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Gebiet der Erfindung
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Die Erfindung bezieht sich auf Vorrichtungen zur
Leistungsniveaumessung und spezifischer auf Vorrichtungen für Mikrowellenleistungsniveaumessung
an Signalen mit hohen Spitzen-Mittelwert-Verhältnissen über einen
weiten, dynamischen Bereich.
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Hintergrund
der Erfindung
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Mikrowellensignale mit vielen Arten
von Modulationsformaten, wie unterschiedliche Formen von CDMA-Signalen
haben hohe, aber willkürliche
Scheitel- bzw. Spitzen-Mittelwert-Verhältnisse über einen sehr
weiten, dynamischen Bereich. Diese Signale stellen ernsthafte Herausforderungen
für genaue
und schnelle Leistungsniveaumessungen über weite, dynamische Bereiche
dar.
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Einige Methoden wurden beschrieben,
die versuchen, den Leistungsabtastungspfad bzw. -weg in der "Quadratgesetz"-Region zu placieren
(siehe US-Patent 4,943,764) oder anderweitig die Leistungssensordurchführung zu
verbessern (siehe US-Patent 5,204,613). Die Genauigkeit, die eine Messung
von modulierten Signalen mit hohen Spitzen-Mittelwert-Verhältnissen
bietet, ist jedoch nicht zufriedenstellend.
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Eine weitere Technik, welche versucht,
genaue Mikrowellenleistungsmessungen über weite, dynamische Bereiche
für Modulationen
mit hohen Spitzen-Mittelwert-Verhältnissen genau durchzuführen, ist
beschrieben in, "Power
Measurement Tech niques for Modulated Signals" von J. P. Cole und B. Stribling in
Microwave Engineering, Europa, Oktober 1995, beinhaltet charakteristischerweise
einen Sensor für
kontinuierliche bzw. ungedämpfte
Welle (CW) für
eine vorgegebene Art der Modulation über den Leistungsbereich von
Interesse, z. B. –70
dBm bis +20 dBm. Diese Technik hat den Nachteil, nur in dem Ausmaß genau
zu sein, in dem die gemessene Modulation annähernd ident mit der Modulationsform
ist, für
die der Sensor ursprünglich
charakterisiert wurde. Da kommerzielle Formate, wie CDMA, sehr schnell wechseln,
riskiert ein Sensor, der nur für
eine Form einer Modulation charakterisiert ist, zu veralten.
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Keine der derzeit bekannten Methoden
ist komplett zufriedenstellend vom Standpunkt der Genauigkeit oder
Anwendung aus gesehen.
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Was gebraucht wird, ist eine Leistungsmessungsvorrichtung,
die Messungen von Signalen über einen
dynamischen Bereich von etwa 90 dB (ungefähr –70 dBm bis ungefähr +20 dBm)
mit erhöhter Genauigkeit
beim Messen von hohen Spitzen-Mittelwert-Leistungsverhältnissen über –20 dB macht.
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Zusammenfassung
der Erfindung
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Die Erfindung, wie in Anspruch 1
definiert, stellt eine Leistungsmessungseinrichtung zur Verfügung, die
Signale über
einen weiten, dynamischen Bereich mit verbesserter Genauigkeit beim
Messen von Signalen mit hohen Spitzen-Mittelwert-Leistungsverhältnissignalen
mit hohem Scheitelwert über –20 dBm
mißt.
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Die Erfindung stellt einen Diodenstapel-Mikrowellenleistungssensor
zur Verfügung,
welcher einen RF-Signalempfänger
beinhaltet, umfassend weite, dynamische Leistungsbereiche; einen
Sensorweg niedriger Leistung, der zwischen Empfänger und Erde für ein Abtasten
bzw. Erfassen von RF-Eingangssignalen relativ niedriger Leistung
angeschlossen ist. Der Sensorweg niedriger Leistung beinhaltet einen
oder mehrere gestapelte RF-Dioden, in welchen eine Anzahl von Diodenpaaren
durch entsprechende Kondensatoren mit Erde verbunden bzw. gekoppelt
sein können.
