用于脉动EPR系统的微波功率放大器装置 |
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| 申请号 | CN202311329217.2 | 申请日 | 2023-10-13 | 公开(公告)号 | CN117895902A | 公开(公告)日 | 2024-04-16 |
| 申请人 | 布鲁克法国简易股份公司; | 发明人 | J·谢弗; M·迈克斯纳; | ||||
| 摘要 | 本 发明 涉及用于脉动EPR系统的 微波 功率 放大器 装置。一种用于EPR系统的微波 功率放大器 装置，适于提供具有X波段中的微波 频率 MF的微波 辐射 的放大微波脉冲，装置具有微波输入端和微波输出端，包括：至少一个 晶体管放大器 器件和至少一个可 开关 反射器 件，各晶体管放大器器件包括：直接或间接连接到微波输入端的晶体管放大器器件输入端；至少一个晶体管；及直接或间接连接到微波输出端的晶体管放大器器件输出端，各个可开关反射器件包括：λ/4线，直接或间 接地连接 到至少一个晶体管放大器器件的晶体管放大器器件输出端和PIN 二极管 的第一端口，λ是在λ/4线内的微波辐射的 波长 ；及PIN二极管，其中PIN二极管的第二端口连接到地。发明的装置设计简单且可降噪。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种用于电子顺磁共振(＝EPR)系统(50)的微波功率放大器装置(1)， |
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| 说明书全文 | 用于脉动EPR系统的微波功率放大器装置技术领域[0001] 本发明涉及一种用于电子顺磁共振(＝EPR)系统的微波功率放大器装置，其中微波功率放大器装置适于提供具有微波频率MF的微波辐射的放大微波脉冲，其中MF在X波段中，其中微波功率放大器装置具有微波输入和微波输出。 [0002] 这种微波功率放大器装置从德国维基百科条目 中已知，其于2022年7月11日在https://de.wikipedia.org/wiki/ 被下 载。 [0004] 在脉动(pulsed)EPR中，待研究的样品被保持在恒定的外部磁场B0中，并且样品暴露于给定频率MF的微波辐射的单一高功率脉冲。这样，可以同时激励大的频率范围，并且记录样品的微波响应。通常，较短的脉冲时间导致一次可以研究的较大的频率范围。 [0005] 为了在脉动EPR中提供放大的微波脉冲(pulse)，通常使用所谓的行波管(TWT)，参见上述维基百科条目。然而，TWT是复杂的组件，其变得相当昂贵，并且供应商变得稀少。 [0006] 原则上，晶体管放大器可以用于提供放大的微波脉冲。在相应晶体管的控制输入处，可以施加控制信号，从而对应于期望的信号持续时间来切换放大功能。然而，输送脉动EPR所需功率的晶体管放大器在脉冲结束时具有相当长的关断时间，这意味着在接收阶段期间部分EPR信号丢失。 [0007] 更详细地，晶体管放大器包含寄生元件，如电容器和电感器。此外，运行晶体管所需的偏置电路也包含电容器和电感器。能量存储在这些元件中，并且在脉冲结束时通过控制信号关断了晶体管之后，能量流出电路。这在EPR测量中引起不想要的噪声，也称为噪声尾部。脉动EPR非常敏感，并且在脉冲结束时的不想要的噪声能够掩蔽大部分EPR信号，并且以这种方式降低测量的灵敏度。对于可用的晶体管放大器，为了在9‑10GHz频率范围内产生高达约1000W的放大微波脉冲，观察到150‑200ns的噪声尾部。然而，在典型的脉动EPR实验中，在高功率微波脉冲的结束和EPR信号获取的开始之间的延迟时间为最大80ns。结果，应用用于脉动EPR的晶体管放大器将导致灵敏度的相当大的损失。 发明内容[0008] 发明目的 [0009] 本发明的目的是提供用于脉动EPR的微波功率放大器装置，其便宜且设计简单，并且能够降低噪声。 [0010] 该目的通过在开始部分介绍的微波功率放大器装置来实现，其特征在于[0011] 微波功率放大器装置包括 [0012] ‑至少一个晶体管放大器器件，以及 [0014] 其中各个晶体管放大器器件包括 [0015] ‑直接或间接连接到所述微波输入端的晶体管放大器器件输入端， [0016] ‑至少一个晶体管，以及 [0017] ‑直接或间接连接到所述微波输出端的晶体管放大器器件输出端， [0018] 并且其中各个可开关反射器件包括 [0020] ‑所述PIN二极管，其中所述PIN二极管的第二端口连接到地。 [0021] 本发明应用固态功率放大，用于提供可在脉动EPR测量中使用的放大微波脉冲。为此目的设置至少一个用于放大微波脉冲的晶体管放大器器件。此外，设置至少一个可开关反射器器件。在寄生效应的情况下，即，能量从相应晶体管和/或其偏置电路中的电容器和电感器流出，至少一个可开关反射器器件可以阻止该能量到达微波输出端。结果，可分别切断或避免所述至少一个晶体管放大器器件的噪声尾部。因此，实施起来简单且便宜的固态功率放大可以用于在低噪声电平下并且特别地也在高微波功率下提供用于脉动EPR的放大微波脉冲。 [0022] 每个晶体管放大器器件包括一个或多个晶体管，用于放大在其晶体管放大器器件输入端处接收的微波信号，并且在其晶体管放大器器件输出端处提供放大的微波信号。只要在晶体管放大器器件的控制输入端处存在适当的控制信号(特别地，DC控制信号)，就在晶体管放大器器件处发生放大。然而，电容器和电感器的放电通常导致在晶体管放大器器件输出端处在一段时间内衰减的微波功率，而不是期望的立即切断。 [0023] 每个可开关反射器件具有RF开关的功能。λ/4线的一端直接或间接连接到晶体管放大器器件输出端(即，其背对PIN二极管的一端，也称为第一端)，λ/4线连接到馈送线；馈送线通常是开关级的开关线或组合级的本地馈送线(见下文)。 [0024] 通过将第一适当控制信号(通常为DC型正控制信号)施加到PIN二极管，通常通过将第一控制信号施加到在其一端(第一端)直接地或间接地连接到晶体管放大器器件输出端的馈电线或λ/4线，以某一连续/平均电流流过PIN二极管的方式，可开关反射器件的PIN二极管可进入RF信号/微波信号的低电阻状态。在这种情况下，λ/4线在其第二端口的一端(也称为λ/4线的第二端)处实际上具有(到(大)地(ground)的)短路。由于λ/4线反转阻抗，这意味着λ/4线在其直接或间接连接到晶体管放大器器件输出端的一端(第一端)将被视为开路，并且然后λ/4线对馈送线没有更多影响。流入到馈送线中的所有微波功率可以不受阻碍地通过连接点(分支点)到达λ/4线。 [0025] 然而，如果第二适当的控制信号(例如零电压或DC型负控制信号)以没有连续/平均电流流过PIN二极管的方式分别被施加到PIN二极管或被施加到λ/4线的直接或间接连接到晶体管放大器器件输出端的一端(第一端)处，则可开关反射器件的PIN二极管对于RF信号/微波信号具有高电阻，并且λ/4线在第二端口的一端(第二端)处实际上具有开路。由于λ/4线反转阻抗，这意味着λ/4线在其直接或间接连接到晶体管器件输出端的一端(第一端)处将被视为短路，并且然后λ/4线在馈送线的连接点(分支点)处引起微波功率的全反射。流入到馈送线中的所有微波功率将在到λ/4线的连接点(分支点)处被反射，并且没有微波功率将到达馈送线的端部处。 [0026] 这样，借助于至少一个可开关反射器件，可以切断至少一个晶体管放大器器件输出端的衰减微波功率。在微波功率装置的微波输出端处，所产生的微波脉冲显得尖锐，并且在随后的脉动EPR实验中使噪声最小化。 [0027] X波段包括8‑12GHz。注意，本发明中使用的微波频率MV通常为9‑10GHz。λ/4线和馈送线(本地馈送线或开关线)通常是50欧姆的匹配线。λ/4线可以具有λ/4的几何长度L，或者(λ/4+N*λ/2)的几何长度，其中N为自然数。注意，c＝λ*MF，其中c：传播速度。应当注意，波长λ是微波频率和线中提供的传播介质(真空或某种电介质)的函数。还应当注意，微波辐射可以具有微波频率的一些带宽(典型带宽在0.5GHz到2GHz的量级)，并且波长λ于是指的是微波辐射的平均微波频率。