用于宽带交流信号的交流耦合器和相关方法技术

用于传送宽带信号的高频分量的交流耦合器包括布置为传输线的信号导体和屏蔽结构。所述信号导体包括导电元件和电容器，配置为在传输宽带信号的高频交流(AC)分量的同时阻挡宽带信号的直流(DC)分量。屏蔽结构配置为用于至少传导宽带信号的交流分量，同时将屏蔽结构中的电场和电流实质上限制在靠近信号导体的区域。屏蔽结构的宽度实质上大于信号导体的宽度。屏蔽结构宽度与信号导体宽度之间的差可以实质上大于信号导体与屏蔽结构之间的偏移距离。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于宽带交流信号的交流耦合器和相关方法相关申请的交叉引用本申请要求2015年6月29日提交的题为“用于宽带交流信号的交流电流(AC)耦合器和相关方法”的美国专利申请第14/753,958号的优先权，其内容通过引用整体并入本文。
本专利技术涉及用于具有大的直流偏移电压的宽带交流信号的交流(AC)耦合器，诸如可用于离子检测器连同谱仪(如质谱仪(MS)和/或离子迁移谱仪(IMS))产生的输出信号的处理。
技术介绍
通常，谱仪系统包括用于电离感兴趣样品的分析物的离子源、用于基于区分属性分离分析物离子的离子分析仪、用于对分离的离子进行计数的离子检测器、用于根据需要处理来自离子检测器的输出信号以产生用户可解释的光谱信息的电子装置(例如包括数据采集系统)。光谱信息可用于确定样品组分的分子结构，从而使得能够定性和定量表征样品。在质谱(MS)系统中，离子分析仪是质谱仪，其基于其不同的质荷比(或m/z比，或更简单的“质量”)来分离离子。取决于设计，质谱仪可以通过利用电场和/或磁场或者飞行时间质谱仪(TOFMS)的情况下的飞行时间管来分离离子，所述飞行时间质谱仪通过在离子检测器测量其到达时间以确定分析物离子的m/z比。离子检测器接收分离的离子，并将测量信号输出到被配置为用于根据需要处理信号以产生质谱的电子电路。质谱典型地呈现为包含一系列峰的图，这些峰指示作为其m/z比的函数的检测离子的相对丰度。在离子迁移谱(IMS)系统中，离子分析器是基于其不同碰撞截面分离离子的漂移单元。在低场漂移时间IMS技术中，离子在存在漂移气体的情况下通过直流电压梯度经过漂移单元。不同碰撞截面的离子在气体环境中具有不同的迁移率，因此在不同的漂移时间到达离子检测器。离子检测器接收分离的离子，并将测量信号输出到被配置为根据需要处理信号以产生漂移谱的电子电路。漂移谱通常呈现为包含一系列峰的图，这些峰指示作为通过漂移单元的漂移时间的函数的检测离子的相对丰度。在称为离子迁移率-质谱系统(IM-MS)的一些谱仪系统中，IM漂移单元与质谱仪耦合以提供关于处于调查的分析物的独特二维信息。另外，在一些MS，IMS和IM-MS系统中，提供给电离装置的样品可能首先经历分析分离的形式，例如液相色谱(LC)或气相色谱(GC)。在这种情况下，LC或GC柱的输出(色谱分离的样品分析物)可以通过适当接口硬件转移到电离装置中。为了实现高分辨率和离子测量精度，作为示例，必须在非常窄的时序窗(例如100ps)内确定来自离子检测器的窄输出脉冲(例如，400皮秒(ps)到3纳秒(ns))的时序。离子检测器可能不会提供与离子加速器和离子检测器的操作相关的高电压的固有阻塞。来自这些探测器的输出脉冲可能具有距地面千伏(kV)数量级的直流(DC)偏移，例如距地面15千伏。为了使得接收来自探测器的输出的数据采集系统能够在接近大地的电位进行工作，交流(AC)耦合器可以耦合在离子检测器的输出和数据采集系统的输入之间。交流耦合器抑制或滤除信号的直流分量，有效地将输出脉冲归一化到零均值或直流零偏移。除了保留检测器输出脉冲中包含的关键时序信息之外，交流耦合器还必须在可能的宽范围(例如，5毫伏(mV)到5V)内维持幅度精度，以便精确定量。