一种可变耦合度的宽带射频电桥的制作方法

【
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。技术实现要素：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bar64-03wpin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-20-19-18-17-16-15-14-13i10.0270.0310.0360.0410.0470.0540.0620.072i22.2661.9921.7481.5301.3361.1641.0100.872c-12-11-10-9-8-7-6i10.0840.0980.1160.1380.1660.2030.252i20.7500.6410.5440.4570.3800.3110.252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)。当前第1页12