反射电桥的原理与应用
BG1LQX/ceeliu 一 基本原理 反射电桥又称电桥反射计或定向电桥， 它是测量反射系数的传感头。 它只能测反射并不 能测入射。由于它的输出正比于反射系数，因此取名反射电桥是非常恰当的。有人称为驻波 电桥， 其实驻波电桥只是那种在里面已装入检波二极管， 只有幅度信息没有相位信息的电桥。 反射电桥的原理图与惠斯登电桥完全相同， 只不过把结构尺寸改小以适合高频连接， 并 且不再需要调平衡，而是直接取出误差电压即可。 如图 1 所示，除非 Zx=Zo，否则 a,b 两点间是有误差电压 Vab 的。
Vab=V*（Zx-Zo）/（3Zx+5Zo）
误差电压正比于失配，这种接法称为失配电桥。
图 1 失配电桥 如图 2 所示，在 a、b 间也接上 Zo（输出端匹配） ，则：
图 2 反射电桥
Vab=（V/8）*（Zx-Zo）/（Zx+Zo）=（V/8）*Γ
只有这样，输出才正比于反射系数，反射电桥的名称也由此而来。
图 3 反射电桥实物
图 4 反射电桥结构示意
二 反射电桥的基本性能参数 定向性 在电桥测试端口（DUT）经开短路校正后，仪表显示一根水平线，在接上精 密负载后，光点应下降，其下降的 db 值即定向性。一般定向性有 35db 就不错了，对于一般 测量绰绰有余。 要求高时， 要用精密负载校零反射， 校后有效定向性即与负载的回损值相当。 采取三项校正后电桥的定向性即使低于 30db 也无妨。通常以 40db 为优，35db 为良，30db 为及格。
测试端口（DUT）反射 这是指由 DUT 端口向电桥内部看去是否匹配的一个指标。能 做到 20db（回损）就不错了，它主要影响大发射的测量，而通常主要是测小反射，因此影 响不大，要求高时加作三项校正掉。 插入损耗 输入端 （IN）与测试端 （DUT）间的插损在 6db 左右，输入端与输出 （OUT） 端的插损理论值为 12db，我做的在 14db 左右。 三 反射电桥的测量组成 测量示意如图 5， 反射电桥只是测量反射系数的传感器， 电桥 IN 端接射频信号源， OUT 端接接收指示设备，DUT 端接被测器件，
射频信号源
被测 器件
射频接收指示设备
DUT IN 反射测量电桥 图 5 反射测量系统 射频信号源可以是跟踪信号源，扫频源，点频信号等有测量需要选择。一般精密的反射 电桥所能承受的功率都不大，0~13dbm 就足够了。 接收指示设备完成主要的测量显示任务， 可以是外差式相幅接收机， 外差式窄带接收机， 检波放大式接收机，真有值功率计等，其性能特点对比如下表。 OUT
外差相幅接收机
外差窄带接收机
检波放大式接收机 只有幅度信息，标 量分析。 无谐杂波抑制能力 -55dbm 平 方 率 检 波 ， 40db~60db 扫频仪，价格便宜
真有值功率计 只有幅度信息，标 量分析。 无谐杂波抑制能力 -60dbm 模 拟 乘 法 器 ， 60db~90db IC 芯片，可 DIY
有相位信息，能测阻抗、相移、 只有幅度信息，标 群时延、故障定位，矢量分析。 量分析。 有谐杂波抑制能力 灵敏度高，-90dbm 或更小 线 性 检 波 动 态 范 围 大 80db~120db 矢量网络分析仪，价格高 有谐杂波抑制能力 灵敏度高，-80dbm 线性检波，80db 频谱仪，价格适中
四 反射电桥与跟踪信号源、频谱仪的配合测量 矢量网络分析仪本身就包括反射电桥， 不过是有的内置， 有的外置。 这儿就不说矢网了。 图 6 是反射电桥与跟踪信号源、频谱仪的连接示意，具有跟踪源和频谱分析功能的综 测仪也可参照连接。
图 6 频谱仪连接示意，开路测试
图 7 短路测试图
跟踪源输出一般可以选择 0dbm，扫描频率根据所测量的器件选择适当的范围。 电桥 DUT 端分别接开路器和短路器，显示器上应显示一条基本水平的扫描线，且开路 和短路扫描线位置基本不变，根据实际使用的设备的功能操作，以这条扫描线为测量 DUT 端口的基准参照，100%反射，0db 回损，驻波比无穷大。下面为叙述方便，将主要使用回 损， 它是可以与反射和驻波比换算的。 一般在 1000MHZ 以下 N 型座什么也不接就可以认为 就是开路，但 1~2GHZ 以上就有不能认为是理想开路状态了。我做的反射电桥都做了开路 短路测试， 在标明的使用频率范围内一致性还是很不错的， 在没有专用的开路器和短路器及 标准负载的情况下，直接以 DUT 开路，啥也不接的状态为测量基准参照，是完全可以满足 测量要求的。 在 DUT 端口接入待测器件，以天线为例。扫描线将不在是一条水平线，而是随横坐标 频率轴变化的曲线，扫描线越低，即扫描线下凹的越厉害的位置回损越小，负的 db 数就是
