CN1442929A - 回波损耗桥方向性的频率选择的改善 - Google Patents

Abstract

通过生成反作用的反射能量矢量以抵消所述回波损耗桥的不完美性造成的反射能量矢量从而实现频率选择改善的方向性，所述的不完美性诸如：寄生效应和不平衡的平衡－非平衡转变器。所述的反作用反射能量矢量相对不需要的可能会在测试端口与耦合端口之间的传输路径中引入的反射能量矢量而言，其幅度相等而相位相反。在一个实施方案中，可以插入在测试端口与偶合到耦合端口的耦合电阻之间的传输路径以生成反作用反射能量矢量，该矢量具有所需要的幅度以及用开路电路节与耦合电阻之间的传输线提供所希望的相位。作为替代，可以将反作用反射能量矢量从耦合电阻与测试端口之间的回波损耗路径耦合到耦合端口，该反作用反射能量矢量的幅度由耦合系数确定，其相位由传输线长度确定。为了提供可调节性，可以采用PIN二极管并与传输线一起控制耦合端口处的能量的幅度和相位，耦合系数大于抵消反射能量矢量幅度所需的值。

Description

回波损耗桥方向性的频率选择的改善

技术领域

本发明涉及频域仪器，更具体而言涉及回波损耗桥方向性的频率选择的改善。

背景技术

回波损耗桥是一种三端口装置，其中一个耦合端口定向地耦合来自传输端口与测试端口之间传输路径的固定数量的射频(RF)能量，即：所述桥耦合一些沿传输路径反向传播能量波的能量到耦合端口，而阻止沿正向传播能量波的能量。因此回波损耗桥可以用来在测试端口测量终结正向能量波负载的回波损耗(相对于入射功率的反射功率)。由于不可能完全阻止正向能量波，所以在耦合端口处，耦合能量与阻止能量之间有一定的差别。已经知道“方向性(directivity)”是回波损耗桥的一种品质表征量。方向性通常以分贝(dB)为单位，表示在耦合端口的功率差。所述功率差是指终结于一个完全反射负载(开路或者短路)的测试端口与终结于相同特性阻抗或至少一个比所述桥的方向性好得多的负载的完美非反射负载的测试端口之间的功率差。

图1示出了一种理想的桥(没有寄生效应)。系数K是根据在耦合端口P3的针对发生在传输端口P1和测试端口P2之间的传输路径的损耗所希望的在耦合端口P3的耦合量所选择的折衷值。能量沿端口P1到端口P2正向传输，以及能量沿端口P2到端口P1反向传输，利用耦合电阻R₀/K将一部分能量耦合到端口P3，测量仪器的接收机连接到P3，而测量仪器的发射机连接到端口P1，处于测试状态下的系统被连接到P2。一个代表性的值K＝0.2提供大约-17分贝的耦合(S₂₂)和-2分贝的损耗(S₂₁)，如图2所示。利用理想平衡-非平衡转变器以及在电路中没有寄生效应的情况下，方向性为无穷大，即没有正向的能量波耦合到端口P3。但是铁氧体包覆的同轴平衡-非平衡转变器不能提供完美的平衡输出，从而引起所述的方向性不是无穷大。这种有限的方向性被定义为固有方向性。假设在电路的其它部分没有另外的寄生效应，那么该固有方向性主要取决于铁氧体包覆的同轴电缆线形成的平衡-非平衡转变器的不平衡。如果通过紧凑放置以及采用短的传输线，尤其是端口P2与耦合电阻R₀/K之间长度和过渡，来保持寄生效应最小，可以在直到非常高频率的情况下，例如3GHz获得＞30分贝的固有方向性。图3是一个回波损耗桥的示意图，该回波损耗桥具有最低电路寄生效应以及由具有分路电阻和电感寄生性的理想变压器模型化的平衡-非平衡转变器，以模拟铁氧体包覆同轴电缆的不平衡性。

