定向电桥：VNA信号测量的关键组件

发布时间：2022-12-29 10:36:34

来源：RF技术社区 (https://rf.eefocus.com)

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定向电桥在射频工程，特别是矢量网络分析仪（VNA）中的重要性。VNA，这一射频工程师的得力助手，能够测量网络的响应，并以矢量的形式展现实部和虚部参数，从而全面描述网络的性能。在VNA的众多组件中，定向器件，如定向耦合器和定向电桥，扮演着至关重要的角色。

定向电桥的主要功能在于其出色的信号分离能力，在射频网络中，入射波和反射波往往在同一端口上重叠，难以直接测量。而定向电桥则能够神奇地将这两者分开，使得我们可以精确地测量每一个信号的特性。在VNA中，定向电桥通常基于平衡惠斯通电桥的原理进行改进。原始的惠斯通电桥在信号源施加在电桥的顶部和底部，且电阻比值相等时，检测端的电压差为零。然而，在RF VNA的应用中，我们需要对电桥进行改进，以适应射频信号的特性。

一个关键的改进是在输入端增加一个变压器，将电桥的底部节点与地隔离开。这个变压器实现了非平衡到平衡的转换，使得不平衡的信号源能够被转换成平衡信号源。这一改进允许电桥的不同支路接地，这是将惠斯通电桥转化为RF VNA中定向电桥的关键步骤。我们可以将检测电阻Rdet和电阻R4替换为具有相同阻抗的传输线结构，以表示定向电桥的RF端口。这样，定向电桥就能够更好地适应射频信号的特性，并在VNA中发挥其应有的作用。

定向电桥作为VNA中的重要组件，其精确的信号分离能力和对射频信号的适应性，使得它在射频工程中发挥着不可替代的作用。随着技术的不断发展，我相信定向电桥将会在更多领域展现出其独特的价值。定向电桥是一种用于测量微波和射频电路中的信号参数的重要工具，其核心原理是利用电桥结构的对称性来实现对特定方向信号的传输和对其他方向信号的隔离。

在定向电桥中，插入损耗是一个关键的性能指标，它表示信号通过电桥时的功率损耗。当电桥的四个电阻（R1, R2, R3, R4）以及源电阻Rs的阻值相等时，如均为50欧姆，电桥达到平衡状态。此时，源电压Vs在四个电阻上产生的电压是相等的。因此，R4两端的电压是源电压的四分之一，这是因为电压在电桥的两个支路上被均匀分配。通过分析和计算，我们可以得知R4上的电压与施加到电桥上的输入电压Vs/2的比值为1/2。这意味着电桥的插入损耗为-6dB，因为在微波测量中，电压比通常用分贝（dB）来表示。通过仿真软件如Tina进行验证，我们可以确认这一结果。

定向电桥还具有很好的定向性，即它能有效地隔离不需要的信号。当电桥处于开路状态时，隔离端口中的信号几乎为零，这意味着该端口不会接收到来自输入端口的信号，从而保证了测量的准确性。对于定向电桥对反射波的响应，我们可以通过重新配置电桥并改变测试端口的接地点来进行分析。此时，隔离端变成了耦合端，我们可以测量耦合端的耦合度，即信号从输入端口传输到耦合端口的效率。对于等电阻电桥，耦合系数等于损耗值，即-6dB。如果电桥电阻值不等，耦合度和损耗之间的关系会发生变化，需要根据具体的电阻值进行计算。