该频率下的回损，下凹扫描线的谷底就是被测天线的频点，多段天线可能有多个谷底，每个 谷底的回损换算成驻波比就是该天线工作在该频率时的驻波比。
图 8 GSM 天线实测
图 9 U/V 双段天线的实测
当被测天线是通过一段馈线接到 DUT 端时，该段电缆的回波也叠加在天线的回波上， 仔细观察可以看到电缆的回波是随频率成周期性变化的，一般的也比天线回波下凹的少。 频谱、跟踪源加反射电桥，就组成了一个实用的标量网络分析系统，而且具备良好的精 度，即可以测量双端口网络的传输特性|S12|也可以测量反射特性|S11|。
1041A 回损测试
2015A 回损测试
2030A 回损测试
1G 电桥回损测试
DC~500MHZ 热偶功率计回损测试
500~1000MHZ 通过功率计回损测试
N/M-M/N 转接头测试 图 10 回损测试实例
N/N-N/N 转接头测试
五 反射电桥与扫频仪的配合测量 曾经有一台 BT-3C，但三年前已经出掉了，没法实测了，这里只从测量原理的角度描述 一下电桥加扫频仪的测量方法，有很多扫频仪是测量有线电视系统的，阻抗是 75 欧，测量 50 欧的系统，应该接入阻抗变换。扫频信号输出功率可能会高一些，注意不要超过 20dbm， 我做的电桥，理论上应该最大 26dbm，但没有实际测试过，故建议不超过 20dbm，烧毁是 没有保修的。但也不要太小，否则检波器的可用动态更小了。
图 11 双电阻阻抗变换 扫频信号输出（阻抗变换和衰减器，视需要）端接到电桥的 IN 端，电桥的 OUT 端接 扫频仪的输入端，扫频仪是宽带检波然后再直流放大的，有的是内置检波器，有的是外置检 波器， 请参照具体仪器的使用说明来使用， 总之电桥的输出不能不经检波直接进入直流放大。 还有电桥 OUT 端能正确输出反射信号的条件是，要 50 欧阻抗匹配，如是 75 欧的检波器， 请做阻抗变换，由此带来的衰减会再压缩检波器的动态范围。
75/50
50/75
检波器
图 12 扫频仪连接示意图
电桥的 DUT 端开路，显示一条水平扫描线，以此线位置为 100%反射参照，接入被测 器件，后续观察测量读出等过程类似频谱仪的操作，请参照。这里有两点要特别说明，一是 扫频源的谐杂波比较高， 国产扫频源杂散一般 -20db， 甚至 -15db， 国外好的也就 -30db 多， 外差式接收机对杂波抑制能力都在 40db 以上，测量不会有什么问题。而对于宽带检波放大 式的扫频仪，不外接滤波器，对寄生谐杂波就没有抑制能力，天线驻波比就会被测大，测标 准负载却正常。二是经过阻抗变换和电桥的衰减，到检波器的的信号有 20~30db 的衰减，检 波器的 40~60db 的动态范围就剩不到 30db 了，所以能测量的回损也就 20~30db 的范围。 N2PK，NWT7，NWT500 等连接测试方法与扫频仪类似，性能应优于廉价的国产扫频 仪。本人没有使用过，具体应用还请参考仪器的使用说明书。 六 反射系数，驻波比，回波损耗换算表 反射|Γ| 0.0% 0.1% 0.2% 0.5% 1.0% 2.0% 3.0% 4.0% 5.0% 6.0% 7.0% 8.0% 9.0% 10.0% 15.0% 20.0% 25.0% 30.0% 35.0% 40.0% 45.0% 50.0% 60.0% 70.0% 80.0% 90.0% 100.0% 驻波比 S 1.00 1.00 1.00 1.01 1.02 1.04 1.06 1.08 1.11 1.13 1.15 1.17 1.20 1.22 1.35 1.50 1.67 1.86 2.08 2.33 2.64 3.00 4.00 5.67 9.00 19.00 ∞ 回损 db ∞ -60.0 -54.0 -46.0 -40.0 -34.0 -30.5 -28.0 -26.0 -24.4 -23.1 -21.9 -20.9 -20.0 -16.5 -14.0 -12.0 -10.5 -9.1 -8.0 -6.9 -6.0 -4.4 -3.1 -1.9 -0.9 0.0
S =（1+|Γ|）/（1-|Γ|） db = 20 * lg |Γ| 2010-5-10