Ein Impedanznetzwerk, beinhaltend dämpfende Widerstände R1 und
R2, ist in Serie zwischen dem Empfänger und Erde angeschlossen.
Ein Sensorweg hoher Leistung ist parallel zwischen den dämpfenden
Widerständen
R1 und R2 und Erde zum Abtasten bzw. Erfassen gedämpfter RF-Eingabesignale
relativ hoher Leistung angeschlossen. Der hohe Sensorweg beinhaltet
eine zweite, gestapelte RF-Diode, in welcher eine zweite Anzahl
von gestagelten Diodenpaaren durch einen entsprechenden Kondensator
mit Erde verbunden ist, und in welcher die Sensordiode im Quadratgesetzbereich
arbeitet und die Leistungsniveaus über den weiten, dynamischen
Bereich von den empfangenen RF-Signalen abtastet.
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Die Erfindung bietet weiter ein Diodenstapel-Mikrowellenleistungssensornetzwerk.
Das Netzwerk beinhaltet RF-Signalempfänger, die weite, dynamische
Leistungsbereiche aufweisen; einen Sensorweg niedriger Leistung
für eine
Abtastung von RF-Eingabesignalen relativ niedriger Leistung, wobei der
Sensorweg niedriger Leistung eine erste, gestapelte RF-Diode beinhaltet,
welche alleinstehend oder gestapelt sein kann, welche eine erste
Anzahl von Diodenpaaren aufweist, die durch entsprechende Kondensatoren
mit Erde verbunden sind. Das Netzwerk beinhaltet außerdem ein
Impedanznetzwerk mit einer Anzahl von dämpfenden Widerständen R1,
R2,..., RN und Erde für
eine Abtastung bzw. Erfassung unterschiedlicher Niveaus von gedämpften RF-Eingabesignalen
relativ hoher Leistung. Die Sensorwege höherer Leistung beinhalten jeweils
eine zweite, gestapelte RF-Diode, welche eine willkürliche Anzahl von
Diodenpaaren aufweist, die durch einen entsprechende Kondensator
mit Erde verbunden sind, und in welchen die Sensordiode im Quadratgesetzbereich operiert
bzw. arbeitet, wobei die Leistungsniveaus über die weiten, dynamischen
Bereiche des empfangenen RF-Signals abgetastet werden.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
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Die beigeschlossenen Zeichnungen,
welche enthalten sind in und einen Teil dieser Beschreibung bilden
und in welchen Bezugszeichen gleiche Komponenten repräsentieren,
veranschaulichen Anordnungen, die nicht Ausführungen der vorliegenden Erfindung
darstellen, zusammen mit Anordnungen, die bevorzugte Ausführungsformen
der Erfindung darstellen, und dienen zusammen mit der Beschreibung dazu,
die Prinzipien der Erfindung zu erklären:
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1 zeigt
eine Implementierung bzw. Ausführung
eines Sensors mit großem
Dynamikbereich für
die wahre, mittlere Mikrowellenleistung unter Aufnahme einer Diodenstapel-Dämpfungsgliedtechnologie.
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2 zeigt
eine Ausführung
eines Mikrowellenleistungssensors unter Aufnahme einer Diodenstapel-Dämpfungsgliedtechnologie
in Übereinstimmung
mit der bevorzugten Ausführungsform.
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3 zeigt
eine weitere Anordnung, welche keine Ausführungsform der Erfindung ist,
welche nützlich
ist, um den flacheren Cal-Faktor gegenüber der Frequenz zu erhalten.
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4 zeigt
eine weitere stark verallgemeinerte Anordnung. 5 zeigt einen Graph von Ergebnissen,
die der Erfindung zuzuschreiben sind.
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Detaillierte
Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
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Es wird nun im Detail auf die oben
erwähnten Anordnungen
und bevorzugten Ausführungsformen der
Erfindung Bezug genommen, von welcher Beispiele in den beigeschlossenen
Zeichnungen dargestellt sind.
