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Absorptions-HF-Leistungssensortypen

Absorptions-HF-Leistungssensortypen

Die HF-Leistung ist nicht immer einfach zu messen. Es gibt verschiedene Methoden zur Messung der HF-Leistung, von denen jede ihre eigenen Vor- und Nachteile hat. Dementsprechend hängt die Art des verwendeten HF-Leistungssensors von der Art des zu messenden Signals ab. Einige Arten der HF-Leistungssensortechnologie sind eher auf niedrige Leistungen anwendbar, andere auf Modulationstechniken, bei denen die Hüllkurve variiert, und so weiter.

Typischerweise umfasst ein HF- oder Mikrowellenleistungsmesser eine Einheit, in der alle Steuer- und Verarbeitungsschaltungen enthalten sind, aber die Leistung selbst wird in einem Sensor oder "Kopf" erfasst, der normalerweise als Sensor oder "Kopf" bezeichnet wird. Somit kann es für einen Leistungsmesser möglich sein, einen von mehreren Leistungsköpfen gemäß den genauen Anforderungen zu verwenden, insbesondere in Bezug auf die Leistung.

Es ist wichtig zu beachten, dass Leistungsmesser als Last für die HF-Leistung dienen, die vom Kopf absorbiert wird. Diese Hochleistungsmesser haben große Lasten, die die erforderliche Leistung abführen können. Alternativ kann ein kleiner Teil der Leistung mittels eines Kopplers oder unter Verwendung eines Hochleistungsdämpfers extrahiert werden, so dass die Nennleistung des HF-Leistungsmesskopfes nicht überschritten wird.

HF-Leistungssensortechnologien

Die HF-Leistungssensoren sind das Schlüsselelement jedes HF-Leistungsmessers, und die Wahl des Sensortyps hängt von den wahrscheinlichen Anwendungen ab, die in Betracht gezogen werden. Die HF-Leistungsmessertechnologien lassen sich in zwei grundlegende Kategorien einteilen:

  • Diodendetektor basiert
  • Wärmebasiert

Obwohl beide Arten von Messgeräten seit vielen Jahren erhältlich sind, wurden beide Technologien im Laufe der Jahre stark verfeinert und können sehr hohe Leistungsniveaus erreichen. Aufgrund ihrer unterschiedlichen Attribute werden sie auch in verschiedenen Anwendungstypen verwendet.

Diodendetektor-basierte HF-Leistungsmesser-Sensoren

Die einfachste Form des HF-Leistungssensors, die in HF-Leistungsmessern verwendet wird, verwendet Diodengleichrichter, um einen Ausgang zu erzeugen. HF-Leistungssensoren mit Dioden sind so ausgelegt, dass der Sensor die HF-Leistung in einer Last ableitet. Ein Diodendetektor korrigiert dann das über der Last auftretende Spannungssignal und kann dann verwendet werden, um den in die Last eintretenden Leistungspegel zu bestimmen.

Diese Form des Leistungssensors wird in vielen grundlegenden analogen Leistungsmessern verwendet, obwohl die Technologie auch in Hochleistungs-Leistungsmessern verwendet wird.

Diodenbasierte HF-Leistungssensoren haben zwei Hauptvorteile:

  • Das erste ist, dass sie Signale bis zu einer sehr geringen Leistung messen können. Einige dieser diodenbasierten HF-Leistungssensoren können Leistungspegel von nur -70 dBm messen. Dies ist viel geringer als bei Verwendung von wärmebasierten HF-Leistungssensoren.
  • Der andere Vorteil von diodenbasierten HF-Leistungsmessersensoren ist die Tatsache, dass sie schneller reagieren können als die wärmebasierten Varianten. Bei einigen älteren Leistungsmessern wird die Ausgabe des Dioden-HF-Leistungssensors auf einfache Weise verarbeitet, aber eine weitaus ausgefeiltere Verarbeitung der Messwerte kann unter Verwendung digitaler Signalverarbeitungstechniken erfolgen. Auf diese Weise können die Messwerte verarbeitet werden, um die Ergebnisse im erforderlichen Format zu erhalten. Eine zeitliche Integration ist erforderlich oder bei Bedarf werden schnellere und schnellere Messwerte angezeigt.

