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宽带驻波电桥的原理

关键词

电桥驻波电桥定向耦合器

VSWR

驻波电桥是矢量网络分析仪常用的定向性器件,目前以惠斯登电桥为主。过去主要使用等臂电桥,现在则以不等臂电桥为主。

1、等臂电桥

等臂电桥的检测端也是平衡的,检测时不能破坏这种平衡关系,否则电桥的性能会迅速恶化。为了不破坏平衡关系,通常有三种检测方法:

(1)使用电阻+检波二极管。

这种方法的问题是检波器是宽带的,导致仪器毫无抗干扰能力,且灵敏度较低,主要用于早期的标量网络分析仪。

(2)使用平衡-不平衡转换器(俗称巴伦),将平衡输出转换为50Ω单端输出,送入测量接收机。

这种方法能取得良好的效果,主要问题是巴伦难做,通常用于4GHz以内频率。这时多用漆包线绕巴伦,minicircuits有现成产品,KC901S(没有+)采用了这种方案。

图:检测端采用巴伦的驻波电桥,巴伦主体用同轴电缆绕制

IMG_0120.jpg

国外网友绘制的一种检测端采用巴伦的电桥,在无线电爱好者中被广泛使用

1578987350392.jpg

(3)采用差分混频器或差分转单端运放直接接收平衡输入。

这种方法目前取得了很好的效果,主要问题首先是差分器件带宽有限,其次是受结构和制造工艺的限制,高频定向性尚难做好。

等臂电桥的主要坏处是损耗大。由于平衡时只有四分之一功率分配到被测,它有6dB损耗。对于单纯的反射测量来说没有什么问题,但是如果还要测量传输,在接收机灵敏度一定时,就会损失6dB的动态范围。

2、不等臂电桥

在主流天馈分析仪中,等臂电桥已经不常用,除非有一些特殊的需求。

在天馈分析仪中最常见的是一种不等臂的电桥,依然是惠斯登电桥,只是两个支路的上电阻不等,下电阻不等,在设计条件下依然可以满足平衡条件。如下图所示:

非等臂电桥原理.jpg

其它改进的地方主要是让信号源通过巴伦变为平衡输出,也就是说与传统的等臂电桥的信号流向相反。

PORT1接信号源,PORT3是检测端,应采用50欧输入阻抗的接收机来检测。PORT2接待测器件。要理解这个电桥,就把它想象成PORT3输入就可以了。

这种电桥的损耗大小与电阻配置有关,可以很低,但同时耦合度也就变得很低,容易因为分布参数而影响定向性,因此取值要合理。常见规格是损耗1.5dB,耦合度-16dB。

对应的电阻值Z0为10欧左右,R2为270欧左右。

电桥的平衡条件如图片右上角公式所示,通常要求50Ω时平衡,所以有2500=R2×Z0。在满足平衡条件时,根据前面两个公式来求得R2和Z0的具体值。其中,S21是电桥的损耗;S32是电桥的耦合度,以线性值表示。

巴伦由同轴电缆和套在他上面的磁环组成,同轴电缆靠近输入的一侧外壳直接接地,另一头外壳接Z0、R1等。

由于同轴线外壳存在射频电流,整个巴伦必须屏蔽起来,不然频率高了就不好玩了,除此之外Z0还要取得比理论值稍大点(但低频定向性会有损失)。

如果需要隔直,在PORT1旁边用电容隔离,在R2上串电容。前一个电容对电桥性能没有影响,后一个电容会有些影响,并且不能像等臂电桥那样被平衡掉,所以这支电容要用好点。电阻们的布局对于电桥工作到高频很关键,要尽量紧凑。机械结构上也可以做文章,比如用立体结构来缩小尺寸以及讲究等长。

图:KC某早期型号天线分析仪研发过程中使用的非等臂惠斯登电桥,因工艺问题,性能不佳

非等臂惠斯登电桥实物-2.jpg

图:经过稍微改进后的定向性情况,性能良好

1.jpg

这种电桥做到10GHz还是很容易的,要想再高就需要一些技巧,努努力最高可以做到20多GHz。做到低频比较麻烦,主要取决于巴伦的低频性能,最低可以到几百kHz。

这些电桥在天线分析仪之外的地方,现在也已经不常用了,主要是因为装配成本高,以及磁性材料的非线性问题(用在高档仪器中需要极为考究)。901系列在几年前某个特供版本中曾短暂使用过这种桥,现已不用。现在主流是用定向耦合器和不等臂惠斯登电桥串联,但没有巴伦。定耦负责高频,电桥负责低频,电桥部分也可以用电子开关旁路。这种组合能够实现几kHz至近百GHz的连续覆盖。

过去的不等臂惠斯登电桥需要使用巴伦,势必要用到磁性元件,会带来一定的非线性。目前已普遍利用差分器件替代巴伦,这种方法由于只有电阻和差分器件,易于集成在芯片中,逐渐成为主流。

[修改于 1 年前 - 2021-07-11 04:14:22]

回复
zx-16533
2年4个月前
1楼

这个水印打法是被辣鸡小编抄袭抄怕了么23333

BG8KIH
2年4个月前
2楼

电路城照抄不误,是我就把水印放正中间😁

yuhang
2年4个月前
3楼

看这个帖子让我想起了拆坏的HP8515A,太可惜了

BG7TBL
2年4个月前
4楼

很不错,长见识了。


还有个测量精度和一致性问题没有说到。

虎哥作者
2年4个月前
5楼
引用BG7TBL发表于4楼的内容
很不错,长见识了。还有个测量精度和一致性问题没有说到。

欢迎大佬补充。

BG7TBL
1年11个月前
6楼

主要还是需要在硬件上将端口驻波降低,端口驻波越低,精度和一致性越好。

不过这些都是针对精密测量的,一般测试问题不大!


造化为工
1年11个月前
7楼

有个疑问,为什么直到现在,主流才是串联等臂电桥和定向电桥呢?电子开关,等臂电桥,定向耦合器按理说老早就有了,如果有这些明显的优势,为啥几十年前没流行?会不会是相比巴伦电桥来说,还是有些不足,直到今天才克服了/?

虎哥作者
1年11个月前 修改于 1年11个月前
8楼

谁说以前定向耦合器不是主流,20GHz以上矢网,除了8515等少数产品,还能找出几个不用定向耦合器的例子?

一般来说低频手持仪器才用巴伦,而且现在依然在用巴伦,只不过改成SMT的变压器样子的巴伦了。

改用等臂电桥取消巴伦是为了做到从接近直流开始,比如KC901就能从9kHz开始,实际上可以测到2kHz这么低的频率。

还有一个因素是软件发达了,对硬件的要求有所降低,加上芯片性能提升,结果就是东西看起来越来越简单。本来简单也是追求,明明能够平面解决的,搞什么立体的。

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