图2是对图3电路的模拟结果。所述方向性是端口P2到P3(S₃₂)损耗与端口P1到P3(S₃₁)损耗之间的差。如图所示，在跨越直到3GHz的频率范围存在一个30分贝的一致方向性。这是采用铁氧体包覆同轴电缆并且而电路中没有其它寄生效应的桥的固有方向性。

但是，为了将该桥配合地安装到具体外壳中，会出现以下情况，对该桥的构建引入了显著的寄生效应。例如，把所述桥安装在二侧都被腐蚀的电路板上，该电路板中有通孔以及相对于安置在端口P2与电阻器R₀/K之间的电缆N成直角SNA，所有这些不连续共同导致使所述桥的测量的方向性或者表观方向性退化。这种情况的发生是由于所述线路特性阻抗的不连续性引起沿端口P1与P2之间正向能量波在其可能耗散在端口P2的完美终端处之前被反射。这些反射波耦合到端口P3并且与不平衡导致的表观方向性在端口P3的能量相加(见图11)。将表示寄生效应导致的不需要的反射能量矢量和由于平衡-不平衡变换器的不平衡性导致的固有方向性矢量相加成表观方向性矢量。

为了改善存在明显寄生效应条件下的方向性，根据给桥规定的最高频率可以调节所述的寄生效应。但是在最高频率处，如2.5GHz，即使可能，也很难在小于30分贝的数量级上调节回波损耗的二个直角转变。即使可能，所述表观方向性会不间断地返回到固有方向性。因此，所述桥的方向性仍然受到固有方向性的限制。

人们希望有一种方法，尤其是在所考虑的频率范围内，当存在实施结构引起的不完美时，能够改善回波损耗桥的表现或者固有方向性。

发明内容

本发明相应地提供一种改善回波损耗桥方向性的频率选择的方法，该方法通过在耦合端口生成反作用的反射能量矢量来实现，其中所述反作用的反射能量矢量在所考虑的频率范围抵消了表观方向性矢量。该反作用的反射能量矢量是平衡-非平衡变换器的不平衡所引起的固有方向性矢量与反射能量矢量的矢量和，其中所述反射能量矢量是来自桥传输端口与测试端口之间的传输路径中寄生效应引起的不需要的能量反射。一个实施方案在耦合电阻与测试端口之间插入一个具有一定长度的开路电路段，该开路电路段与一定长度的传输线在传输线路中引入反作用的反射能量矢量。该反作用反射能量矢量的幅度由开路电路段的大小决定，并使其等于表观方向性矢量的幅度，其相位由耦合电阻与开路电路段之间的传输线长度确定，与表观方向性矢量相反，即相差180°。作为替代，为了避免第一实施方案引起的测试端口回波损耗退化(桥的另一个品质品质表征量)，可以利用定向耦合器将能量从耦合电阻与测试端口之间的传输路径耦合到耦合端口。该耦合器的耦合系数决定了耦合端口处的反作用反射能量矢量的幅度，将该幅度被设定为等于表观方向性矢量的幅度。该耦合器之间的路径包括一个传输线、其长度决定了与表观方向性矢量反相的在耦合端口处的反作用能量矢量的相位。所述传输线和耦合器可以利用PIN二极管来进行调节以增强功能。在这种情况下，所述耦合系数给出一个反作用矢量，其幅度大于表观方向性矢量，调节该PIN二极管以调整该反作用反射能量矢量在耦合端口处的幅度和相位以便在所考虑的频率范围内提供改善的方向性。

