CN107643429B

CN107643429B - 一种可变耦合度的宽带射频电桥

Info

Publication number: CN107643429B
Application number: CN201710812315.XA
Authority: CN
Inventors: 马延军; 王倩; 辛梦娜; 朱代先; 代新冠; 刘凌志
Original assignee: Xian University of Science and Technology
Current assignee: Sunwave Communications Co Ltd
Priority date: 2017-09-11
Filing date: 2017-09-11
Publication date: 2018-09-18
Anticipated expiration: 2037-09-11
Also published as: CN107643429A

Abstract

本发明公开了一种可变耦合度的宽带射频电桥，包括激励信号输入端口，激励信号输入端口与C1相连接，C1与绕组a2‑b2相连接，还包括绕组a1‑b1，绕组a2‑b2和a1‑b1组成双绞线绕制在磁环上，磁环上还绕制有绕组a3‑b3，a1‑b1与a3‑b3相连接并接地，绕组a2‑b2与a3‑b3相连接并连接至C3，C3分别与R2和C4相连接，C4分别与L3和R3的阳极连接，L3连接至控制电流2，R3的阴极端接地；绕组a1‑b1分别与C2、L1、PIN二极管R1的阳极连接，L1连接至控制电流1，C2通过测试接口连接待测射频器件，PIN二极管R1的阴极分别连接至R2、C5、L2，L2接地，C5连接至耦合信号输出端口；本发明提供一种可变耦合度的宽带射频电桥，可以根据测量要求自行调整接收机的动态范围。

Description

一种可变耦合度的宽带射频电桥

【技术领域】

本发明属于测试仪器技术领域，具体涉及一种可变耦合度的宽带射频电桥。

【背景技术】

在现代射频通信系统中，矢量网络分析仪得到了广泛的应用，可以用来测量射频器件特性，测量无线信道特性等。矢量网络分析仪的几个主要指标有：1)测量频段高低；2)动态范围大小；3)测量速度快慢等。矢量网络分析仪包括源、接收机和测试装置。测试装置主要有定向电桥或者定向耦合器及转换开关。定向耦合器及定向电桥是一种信号分离器件，能够把传输线上的反射信号从传输信号中分离出来。定向耦合器一般用于频率高端，在频率低端一般采用定向电桥。定向电桥分为两种：一种为采用同轴巴伦传输线方式，图1所示为US4962359专利中采用的同轴线方法的定向电桥；另外一种采用双绞线磁环传输线方式，图2所示为专利CN106571509B基于磁环的传输线变压器定向电桥。定向电桥能够在很宽的频率范围内保持耦合度及隔离度指标，包括低频频段。通过合理设计，目前已有的定向电桥其频率范围可以覆盖到接近10GHz。

在10GHz以下一般采用定向电桥，定向电桥的基本原理：以图2为例，射频信号通过P1端口加载到传输线变压器上面，传输线变压器完成不平衡-平衡变换，将单端信号变成差分信号加载到射频电桥上面，进而完成测量。定向电桥有几个关键指标，主要是插入损耗、耦合度及方向性，当然还有隔离度、端口驻波等指标参数。插入损耗指的是激励信号通过定向电桥后对外输出，由于设计方法及器件本身造成的对输入信号的损耗。一般来讲，要求插入损耗尽量小，从而降低对信号源输出功率的要求，如专利US4962359中，损耗约为1.5dB。矢量网络分析仪的输出端口连接各类待测器件，这些器件的阻抗往往不能与矢量网络分析仪的输出阻抗匹配，从而导致信号从输出端口反射回来。耦合度可以认为是对反射信号的采样，权衡各方面的因素，目前普遍把耦合度设计成为约-16dB。方向性也是定向电桥的一个关键指标，由于各种不理想因素，传输信号会泄漏到耦合端口，从而影响反射信号的测量。此指标反映了定向电桥从传输信号中识别出反射信号的能力，这个指标直接决定了定向电桥的应用频率的高低。