注意，λ/4与线的几何长度L的匹配不是“精确的”，而是通常在L＝K*λ/4内或在L＝(K*λ/4+N*λ/2)内，其中0.9≤K≤1.1。此外，例如通过选择0.9≤K＜1(参见前面)，L经常略小于λ/4，即L＜λ/4或L＜(λ/4+N*λ/2)；这可以改善可开关反射器件的功能(特别地，反射效率)。 [0028] 注意，当几何长度L和λ/4的匹配是精确的时，在任一开关状态下绝对没有电流流过二极管。然而，由于二极管容量和线电感以及微波辐射的带宽，在PIN二极管处可能出现一些剩余电流，但是与伴随放大的微波脉冲而来的电流相比，剩余电流低得多(例如，低100倍或更多)。因此，本发明非常适合于提供微波脉冲的高功率放大，特别是几百瓦功率的微波脉冲。多个晶体管放大器器件可以为此目的而组合，并且通过将剩余电流分布在多个可开关反射器件上可以减少通过PIN二极管的剩余电流。注意，在较高微波功率下，EPR实验可以在较短时间内进行。还应注意，对于PIN二极管，其I区域的大小决定了开关速度。I区域越小，开关速度越快。另一方面，I区域的大小越小，则可以耗散越少的功率。因此，I区域的大小应该选择为足够小，以便可以实现短于80ns的开关速度，以用于典型的脉动EPR，但是另一方面，当二极管被偏置时，PIN二极管必须承受RF电流。通常，优选适于30ns‑70ns或30‑50ns(特别地，约50ns)的开关速度的I区域的大小。特别地，在包括三个可开关反射器件/PIN二极管和具有四个晶体管放大器器件的竞争型组合电路装置的固态功率放大器的开关级中适合于50ns的开关速度的I区域的大小已经带来了极好的EPR测量质量。通常，在微波脉冲结束之后，本发明可以在短于50ns内返回到热噪声水平(例如，在1Hz带宽下定义为‑ 174dBm)以上大约20dB的噪声水平。 [0029] 典型地，每个晶体管放大器器件仅包括一个放大晶体管，但是可替换地，也可以包括多个放大晶体管。每个晶体管放大器件典型地具有100W和500W之间的放大功率，经常在200W和400W之间，优选地大约300W。整个微波功率放大器装置典型地具有600W和2400W之间的总放大功率，经常在800W和1600W之间，优选地在1000W和1200W之间。 [0030] 本发明的优选实施例 [0031] 具有组合级的实施例 [0032] 发明的微波功率放大器装置的优选实施例规定 [0033] 微波功率放大器装置包括数量NC个组合级，其中NC≥2， [0034] 其中每个组合级包括组合级输入端、至少一个晶体管放大器器件、本地馈送线、至少一个可开关反射器件和组合级输出端， [0035] 其中组合级输入端连接到组合级的所述至少一个晶体管放大器器件的晶体管放大器器件输入端， [0036] 其中组合级的所述至少一个晶体管放大器器件的晶体管放大器器件输出端经由本地馈送线连接到组合级输出端， [0037] 并且其中本地馈送线连接到组合级的所述至少一个可开关反射器件的λ/4线。在该设置中，可开关反射器件专用于特定晶体管放大器器件；噪声尾部的切断在每个组合级内单独地本地完成。换句话说，每个组合级可以为EPR提供具有切断噪声尾部的放大微波脉冲，并且可以组合多个组合级以增大功率。在该实施例中，即使在高的总放大功率的情况下，也能够保持小的PIN二极管处的(剩余)电流，因为每个PIN二极管仅处理晶体管放大器件的一部分。通常经由组合电路装置(例如竞争型装置)连接各组合级。注意，在优选的子变体中，每个组合级仅包括一个晶体管放大器件和仅一个可开关反射器件。 [0038] 在优选的进一步发展中，2≤NC≤6，特别地NC＝4。这样，可以以简单和廉价的方式实现典型EPR应用所需的增大的总放大功率。 [0039] 具有放大器级和开关级的实施例 [0040] 进一步优选的是其中微波功率放大器装置包括以下部件的实施例 [0041] ‑固态功率放大器级，具有微波输入端、至少一个晶体管放大器器件和放大器级输出端， [0042] ‑开关级，具有开关级输入端、开关线、至少一个可开关反射器件和微波输出端，[0043] 其中所述晶体管放大器器件的晶体管放大器器件输出端直接或间接地连接到放大器级输出端， [0044] 其中放大器级输出端连接到开关级输入端， [0045] 其中，开关线将开关级输入端与微波输出端连接， [0046] 并且其中对于所述开关级的每个可开关反射器件，该可开关反射器件的λ/4线连接到所述开关线并且连接到该可开关反射器件的PIN二极管的第一端口。