通过阅读以下详细说明并结合附图以及权利要求，可以理解本发明的目的、优点以及其它新颖的特征。

附图说明

图1是理想回波损耗桥的示意图。

图2示出了具有最小寄生效应的回波损耗桥的固有方向性。

图3是具有最小寄生效应的回波损耗桥的示意图。

图4是具有显著寄生效应的回波损耗桥的示意图，其中根据本发明改善了该桥的方向性。

图5示出了没有改善方向性的图4的回波损耗桥的表观方向性。

图6示出了根据本发明图4的回波损耗桥的改善的表观方向性。

图7示出了回望图4实施方案的测试端口回波损耗。

图8是一个回波损耗桥的示意图，其中采用了根据本发明的改善方向性另一个实施方案。

图9示出了图8回波损失桥的改善的方向性。

图10示出对回望图8实施方案的测试端口的回波损耗没有影响。

图11是一个矢量图，示出了寄生效应对固有方向性的影响以及根据本发明所提供的修正。

图12是根据本发明的另一个实施方案的具有改善方向性的回波损耗桥。

图13示出了根据本发明的图12的实施方案提供的改善方向性的调节。

优选实施方式

图4示出了一个不完美的回波损耗桥。在端口P1与平衡-非平衡转变器之间沿电路板层之间横穿地(如经通孔的从前到后转变)产生能量反射，由开路电路段OST和电感L表示。类似地，在端口P2和带有耦合电阻R₀/K的结之间会发生类似的反射，这引入显著的寄生效应。在该实例中，这种层横穿的耦合用伴随的开路段OST和电感L示出，这种横穿通过相应的传输线段TL耦合。图5示出了显著寄生效应对在固有方向性的影响。图2中的最小寄生效应型式削弱了端口P2的回波损失，并且如同固有方向性以产生表观方向性。从25MHz到2.5GHz的频率范围，对于一个桥所要求的是20分贝或更高，在本实例中，表观方向性在2.5GHz只有18分贝。

一种解决方案是引入沿耦合电阻R₀/K与端口P2之间传输线的相反寄生效应12，这种寄生效应引入了反作用的反射能量矢量。由于显著寄生效应，该矢量与端口P2处的表观方向性矢量的幅度相等而相位相反。通过所引入相反寄生效应12的数量和类型(电容性或者电感性或者二者兼有)可以控制幅度和相位以使在所考虑的频率产生的表观方向性为零。例如，图4中示出了将一个开路段14和一个传输线16组合在一起引入具有所希望的幅度和相位的反作用反射能量矢量以抵消由于不完美性造成的不希望的反射能量矢量。通过将图6与图5进行比较可以了解本实施方案中所引入的相反寄生效应12的效果。S31中存在一个零点并且在2-2.5GHz范围的表观方向性被提高到在大约23分贝(2.5GHz)。该结果是一个改善的表观方向性，它在窄带宽范围(如在本实例中1.75GHz-2.25GHz)大于固有方向性。

本实施方案存在的缺点在于，如图7所示，当对端口P2进行完美短路时，在S₃₁中产生一个纹波(ripp1e)，这是回波损耗桥的另一个品质表征量。如本实施方案所示，也降低了端口P3对反向传输波的平坦性并且使得测试端口P2的回波损耗S₂₂退化(将图2与图6进行比较)。因此，图8示出了另外一个实施方案。在该实施方案中，没有引起反射的明显寄生效应，只有固有方向性，因此不需要在端口P2与耦合电阻R₀/K之间的传输路径中引入相反的反作用反射能量矢量来改善方向性并因此使测试端口回波损耗S₂₂和端口P3处的平坦性退化。作为替代，用定向耦合器20把来自耦合电阻R₀/K与端口P2之间传输路径的能量耦合到端口P3。传输线22连接二个耦合器20，其中传输线长度确定耦合能量相位以及耦合系数确定其幅度。耦合器20终结于相应的负载电阻R_C。来自端口P2的耦合能量以与固有方向性矢量相等的幅度和不同的相位又耦合到端口P3。图9示出在2GHz处产生的表观方向性中有一个零点。将该表观方向性升高超过固有方向性而没有使端口P2的回波损耗S₂₂退化。图10示出了端口P3在完美短路的条件下的响应，在响应中没有纹波。

