DD219296A1 - Mikrowellenleistungsmesser - Google Patents

Abstract

Ziel und Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung eines Mikrowellenleistungsmessers, vorzugsweise in Duennschichttechnik, der sowohl eine grosse Bandbreite, eine hohe und frequenzunabhaengige Empfindlichkeit und einen geringen Reflexionsfaktor fuer Mikrowellen als auch eine kurze Ansprechzeit und eine gute Stabilitaet gegenueber thermischer Einfluesse von aussen, insbesondere ueber den Innenleiter der Anschlussleitung, besitzt und fertigungstechnisch leicht beherrschbar ist. Dies wird unter Verwendung eines auf der einen Seite eines Substrates (1) aufgebrachten Widerstandes (6) und eines auf der anderen Seite des Substrates (1) angebrachten temperaturabhaengigen Sensors (9) dadurch geloest, dass sich auf der Seite des Widerstandes (6) eine aus zwei Schlitzen (2, 3) in einer elektrisch leitenden Schicht bestehenden Koplanarleitung mit deren Innenleiter (4) und deren Masseleiter (5) befindet. Vor dem Ende der mit einem Kurzschluss versehenen Koplanarleitung ist im Verlaufe des Innenleiters (4) der Widerstand (6) angeordnet und in seiner Naehe ein Kloetzchen (12) aus thermisch gut leitendem Material, welches auf Bezugstemperatur gebracht ist und in dessen Naehe sich, thermisch mit diesem verbunden, vorzugsweise auf der Seite des Sensors (9), weitere Sensoren (10, 11) fuer die Bezugstemperatur befinden. Anwendungsgebiete: Mikrowellenmesstechnik, z. B. in der Richtfunktechnik, Radartechnik, Sende- und Empfangstechnik, Industrielle ElektronikFig. 1

Description

Titel der Erfindung Mikrowellenleistungsmesser Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft einen Mikrowellenleistungsmesser, welcher sowohl eine hohe Empfindlichkeit als auch eine kurze Ansprechzeit besitzt, von Gleichstrom bis in das Mikrowellengebiet verwendbar und vorzugsweise in Dünnschichttechnik herstellbar ist.

Charakteristik der bekannten technischen Losungen

Die Wirkungsweise von Mikrowellenleistungsmessern beruht meist darauf, daß die zu messende Mikrowellenleistung einen Widerstand erwärmt . Diese Erwärmung ist proportional der zugeführten Mikrowellenleistung und wird mit geeigneten Sensoren in eine andere physikalische Größe, z. B. in eine Widerstandsänderung oder in eine Spannungsänderung, verwandelt, durch eine geeignete elektronische Schaltung ausgewertet und, in Mikrowellenleistung geeicht, angezeigt. Die gebräuchlichsten Sensoren hierfür sind temperaturabhängige Widerstände, z.B. Thermistoren oder Thermoelemente, die einen guten thermischen Kontakt mit dem Widerstand haben müssen. Um diesen guten thermischen Kontakt zu verwirklichen,

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werden häufig die Sensoren gleichzeitig als Widerstand für die Mikrowellenleistung ausgebildet. 3e nachdem, ob Widerstand und Sensor getrennt vorliegen, oder ob der Sensor die Funktion des Widerstandes mit übernimmt, unterschiedet man zwischen indirekt und direkt geheizten Sensoren.

Die Verbindung von Widerstand und Sensor möchte gleichermaßen verschiedene elektrische und thermische Eigenschaften, wie z, S, geringen Reflexionsfaktor, große Bandbreite, hohe und frequenzunabhängige Empfindlichkeit für Mikrowellenleistung, kurze Ansprechzeit, hohe mechanische und thermische Stabilität sowie eine geringe Empfindlichkeit gegenüber von äußeren thermischen Einflüssen besitzen.

Direkt geheizte Sensoren haben den Vorteil des idealen thermischen Kontaktes zwischen Widerstand und Sensor. Dabei muß die Mikrowellenanschlußleitung mit Kondensatoren für Gleichstrom und niedrige Frequenzen gesperrt werden, weil der Sensor sowohl im Mikrowellenstrbmkreis als auch im Stromkreis für die elektronische Auswerteschaltung liegt. Mit derartigen Sensoren bestückte Mikrowellenleistungsmesser besitzen somit den Nachteil eines eingeschränkten Frequenzbereiches. Sie sind deswegen auch nicht mit Gleichstroraleistung eichbar. Mit indirekt geheizten Sensoren bestückte Mikrowellenleistungsmesser besitzen diesen Nachteil nicht.