在该实施例中，放大功能可以被统括在固态功率放大器级中，并且噪声尾部切断功能可以被统括在开关级中。注意，在该实施例中，典型地，在固态功率放大级中包括多个晶体管放大器器件，并且在开关级中包括多个可开关反射器件。这种设置特别简单，并且在实践中被证明，特别是提供大的放大功率。开关线可以包括在开关级输入端和可开关反射器件的(第一)连接点(分支点)之间的电容器，和/或可以包括在可开关反射器件的(最后)连接点(分支点)和微波输出端之间的电容器。通常，每个可开关反射器件在开关线上具有自己的连接点(分支点)。 [0047] 在有利的进一步发展中，开关级包括与所述开关线并联连接的ND个可开关反射器件，其中ND≥2。实际上，微波辐射具有一定带宽，并且在PIN二极管处可能出现一些(小)电流。当使用多个可开关反射器件时，可以使总的剩余电流分散开；那么每个PIN二极管负担较小，并且微波功率放大器装置可以提供较高的脉动微波功率。 [0048] 优选地，在上述进一步发展的子变体中，对于可开关反射器件的数量ND，应用2≤ND≤4，特别地ND＝3。利用这个数量ND，可以容易地和廉价地提供用于典型的脉动EPR应用的放大功率。 [0049] 在上述进一步发展的另一子变体中，随后连接到所述开关线的可开关反射器件之间的连接点被最大长度为λ/4的开关线的线部分分离，其中λ是所述线部分中的微波辐射的波长。通过具有λ/4或更短的相应几何长度的分离线部分，可以实现微波辐射的更高效的衰减/反射或改进的噪声消除。注意，根据本发明，也可以使用用于连接到开关线的多个或所有反射器件的公共连接点，即，在没有开关线的分离线部分的情况下进行。 [0050] 在优选的进一步发展中，固态功率放大器级包括数量NT个晶体管放大器器件，其中NT≥2。经常，适用的是2≤NT≤8或NT≥4。利用多个晶体管放大器器件，可以增加总的放大功率。 [0051] 在上述进一步发展的优选子变体中，固态功率放大器级包括晶体管放大器器件的组合电路装置。组合电路装置可以是例如竞争型装置，或Wilkinson型装置，或混合3dB型装置。组合电路装置可以组合至少2个，优选地至少4个晶体管放大器器件。 [0052] 优选地，在组合电路装置中组合数量NRT个晶体管放大器器件，其中NRT＝4。这在设计上特别简单，并且提供了足以用于许多脉动EPR应用的高功率放大。 [0053] 有利地，固态功率放大器级包括用作预放大器的连接在所述微波输入端和所述组合电路装置之间的至少一个晶体管放大器器件。特别地，可以应用串联连接的两个预放大器。这样，可以获得微波脉冲的特别高功率的放大。应当注意，优选地，预放大器也用同步的控制信号操作(见下文)。作为补充说明，也可以使用连接在微波输入端和组合级的组合电路装置(见上文)之间的一个或多个预放大晶体管放大器器件。 [0054] 其他实施例 [0055] 在有利的实施例中，微波功率放大器装置还包括选通信号级，用于向每个晶体管放大器器件的控制输入端和每个PIN二极管的第一端口提供同步的控制信号，每个控制信号包含持续相应微波脉冲的持续时间的第一控制信号。这样，可以以协调的方式非常高效地操作放大功能以及切断功能，并且可以最小化噪声尾部。可开关反射器件处的控制信号通常在直接或间接连接到晶体管放大器器件输出端的λ/4线侧(即，与连接到PIN二极管的一侧相反)被提供，例如在馈送线处被提供。特别地，控制信号可以在组合级的本地馈送线处被提供，或者在开关级的开关线处被提供。注意，用于不同晶体管放大器器件和PIN二极管的控制信号可具有不同极性和/或幅值和/或定时；然而，优选地，所有控制信号具有相同的极性和幅值以及定时。控制信号(特别是第一控制信号)的典型幅值是5V或更小。(开关的)控制信号可以是DC类型的。 [0056] 此外，一种用于利用脉动EPR测量样本的EPR谱的电子顺磁共振(＝EPR)系统在本发明的范围内，其包括 [0057] ‑微波源，用于提供具有微波频率MF的微波信号，其中MF在X波段中， [0059] ‑微波共振器，包含用于所述样品的样品空间， [0060] ‑信号放大器，特别地低噪声放大器，以及 [0061] ‑微波接收器。利用发明的EPR系统，能够分别以低噪声水平或高灵敏度获得样品的光谱。微波源可以基于微波振荡器，微波振荡器向微波功率放大器装置的微波输入端提供连续的微波信号。或者，微波源可以基于微波振荡器和下游调制器，它们一起向微波功率放大器装置的微波输入端提供调制的微波信号。注意，调制可以是开/关型的，或者线性调制，或者另一类型的调制。如果调制的微波信号被馈送到微波输入端，则由选通信号级(其控制晶体管和PIN二极管)生成的同步控制信号(例如DC控制信号)通常与调制同步。 [0062] 在发明的EPR系统的优选实施例中，EPR系统还包括循环器，其中，所述循环器适于将微波脉冲从所述微波功率放大器布置转发至所述共振器，并且适于将微波信号从所述共振器转发至所述信号放大器和连接在所述信号放大器下游的微波接收器。这种设置是简单的并且在实践中得到证实。 [0063] 此外，一种用于在EPR测量中操作如上所述的发明的微波功率放大器装置或如上所述的发明的EPR系统的微波功率放大器装置的方法在本发明的范围内， [0064] 其中，向所述微波功率放大器装置的微波输入端提供具有微波频率MF的微波辐射的微波信号，其中，MF处于X波段中， [0065] 其中在微波功率放大器装置的微波输出端处产生微波辐射的微波脉冲，[0066] 并且其中，将同步控制信号提供给每个晶体管放大器器件的控制输入端和每个PIN二极管的第一端口，所述控制信号包括持续相应微波脉冲的持续时间的第一控制信号，[0067] 特别地，其中所述微波脉冲的持续时间TP≤20ns。利用这种方法，可以分别以低噪声水平或高灵敏度获得样品的EPR光谱。(开关的)控制信号通常是DC类型的。 [0068] 本发明的其它优点可以从说明书和附图中得出。此外，根据本发明，上述和进一步描述的特征可以单独地或以任何组合使用。所示和所述的实施例不应理解为决定性的列举，而是具有用于描述本发明的示例性特征。 附图说明[0069] 图1示意性地示出了发明的微波功率装置的示例性第一实施例，其具有固态功率放大级和开关级； [0070] 图2示意性地示出了具有多个组合级的发明的微波功率装置的示例性第二实施例； [0071] 图3示意性地示出了发明的EPR系统的示例性实施例。 具体实施方式[0072] 图1示出了用于提供微波辐射的放大微波脉冲的发明的微波功率放大器装置1的第一示例性实施例。 [0073] 在装置1的微波输入端2处，例如通过微波源提供微波辐射的微波信号(比较图3)。微波辐射具有平均微波频率MF，并且在这里是连续的(然而注意，在微波输入端2处馈送的微波信号也可以被调制)。微波频率MF在X波段中，例如MF在9GHz和10GHz之间。在装置1的微波输出端3处，提供微波辐射的放大微波脉冲。 [0074] 在所示的实施例中，微波功率放大器装置1包括固态功率放大器级4、开关级5和选通信号级6。 [0075] 这里，固态功率放大器级4包括串联连接到微波输入端2的两个晶体管放大器器件7、8，用作在微波输入端2处馈送的微波信号的预放大器。此外，这里，固态功率放大器级4包括组合电路装置13中的四个晶体管放大器器件9、10、11、12。因此，总共在固态功率放大器级4中有六个晶体管放大器器件7‑12，即NT＝6，并且在组合电路装置13中有NRT＝4个晶体管放大器器件9‑12。组合电路装置13包括将预放大的微波信号分发到晶体管放大器器件9‑ 12上的功率分配器13a，以及将由各个发送器(transmitter)放大器器件9‑12提供的放大的微波信号相加的功率组合器13b。这里，组合电路装置13是竞争型的。在放大器级输出端14处提供组合的放大微波信号。 [0076] 每个晶体管放大器器件7‑12具有晶体管放大器器件输入端7a、9a、至少一个晶体管7b、9b、晶体管放大器器件输出端7c、9c和控制输入端7d、9d。