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Integrierte bidirektionale Messbrücke

HF-Leistung und Rückflussdämpfung bestimmen!

15. Februar 2019, 12:00 Uhr | Eamon Nash und Eberhard Brunner, Analog Devices

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Fortsetzung des Artikels von Teil 1

Analogie als Brücke

Wheatstone-Brücke

Der Begriff einer gerichteten Brücke geht auf die Wheatstone-Brücke (Bild 5) zurück: unter Abgleich wird dort keine differenzielle Spannung erzeugt. Die Wheatstone-Brücke hält einen Widerstand veränderlich (R₂), die anderen Widerstände (R₁, R₃, R_x) tragen feste Werte. Der Wert von R_x ist zunächst unbekannt und wird im Abgleich bestimmt: für R₁ = R₃ und R₂ = R_x verschwindet die Brückenspannung, V_OUT = 0 V.

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Die Brücke wird als abgeglichen betrachtet, wenn der variable Widerstand den korrekten Wert hat. Dann sind auch die Spannungsteiler-Verhältnisse der rechten und linken Brückenseite gleich.

Eine unidirektionale Brücke

Bild 6 zeigt den Schaltplan einer unidirektionalen Brücke. Dabei ist zu beachten, dass eine gerichtete Brücke immer für ein bestimmtes Z₀ entwickelt wurde und die Einfügungsdämpfung minimiert ist.

Für R_S = R_L = R = 50 Ω, wird der Messwiderstand der Brücke zu 5 Ω gewählt: das ergibt einen guten Kompromiss zwischen der Einfügungsdämpfung (< 1 dB) und der gemessenen Signalspannung. Lastseitig betrachtet resultiert R_OUT in exakt 50 Ω Portimpedanz. Die Portimpedanz R_IN errechnet sich zu 50,8 Ω (|Γ| = 0,008; RL = – 42 dB; VSWR = 1,016).

Liegt eine Eingangsleistung an RF_IP, so fällt die Spannung dort unter R_IN ~ 50 Ω nur etwa halb so hoch wie die Quellspannung aus. Bei 1 V an RF_IP resultieren rund 0,902 V an RF_OP. Diese Spannung wird vor dem negativen Eingang des Differenzverstärkers im Verhältnis 10/11 auf 0,82 V abgeschwächt, die Differenzspannung ergibt sich zu (1 - 0,82) V = 0,18 V.

Der effektive Vorwärts-Kopplungsfaktor (CPL) dieser Brücke ist:

CPL = 20 log₁₀(0,18 V / 1 V) = 15 dB	(1)

Unter idealem Abgleich sieht der V_FWD-Detektor (oder CPL-Port) keine Differenzspannung, wenn ein Signal in Rückwärtsrichtung (RF_OP > RF_IP) angelegt wird. In der Vorwärtsrichtung (RF_IP > RF_OP) ist aber die maximale Amplitude sichtbar.

Für die optimale Richtcharakteristik sind Präzisionswiderstände in dieser Topologie wichtig: integrierte Widerstände sind vorzuziehen. Zur Bestimmung der notwendigen Isolierung für die Berechnung der Rückflussdämpfung, wird das Bauteil gewendet (flip) und dann das Eingangssignal an RF_OP gelegt. Damit ist die Brücke abgeglichen: die Eingänge des Differenzverstärkers sind abgeglichen, da dieselben Teilerverhältnisse von 0,909 = (10 R) / (10 R + R) = R /( R+0,1 R) eine Differenzspannung von (V₊ - V_–) = 0 V bewirken.

Eine bidirektionale Brücke

Bild 7 zeigt einen vereinfachten Schaltplan einer bidirektionalen Brücke, ähnlich der Brücke des ADL5920. Der Widerstand für eine 50-Ω-Umgebung beträgt ebenfalls 50 Ω. Deshalb ist der Wert des Messwiderstandes der Brücke 5 Ω, während die beiden Shunt-Netzwerke jeweils rund 1,1 kΩ aufweisen.

Dies ist ein symmetrisches Netzwerk: unter R_S = R_L = 50 Ω sind Ein- und Ausgangswiderstände gleich und liegen nahe 50 Ω. Wenn sowohl die Quell- als auch die Lastimpedanz 50 Ω betragen, ergibt eine ohmsche Analyse des internen Netzwerks, dass V_FWD recht groß im Vergleich zu V_REV ist. In realen Anwendungen entspricht dies einer maximalen Leistungsübertragung von der Quelle zum Verbraucher. Dies bewirkt ebenso eine geringe reflektierten Leistung und ein sehr geringes V_REV.

Dann werden Unterbrechung ( $R subscript L rightwards arrow infinity$ ) und Kurzschluss (R_L = 0) betrachtet. In beiden Fällen liefert die Ohmsche Analyse V_FWD ~ V_REV. Dies spiegelt ein reales System wider, in dem bei unterbrochener oder kurzgeschlossener Last, eingespeiste und reflektierte Leistung nahezu gleich sind.