现有技术中已知的交流耦合器包括两个50欧姆(Ω)超小型版本A(SMA)同轴射频(RF)连接器，配置为用于螺纹耦合到标准同轴RF电缆。这些输入和输出SMA连接器的中心导体通过一对耦合电容器(也称为隔直流电容器)串联连接，而SMA连接器的外壳通过一对类似耦合电容器串联连接。这种已知的交流耦合器还包括分流电容器的高阻值电阻器，以均衡电容器两端的直流电压降，允许具有较低额定电压的电容器承受施加的直流电压。这些电阻对通过交流耦合器的所需信号没有影响。已知的交流耦合器可以充分地处理正常模式信号的直流共模偏移和低频分量。但是，已知的交流耦合器不能准确地传输高频分量，导致脉冲失真，额外的脉冲或振铃波形，这取决于与MS系统的连接的具体情况。数据分析软件解析为独立峰的异常将被错误地识别为并不存在于受分析样品中的离子。峰展宽会降低质量分辨率，可能完全隐藏较小的附近峰值。附加到峰的扩展尾部移动有效基线，使得引入样品定量的非线性。为了补偿振铃而采取的典型方法也可改变假定的基线，具有相似的效果。构成交流耦合器的连接器，电容器，互连导体和介电材料形成信号经过的传输线。沿着交流耦合器长度的每个均匀几何形状的区域具有特定的特性阻抗。入射到从一个几何体到另一个几何体的转变中的信号被分成透射分量和反射分量。当信号通过交流耦合器时会发生多次反射，由阻抗转换之间的传输延迟及时分开。为了保持数据采集系统接收到的信号的正确解释所需的关键时序和幅度特性，这些反射应该最小化。常规交流耦合器的某些特征可能会促进不希望的反射。其中一个特征是信号路径突然转弯，例如从输入同轴连接器到电容器平面时的90度转弯，随后从电容器平面经过输出同轴连接器时的另一90度转弯。另一个特征是互连电导体尺寸的突变。例如，同轴连接器的中心导体的直径可以是1毫米(mm)，并且直接连接到宽度为10mm的信号迹线。另一个特征是不平衡输入同轴连接器和输出同轴连接器与由成对耦合电容器形成的对称平行板传输线之间的直接连接，而不需要中间平衡-不平衡转换器。这将周围的结构暴露给信号的共模分量，该分量的阻抗与正常模式分量不同，并以不同的速度传播。这些影响取决于频率和系统布局，导致不受控制的信号失真。更一般地，已知交流耦合器的配置或构造的缺陷可能导致许多问题。这些问题包括较差的信号保真度，因此降低了质量分辨率和较低的有效定量、宽带阻抗匹配不足、由于未屏蔽的平衡传输线结构引起的对于附近物体的敏感性、伪脉冲的出现导致假离子识别、振铃以及因此噪声基线线性差，阻抗不稳定、阻抗可调性差。因此，一直需要解决诸如上面讨论的问题的交流耦合器。还需要提供用于在阻止直流偏移电压的同时传输交流信号的阻抗匹配得到改善的高电压的宽带性能。
技术实现思路
为了全部或部分地解决本领域技术人员可能已经观察到的上述问题和/或其它问题，本公开提供了方法，处理，系统，装置，仪器和/或设备，如通过下面阐述的实施方式中的示例所描述的。根据一个实施例，一种用于发送宽带信号的高频分量的交流耦合器包括：输入端，用于接收宽带信号；输出端，用于发送输出信号；信号导体，其与所述输入端和所述输出端之间电连通，所述信号导体包括导电元件和信号导体电容器，所述信号导体电容器配置为在发送所述宽带信号的高频交流分量的同时阻挡所述宽带信号的直流分量；屏蔽结构，其限定所述输入端和所述输出端之间的信号返回路径，所述屏蔽结构配置为用于在所述信号返回路径中至少传导所述宽带信号的交流分量，其中：所述信号导体具有一信号导体宽度；所述屏蔽结构具有实质上大于所述信号导体的宽度，以将所述屏蔽结构中的电场和电流实质上限制至靠近所述信号导体的区域；和所述信号导体和所述屏蔽结构被布置为传输线。