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Die Erfindung stellt einen Leistungssensor zur
Verfügung,
welcher eine Diodenstapel-Dämpfungsdiodenstapel-Konfiguration
enthält,
um das Signal für
die Sensorendioden im Dioden-"Quadratgesetz"-Bereich zu halten.
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1 zeigt
einen Diodenstapel-Mikrowellenleistungssensor 10, welcher
Eingabemittel 12 für
ein Empfangen von RF-Eingabesignalen beinhaltet, welche weite, dynamische
Leistungsbereiche aufweisen;
einen Sensorweg niedriger Leistung 14,
der zwischen den Eingabemitteln 12 und Erde verbunden ist,
um RF-Eingabesignale relativ niedriger Leistung abzutasten bzw.
zu erfassen, wobei der Sensorweg niedriger Leistung 14 erste,
gestapelte RF-Diodenmittel 18 enthält, die eine erste Anzahl von
Diodenpaaren aufweisen, die durch entsprechende Kondensatoren mit
Erde gekoppelt sind;
ein Impedanznetzwerk 20, das
dämpfende
Widerstände
R1 und R2 enthält,
die in Serienschaltung zwischen den Eingabemitteln 12 und
Erde verbunden sind;
einen Sensorweg hoher Leistung 22,
der parallel zwischen den dämpfenden
Widerständen
R1 und R2 und Erde für
ein Abtasten bzw. Erfassen von gedämpften RF-Eingabesignalen re lativ
hoher Leistung angeschlossen ist, wobei der hohe Sensorweg 22 zweite,
gestapelte RF-Diodenmittel 24 beinhaltet, die eine zweite
Anzahl von gestapelten Diodenpaaren aufweisen, die durch einen entsprechenden
Kondensator mit Erde verbunden bzw. gekoppelt sind;
wobei die
Sensordiodenmittel im Quadratgesetzbereich arbeiten und die Leistungsniveaus über die
weiten, dynamischen Bereiche der empfangenen RF-Signale erfassen.
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Wie unter Bezugnahme auf 1 ersichtlich, beinhaltet
die erfindungsgemäße Konfiguration ein
anti-paralleles Paar von gestapelten Sensordioden parallel zu der
Serienanordnung bzw. -kombination der Widerstände R1 und R2. Da eine 50 Ω Impedanz
die am häufigsten
vorkommende Übertragüngsleitungsimpedanz
bei Mikrowellenfrequenzen ist, wird der Widerstand von R1 und R2
parallel zu dem Bild- bzw. Videowiderstand des Diodenstapelwegs
niedriger Leistung typischerweise auf 50 Ω gesetzt, um einen Abschluß geringer
Reflexion für
das eingehende Signal zu erzeugen.
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Allgemeiner könnte ein zusätzliches
Impedanz anpassendes Element parallel mit dem Bild- bzw. Videowiderstand
der Dioden, genauso wie parallel zu der Summe von R1 und R2 verwendet
werden, so daß eine
enge Übereinstimmung
bei dem RF-Eingang auf 50 Ω besteht.
Die Anzahl von Dioden in dem Diodenstapelweg niedriger Leistung
kann von eins (einer standardmäßigen anti-parallelen
Paaranordnung) bis N reichen, wobei ein höheres N geringere Sensitivität bzw. Empfindlichkeit
bei Signalen niedrigen Niveaus, aber einen größeren; dynamischen Bereich
des im "Quadratgesetz" arbeitenden Bereichs
für den
Weg niedriger Leistung ergibt. Obwohl nicht dargestellt, wird von
einem Weg niedriger Leistung mit einer einzigen Diode angenommen,
daß er eine
Kon figuration ist, die durch diese Erfindung abgedeckt ist, wie
sie hier gelehrt wird.
