号，该信号在有限频带上基本上随频率线性变化，所述匹配网络具有一个输入至输出的响应，该响应补偿所述隔离端的基本上随频率线性变化的输出信号，且所述匹配网络在所述有限频带上产生一个不随频率变化的平直的输出信号。
2.根据权利要求1的功率检测器，其中所述匹配网络在所述有限频带宽度上的所述输入至输出响应与所述耦合装置隔离端在所述有限频带上随频率线性变化的输出信号相反，即是其的倒置。
3.根据权利要求1或2的功率检测装置，其中所述定向耦合装置有一个与所述定向耦合装置的耦合端相连的匹配阻抗。
4.根据权利要求1-3的任何一个的功率检测器，包括一个与所述匹配网络的输出端相连的检测器，所述检测器根据所述匹配网络在所述输出端的输出信号，产生一个来自所述功率源的功率的指示信号。
5.根据权利要求4的功率检测器，其中所述检测器是二极管检测器，所述二极管检测器有一个内部连接电容且所述匹配网络包括该连接电容。
6.根据权利要求1-5的任何一个所述的功率检测器，其中所述功率源在所述耦合装置的次级电路中产生一个第一电流，它向所述耦合端的方向传播，并产生一个耦合装置中的第二电流，它向所述隔离端的方向传播。
7.根据权利要求6所述的功率检测器，其中所述功率源在所述耦合装置的原级电路中产生一个电流;在所述耦合装置的所述次级电路中产生所述第二电流，作为反射波按所述耦合装置的原级电路中的电流方向传播。
8.根据权利要求7的功率检测器，其中所述隔离端的所述输出信号随频率的增加而增加，而所述匹配网络的输入至输出响应随频率的增加而减小。
9.根据权利要求8的功率检测器，其中所述匹配网络响应随频率的增加，以这样一种速率减小，该速率基本上为所述绝缘端输出信号的增加速率。
10.一种在有限频带宽度上产生相对于频率是平直的功率指示信号的方法，其特征在于该方法包括下列步骤把定向耦合器的原级电路与具有在有限频带宽度上变化的频率的功率源相连，把所述原级电路的输出端与一匹配负载相连，在所述耦合器的隔离端，产生一个在所述有限频带宽度上的与所述功率源频率有关的信号，把所述定向耦合器的次级电路的耦合端与一匹配阻抗相连，且所述耦合器的隔离端与一个匹配网络相连，把所述隔离端的输出的信号连到所述匹配网络，所述匹配网络有线性频率传递特性，并补偿所述隔离端的所述线性变化输出，在所述匹配网络的输出端产生一个在所述有限频带宽度上的相对于频率的平直输出信号。
11.根据权利要求10的方法包括使用匹配网络的步骤，该匹配网络具有随频率的增加斜率下降的线性传递特性，此时，所述绝缘端的输出随频率的增加而增加。
12.根据权利要求11的方法包括把二极管检测器与所述匹配网络的输出端的所述输出信号相连、以产生所述功率指示信号的步骤。
13.根据权利要求12的方法包括构成所述匹配网络的所述二极管检测器部分的连接电容的步骤。
14.根据权利要求13的方法包括在耦合器的次级电路中感应一个电流并把所述耦合装置的次级电路中感应的电流传送给所述匹配网络的步骤。
全文摘要
一个利用耦合器隔离端的信号产生基本上平直的响应的宽带检测器。由于隔离端的响应或传递特性基本上是线性的，所以随频率变化的具有相反的传递特性的匹配网络可与耦合器相连。将匹配网络传递特性与耦合器隔离端的传递特性叠加。匹配网络的传递特性补偿耦合器隔离端线性变化的传递特性，使匹配网络产生一个平直的输出。与匹配网络的输出相连的检测器则将在所关心的频带范围内产生基本平直的检测器信号。
文档编号G01R21/10GK1089358SQ9311279
公开日1994年7月13日 申请日期1993年12月21日 优先权日1992年12月21日
发明者詹姆斯·A·莱恩斯, 王旭吾 申请人:哈里公司