宽带驻波电桥的原理

驻波电桥是矢量网络分析仪常用的定向性器件，目前以惠斯登电桥为主。过去主要使用等臂电桥，现在则以不等臂电桥为主。

1、等臂电桥

等臂电桥的检测端也是平衡的，检测时不能破坏这种平衡关系，否则电桥的性能会迅速恶化。为了不破坏平衡关系，通常有三种检测方法：

（1）使用电阻+检波二极管。

这种方法的问题是检波器是宽带的，导致仪器毫无抗干扰能力，且灵敏度较低，主要用于早期的标量网络分析仪。

（2）使用平衡-不平衡转换器（俗称巴伦），将平衡输出转换为50Ω单端输出，送入测量接收机。

这种方法能取得良好的效果，主要问题是巴伦难做，通常用于4GHz以内频率。这时多用漆包线绕巴伦，minicircuits有现成产品，KC901S（没有+）采用了这种方案。

图：检测端采用巴伦的驻波电桥，巴伦主体用同轴电缆绕制

国外网友绘制的一种检测端采用巴伦的电桥，在无线电爱好者中被广泛使用

（3）采用差分混频器或差分转单端运放直接接收平衡输入。

这种方法目前取得了很好的效果，主要问题首先是差分器件带宽有限，其次是受结构和制造工艺的限制，高频定向性尚难做好。

等臂电桥的主要坏处是损耗大。由于平衡时只有四分之一功率分配到被测，它有6dB损耗。对于单纯的反射测量来说没有什么问题，但是如果还要测量传输，在接收机灵敏度一定时，就会损失6dB的动态范围。

2、不等臂电桥

在主流天馈分析仪中，等臂电桥已经不常用，除非有一些特殊的需求。

在天馈分析仪中最常见的是一种不等臂的电桥，依然是惠斯登电桥，只是两个支路的上电阻不等，下电阻不等，在设计条件下依然可以满足平衡条件。如下图所示：

其它改进的地方主要是让信号源通过巴伦变为平衡输出，也就是说与传统的等臂电桥的信号流向相反。

PORT1接信号源，PORT3是检测端，应采用50欧输入阻抗的接收机来检测。PORT2接待测器件。要理解这个电桥，就把它想象成PORT3输入就可以了。

这种电桥的损耗大小与电阻配置有关，可以很低，但同时耦合度也就变得很低，容易因为分布参数而影响定向性，因此取值要合理。常见规格是损耗1.5dB，耦合度-16dB。

对应的电阻值Z0为10欧左右，R2为270欧左右。

电桥的平衡条件如图片右上角公式所示，通常要求50Ω时平衡，所以有2500=R2×Z0。在满足平衡条件时，根据前面两个公式来求得R2和Z0的具体值。其中，S21是电桥的损耗；S32是电桥的耦合度，以线性值表示。

巴伦由同轴电缆和套在他上面的磁环组成，同轴电缆靠近输入的一侧外壳直接接地，另一头外壳接Z0、R1等。

由于同轴线外壳存在射频电流，整个巴伦必须屏蔽起来，不然频率高了就不好玩了，除此之外Z0还要取得比理论值稍大点（但低频定向性会有损失）。

如果需要隔直，在PORT1旁边用电容隔离，在R2上串电容。前一个电容对电桥性能没有影响，后一个电容会有些影响，并且不能像等臂电桥那样被平衡掉，所以这支电容要用好点。电阻们的布局对于电桥工作到高频很关键，要尽量紧凑。机械结构上也可以做文章，比如用立体结构来缩小尺寸以及讲究等长。

图：KC某早期型号天线分析仪研发过程中使用的非等臂惠斯登电桥，因工艺问题，性能不佳

图：经过稍微改进后的定向性情况，性能良好

这种电桥做到10GHz还是很容易的，要想再高就需要一些技巧，努努力最高可以做到20多GHz。做到低频比较麻烦，主要取决于巴伦的低频性能，最低可以到几百kHz。

这些电桥在天线分析仪之外的地方，现在也已经不常用了，主要是因为装配成本高，以及磁性材料的非线性问题（用在高档仪器中需要极为考究）。901系列在几年前某个特供版本中曾短暂使用过这种桥，现已不用。现在主流是用定向耦合器和不等臂惠斯登电桥串联，但没有巴伦。定耦负责高频，电桥负责低频，电桥部分也可以用电子开关旁路。这种组合能够实现几kHz至近百GHz的连续覆盖。

过去的不等臂惠斯登电桥需要使用巴伦，势必要用到磁性元件，会带来一定的非线性。目前已普遍利用差分器件替代巴伦，这种方法由于只有电阻和差分器件，易于集成在芯片中，逐渐成为主流。