反射电桥的原理与应用
BG1LQX/ceeliu 一 基本原理 反射电桥又称电桥反射计或定向电桥， 它是测量反射系数的传感头。 它只能测反射并不 能测入射。由于它的输出正比于反射系数，因此取名反射电桥是非常恰当的。有人称为驻波 电桥， 其实驻波电桥只是那种在里面已装入检波二极管， 只有幅度信息没有相位信息的电桥。 反射电桥的原理图与惠斯登电桥完全相同， 只不过把结构尺寸改小以适合高频连接， 并 且不再需要调平衡，而是直接取出误差电压即可。 如图 1 所示，除非 Zx=Zo，否则 a,b 两点间是有误差电压 Vab 的。
Vab=V*（Zx-Zo）/（3Zx+5Zo）
误差电压正比于失配，这种接法称为失配电桥。
图 1 失配电桥 如图 2 所示，在 a、b 间也接上 Zo（输出端匹配） ，则：
图 2 反射电桥
Vab=（V/8）*（Zx-Zo）/（Zx+Zo）=（V/8）*Γ
只有这样，输出才正比于反射系数，反射电桥的名称也由此而来。
图 3 反射电桥实物
图 4 反射电桥结构示意
二 反射电桥的基本性能参数 定向性 在电桥测试端口（DUT）经开短路校正后，仪表显示一根水平线，在接上精 密负载后，光点应下降，其下降的 db 值即定向性。一般定向性有 35db 就不错了，对于一般 测量绰绰有余。 要求高时， 要用精密负载校零反射， 校后有效定向性即与负载的回损值相当。 采取三项校正后电桥的定向性即使低于 30db 也无妨。通常以 40db 为优，35db 为良，30db 为及格。
测试端口（DUT）反射 这是指由 DUT 端口向电桥内部看去是否匹配的一个指标。能 做到 20db（回损）就不错了，它主要影响大发射的测量，而通常主要是测小反射，因此影 响不大，要求高时加作三项校正掉。 插入损耗 输入端 （IN）与测试端 （DUT）间的插损在 6db 左右，输入端与输出 （OUT） 端的插损理论值为 12db，我做的在 14db 左右。 三 反射电桥的测量组成 测量示意如图 5， 反射电桥只是测量反射系数的传感器， 电桥 IN 端接射频信号源， OUT 端接接收指示设备，DUT 端接被测器件，
射频信号源
被测 器件
射频接收指示设备
DUT IN 反射测量电桥 图 5 反射测量系统 射频信号源可以是跟踪信号源，扫频源，点频信号等有测量需要选择。一般精密的反射 电桥所能承受的功率都不大，0~13dbm 就足够了。 接收指示设备完成主要的测量显示任务， 可以是外差式相幅接收机， 外差式窄带接收机， 检波放大式接收机，真有值功率计等，其性能特点对比如下表。 OUT
外差相幅接收机
外差窄带接收机
检波放大式接收机 只有幅度信息，标 量分析。 无谐杂波抑制能力 -55dbm 平 方 率 检 波 ， 40db~60db 扫频仪，价格便宜
真有值功率计 只有幅度信息，标 量分析。 无谐杂波抑制能力 -60dbm 模 拟 乘 法 器 ， 60db~90db IC 芯片，可 DIY
有相位信息，能测阻抗、相移、 只有幅度信息，标 群时延、故障定位，矢量分析。 量分析。 有谐杂波抑制能力 灵敏度高，-90dbm 或更小 线 性 检 波 动 态 范 围 大 80db~120db 矢量网络分析仪，价格高 有谐杂波抑制能力 灵敏度高，-80dbm 线性检波，80db 频谱仪，价格适中
四 反射电桥与跟踪信号源、频谱仪的配合测量 矢量网络分析仪本身就包括反射电桥， 不过是有的内置， 有的外置。 这儿就不说矢网了。 图 6 是反射电桥与跟踪信号源、频谱仪的连接示意，具有跟踪源和频谱分析功能的综 测仪也可参照连接。
图 6 频谱仪连接示意，开路测试
图 7 短路测试图
跟踪源输出一般可以选择 0dbm，扫描频率根据所测量的器件选择适当的范围。 电桥 DUT 端分别接开路器和短路器，显示器上应显示一条基本水平的扫描线，且开路 和短路扫描线位置基本不变，根据实际使用的设备的功能操作，以这条扫描线为测量 DUT 端口的基准参照，100%反射，0db 回损，驻波比无穷大。下面为叙述方便，将主要使用回 损， 它是可以与反射和驻波比换算的。 一般在 1000MHZ 以下 N 型座什么也不接就可以认为 就是开路，但 1~2GHZ 以上就有不能认为是理想开路状态了。我做的反射电桥都做了开路 短路测试， 在标明的使用频率范围内一致性还是很不错的， 在没有专用的开路器和短路器及 标准负载的情况下，直接以 DUT 开路，啥也不接的状态为测量基准参照，是完全可以满足 测量要求的。 在 DUT 端口接入待测器件，以天线为例。扫描线将不在是一条水平线，而是随横坐标 频率轴变化的曲线，扫描线越低，即扫描线下凹的越厉害的位置回损越小，负的 db 数就是