然而，现有的国内外厂商设计的这些定向电桥都面临一个问题，当设计制造完成后，其关键指标就确定了。如耦合度，插入损耗，方向性等。这些关键指标对矢量网络分析仪整机性能有着至关重要的影响。如耦合度指标，此指标直接影响到矢量网络网络分析仪的动态范围。当测量S21参数(正向传输系数)时候，激励信号首先通过待测器件(DUT)进入到定向电桥里面。从定向电桥传输后，一路接到50欧标准负载上面，另外一路就是通过耦合端口进入到接收机里面。由于接收机灵敏度是一定的，也就是说其最小可以接收的信号功率是一定的。当测试大损耗器件的时候(如测试带通滤波器)，带外损耗往往高达130dB以上，在进入接收机之前还要再次衰减16dB左右(定向电桥耦合度)，从而使总计衰减接近150dB。这样对矢量网络分析仪的设计提出了极高的要求，解决方法之一就是大幅度提供内置信号源的输出功率(如输出功率达到30dBm以上)，解决方法之二就是大幅度降低中频带宽(如小于1Hz的中频带宽)。然而，这两种方法都有局限性：1)很多射频器件不能承受超过10dBm以上的射频功率；2)大幅度降低中频带宽，导致现有的矢量网络分析仪接收机成本过高，设计难度显著增加。

【发明内容】

本发明的目的是提供一种可变耦合度的宽带射频电桥，可以根据测量要求自行调整接收机的动态范围。

本发明采用以下技术方案：一种可变耦合度的宽带射频电桥，包括激励信号输入端口P1，激励信号输入端口P1与电容C1的一端相连接，电容C1的另一端与绕组a2-b2的a2端相连接，还包括绕组a1-b1，绕组a2-b2和绕组a1-b1组成双绞线绕制在磁环上，磁环上还绕制有绕组a3-b3，双绞线与绕组a3-b3绕制在磁环上的区域不重叠，且互不接触；绕组a1-b1的a1端与绕组a3-b3的a3端相连接并接地，绕组a2-b2的b2端与绕组a3-b3的b3端相连接并连接至电容C3的一端，电容C3的另一端分别与电阻R2的一端和电容C4的一端相连接，电容C4的另一端分别与扼流线圈L3的一端和PIN二极管R3的阳极连接，扼流线圈L3的另一端连接至控制电流2，PIN二极管R3的阴极端接地；

绕组a1-b1的b1端分别与电容C2的一端、扼流线圈L1的一端、PIN二极管R1的阳极连接，扼流线圈L1的另一端连接至控制电流1，电容C2的另一端通过测试接口P3连接待测射频器件的一端，待测射频器件的另一端接地，PIN二极管R1的阴极分别连接至电阻R2的另一端、电容C5的一端、扼流线圈L2的一端，扼流线圈L2的另一端接地，电容C5的另一端连接至耦合信号输出端口P2。

进一步地，射频电桥耦合度C调节范围为-20dB到-6dB。

进一步地，PIN二极管R1、PIN二极管R3的阻值分别为50W、50/W，其中，电阻R2的阻值为50Ω，射频电桥耦合度C调节范围为-20dB到-6dB。

进一步地，电容C1、C2、C3、C4、C5均为隔直电容。

进一步地，激励信号输入端口P1、绕组a1-b1、绕组a2-b2、绕组a3-b3、磁环、电容C1、电容C2、电容C3、电容C4、电容C5、电阻R2、PIN二极管R1、PIN二极管R3、扼流线圈L1、扼流线圈L2、扼流线圈L3、耦合信号输出端口P2、测试端口P3均安装在板材正面。

进一步地，控制电流1的范围为0.03-0.25mA，控制电流2的范围为0.23-2.3mA。

进一步地，射频电桥安装到板材上后，形成的电路板的长度为20mm，宽度为17mm。

进一步地，PIN二极管R1、PIN二极管R3的型号均为BAT64-03W。

进一步地，板材的型号为罗杰斯4350，厚度为0.508毫米，且其反面覆铜接地。

本发明的有益效果是：根据待测器件的类型及测试要求的不同，可以动态的调整定向电桥的耦合度等参数，采用PIN二极管作为可变电阻，对射频电桥的关键电阻按照一定的规则进行动态调整，通过调整PIN二极管的电阻，间接的调整定向电桥的耦合度。从而，矢量网络分析仪接收机的动态范围可以根据测量要求自行调整，在同等激励信号功率及同等中频带宽的情况下，能够动态的调整接收机的动态范围，降低了接收机的设计难度及成本。

【附图说明】

图1为公开号为US4962359(A)的专利中采用同轴传输线的定向电桥的原理图；

图2为公开号为CN106571509B中国专利中采用磁环传输线变压器的射频定向电桥的原理图；

图3为本发明实施例中BAR64-03W PIN二极管特性图；

图4为本发明一种可变耦合度的宽带射频电桥的原理图；

图5为本发明一种可变耦合度的宽带射频电桥的正面设计版图；

图6为本发明实施例中耦合度调整测试结果图。

【具体实施方式】

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明公开了一种可变耦合度的宽带射频电桥，相对于普通的射频电桥固定的耦合度约-16dB，本发明的射频电桥耦合度C调节范围为-20dB到-6dB，大大拓展了射频电桥的应用范围。