Ein bekannter Mikrowellenleistungsmesser, der mit einem indirekt geheizten Sensor bestückt ist, besteht aus einer koaxialen Anschlußleitung für die Mikrowellenleistung, an deren Ende ein dünnes scheibenförmiges Substrat aus elektrisch isolierendem Material befestigt ist. Auf der der koaxialen Anschlußleitung zugewandten Seite des Substrates befinden sich zwei aufgedampfte radial angeordnete Dünnschichtwiderstände, die elektrisch parallelgeschaltet sind, den Innenleiter mit dem Außenleiter verbinden und die Leitung mit ihrem Wellen-

widerstand abschließen. Zwei in Reihe geschaltete Sensoren in Form zweier Oünnschichtthermoelemente befinden sich, elektrisch von den Widerständen isoliert, auf der anderen Seite des Substrates. Und zwar sind die beiden "heißen" Kontaktstellen der Thermoelemente jeweils in der Nähe der Widerstände in engem thermischen Kontakt zu diesen angeordnet , während sich zwei "kalte" Kontaktstellen in der Nähe des Außenleiters und eine "kalte" Kontaktstelle in der Nähe des Innenleiters der koaxialen Leitung, wiederum in engem thermischen Kontakt zu diesen befinden. Diese Anordnung besitzt den Nachteil einer verhältnismäßig schlechten Anpassung (Stehwellenverhältnis SWR 1,3), weil das Ende der koaxialen Leitung, an welchem die Dünnschichtwiderstände angeschlossen sind, durch die für das Feld offene Leitung eine parasitäre Kapazität besitzt. Ein weiterer Nachteil besteht darin, daß eine "kalte" Verbindungsstelle der Thermoelemente thermisch mit dem Innenleiter verbunden ist, während die anderen beiden die Temperatur des Außenleiters besitzen. Bei thermischen Einflüssen von außen, z. B. durch angeschlos-* sene Mikrowellengeräte, kann der Innenleiter, wenn auch kurz-* zeitig, eine andere Temperatur besitzen als der Außenleiter. Dadurch entsteht in den Thermoelementen eine Störspannung, die die Nullpunkteichung wandern läßt und somit zu Fehlraessungen führt.

Ein weiterer Grund für Fehlmessungen besteht, weil sich die "heißen" Verbindungsstellen der Thermoelemente und deren Anschlußleitungen im Mikrowellenfeld der koaxialen Leitung befinden. Mit steigender Frequenz nimmt die Verkopplung des Mikrowellenfeldes mit den Thermoelementen zu, so daß die Leistungsverteilung zwischen den Schichtwiderständen und den Thermoelementen und damit die Eichung des Leistungsmessers frequenzabhängig ist.

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Die "kalten" Verbindungsstellen der Thermoelemente befinden sich nahe an den Leitern der koaxialen Anschlußleitung, so daß die thermischen Eigenschaften der Anordnung weitestgehend durch ihre elektrische Konstruktion vorgegeben sind.

Ziel der Erfindung

Ziel der Erfindung ist. die Erreichung einer einfachen Lösung für einen Mikrowellenleistungsraesser, der fertigungstechnisch leicht beherrschbar und damit technologisch und ökonomisch günstiger sein soll. Dabei sollen die beschriebenen Nachteile der bekannten technischen Lösungen, die auch durch die Anwendung von Bauteilen der Mikroelektronik (z. B. Dünnschichtwiderstände) in konventionellen Koaxialleitungen entstehen, beseitigt werden.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Mikrowellenleistungsmesser, vorzugsweise in Dünnschichttechnik, zu schaffen, der sowohl eine große Bandbreite, eine hohe und frequenzunabhängige Empfindlichkeit und einen geringen Reflexionsfaktor für Mikrowellen als auch eine kurze Ansprechzeit und eine gute Stabilität gegenüber thermischer Einflüsse von außen, insbesondere über den Innenleiter der Anschlußleitung, besitzt.

Diese Aufgabe wird unter Verwendung eines auf der einen Seite eines dünnen elektrisch isolierenden Substrates aufgebrachten Widerstandes, vorzugsweise eines Dünnschichtwiderstandes, und eines auf der anderen Seite des Substrates, möglichst nahe an diesem Widerstand, angebrachten temperaturabhähgigen Sensors erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß sich auf der Seite des Widerstandes eine aus zwei Schlitzen in einer elektrisch leitenden Schicht bestehende Koplanarleitung mit deren Innen-

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leiter und deren Masseleiter·befindet. Vor dem Ende der mit einem Kurzschluß versehenen Koplanarleitung ist in Verlaufe des Innenleiters der Widerstand angeordnet und in der Nähe des Widerstandes, vorzugsweise vom Widerstand ausgesehen ,hinter dem Kurzschluß, ein Klötzchen aus thermisch gut leitenden Material, welches auf Bezugstemperatur, vorzugsweise auf Raumtemperatur, gebracht ist und in dessen Nähe sich, thermisch mit diesem verbunden, vorzugsweise auf der Seite des Sensors weitere Sensoren für die Bezugstemperatur befinden.

