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VNA中的定向电桥

加油射频工程师 来源:加油射频工程师 作者:加油射频工程师 2022-12-28 14:08 次阅读

在VNA中,一个很重要的部件,就是定向器件。这个定向器件,可以是定向耦合器,也可以是定向电桥。这些器件的主要指标,包括:

插损,即对a1信号的衰减

耦合度,即对b1信号的衰减

定向性,即分离信号b1和信号a1的能力。

如下图所示,S参数的定义与a1,b1,a2,b2的各个比值相关,所以需要能准确的测出这些值。但是a1和b1是同一端口上的入射波和反射波,也就是说重叠在一起的。而定向器件就有这样一个魔力,它能够把入射波和反射波分开。

693fe9e2-8674-11ed-bfe3-dac502259ad0.png

在很多RF VNA中,使用定向电桥。定向电桥可以实现宽带宽,包括低频端。

RF VNA中使用的定向电桥,是基于平衡惠斯通电桥改进而来的。下图,是惠斯通电桥的常用原理图。

6950c0f0-8674-11ed-bfe3-dac502259ad0.png

如果信号源施加在电桥的顶部和底部,且R1/R2=R4/R3,那么Rdet两端的电压差为0.用Tina对上述原理图进行仿真,如下图所示,取R1=R2=50ohm, R4=R3=100ohm,可以看到Vd+和Vd-输出都为0

696d50bc-8674-11ed-bfe3-dac502259ad0.png

然后,在输入端增加一个变压器,从而将电桥的底部节点与地隔离开,如下图所示。这个1:1的变压器,实现了非平衡-平衡转换,把不平衡的信号源转换成平衡信号源。经过这样的修改之后,允许电桥的不同支路接地,这是将惠斯通电桥变成RF VNA中定向电桥的关键。

698ca1f6-8674-11ed-bfe3-dac502259ad0.png

因为Rdet的一端接地,因此可以将Rdet和R4替换成具有相同阻抗的传输线结构,来表示定向电桥的RF端口。将Rdet替换成电桥的隔离端口(书中正文中写的是耦合端口,图中写的是隔离端口,我理解应该是隔离端口),R4替换成电桥的测试端口。如下图所示。

69b32f6a-8674-11ed-bfe3-dac502259ad0.png

R4上的电压与Vs/2的相对值就是定向电桥的插入损耗。如果电桥使用相同阻值的电阻,则R1,R2,R3,R4以及Rs均为50ohm,则可以看出,Vs施加到R1,R2,R3和R4上的电压相等,因此R4两端的电压是源电压的四分之一。

这怎么看呢?如果从上图中看,觉得有点蒙。但是其实上图和上上图是一个等效的状态。将上上图,稍微变换一下,如下图所示,就比较容易看出来。

69dafacc-8674-11ed-bfe3-dac502259ad0.png

因此上述电路中,R4上面的电压与施加到电桥上的输入电压Vs/2的比值为1/2,即-6dB。在Tina中的仿真,也验证了上述结果。

69fe03b4-8674-11ed-bfe3-dac502259ad0.png

一般来说,当Rs=R4=Z0时,电桥的插入损耗为:

6a183f5e-8674-11ed-bfe3-dac502259ad0.png

将上面的仿真结果,分离开路,如下图所示,可以看到隔离端口中的信号为0。也就是说,在该隔离端口中不会出现a1信号,定向性OK.

6a32110e-8674-11ed-bfe3-dac502259ad0.png

以上,是定向电桥对入射波a1的响应。以下,分析定向电桥对反射波b1的响应。重新绘制电桥,将测试端口的接地点降低到新绘制电路的底部,如下图所示。并将信号源放置在测试端口,此时隔离端变成了耦合端。虽然两幅图看上去不一样,但其实两种的拓扑结构是一样的。

6a4e0594-8674-11ed-bfe3-dac502259ad0.png

此时,耦合端的耦合度如下:

6a6b4fa0-8674-11ed-bfe3-dac502259ad0.png

对于等电阻电桥的情况,耦合系数等于损耗值,为-6dB。如果R1不等于Z0,则R3值为: 6a821654-8674-11ed-bfe3-dac502259ad0.png 此时,损耗与耦合成正比,如下所示:

6a9651d2-8674-11ed-bfe3-dac502259ad0.png

下图是在HP8753B中使用的电桥装置。该电桥的插入损耗低于惠斯通电桥的正常值(约-1.5dB),耦合高于正常值(约-16dB). 这种类型的电桥已经成功用于高达27GHz的VNA设备中。

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审核编辑:汤梓红

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