定向耦合器制作

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。
$$公式1：方向性=\frac{隔离度}{耦合度\ast 插入损耗}$$

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，$R_{det}$ 和 $R_4$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。 $R_{det}$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$R_4$，而$R_4$两端的电压与$V_s/2$的比值就是方向性电桥的插入输入损耗。$R_1{R}_2{R}_3{R}_4$均为50Ω，$V_s$平均加在$R_1{R}_2{R}_3{R}_4$上，因此$R_4$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$R_s=R_4=Z_0$电桥的输入损耗是$L_{Bridge}=20lg(\frac{Z_0}{Z_0+R_3})$
从以上描述可以看出，当电桥的终端$Z_0$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。$$C_{Bridge}=20lg\frac{Z_0}{Z_0+R_1}$$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$R_1$不等于$Z_0$，则$R_3$可以计算为$$R_3=\frac{(Z_0{)}^2}{R_1}$$

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$C_{Bridge}\approx 16dB$， $L_{Bridge}\approx 1.6dB$

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 - $C_{Bridge}$- $L_{Bridge}$ =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。