Zweckmäßigerweise ist das Klötzchen über einen thermischen -Tiefpaß mit der Bezugstemperatur, vorzugsweise dem auf Raumtemperatur befindlichen Gehäuse, verbunden.

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Es ist aus Gründen der Anpassung vorteilhaft, daß sich die Schlitze und der Innenleiter der Koplanarleitung an dem dem Widerstand entgegengesetzten Ende der Koplanarleitung fächerförmig bis auf die Abmessungen einer vorwiegend koaxialen An- Schlußleitung verbreitern.

Zur Erhöhung der Empfindlichkeit des Mikrowellenleistungsmessers können als Sensoren mehrere in Reihe geschaltete Thermoelemente vorhanden sein,

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Weiterhin ist es möglich, zur Verbesserung der Anpassung in der Nähe des Widerstandes elektrische Kompensationselemente, z. B. Leitungseinschnürungen, Stifte u.a. vorzusehen.

Zur elektrischen Abschirmung ist es zweckmäßig, das Substrat mit den darauf angeordneten Leitungen bzw. Teilen ganz oder teilweise in einem elektrischen Abschirmgehäuse unterzubringen, das auch durch den verlängerten Außenleiter einer koaxialen AnsChlußleitung gebildet sein kann.

Oa das Substrat aus thermischen Gründen aus einer sehr dünnen Folie besteht, kann es zweckmäßig sein, das Substrat über einer geeigneten Aussparung eines weiteren mechanisch stabileren Substrates, auf welchem auch Anschlußleitungen für die Koplanarleitung angebracht sein können, zu fassen.

AusfUhrungsbeispiel

Die Erfindung soll an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert werden. .

Es stellen dar

Fig. 1: die Draufsicht auf einen erfindungsgemäßen Leistungsmesser

Fig. 2: den Sehnitft A-B gemäß Fig* I und Fig. 3: den Schnitt C->D gemäß Fig. 1

Eine Seite eines dünnen Substrates 1 aus elektrisch isolierendem Material ist mit einem elektrisch leitenden 'Material beschichtet. In dieser Schicht befinden sich zwei Schlitze 2 und 3, die diese Schicht in einen Innenleiter und einen Masseleiter 5 einer Koplanarleitung teilen. Das Ende dieser Koplanarleitung ist mit einem Widerstand 6, hier einem Dünnschichtwiderstand, reflexipnsfrei abgeschlossen. Die Enden 7 und 8 der beiden Schlitze 2 und 3 bilden den erforderlichen zum Widerstand 6 gehörenden . physikalisch nötigen Kurzschluß 7; 8 der Koplanarleitung. Auf der anderen Seite des Substrates 1 befindet sich ein temperaturempfindlicher Sensor 9, der in diesem Ausführungsbeispiel durch die heiße Verbindungsstelle eines Thermoelementes gebildet wird. Die kalten Verbindungsstellen des Thermoelementes, welche weitere Sensoren 10; 11 darstellen, sind thermisch gut leitend mit einem sich auf der BezugstempeVatur, vorzugsweise Raumtemperatur, befindlichen Klötzchen 12 aus thermisch gut leitendem Material verbunden, jedoch elektrisch von diesem isoliert.

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Die weiteren Sensoren IO und 11 sind mit dem Sensor 9 durch zwei aus verschiedenen Materialien bestehende Zuleitungen 13 und 14 verbunden. Über die Leitungen 15 und 16 sind die weiteren Sensoren 10 ; 11 mit einer elektronischen Auswerteschaltung verbunden. Die Schlitzen und 3 sowie der Innenleiter 4 verlaufen fächerförmig und bilden somit einen angepaßten Übergang bis zu den Abmessungen einer daran angeschlossenen koaxialen Anschlußleitung.

Die Wirkungsweise des erfindungsgemäßen Leistungsmessers ist nachfolgend beschrieben:

über die aus*den Schlitzen 2 und 3, dem Innenleiter 4 und dem Masseleiter 5 gebildete Koplanarleitung gelangt die zu messende Mikrowellenleistung zu dem Widerstand 6, erwärmt diesen und damit auch den temperaturempfindlichen Sensor 9 gegenüber dem auf der Raumtemperatur befindlichen Klötzchen 12, Bei Dünnschichtschaltungen lassen sich sehr kleine Abmessungen realisieren. Z.B. können die Breiten der Schlitze 2 und 3 und die des Widerstandes 6, des Innenleiters 4 und des Sensors 9 sowie dessen Zuleitungen 13 und 14 und auch die Stärke des Substrates 1 einige hundertstel Millimeter oder weniger betragen, wodurch eine hohe thermische Empfindlichkeit und auch eine geringe Ansprechzeit erreichbar ist. Die derart ausgebildete Koplanarleitung bewirkt eine gute thermische Entkopplung des Widerstandes 6 und des Sensors 9 gegenüber dem Innenleiter einer koaxialen Anschlußleitung. Da der Sensor 9 indirekt geheizt wird, ist die Bandbreite groß und der Leistungsmesser kann auch mit Gleichstromleistung geeicht werden.