如图4所示，本发明的可变耦合度的宽带射频电桥，包括激励信号输入端口P1，激励信号输入端口P1与电容C1的一端相连接，电容C1的另一端与绕组a2-b2的a2端相连接，还包括绕组a1-b1，绕组a2-b2和绕组a1-b1组成双绞线绕制在磁环上，磁环上还绕制有绕组a3-b3，a1-b1的a1端与绕组a3-b3的a3端相连接并接地，绕组a2-b2的b2端与绕组a3-b3的b3端相连接并连接至电容C3的一端，电容C3的另一端分别与电阻R2的一端和电容C4的一端相连接，电容C4的另一端分别与扼流线圈L3的一端和PIN二极管R3的阳极连接，扼流线圈L3的另一端连接至控制电流2，PIN二极管R3的阴极端接地，PIN二极管R3的阻值50/W，其中，且型号为BAT64-03W。

绕组a1-b1的b1端分别与电容C2的一端、扼流线圈L1的一端、PIN二极管R1的阳极连接，PIN二极管R1的阻值分别为50W，其中，且型号为BAT64-03W。

因此，绕组a1-b1、绕组a2-b2、绕组a3-b3、磁环组成基于磁环的传输线变压器组合，射频信号经该传输线变压器组合一路进入到电容C2，然后从测试端口P3输出，Rx是待测射频器件，其一端接到测试端口P3，另外一端接地。

扼流线圈L1的另一端连接至控制电流1，电容C2的另一端通过测试接口P3连接待测射频器件的一端，待测射频器件的另一端接地，PIN二极管R1的阴极分别连接至电阻R2的另一端、电容C5的一端、扼流线圈L2的一端，电阻R2的阻值为50Ω。扼流线圈L2的另一端接地，电容C5的另一端连接至耦合信号输出端口P2。

扼流线圈L1、扼流线圈L2、扼流线圈L3可阻值射频信号的传输，仅允许直流控制电流通过。所以，扼流线圈L1，PIN二极管R1，扼流线圈L2构成一直流回路，可通过控制电流1控制PIN二极管R1的阻值，调节为50W；扼流线圈L3，PIN二极管R3构成了另外一个直流回路，可由控制电流2来调节PIN二极管R3阻值。在实用本发明的可变耦合度的宽带射频电桥时，当需要将耦合度调节至C(单位dB)时，首先通过计算出电阻比值的参数W，然后根据PIN二极管的特性，分别调整控制电流1和控制电流2，使PIN二极管R1、PIN二极管R3分别满足R₁＝50W，R₃＝50/W即可得到需求的耦合度C。

如图5所示，为本发明可变耦合度的宽带射频电桥的实施电路板图，该版图为单面布线，其中，H1是2脚插头，控制电流引线可以通过这个插头接到本模块上面，另外一面全部覆铜接地，H1的第一脚通过跳线(在板子背面)接到扼流线圈L3的未连接的一端，如图中虚线所示。绕组a1-b1和绕组a2-b2组成的双绞线与绕组a3-b3绕制在磁环上的区域不重叠，且互不接触。电容C1、C2、C3、C4、C5均为隔直电容，可阻值直流电流的通过，并允许射频信号通过。

激励信号输入端口P1、绕组a1-b1、绕组a2-b2、绕组a3-b3、磁环、电容C1、电容C2、电容C3、电容C4、电容C5、电阻R2、PIN二极管R1、PIN二极管R3、扼流线圈L1、扼流线圈L2、扼流线圈L3、耦合信号输出端口P2、测试端口P3均安装在板材正面。

本发明的射频电桥安装到板材上后，形成的电路板的长度为20mm，宽度为17mm，满足了小型化电桥的要求。另外，板材的型号为罗杰斯4350，厚度为0.508毫米，且其反面覆铜接地。

如图3所示，为BAT64-03W型号的PIN二极管的特性图，由图可见，当PIN二极管导通电流为100mA时候，其等效电阻约为0.8欧，当PIN二极管导通电流约为10uA时候，其等效电阻约为800欧。利用该PIN二极管按照图5版图构造成实际系统，并进行了测试。

