定向耦合器制作

定向耦合器制作

• 定向器件用途
• 参数原理
• 原理图
• 实物图
• 测量结果
• FR4 端口2到端口3的传输S参数:
• FR4 端口2到端口1的传输S参数:
• FR4 端口1到端口3的传输S参数:
• 未完待续.....

定向器件用途

定向桥是在射频系统中用来分离正向和反向传输的器件，是一矢量网络分析仪的关键部件。在各种射频发射机接收机等设备里都有应用。

参数原理

定向耦合器由四个主要技术指标： 插入损耗，耦合因子，隔离度和方向性。
$公式1： 方向性= \frac{隔离度} {耦合度*插入损耗}$公式1：方向性=耦合度∗插入损耗隔离度​

我今天要做的是一个方向性电桥，方向性电桥是有损器件。但是它有一个重要特性就是可以工作在相当宽的频率范围内，KHz~几十GHz。这里的方向性桥其实是惠更斯电桥的变体。

上图是电桥的原理图。信号源于电桥之间加入1:1变压器修改为如下形式。

这样巴伦把不平衡信号变成平衡信号，然后就可以把电桥的另外一个引脚接地，这是让电桥起到定向耦合器的作用的关键因素。
这时检波器的低端接地，${R_{det}}$Rdet​ 和 ${R_4}$R4​可以用同一阻抗的传输线结构代替，作为方向性电桥的射频端口。 ${R_{det}}$Rdet​被电桥的耦合端代替，从源流向中心导体的射频能量似乎等于从源到隔离端口的射频能量。如下图：

然而，因为测试端口接地，一部分射频信号将会流过${R_4}$R4​，而${R_4}$R4​两端的电压与${V_s/2}$Vs​/2的比值就是方向性电桥的插入输入损耗。${R_1 R_2R_3 R_4}$R1​R2​R3​R4​均为50Ω，${V_s}$Vs​平均加在${R_1 R_2R_3 R_4}$R1​R2​R3​R4​上，因此${R_4}$R4​两端的电压是源电压的四分之一。因此等电阻器平衡电桥的损耗就是电桥输入电压的一半，即-6dB。一般说来${R_s=R_4=Z_0}$Rs​=R4​=Z0​电桥的输入损耗是${L_{Bridge}=20lg(\frac{Z_0}{Z_0+R_3})}$LBridge​=20lg(Z0​+R3​Z0​​)
从以上描述可以看出，当电桥的终端${Z_0}$Z0​时，隔离端口上没有信号。这表明电桥会隔离入射信号，满足方向性器件的第1条标准。第2条标准是电桥要响应来自测试的端口的反射信号。重画电桥图,

源从输入端口移至输出端口，但是电桥电路的拓扑结构与之前完全一致。当用测试端口作为驱动时（或当测量反射信号时），隔离臂变成了耦合臂 ，而耦合臂的隔离因子可以由以下公式计算出。${C_{Bridge}=20lg{\frac{Z_0}{Z_0+R_1}}}$CBridge​=20lgZ0​+R1​Z0​​在使用等电阻器电桥情况下，耦合因子与损耗相等，为-6dB。如果${R_1}$R1​不等于${Z_0}$Z0​，则${R_3}$R3​可以计算为${R_3=\frac{(Z_0)^2}{R_1}}$R3​=R1​(Z0​)2​

原理图

传输变压器是用一段RG405 50-2半柔线制作。根据电阻值可以计算出${C_{Bridge}}≈ 16dB$CBridge​≈16dB， ${L_{Bridge}} ≈ 1.6dB$LBridge​≈1.6dB

实物图

上图分别是FR4 材质和FR408材质的定向桥。

测量结果

FR4 端口2到端口3的传输S参数:

用自制的VNA测试的结果如下，用Python显示的。

上图中S21参数指示了此定向桥的方向性 S21 - ${C_{Bridge}}$CBridge​- ${L_{Bridge}}$LBridge​ =S21 -17dB(由于电阻元件寄生参数的存在此值 小于 16+1.6dB) 。
测量范围 140MHz ~4.4GHz (我的VNA的测量范围限制)

FR4版： -16dB定向耦合桥
基板材质： FR4
方向性： 1.5G >=25dB， 2.5G >=20dB, 4G >= 14dB (数据均为个人实测数据，下面有S参数展示)
端口参数： S11 , S22, S33 均小于 -12dB @ 4GHz
耦合度： S13 = -16dB(±2dB)
插入损: S12 = -1.6(+1.5dB

FR4 端口2到端口1的传输S参数:

FR4 端口1到端口3的传输S参数:

未完待续…

天不早了，人不少了，鸡不叫了，狗不咬了，我该睡觉了。最后补几张张我的VNA图。