带两个RMS的集成双向桥，用于测量RF功率和回波损耗（上）

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定向耦合器用于检测RF功率，应用广泛，可以出现在信号链中的多个位置。本文探讨ADI公司的新器件ADL5920，其将基于宽带定向耦合器与两个RMS响应检测器集成在一个5 mm×5 mm表贴封装中。相比于要在尺寸和带宽之间艰难取舍的传统分立式定向耦合器，该器件具有明显的优势，尤其是在1 GHz以下的频率。

在线RF功率和回波损耗测量通常利用定向耦合器和RF功率检波器来实现。

图1中，双向耦合器用于无线电或测试测量应用中，以监测发射和反射的RF功率。有时希望将RF功率监测嵌入电路中，一个很好的例子是将两个或更多信号源切换到发射路径（使用RF开关或外部电缆）。

图1.测量RF信号链中的正向和反射功率。

定向耦合器具有方向性这一重要特性，也就是它能区分入射和反射RF功率。当入射RF信号在通往负载的路程中经过正向路径耦合器（图2）时，耦合一小部分RF功率（通常是比入射信号低10 dB至20 dB的信号），输入RF检波器。当正向功率和反射功率均要测量时，须再使用一个耦合器，其方向与正向路径耦合器相反。两个检波器的输出电压信号将与正向和反向RF功率水平成比例。

图2.采用定向耦合器和RF检波器的典型RF功率测量系统

表贴定向耦合器的基本问题是须在带宽和尺寸之间进行取舍。虽然频率覆盖范围为一个倍频程（即FMAX等于两倍FMIN）的双向定向耦合器通常采用小至6 mm2的封装，但多倍频程表贴定向耦合器要大得多（图3）。宽带连接器式定向耦合器具有多倍频程的频率覆盖范围，但显著大于表贴器件。

图3.连接器式定向耦合器、表贴定向耦合器以及带定向桥和双RMS检测器的ADL5920集成IC

图3还显示了ADL5920评估板，它是一款新型RF功率检测子系统，检测范围高达60 dB，采用5 mm×5 mm MLF封装（ADL5920 IC位于RF连接器之间）。ADL5920的功能框图如图4所示。

图4.ADL5920框图

ADL5920不是利用定向耦合器来检测正向和反射信号，而是采用一种专利的定向桥技术来实现宽带且紧凑的片内信号耦合。要了解定向桥的工作原理，我们需要先回顾惠斯登电桥。

惠斯登电桥

定向桥的概念基于惠斯登电桥（图5），即在平衡时产生的差分电压为零。在惠斯登电桥中，两条支路之一中的一个电阻是可变的(R2)，而另外两个电阻（R1和R3）是固定不变的。总共有四个电阻——R1、R2、R3和Rx，其中Rx是未知电阻。如果R1 = R3，那么当R2等于Rx时，VOUT = 0 V。当可变电阻具有合适的值，使得电桥左右两边的分压比相等，从而在产生VOUT的差分检测节点上产生0 V差分信号时，认为电桥处于平衡状态。


图5.惠斯登电桥

单向桥

图6是单向桥原理图，非常好地解释了这种器件的基本操作。首先要注意的是，定向桥需要针对特定Zo进行设计，并将插入损耗降至最低。如果RS = RL= R = 50Ω，则电桥的检测电阻为5Ω，这样插入损耗(<1dB)与信号检测便实现了良好的折衷。从负载回头看来计算ROUT，得到精确的50Ω端口阻抗，而计算RIN将得到50.8Ω端口阻抗（|Γ| = 0.008；RL = –42 dB；VSWR = 1.016）。如果在RFIP施加图示信号，由于RIN约为50Ω，所以RFIP处的电压约为电源电压的一半。暂时假定RFIP处的电压等于1 V，则RFOP处的电压约为0.902 V。

该电压进一步衰减10/11 = 0.909，使得差分放大器的负输入为0.82V，所得差分电压为(1 – 0.82) = 0.18 V。电桥的有效正向耦合因子(Cpl)为

就电桥而言，平衡意味着当信号反向施加时（RFOP至RFIP），VFWD检波器（或Cpl端口）在理想情况下将看到零差分电压，而当信号正向施加时（RFIP到RFOP），看到的将是最大信号。为了在这种结构中获得最大的方向性，精密电阻最重要，因此将其集成是很有益的。

在单向桥中，为了确定计算回波损耗所需的隔离，需要翻转器件，然后将输入信号施加于RFOP。在这种情况下，电桥是平衡的，差分放大器的正负输入相等，因为相同的分压比0.909 = (10R/(10R + R) = (R/(R+0.1R))导致差分电压（V+减V-）= 0 V。

图6.简化单向桥电路图

双向桥

图7是双向桥的简化图，与ADL5920中使用的类似。对于50Ω环境，单位电阻R等于50Ω。因此，电桥的检测电阻值为5Ω，而两个分流网络的电阻值均为约1.1 kΩ。

这是一个对称网络，因此当RS和RL也等于50时，输入和输出电阻RIN和ROUT相同且接近50Ω。

当源阻抗和负载阻抗均为50Ω时，内部网络的欧姆分析告诉我们，与VREV相比，VFWD将相当大。在实际应用中，这对应于从信号源到负载的最大功率传输。这导致反射功率很小，进而导致VREV非常小。

接下来，我们考虑如果RL为无限大（开路）或零（负载短路），会发生什么情况。在这两种情况下，如果重复欧姆分析，我们会发现VFWD和VREV大致相等。这反映了一个实际系统在开路或负载短路情况下，正向和反射功率相等。下面将对这些情况进行更详细的分析。

图7.简化双向桥电路图

VSWR和反射系数

在网络分析中对误差进行全面分析太复杂，超出了本文的范围，但我们想在这里概述一些基本概念。Marki Microwave撰写的应用笔记“方向性与VSWR测量”是一篇出色的文章，可供参阅1。

行波是描述传输线路上电压和电流的重要概念，因为其是位置和时间的函数。传输线路上的电压和电流的一般解包括一个前向行波和一个反向行波，它们是距离x的函数2。

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