VNA中的定向電橋

在VNA中，一個很重要的部件，就是定向器件。
這個定向器件，可以是定向耦合器，也可以是定向電橋。
這些器件的主要指標(biāo)，包括：

• 插損，即對a1信號的衰減
• 耦合度，即對b1信號的衰減
• 定向性，即分離信號b1和信號a1的能力。

如下圖所示，S參數(shù)的定義與a1,b1,a2,b2的各個比值相關(guān)，所以需要能準(zhǔn)確的測出這些值。但是a1和b1是同一端口上的入射波和反射波，也就是說重疊在一起的。
而定向器件就有這樣一個魔力，它能夠把入射波和反射波分開。

在很多RF VNA中，使用定向電橋。
定向電橋可以實(shí)現(xiàn)寬帶寬，包括低頻端。

RF VNA中使用的定向電橋，是基于平衡惠斯通電橋改進(jìn)而來的。
下圖，是惠斯通電橋的常用原理圖。

如果信號源施加在電橋的頂部和底部，且R1/R2=R4/R3，那么Rdet兩端的電壓差為0.
用Tina對上述原理圖進(jìn)行仿真，如下圖所示,取R1=R2=50ohm, R4=R3=100ohm,可以看到Vd+和Vd-輸出都為0

然后，在輸入端增加一個變壓器，從而將電橋的底部節(jié)點(diǎn)與地隔離開，如下圖所示。這個1:1的變壓器，實(shí)現(xiàn)了非平衡-平衡轉(zhuǎn)換，把不平衡的信號源轉(zhuǎn)換成平衡信號源。經(jīng)過這樣的修改之后，允許電橋的不同支路接地，這是將惠斯通電橋變成RF VNA中定向電橋的關(guān)鍵。

因?yàn)镽det的一端接地，因此可以將Rdet和R4替換成具有相同阻抗的傳輸線結(jié)構(gòu)，來表示定向電橋的RF端口。將Rdet替換成電橋的隔離端口(書中正文中寫的是耦合端口，圖中寫的是隔離端口，我理解應(yīng)該是隔離端口)，R4替換成電橋的測試端口。如下圖所示。

R4上的電壓與Vs/2的相對值就是定向電橋的插入損耗。
如果電橋使用相同阻值的電阻，則R1,R2,R3,R4以及Rs均為50ohm，則可以看出，Vs施加到R1,R2,R3和R4上的電壓相等，因此R4兩端的電壓是源電壓的四分之一。

這怎么看呢？如果從上圖中看，覺得有點(diǎn)蒙。但是其實(shí)上圖和上上圖是一個等效的狀態(tài)。
將上上圖，稍微變換一下，如下圖所示，就比較容易看出來。

因此上述電路中，R4上面的電壓與施加到電橋上的輸入電壓Vs/2的比值為1/2，即-6dB。
在Tina中的仿真，也驗(yàn)證了上述結(jié)果。

一般來說，當(dāng)Rs=R4=Z0時，電橋的插入損耗為：

將上面的仿真結(jié)果，分離開路，如下圖所示，可以看到隔離端口中的信號為0。也就是說，在該隔離端口中不會出現(xiàn)a1信號，定向性O(shè)K.

以上，是定向電橋?qū)θ肷洳╝1的響應(yīng)。
以下，分析定向電橋?qū)Ψ瓷洳╞1的響應(yīng)。
重新繪制電橋，將測試端口的接地點(diǎn)降低到新繪制電路的底部，如下圖所示。并將信號源放置在測試端口，此時隔離端變成了耦合端。雖然兩幅圖看上去不一樣，但其實(shí)兩種的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是一樣的。

此時，耦合端的耦合度如下：

對于等電阻電橋的情況，耦合系數(shù)等于損耗值，為-6dB。
如果R1不等于Z0，則R3值為：

此時，損耗與耦合成正比，如下所示：

下圖是在HP8753B中使用的電橋裝置。該電橋的插入損耗低于惠斯通電橋的正常值(約-1.5dB)，耦合高于正常值(約-16dB). 這種類型的電橋已經(jīng)成功用于高達(dá)27GHz的VNA設(shè)備中。

參考文獻(xiàn)：
Joel P. Dunsmore HANDBOOK OF MICROWAVE COMPONENT MEASUREMENTS WITH ADVANCED VNA TECHNIQUES 2.2.4.1 RF Directional Bridges