该频率下的回损，下凹扫描线的谷底就是被测天线的频点，多段天线可能有多个谷底，每个 谷底的回损换算成驻波比就是该天线工作在该频率时的驻波比。
图 8 GSM 天线实测
图 9 U/V 双段天线的实测
当被测天线是通过一段馈线接到 DUT 端时，该段电缆的回波也叠加在天线的回波上， 仔细观察可以看到电缆的回波是随频率成周期性变化的，一般的也比天线回波下凹的少。 频谱、跟踪源加反射电桥，就组成了一个实用的标量网络分析系统，而且具备良好的精 度，即可以测量双端口网络的传输特性|S12|也可以测量反射特性|S11|。
1041A 回损测试
2015A 回损测试
2030A 回损测试
1G 电桥回损测试
DC~500MHZ 热偶功率计回损测试
500~1000MHZ 通过功率计回损测试
N/M-M/N 转接头测试 图 10 回损测试实例
N/N-N/N 转接头测试
五 反射电桥与扫频仪的配合测量 曾经有一台 BT-3C，但三年前已经出掉了，没法实测了，这里只从测量原理的角度描述 一下电桥加扫频仪的测量方法，有很多扫频仪是测量有线电视系统的，阻抗是 75 欧，测量 50 欧的系统，应该接入阻抗变换。扫频信号输出功率可能会高一些，注意不要超过 20dbm， 我做的电桥，理论上应该最大 26dbm，但没有实际测试过，故建议不超过 20dbm，烧毁是 没有保修的。但也不要太小，否则检波器的可用动态更小了。
图 11 双电阻阻抗变换 扫频信号输出（阻抗变换和衰减器，视需要）端接到电桥的 IN 端，电桥的 OUT 端接 扫频仪的输入端，扫频仪是宽带检波然后再直流放大的，有的是内置检波器，有的是外置检 波器， 请参照具体仪器的使用说明来使用， 总之电桥的输出不能不经检波直接进入直流放大。 还有电桥 OUT 端能正确输出反射信号的条件是，要 50 欧阻抗匹配，如是 75 欧的检波器， 请做阻抗变换，由此带来的衰减会再压缩检波器的动态范围。
75/50
50/75
检波器
图 12 扫频仪连接示意图
电桥的 DUT 端开路，显示一条水平扫描线，以此线位置为 100%反射参照，接入被测 器件，后续观察测量读出等过程类似频谱仪的操作，请参照。这里有两点要特别说明，一是 扫频源的谐杂波比较高， 国产扫频源杂散一般 -20db， 甚至 -15db， 国外好的也就 -30db 多， 外差式接收机对杂波抑制能力都在 40db 以上，测量不会有什么问题。而对于宽带检波放大 式的扫频仪，不外接滤波器，对寄生谐杂波就没有抑制能力，天线驻波比就会被测大，测标 准负载却正常。二是经过阻抗变换和电桥的衰减，到检波器的的信号有 20~30db 的衰减，检 波器的 40~60db 的动态范围就剩不到 30db 了，所以能测量的回损也就 20~30db 的范围。 N2PK，NWT7，NWT500 等连接测试方法与扫频仪类似，性能应优于廉价的国产扫频 仪。本人没有使用过，具体应用还请参考仪器的使用说明书。 六 反射系数，驻波比，回波损耗换算表 反射|Γ| 0.0% 0.1% 0.2% 0.5% 1.0% 2.0% 3.0% 4.0% 5.0% 6.0% 7.0% 8.0% 9.0% 10.0% 15.0% 20.0% 25.0% 30.0% 35.0% 40.0% 45.0% 50.0% 60.0% 70.0% 80.0% 90.0% 100.0% 驻波比 S 1.00 1.00 1.00 1.01 1.02 1.04 1.06 1.08 1.11 1.13 1.15 1.17 1.20 1.22 1.35 1.50 1.67 1.86 2.08 2.33 2.64 3.00 4.00 5.67 9.00 19.00 ∞ 回损 db ∞ -60.0 -54.0 -46.0 -40.0 -34.0 -30.5 -28.0 -26.0 -24.4 -23.1 -21.9 -20.9 -20.0 -16.5 -14.0 -12.0 -10.5 -9.1 -8.0 -6.9 -6.0 -4.4 -3.1 -1.9 -0.9 0.0
S =（1+|Γ|）/（1-|Γ|） db = 20 * lg |Γ| 2010-5-10