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Der Sensorweg hoher Leistung erfaßt ein Signal,
dessen RF-Spannung
proportional ist zu R2/(R1 + R2) mal der Spannung des ursprünglichen RF-Signals über die
Serienkombination von R1 und R2. Weil die Spannung aus dem Diodenstapel
in dem Sensor hoher Leistung proportional zu dem Quadrat der RF-Spannung
(der RF-Leistung) über
diesen ist, wenn die Dioden in ihrem Quadratgesetzbereich sind,
wird der Gleichstrom-(DC)-Ausgang des Wegs hoher Leistung proportional
zu dem Quadrat von R2/(R1 + R2) mal der RF-Leistung sein.
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Beispielsweise stellt eine Verwendung
eines Werts von 2,5 Ω für R2 und
47,5 Ω für R1 eine RF-Leistung über R2 zur
Verfügung,
die 0,0025 (26 dB unter) von der RF-Leistung über einer 50 Ω Last ist.
Deshalb wird der Diodenstapel ein Signal des 0,0025-fachen desjenigen
ausgeben, welches er für denselben
Diodenstapel gegeben hätte,
welcher die RF-Leistung über
die gesamte 50 Ω Last überwacht bzw. überprüft.
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Der Diodenstapel kann N Dioden lang
sein, wobei N von 1 bis N reicht, wobei die höheren Werte von N den "Quadratgesetz"-Bereich der Arbeit
des Wegs hoher Leistung erstrecken bzw. erweitern, aber die Leistungssensitivität vermindern
bzw. beeinträchtigen.
Indem ein Diodenstapel in dem Weg hoher Leistung mit einem Wert
von N größer als
1 verwendet wird, werden zwei große Vorteile gewonnen. Ein Vorteil
ist, daß der "Quadratgesetz"-Bereich des Wegs
hoher Leistung einen ausgeweiteten, dynamischen Bereich haben wird.
Obwohl eine simple Analyse anzeigen bzw. andeuten würde, daß ein Nehmen
des dynamischen "Quadratgesetz"-Bereichs eines Wegs eines
anti-parallelen Diodenpaars niedriger Leistung (ungefähr –70 dBm
bis –20
dBm), dann ein Hinzufügen
bzw. Addieren von 40 dB Dämpfung bzw.
Abschwächung
vor einem anti-parallelen Paar, um den Weg höherer Leistung mit einem "Quadratgesetz"-Bereich 40 dB höher in der
Leistung (–30
dBm bis +20 dBm) auszubilden bzw. zu formen, einen nützlichen
Sensor erzeugen würde,
der im "Quadratgesetz"-Bereich für ganze
90 dB (–70
bis + 20 dBm) bleibt. Ein Problem mit diesem Ansatz sind jedoch
die großen
Mengen von Störungen
bzw. Rauschen auf dem Anteil niedriger Leistung des Wegs hoher Leistung,
welche eine langsamere Messung und erhöhte Mittelung in dem Bereich
von –20
dBm bis –10
dBm erfordert, wodurch die Möglichkeit,
Hochgeschwindigkeits-Datenerwerb zu handhaben, gefährdet wird.
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Ein zweiter Vorteil ist, daß der "Quadratgesetz"-Bereich eines Betriebs
des Wegs höherer
Leistung in der Leistung nach oben bewegt wird, was weniger Dämpfung für das RF-Signal
in dem Ohm'schen
Dividierer, der durch R1 und R2 geformt bzw. gebildet wird, erfordert.
Geringere Werte einer Ohm'schen
Dämpfung
sind vorteilhaft, weil es schwer ist, hohe Werte einer Dämpfung (30,
40 und 50 dB) in einem kleinen Gebiet zu bekommen, das bei hohen
Frequenzen über
weite Bandbreiten konstant bleibt. Spezielle Kompensationstechniken
können
eingesetzt werden, um eine flache bzw. ebene Sensorleistung gegenüber der
Frequenz sogar für Ohm'sche Abschwächungen
bzw. Dämpfungen
geringer als 30 dB zu erhalten. Ein Beispiel der Erweiterung des
im "Quadratgesetz" arbeitenden Bereichs in
dem Weg niedriger Leistung durch eine Verwendung eines Diodenstapels
ist in 5 dargestellt,
in welcher Linearitätsergebnisse
für ein
anti-paralleles Paar eines Zweidiodenstapels mit Ergebnissen für ein Standard-anti-paralleles
Diodenpaar verglichen werden.