为了简化，这仅在图1中的晶体管放大器器件7和9中示出。晶体管放大器器件输入端7a、9a直接(见器件7)或间接(见器件8‑12)连接到微波输入端2。晶体管放大器器件输出端7c、9c直接或间接(见器件7‑12)连接到微波输出端3。晶体管放大器器件7‑12或它们各自的晶体管7b、9b均通过它们各自的控制输入端7d、9d从选通信号级6接收控制信号。 [0077] 在所示的例子中，控制信号是DC类型的。对于相应放大微波脉冲的期望持续时间(在该示例中选择为例如每个脉冲具有10ns的持续时间，即TP＝10ns)，控制信号处于小电压，例如处于+5V(“第一控制信号”)，并且在微波脉冲之间的期望中断期间，控制信号为零(或负)(“第二控制信号”)。只要控制信号指示期望的脉冲(即，施加第一控制信号)，晶体管放大器级7‑12就放大在它们的输入端7a、9a处施加的微波信号，并且在它们各自的输出端7c、9c处提供放大的微波信号。然而，由于寄生效应，在控制信号已经切换到零(或负)之后，放大的微波辐射不立即在晶体管放大器级输出端处停止，而是放大的微波辐射在一段时间内衰减。 [0078] 在所示的例子中，在控制信号已经切换到零之后，存在于放大器级输出端14处的放大的微波辐射在一段时间内衰减，并且利用开关级5，衰减的微波辐射可以被切断，因此它不到达微波输出端3。 [0079] 在所示的例子中，开关级5包括开关级输入端15、开关线16(这里是三个可开关的反射器件17、18、19，即ND＝3)和微波输出端3，放大器级输出端14连接到开关级输入端15。可开关的反射器件17、18、19在连接点17a、18a、19a(有时也称为分支点)处分别连接到开关线16。可开关的反射器件17、18、19并联连接到开关线16。 [0080] 在此，在开关级输入端15和所连接的第一可开关反射器件17的连接点17a之间，开关线16包括电容器20。此外，在最后一个可开关的反射器件19的连接点19a与微波输出端3之间，这里开关线16包括电容器21。 [0081] 开关线16具有到选通信号级6的控制连接16a，用于接收控制信号，这里是DC类型的控制信号，其与由晶体管放大器器件7‑12接收的控制信号同步。 [0082] 每个可开关反射器件17、18、19包括λ(lambda)/4线17b和PIN二极管17c。为了简化，这仅针对图1中的可开关反射器件17示出(也适用于进一步的讨论)。λ/4线的第一端17d在连接点17a处连接到开关线16。λ/4线17b的第二端17e连接到PIN二极管17c的第一端口17f。PIN二极管17c的第二端口17g连接到地22。地22表示装置1的参考电压，通常为零电压(“接地的”)。第一端17d直接或间接(参见器件17‑19)连接到晶体管放大器器件输出端7c、 9c。 [0083] λ/4线17b的几何长度L被选择为使得其基本上对应于线17b内的微波频率MF的微波辐射的波长λ(也缩写为λ)的四分之一。注意，波长λ(对于给定的微波频率MF)取决于λ/4线17b的材料属性，其中c＝MF*λ，其中c：传播速度，以及c＝c0/n，其中c0：真空中的光速，以及n：λ/4线中的折射率。 [0084] 在连接点17a和18a之间以及在连接点18a和19a之间，开关线16由线部分23a、23b形成。在所示的示例中，它们的几何长度也基本上对应于线部分23a、23b内具有微波频率MF的微波辐射的波长λ的四分之一。 [0085] 由选通信号级6通过开关线16处的控制连接16a提供的控制信号通过λ/4线17b被施加到PIN二极管17c的第一端口17f。在所示的例子中，只要需要微波脉冲，第一端口17f处的控制信号就处于小的正电压(“第一控制信号”)，例如+5V，否则控制信号为零(或负)(“第二控制信号”)。由第一控制信号在PIN二极管17c两端引起的(连续/平均)电流通常在几十毫安的量级上，这比在脉冲期间通过开关线16的微波电流小得多，例如小至少100倍。 [0086] 只要第一端口17f处的(这里是DC类型的)控制信号处于(这里是)正电压(“偏置状态”，即施加第一控制信号)，PIN二极管17c的欧姆电阻就接近零，即PIN二极管17c是导通的。