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In Koplanarleitungen breiten sich die Mikrowellen als Quasi-TEM-Mode aus. Für Leitungen mit Wellen dieser Ausbreitungsform gilt, daß Widerstände, die sehr kurz gegenüber der Wellenlänge sind, etwa die entsprechende Leitungsform besitzen und die vor einem Kurzschluß angeordnet sind,

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einen Leitungsabschluß geringer Reflexion darstellen.

Das elektrische Feld ist £m wesentlichen auf die Schlitze 2 und 3 konzentriert/ so daß die Verkopplung zwischen dem Feld der Koplanarleitung und dem Sensor 9 sowie dessen Zuleitungen 13 und 14 gering ist. Außerdem sind die wirk-' , samen Flächen und damit die Koppelkapazitäten auf Grund der mikroelektronischen Bauweise klein.

Bei der erfindungsgemäßen Anordnung ist der Stromkreis für Mikrowellen weitestgehend vom Wärmestrom getrennt, so daß

, durch geeignete Wahl des Abstandes zwischen Widerstand 6 und Klötzchen 12 der thermische Widerstand und damit die Empfindlichkeit und die Ansprechzeit dimensioniert werden können, ohne die Eigenschaften für Mikrowellen zu beeinflussen.

Claims (7)

Erfindungsanspruch

1. Mikrowellenleistungsmesser, bestehend aus einem auf der einen Seite eines dünnen elektrisch isolierenden Subst rates aufgebrachten Widerstand, vorzugsweise einem Dünnschichtwiderstand und einem auf der anderen Seite dieses Substrates, möglichst nahe an diesem Widerstand, angebrachten temperaturerapfindlichen Sensor, z. B. einem Thermistor oder der "heißen" Verbindungsstelle eines Thermoelementes, der vorzugsweise ebenfalls in Dünnschichttechnik ausgeführt ist, dadurch gekennzeichnet, daß sich auf der Seite des Widerstandes (6) eine aus zwei Schlitzen (2; 3) in einer elektrisch leitenden Schicht bestehende Koplanarleitung mit deren Innenleiter (4) und deren Mässeleiter (5) befindet, vor deren mit einem Kurzschluß (7,8) versehenen Ende sich im Verlaufe des Innenleiters (4) der Widerstand (6) befindet und daß in der Nahe des Widerstandes (6), vorzugsweise vom Widerstand aus gesehen hinter dem Kurzschluß (7, 8) ein Klötzchen (12) austhermisch gut leitendem Material befindet, welches auf Bezugstemperatur, vorzugsweise auf Raumtemperatur, gebracht ist und in dessen Nähe sich, thermisch mit diesem verbunden, vorzugsweise auf der Seite des Sensors (9) weitere Sensoren (10; 11) für die Bezugstemperatur befinden.

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2. Mikrowellenleistungsmesser nach Punkt 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Klötzchen (12) über einen thermischen Tiefpaß mit der Bezugstemperatur, vorzugsweise dem auf Raumtemperatur befindlichen Gehäuse, verbunden ist.

3« Mikrowellenleistungsmesser nach Punkt 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Schlitze (2; 3) und der Innenleiter (4) der Koplanarleitung an dem dem Widerstand (6) entgegengesetzten Ende der Koplanarleitung fächerförmig bis auf die Abmessungen einer vorwiegend koaxialen Anschlußleitung verbreitern.,

4. Mikroweilenleistungsmesser nach Punkt 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß als Sensoren (9; 10; 11) mehrere in Reihe geschaltete Thermoelemente vorhanden sind.

5. Mikrowellenleistungsraesser nach Punkt 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß in der Nähe des Widerstandes (6) elektrische Kompensationselemente, z. B. Leitungseinschnürungen, Stifte u. dgl. vorhanden sind.

6. Mikrowellenleistungsmesser nach Punkt 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat (1) mit den darauf angeordneten Leitungen bzw. Teilen ganz oder teilweise in einem elektrischen Abschirmgehäuse untergebracht ist, das auch durch den verlängerten Außenleiter einer koaxialen Anschiußleitung gebildet sein kann.

7. Mikrowellenleistungsmesser nach Punkt 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat (1) mit den darauf angeordneten Leitungen bzw. Teilen auf einem weiteren mechanisch stabileren Substrat angeordnet ist, auf welchem auch Anschlußleitungen für die Koplanarleitung vorhanden sein können.

Hierzu 1 Blatt Zeichnung