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Die Linearitätsergebnisse für das anti-parallele
Paar eines Zweidiodenstapels sind viel besser bei höheren Niveaus
als für
das Standard-anti-parallele Paar. Diodenstapel, die im Weg hoher
Leistung verwendet werden, erzeugen ähnliche bzw. idente Ergebnisse.
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2 zeigt
eine Auführungsform 30,
in welcher die erfinderische Konfiguration Schalter 15 enthält, welche
mit den Ausgängen
eines Diodenwegs niedriger Leistung verbunden sind, so daß Gleichstrom-(DC)-Spannungen
zu den Diodenausgängen des
geringen Wegs geschaltet werden können, um sie umgekehrt vorzuspannen
bzw. zu beeinflussen, wenn der Weg niedriger Leistung nicht verwendet wird
und der Weg hoher Leistung Messungen macht. Durch die umgekehrte
Beeinflussung bzw. Vorspannung der Dioden des Wegs niedriger Leistung
wird, wenn sie nicht verwendet werden und wenn RF-Signale hoher Leistung
gemessen werden, die Impedanz der Diode des Wegs niedriger Leistung
hoch und konstant bleiben, was die Leistungslimitierungs- und Oberwellenerzeugungsprobleme
eliminiert, die diese Dioden sonst hervorrufen würden.
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3 zeigt
eine Anordnung 40 anhand einer Illustration des Erhalts
eines flacheren Cal-Faktors gegenüber der Frequenz im Sinne der
Erfindung. Weil eine endliche Induktanz L zwischen der Erde und
dem Widerstand R2 existiert, zeigt 3 diese Anordnung.
Das Impedanzverhältnis
von Z2/(Z1 + Z2) wird das Verhältnis
des Spannungsdividierers zwischen dem Weg hoher Leistung und dem
Weg niedriger Leistung einstellen bzw. festlegen, wobei die Impedanz
von Z1 R1 ist und die Impedanz von Z2 R2 + jwL ist. Diese endliche
Induktanz L wird verursachen, daß der Ohm'sche Dämpfer das RF-Signal zwischen dem
Weg niedriger Leistung und dem Weg ho her Leistung weniger dämpft, was
zu einer stetig steigenden Ausgangsspannung von den Dioden des Wegs
höherer
Leistung für
dasselbe Niveau eines RF-Eingabesignals führt, wenn bzw. da die Frequenz erhöht wird
(steigender Cal-Faktor gegenüber
der Frequenz). Um diese Steigerung im Cal-Faktor gegenüber der
Frequenz zu minimieren, kann ein Kompensationsschema eingeführt werden,
um die Spannung zu verringern, die über Widerstand R2 entwickelt
wird. Der Kondensator C parallel zu dem Widerstand R2 ist eine Technik,
um das Impedanzverhältnis
Z2/(Z1 + Z2) annähernd
konstant zu halten, während
die Frequenz variiert wird. Wenn bzw. da sich die Spannung über der
Induktions- bzw. Drosselspule L erhöht, kann die Spannung veranlaßt werden, um
einen ähnlichen
bzw. identen Wert über
die Parallelkombination von R2 und C durch die richtige bzw. geeignete
Wahl des Werts von C abzusinken.
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Eine weitere Anordnung 50 wird in 4 gezeigt, welche ein generalisiertes
Konzept des Diodenstapel-Dämpfungsglieds
darstellt, welches eine beliebige Anzahl von Dioden in jedem Stapel
(1 bis N) wie auch beliebige Anzahlen von Diodenstapeln beinhaltet,
die für
ein Durchführen
von Messungen bei unterschiedlichen Leistungsniveaus optimiert sind.