因此，λ/4线的第二端17e与地22短路。由于λ/4线在其第一端17d处与其第二端17e相比阻抗反转，所以第一端17d对于从开关输入端15沿开关线16传播的微波辐射实际上“消失”。从而微波功率可以无阻碍地通过分支点17、18a、19a。 [0087] 只要第一端口17f处的(这里是DC类型的)控制信号处于(这里是)零电压(或负电压)(“非偏置状态”，即施加第二控制信号)，PIN二极管17c的欧姆电阻就变大，即PIN二极管17c不导通。那么λ/4线17b具有“开放”的第二端17e。由于λ/4线在其第一端17d处与其第二端17e相比阻抗反转，所以第一端17d充当短路。从开关输入端15传播到开关线16中的微波辐射在分支点17a、18a、19a处被可开关反射器件17‑19阻挡和反射，于是没有微波功率到达微波输出端3。 [0088] 通过在微波脉冲之间的中断期间将PIN二极管17c的控制连接16a或第一端口17f处的控制信号设置为零(或负电压)(“第二控制信号”)，可以从微波输出端3切断在晶体管放大器级7‑12处(第一)控制信号结束之后从固态功率放大器级4流出的衰减微波功率。另一方面，通过在微波脉冲期间将PIN二极管的第一端口17f或控制连接16a处的控制信号设置为正电压(“第一控制信号”)，有效地去激活可开关反射器件17‑19，并且微波辐射可以通过开关线16传播到微波输出端3。 [0089] 因此，在微波输出端3处提供的放大微波脉冲在随后使用它们的EPR测量中伴随有缩短的噪声尾部。 [0090] 图2示出了发明的微波功率放大器装置1的第二示例性实施例，其类似于图1中所示的实施例，因此仅详细解释主要差异。 [0091] 图2的微波功率放大器装置1包括微波辐射的微波信号被馈入的微波输入端2，和提供放大的微波脉冲的微波输出端3。 [0092] 微波信号在晶体管放大器器件7、8处被预放大，并且预放大的微波信号在组合电路装置30中经由功率分配器30a被分发到这里的四个组合级31、32、33、34，即NC＝4。组合级31‑34的组合电路装置30在这里是竞争类型的。 [0093] 每个组合级31‑34在此包括晶体管放大器器件35、36、37、38和可开关反射器件39、40、41、42。在所示的示例中，相应的组合级输入端31a连接到相应的晶体管放大器器件输入端35a，并且晶体管放大器器件输出端35c通过本地馈送线43连接到组合级输出端31b。本地馈送线43具有到相应的可开关反射器件39‑42的连接点39a。可开关反射器件39‑41包括λ/4线39b和PIN二极管39c，λ/4线39b的第一端39d经由连接点39a连接到本地馈送线43，并且其第二端39e连接到PIN二极管39c的第一端口39f。PIN二极管39c的第二端口39g连接到地22。 注意，为了简化，这仅针对图2中的组合级31示出。 [0094] 组合级31‑34的组合级输出端31b的放大微波信号由组合电路装置30的功率组合器30b相加，并且在微波输出端3处提供相加的放大微波信号，即放大微波脉冲。 [0095] 同步控制信号由选通信号级6提供给预放大晶体管放大器器件7、8，经由晶体管35b的控制输入端35d提供给组合级31‑34的晶体管放大器器件35‑38，并且经由控制连接 43a提供给本地馈送线43。 [0096] 在组合级31‑34中，在(第一)控制信号已经停止在相应的本地晶体管放大器器件35‑39处之后在本地相应晶体管放大器器件输出端35c处流出的衰减微波辐射立即被连接到本地馈送线43的本地可开关反射器件39‑42阻挡，如上文针对图1中连接到开关线16的可开关反射器件17‑19所述。 [0097] 因此，同样在图2的实施例中，在微波输出端3处提供的放大微波脉冲在使用它们的EPR测量中伴随有缩短的噪声尾部。 [0098] 虽然在图1的实施例中，在组合若干晶体管放大器器件的功率之后切断总体噪声尾部，但在图2的实施例中，在组合若干晶体管放大器器件的功率之前切断各个噪声尾部。 [0099] 图3通过示例示出了用于通过脉动EPR光谱测量来研究样本54的发明的EPR系统50。 [0100] EPR系统50包括提供待放大的微波信号的微波源51。微波源51可以是提供连续微波辐射的振荡器，或者可以是耦接到调制器的振荡器，其一起提供调制的微波信号(未详细示出)。将要放大的微波信号馈送到例如图1或图2中描述的微波功率放大器装置1中，其提供放大的微波脉冲。在所示的实施例中，放大的微波脉冲被馈送到循环器52中，该循环器52将放大的微波脉冲转发到微波共振器53。 [0101] 微波共振器53包含待研究的样品54，其中样品54暴露于由磁体(例如永磁体或电磁体)(为了简化，未示出磁体)产生的强静态磁场B0。一些微波辐射以样品54的材料的特性方式被样品54吸收。 [0102] 所得到的微波辐射从共振器53传播到循环器52，并被转发到信号放大器55，这里是低噪声信号放大器55a，并且这样放大的微波辐射在微波接收器56处被登记。 [0103] 附图标记列表 [0104] 1微波功率放大器装置 [0105] 2微波输入端 [0106] 3微波输出端 [0107] 4固态功率放大器级 [0108] 5开关级 [0109] 6选通信号级 [0110] 7晶体管放大器器件 [0111] 7a晶体管放大器器件输入端 [0112] 7b晶体管 [0113] 7c晶体管放大器器件输出端 [0114] 7d控制输入端 [0115] 8晶体管放大器器件 [0116] 8a晶体管放大器器件输入端 [0117] 8b晶体管 [0118] 8c晶体管放大器器件输出端 [0119] 8d控制输入端 [0120] 9晶体管放大器器件 [0121] 9a晶体管放大器器件输入端 [0122] 9b晶体管 [0123] 9c晶体管放大器器件输出端 [0124] 9d控制输入端 [0125] 10、11、12晶体管放大器器件 [0126] 13组合电路装置(固态功率放大器级的) [0127] 13a功率分配器 [0128] 13b功率组合器 [0129] 14放大器级输出端 [0130] 15开关级输入端 [0131] 16开关线 [0132] 16a开关线的控制连接 [0133] 17可开关反射器件 [0134] 17a连接点/分支点 [0135] 17bλ/4线 [0136] 17c PIN二极管 [0137] 17dλ/4线的第一端 [0138] 17eλ/4线的第二端 [0139] 17f PIN二极管的第一端口 [0140] 17g PIN二极管的第二端口 [0141] 18、19可开关反射器件 [0142] 20、21电容器 [0143] 22地 [0144] 23a、23b开关线的线部分 [0145] 30(组合级的)组合电路装置 [0146] 30a功率分配器 [0147] 30b功率组合器 [0148] 31组合级 [0149] 31a组合级输入端 [0150] 31b组合级输出端 [0151] 32，33，34组合级 [0152] 35晶体管放大器器件 [0153] 35a晶体管放大器器件输入端 [0154] 35b晶体管 [0155] 35c晶体管放大器器件输出端 [0156] 35d控制输入端 [0157] 36、37、38晶体管放大器器件 [0158] 39可开关反射器件 [0159] 39a连接点/分支点 [0160] 39bλ/4线 [0161] 39c PIN二极管 [0162] 39dλ/4线的第一端 [0163] 39eλ/4线的第二端 [0164] 39f PIN二极管的第一端口 [0165] 39g PIN二极管的第二端口 [0166] 40，41，42可开关反射器件 [0167] 43本地馈送线 [0168] 43a本地馈送线的控制连接 [0169] 50EPR系统 [0170] 51微波源 [0171] 52循环器 [0172] 53微波共振器 [0173] 54样品 [0174] 55信号放大器 [0175] 55a低噪声信号放大器 [0176] 56微波接收器 [0177] B0静态磁场 |
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