Obwohl die Grundprinzipien des Betriebs von Dioden als Detektoren bekannt sind, stellt das Design von Diodendetektoren einige Herausforderungen beim Entwurf genauer Testinstrumente. Das erste ist, dass die gespeicherten Ladungseffekte gewöhnlicher Dioden den Betriebsbereich der Dioden begrenzen. Infolgedessen werden Metall-Halbleiterdioden - Schottky-Sperrdioden - in HF-Leistungssensoren verwendet, da diese Dioden eine viel geringere gespeicherte Ladung und einen niedrigen Einschaltpunkt für die Vorwärtsleitung aufweisen.

Trotz der niedrigen Einschaltspannung der Schottky-Diode (0,3 Volt für Silizium) begrenzt dies immer noch die niedrigsten Signalpegel, die erfasst werden können - ein Signal von etwa -20 dBm ist erforderlich, um diese Spannung zu überwinden. Ein Ansatz besteht darin, die Diode mit Wechselstrom zu koppeln und eine Vorspannung von 0,3 Volt anzulegen. Dies erhöht jedoch nur die Empfindlichkeit um etwa 10 dB aufgrund von Leitungsrauschen und Drift, die durch den Vorspannungsstrom eingeführt werden.

Heutzutage werden häufig Gallium-Arsenid (GaAs) -Halbleiterdioden verwendet, da sie im Vergleich zu Siliziumdioden eine überlegene Leistung bieten. Die in HF-Leistungssensoren verwendeten Galliumarseniddioden werden typischerweise unter Verwendung einer planar dotierten Barrieretechnologie hergestellt, und obwohl die Dioden teurer sind, bieten sie signifikante Vorteile für Leistungssensoren bei Mikrowellenfrequenzen.

HF- und Mikrowellendioden-Leistungssensoren sind häufig der Sensor der Wahl. Der Ausgang der Diode kann unter Verwendung einer fortschrittlichen digitalen Signalverarbeitung verarbeitet werden. Dies bedeutet, dass ein einzelner Sensor eine Vielzahl von Funktionen bereitstellen kann, die mit wärmebasierten Sensoren nicht möglich wären. Mit Dioden, die die Hüllkurve erfassen, können verschiedene Wellenformen gemessen werden.

Wärmebasierte Sensoren für HF-Leistungsmesser

Wie der Name schon sagt, leiten wärmebasierte Sensoren die Leistung einer Lastquelle ab und messen dann den resultierenden Temperaturanstieg.

Die wärmebasierten HF-Leistungssensoren haben den Vorteil, dass sie die wahre Durchschnittsleistung messen können, da die abgegebene Wärme das Integral der Leistungsaufnahme über einen bestimmten Zeitraum ist. Infolgedessen messen diese HF-Leistungssensoren den HF-Leistungspegel unabhängig von der Wellenform. Somit ist die Messung wahr, unabhängig davon, ob die Wellenform CW, AM, FM, PM ist, gepulst ist, einen großen Scheitelfaktor aufweist oder aus einer anderen komplexen Wellenform besteht. Dies ist in vielen Fällen ein besonderer Vorteil, insbesondere da QAM und andere Formen der Phasenmodulation zunehmend verwendet werden und diese keine konstante Hüllkurve aufweisen.

Aufgrund der Zeitkonstante dieser HF-Leistungssensoren sind sie nicht zur Messung von Momentanwerten geeignet. Wenn diese Messungen erforderlich sind, sind möglicherweise andere Sensortypen besser geeignet.