根据另一实施例，一种用于传输宽带信号的高频分量的交流耦合器包括：输入端，用于接收宽带信号；输出端，用于传送输出信号；信号导体，其在所述输入端和所述输出端之间电连通，所述信号导体包括导电元件和信号导体电容器，所述信号导体电容器配置为在传输高频交流电(AC)的同时阻挡所述宽带本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于发送宽带信号的高频分量的交流耦合器，所述装置，所述交流耦合器包括：输入端，用于接收宽带信号；输出端，用于发送输出信号；信号导体，其与所述输入端和所述输出端之间电连通，所述信号导体包括导电元件和信号导体电容器，所述信号导体电容器配置为在发送所述宽带信号的高频交流分量的同时阻挡所述宽带信号的直流分量；屏蔽结构，其限定所述输入端和所述输出端之间的信号返回路径，所述屏蔽结构配置为用于在所述信号返回路径中至少传导所述宽带信号的交流分量，其中：所述信号导体具有一信号导体宽度；所述屏蔽结构具有实质上大于所述信号导体的宽度，以将所述屏蔽结构中的电场和电流实质上限制至靠近所述信号导体的区域；和所述信号导体和所述屏蔽结构被布置为传输线。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2015.06.29 US 14/753,9581.一种用于发送宽带信号的高频分量的交流耦合器，所述装置，所述交流耦合器包括：输入端，用于接收宽带信号；输出端，用于发送输出信号；信号导体，其与所述输入端和所述输出端之间电连通，所述信号导体包括导电元件和信号导体电容器，所述信号导体电容器配置为在发送所述宽带信号的高频交流分量的同时阻挡所述宽带信号的直流分量；屏蔽结构，其限定所述输入端和所述输出端之间的信号返回路径，所述屏蔽结构配置为用于在所述信号返回路径中至少传导所述宽带信号的交流分量，其中：所述信号导体具有一信号导体宽度；所述屏蔽结构具有实质上大于所述信号导体的宽度，以将所述屏蔽结构中的电场和电流实质上限制至靠近所述信号导体的区域；和所述信号导体和所述屏蔽结构被布置为传输线。2.根据权利要求1所述的交流耦合器，其中，所述屏蔽结构具有从由以下组成的组中选择的配置：所述屏蔽结构包括屏蔽结构导电元件，所述屏蔽结构的宽度由所述屏蔽结构导电元件的宽度限定；和屏蔽结构包括屏蔽结构导电元件和屏蔽结构电容器，屏蔽结构的宽度由屏蔽结构导电元件和屏蔽结构电容器中的至少一个的宽度限定。3.如权利要求1所述的交流耦合器，其特征在于，所述屏蔽结构的宽度至少为信号导体宽度的1.5倍，或者所述屏蔽结构的宽度在信号导体宽度的1.5至6倍的范围内。4.根据权利要求1所述的交流耦合器，其中，所述信号导体的宽度由所述信号导体电容器的宽度限定。5.根据权利要求1所述的交流耦合器，其中，所述屏蔽结构以与所述屏蔽结构的宽度正交的偏移距离与所述信号导体隔开，并且所述屏蔽结构的宽度与所述信号导体宽度之间的差大于所述偏移距离。6.根据权利要求5所述的交流耦合器，其中，所述屏蔽结构的宽度超过所述信号导体宽度至少2倍的所述偏移距离，或者所述屏蔽结构的宽度超过所述信号导体宽度2至10倍的所述偏移距离。7.根据权利要求1所述的交流耦合器，其中，根据选自由以下组成的组的配置来布置所述信号导体和所述屏蔽结构：信号导体和屏蔽结构以微带配置加以布置；信号导体和屏蔽结构以带状线配置加以布置；信号导体和屏蔽结构以同轴配置加以布置；所述屏蔽结构包括第一屏蔽结构和第二屏蔽结构，所述信号导体位于所述第一屏蔽结构与所述第二屏蔽结构之间；和屏蔽结构围绕信号导体。8.根据权利要求1所述的交流耦合器，包括支撑所述信号导体或所述屏蔽结构的一介电基板，或支撑所述信号导体的一介电基板和支撑所述屏蔽结构的...

【专利技术属性】
技术研发人员：S·J·马兹洛曼，D·德福特，
申请(专利权)人：安捷伦科技有限公司，
类型：发明
国别省市：美国,US