宽带驻波电桥的原理
虎哥 2020-1-13原创 业余无线电仪表与测量
关键词
电桥驻波电桥定向耦合器
VSWR

爱好者DIY驻波电桥的热情一直很高,以等臂惠斯登电桥为主。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,主要问题是差分混频器的带宽有限。

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。

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等臂电桥串联,前者负责高频,后者负责低频,等臂电桥部分可以用电子开关旁路。这种组合不但能够实现几kHz至近百GHz的连续覆盖,还可以全SMT或者薄膜电路解决,降低了制造难度,并且没有非线性问题。

[修改于 2 天前 - 2020-01-21 21:23:22]

来自:兴趣爱好 / 业余无线电电子信息 / 仪表与测量
2020-1-14 0:48:14
1楼

这个水印打法是被辣鸡小编抄袭抄怕了么23333

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2楼

电路城照抄不误,是我就把水印放正中间

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3楼

看这个帖子让我想起了拆坏的HP8515A,太可惜了

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2020-01-16 10:16:08
2020-1-16 10:16:08
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。

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虎哥(作者)
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。

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