所述耦合地实施方案是一种简化的形式。图12示出了一种可调形式。可以采用PIN二极管24在端口P3处调节耦合能量的幅度和相位到零。在这种情况下，耦合器20提供的能量多于抵消固有方向性矢量的幅度所需的能量，即，耦合系数较大。如图13所示，这使得可以在耦合器20的带宽内或者超出所述带宽一定范围内电调节所述零点。利用PIN二极管24，可以在窄带范围内获得数量级在60-70分贝的表观方向性而不会使端口P2的回波损耗S₂₂退化。如果P2端口的回波损耗为良好(不存在上述的不连续)，可以进行非常精确的回波损耗幅度测量，该测量在窄带范围内具有十分匹配的负载，这是因为桥的方向性所导致的测量误差可以忽略不计，测量精度仅仅受限于端口P2的回波损耗以及端口P3处测量仪器接收机的精度，如：频谱分析仪、功率计等。

因此，本发明提供了不完美回波损耗桥的频率选择的改善的表观或者固有方向性，这是通过在测试端口与耦合端口之间的路径中引入或者耦合等幅和反相能量以抵消由这种不完美性引起的反射能量。

Claims (9)

1.一种存在不完美性的并且其方向性得到改善的回波损耗桥，该回波损耗桥拥有一个带有平衡-非平衡转变器的传输端口，该平衡-非平衡转变器耦合到测试端口以形成传输路径；以及一个经耦合电阻耦合到该测试端口的耦合端口，包括：

偶合于测试端口与耦合端口之间的装置，用于在耦合端口对不完美性引起的反射能量反作用以产生改善的方向性。

2.如权利要求1所述的回波损耗桥，其中所述反作用装置包括：

位于耦合电阻与测试端口之间传输路径中的装置，用于引入反作用的反射能量矢量，该矢量的幅度等于回波损耗桥的表观方向性矢量的幅度；和

位于耦合电阻与测试端口之间传输路径中的装置，用于把所述反作用的反射能量矢量的相位调整到与表观方向性矢量的相位相反。

3.如权利要求2所述的回波损耗桥，其中所述的引入装置包括耦合于耦合电阻与测试端口之间的开路电路段以生成其幅度等于所述表观方向性矢量的幅度的反作用反射能量矢量。

4.如权利要求3所述的回波损耗桥，其中所述调节装置包括偶合于耦合电阻与开路电路段之间的传输线以把反作用反射能量的相位调整到与所述表观方向性矢量的相位相反。

5.如权利要求1所述的回波损耗桥，其中所述反作用装置包括将反作用的反射能量矢量从测试端口耦合到耦合端口，所述反作用反射能量矢量的幅度等于回波损耗桥的表观方向性矢量的幅度，其相位与回波损耗桥的表观方向性矢量的相位相反。

6.如权利要求5所述的回波损耗桥，其中所述耦合装置包括：

一对定向耦合器，一个定向耦合器耦合于测试端口与耦合电阻之间的传输路径，另一个定向耦合器耦合到所述的耦合端口，该对定向耦合器的耦合系数使得在耦合端口处的反作用反射能量矢量的幅度等于所述表观方向性矢量的幅度；和

耦合于所述定向耦合器之间的传输线，所述传输线的长度使得反作用反射能量矢量的相位与所述表观方向性矢量的相位相反。

7.如权利要求1所述的回波损耗桥，其中所述反作用装置包括用于将反作用的反射能量矢量从测试端口耦合到耦合端口的装置，所述耦合装置包括装置，用于将反作用的反射能量矢量的幅度调整到等于回波损耗桥的表观方向性矢量的幅度并将反作用的反射能量矢量的相位调整到与回波损耗桥的表观方向性矢量的相位相反。

8.如权利要求7所述的回波损耗桥，其中所述调节装置包括：

PIN二极管，用作可变电阻以控制在耦合端口的反作用反射能量矢量的幅度使其等于表观方向性矢量的幅度；和

耦合装置的负载路径中的PIN二极管相位调节器，以控制在耦合端口的反作用反射能量矢量的相位使其与表观方向性矢量的相位相反。

9.如权利要求7所述的回波损耗桥，其中所述调节装置包括在耦合装置任一端的PIN二极管调节器，用于控制反作用反射能量矢量的幅度和相位，使其幅度等于表观方向性矢量的幅度，而其相位与表观方向性矢量的相位相反。

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