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Ein Diodenstapel-Mikrowellenleistungssensornetzwerk
beinhaltet Eingabemittel 12 für ein Empfangen von RF-Signalen,
umfassend weite, dynamische Leistungsbereiche; einen Sensorweg niedriger Leistung 14,
verbunden mit den Eingabemitteln für ein Abtasten bzw. Erfassen
von RF-Eingangs- bzw. Eingabesignalen relativ niedriger Leistung,
wobei der Sensorweg niedriger Leistung erste, gestapelte RF-Diodenmittel 18 beinhaltet,
die eine erste Anzahl von Diodenpaaren auf weisen, die durch entsprechende
Kondensatoren mit Erde verbunden bzw. gekoppelt sind;
ein Impedanznetzwerk 21,
beinhaltend eine Anzahl von dämpfenden
Widerständen
R1, R2,..., RN und Erde, für
ein Abtasten bzw. Erfassen von unterschiedlichen Niveaus von gedämpften RF-Eingabesignalen
relativ höherer
Leistung, wobei die Sensorwege höherer
Leistung 22, 26, jeder zweite, gestapelte RF-Diodenmittel
beinhalten, welche eine beliebige Anzahl von Diodenpaaren aufweisen,
die durch einen entsprechenden Kondensator mit Erde verbunden sind;
wobei die Sensordiode Mittel im Quadratgesetzbereich betätigt und
die Leistungsniveaus über
die weiten, dynamischen Bereiche der empfangenen RF-Signale abtastet
bzw. erfaßt.
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Die Werte von N können unterschiedlich zwischen
unterschiedlichen Diodenstapeln sein. Der Diodenweg hoher Leistung
könnte
beispielsweise ein Stapel mit 5 Dioden beinhalten, während der
Weg niedriger Leistung nur einen Stapel mit 1 oder 2 Diode(n) beinhalten
könnte.
Ein signifikanter Vorteil dieser Konfiguration ist, daß die Überlappung
bzw. Schalthysterese der "Quadratgesetz"-Bereiche für die unterschiedlichen
Bereiche größer gemacht
werden kann, um eine größere Meßgenauigkeit
für Signale
mit hohem Scheitelwert-Mittelwert-Verhältnis zu bieten,
während
noch immer ein gutes Störungs- bzw.
Rauschverhalten in dem Teil niedriger Leistung von jedem der Bereiche
zu erhalten ist. Ein weiterer Vorteil ist der Erhalt eines ähnlichen
bzw. identen Überlappens
des Quadratgesetzbereichs wie mit dem Zweiwegsensor, und stellt
zusätzlich
eine signifikant höhere
Dämpfung
in dem vorderen Teil des Wegs hoher Leistung zur Verfügung, wodurch
der gesamte dymamische "Quadratgesetz"-Bereich des Sensors
auf 90 dB oder mehr erweitert wird. Es sollte angemerkt werden,
daß; obwohl
die Darstellung Stö rungsmerkmale
bzw. -Charakteristika ausläßt, das Diodenstapel-Dämpfungsglied
die Möglichkeit
zur Verfügung
stellt, eine kapazitive Kompensation über den Widerständen R1
bis RN, wenn so gewünscht bzw.
verlangt, zu verwenden, um die Leistung des Cal-Faktors gegenüber der
Frequenz zu verbessern, wie dies in 3 gezeigt
wird.
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Um die Darstellung für alle Ausführungen, die
hier gezeigt werden, zu vereinfachen, wurden der Gleichstrom (DC)
blockierende Kondensator (oft in dem RF-Eingang von Leistungssensoren
enthalten) und das Ohm'sche
Dämpfungsglied,
typischerweise enthalten zwischen dem RF-Eingang und den Diodenabtastungselementen,
um das Stehwellenverhältnis
bzw. Anpassungsverhältnis
(SWR) zu verbessern und eine Oberwellenerzeugung zu verringern, nicht
gezeigt. Es ist offensichtlich für
jene mit durchschnittlicher Begabung in dem Fachgebiet, daß diese Merkmale
nützlich
bzw. verwendbar sind, und die Erfindung, die hier gelehrt wird,
beinhaltet Anordnungen bzw. Ausführungen
mit diesen Elementen innerhalb des Rahmens der Ansprüche, die
hier angefügt sind.