图6是测试结果图，由图中可见，控制电流1范围在0.03mA到0.25mA左右变化，控制电流2在2.3mA到0.23mA左右变换。通过上述方法，控制PIN二极管导通电流满足R₁＝50W，R₃＝50/W，从而控制耦合度在-20dB到-6dB之间可调，具体测试数据见下表。

C	-20	-19	-18	-17	-16	-15	-14	-13
									I1	0.027	0.031	0.036	0.041	0.047	0.054	0.062	0.072
I2	2.266	1.992	1.748	1.530	1.336	1.164	1.010	0.872
									C	-12	-11	-10	-9	-8	-7	-6
I1	0.084	0.098	0.116	0.138	0.166	0.203	0.252
									I2	0.750	0.641	0.544	0.457	0.380	0.311	0.252

其中，C为耦合度，I1是控制电流1(单位：mA)，I2是控制电流2(单位：mA)。

Claims

1.一种可变耦合度的宽带射频电桥，其特征在于，包括激励信号输入端口P1，所述激励信号输入端口P1与电容C1的一端相连接，所述电容C1的另一端与绕组a2-b2的a2端相连接，还包括绕组a1-b1，所述绕组a2-b2和绕组a1-b1组成双绞线绕制在磁环上，所述磁环上还绕制有绕组a3-b3，所述双绞线与所述绕组a3-b3绕制在所述磁环上的区域不重叠，且互不接触；所述绕组a1-b1的a1端与所述绕组a3-b3的a3端相连接并接地，所述绕组a2-b2的b2端与所述绕组a3-b3的b3端相连接并连接至电容C3的一端，所述电容C3的另一端分别与电阻R2的一端和电容C4的一端相连接，所述电容C4的另一端分别与扼流线圈L3的一端和PIN二极管R3的阳极连接，所述扼流线圈L3的另一端连接至控制电流2，所述PIN二极管R3的阴极端接地；

所述绕组a1-b1的b1端分别与电容C2的一端、扼流线圈L1的一端、PIN二极管R1的阳极连接，所述扼流线圈L1的另一端连接至控制电流1，所述电容C2的另一端通过测试接口P3连接待测射频器件的一端，所述待测射频器件的另一端接地，所述PIN二极管R1的阴极分别连接至电阻R2的另一端、电容C5的一端、扼流线圈L2的一端，所述扼流线圈L2的另一端接地，所述电容C5的另一端连接至耦合信号输出端口P2；

当需要将耦合度调节至C时，通过计算出电阻比值的参数W，分别调整控制电流1和控制电流2，使PIN二极管R1、PIN二极管R3的阻值分别满足R₁＝50W，R₃＝50/W。

2.如权利要求1所述的可变耦合度的宽带射频电桥，其特征在于，所述射频电桥耦合度C调节范围为-20dB到-6dB。

3.如权利要求1所述的可变耦合度的宽带射频电桥，其特征在于，所述PIN二极管R1、PIN二极管R3的阻值分别为50W、50/W，其中，所述电阻R2的阻值为50Ω，所述射频电桥耦合度C调节范围为-20dB到-6dB。

4.如权利要求3所述的可变耦合度的宽带射频电桥，其特征在于，所述电容C1、C2、C3、C4、C5均为隔直电容。

5.如权利要求3或4所述的可变耦合度的宽带射频电桥，其特征在于，所述激励信号输入端口P1、绕组a1-b1、绕组a2-b2、绕组a3-b3、磁环、电容C1、电容C2、电容C3、电容C4、电容C5、电阻R2、PIN二极管R1、PIN二极管R3、扼流线圈L1、扼流线圈L2、扼流线圈L3、耦合信号输出端口P2、测试端口P3均安装在板材正面。

6.如权利要求3或4所述的可变耦合度的宽带射频电桥，其特征在于，所述控制电流1的范围为0.03-0.25mA，控制电流2的范围为0.23-2.3mA。

7.如权利要求5所述的可变耦合度的宽带射频电桥，其特征在于，所述射频电桥安装到所述板材上后，形成的电路板的长度为20mm，宽度为17mm。

8.如权利要求1或2所述的可变耦合度的宽带射频电桥，其特征在于，所述PIN二极管R1、PIN二极管R3的型号均为BAT64-03W。

9.如权利要求7所述的可变耦合度的宽带射频电桥，其特征在于，所述板材的型号为罗杰斯4350，厚度为0.508毫米，且其反面覆铜接地。