Es werden zwei Haupttechnologien verwendet:

  • Thermistor-HF-Leistungssensoren: Thermistor-HF-Leistungssensoren sind seit vielen Jahren weit verbreitet und bieten eine sehr nützliche Methode, um hochqualitative HF-Leistungsmessungen durchzuführen. Während Thermoelement- und Diodentechnologien in den letzten Jahren immer beliebter geworden sind, sind die HF-Leistungssensoren des Thermistors häufig der HF-Leistungssensor der Wahl, da sie den Austausch von Gleichstrom ermöglichen, um die Kalibrierung des Systems zu ermöglichen.

    Der Thermistor-HF-Leistungssensor nutzt die Tatsache, dass der Temperaturanstieg aus der Ableitung der HF in einer HF-Last resultiert. Es gibt zwei Arten von Sensoren, mit denen dieser Temperaturanstieg erfasst werden kann. Einer ist als Barretter bekannt - ein dünner Draht mit einem positiven Temperaturkoeffizienten. Der andere ist ein Thermistor - ein Halbleiter mit einem negativen Temperaturkoeffizienten, der typischerweise nur einen Durchmesser von etwa 0,5 mm hat. Heutzutage werden in HF-Leistungssensoren nur noch Thermistoren verwendet.

    Normalerweise wird eine ausgeglichene Brückentechnik verwendet. Hier wird der Widerstand des Thermistorelements durch Verwendung einer Gleichstromvorspannung auf einem konstanten Widerstand gehalten. Wenn die HF-Leistung im Thermistor abgeführt wird, um den Widerstand zu verringern, wird wiederum die Vorspannung verringert, um das Gleichgewicht der Brücke aufrechtzuerhalten. Die Abnahme der Vorspannung ist dann ein Hinweis auf die Verlustleistung.

    Heutige Thermistorsensoren enthalten einen zweiten Satz Thermistoren, um Änderungen der Umgebungstemperatur auszugleichen, die sonst die Messwerte ausgleichen würden.

  • Thermoelement-HF-Leistungssensoren: Thermoelemente werden heutzutage häufig in HF- und Mikrowellenleistungssensoren verwendet. Sie bieten zwei Hauptvorteile:
    • Sie weisen eine höhere Empfindlichkeit auf als Thermistor-HF-Leistungssensoren und können daher zur Erkennung niedrigerer Leistungspegel verwendet werden. Sie können leicht durchgeführt werden, um Leistungsmessungen bis zu einem Mikrowatt durchzuführen.
    • Thermoelement-HF- und Mikrowellenleistungssensoren besitzen eine quadratische Detektionscharakteristik. Dies führt dazu, dass die HF-Eingangsleistung proportional zur DC-Ausgangsspannung des Thermoelementsensors ist.
    • Sie bieten einen sehr robusten Leistungssensor - sie sind robuster als Thermistoren.
    Thermoelemente sind echte wärmebasierte Sensoren und liefern daher einen echten Durchschnitt der Leistung. Dementsprechend können sie für alle Signalformate verwendet werden, sofern das durchschnittliche Leistungsniveau erforderlich ist.

    Das Prinzip eines Thermoelements ist einfach: Übergänge unterschiedlicher Metalle führen bei unterschiedlichen Temperaturen zu einem geringen Potential.

    Moderne Thermoelemente, wie sie in HF- und Mikrowellenleistungssensoren verwendet werden, sind typischerweise in einem einzelnen integrierten Siliziumchip-Chip ausgelegt. Sie erfassen die durch das HF-Signal im Lastwiderstand abgegebene Wärme.

Viele HF-Leistungsmesser bieten die Möglichkeit, eine Vielzahl von Hochfrequenz-Leistungssensoren zu verwenden, die von den genauen durchzuführenden Naturmessungen abhängen. Während die wärmebasierten HF-Leistungssensoren eher für Anwendungen geeignet sind, bei denen eine integrierte Messung erforderlich ist, sind diodenbasierte Sensoren besser geeignet, wenn Messungen mit niedrigem Pegel oder sofortigen Messungen erforderlich sind. Dementsprechend ist es notwendig, den Sensor abhängig von den vorgesehenen Anwendungen auszuwählen.

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