本文简单拆解HP 8505A矢量网络分析仪配套的S参数测量电桥HP 8503A并介绍其原理。

简介

前几期文章介绍并拆解了HP 8505A网络分析仪的主机部分。但光有主机，并不能直接实现网络参数的测量，我们还需要配套的测量治具。

首先简单介绍下网络测量的原理。通常情况下，常见的电路网络分为单端口网络(如天线)，二端口网络(如滤波器)和多端口网络(如混频器)。

对于单端口网络而言，其S参数特性用S11表示，即反射电压和入射电压的比值。如果天线性能非常好，进入天线的能量全部转换为电磁波辐射出去，从天线返回的电压应为0，S11=0。反之，如果天线断路，进入天线的能量会完全反射回功放，此时S11的绝对值为1。如果功放耐受能力较弱，很有可能烧毁。当然，S11越小并不一定代表天线性能越好，毕竟一个理想匹配的电阻负载，S11也是0，但所有的能量都被用来发热了，并没有电磁波被发射出去。

对于双端口网络，除了S11之外，还有S21 S12 S22三个S参数，也很好理解。S22为二号端口上反射电压和入射电压的比值；S21表示从端口1输入一个电压，在端口2上输出电压与输入电压的比值；S12则相反。一根同轴线其实也是一个最简单的二端口网络，如果同轴线为理想传输线，中间没有损耗，则S12和S21的绝对值都会是1。如果同轴线线开路，从1端口输入的电压完全到达不了2端口，从2端口输入电压也到不了1端口，则S12和S21都是0。实现S参数绝对值测量的网络分析仪为标量网络分析仪，能同时测量两个信号相位关系的则是矢量网络分析仪。

多数网络分析仪只能测量单端口或双端口网络的特性，也有少数高端网络分析仪能通过切换测量通道的方式实现三端口或更多端口网络的测量。HP 8505A主机有四个接口连接测试治具，分别为RF(信号源)，R(参考信号输入)，A/B(测试信号输入)。通过一个最简单的2路功分器，将信号源的信号一分为二，一路进入R通道，一路通过双端口待测网络后输入A或B通道，就能实现最简单的S21参数测量。如果将双端口网络替换为一个定向耦合器，就可以实现单端口器件S11的测量。而HP 8503内部则集成了两个定向耦合器和切换电路，所以可以实现S11 S21 S12 S22四个S参数的测量。HP 8503又分为A和B两种型号，分别用于测量50欧和75欧的电路网络。当今比较常用的射频电路标准是50欧，我这套HP 8505A配套的测试治具也是50欧版本的HP 8503A。

拆解

HP 8503A全貌，面板上共有6个端口，左上角四个用于连接网络分析仪主机，右下角两个用于连接待测网络

背板，有HPIB接口和连接主机的互联信号口。同时还有两个同轴口可以用来输入偏置电压，在测量有源器件，如三极管和射频放大器时会用上

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连接待测件的端口，上面简要标明了四个S参数的含义。右上角的开关用来切换测量功能

连接待测件的连接器是APC-7。这是种很特殊的连接器，因为它不分公母。中间的芯子为平面连接，两个连接器对在一起压紧后实现信号传输。
由于这种连接器结构复杂，造价较高，且最高频率只能做到18GHz，现在已经很少使用。要用起来这个网络分析仪，需要准备两个APC-7到SMA的转换头。

连接器拆开后的样子

拆掉上盖，内部结构其实很空

两块控制板，其中一块上有HPIB地址选择开关。这些电路实现的功能非常简单：接收主机或HPIB的指令，切换一个射频继电器的状态，以切换S11/S21和S12/S22测量。

电源部分。整个电源其实只是给一个射频继电器供电。包括耦合器在内的所有测量电路都是无源器件，不需要供电。用这么大一个变压器实在是有点overkill了

一根同轴延迟线，串在参考信号输出通路上，用于补偿待测网络的电长度，给主机的电长度调整电路留出更多的调整空间

交织的刚性同轴线，像化工厂的管道

这就是核心部件，两个定向耦合器了。也是铝壳通体镀金的工艺，不惜成本

两个定向耦合器分别用四颗螺丝固定。注意到其中一个耦合器的固定螺丝下有尼龙垫片，并且留上了一定移动空间。这是因为HP 8503的两个测量端口上还能进一步安装测试夹具，由于夹具会同时拧在两个端口上，这边给夹具的公差留出了一定冗余。

下面拆解核心部件，定向耦合器。

耦合器的机内信号连接采用SMA口，像是一体加工出来的(不太确定)

拆开盖子

定向耦合器的核心

结合资料简单研究了一下这个定向耦合器。其实这不是常见的基于变压器的定向耦合器，而是一个电阻电桥。照片中下面的两个磁环上绕着半刚性同轴线，构成一个Balun。单端激励信号从左边输入，转成差分信号，加在右边蓝宝石(也有可能是石英，找不到资料)基板上的电阻桥上。待测件连接器在基板右上方，右下方则是对称放置的参考电阻。电桥输出从右边的SMA口引出。采用电阻桥的好处是，电阻桥结构简单，且高频端的性能相比变压器桥更容易控制，生产一致性好，成本也更低。大家耳熟能详的nanoVNA用的也是电阻电桥，靠极低的成本实现了最高6GHz的测量。

耦合器Balun的两个磁环上方也对称放置了两个磁环，但上面绕制的是普通的纱包线。这部分为偏置电路。偏置输入通过一个LC滤波器加在上面两个磁环中间，从而进一步被引至待测件上。下面的balun上也接了对称的LC电路，但输入端是悬空的。这些电路看似都是为了保证电桥严格匹配作出的冗余设计。

下面的配图截取自1984-11的HP Journal，为HP 35677的定向耦合器，也采用了相同的电阻桥原理。