基于功分耦合器的六端口技術(shù)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

摘要：六端口測(cè)量技術(shù)因其能精確測(cè)量反射系數(shù)及相位而得到迅速發(fā)展。文中設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了由一個(gè)功分器(mini公司的GP2X+)和三個(gè)耦合器(mini公司的QCS-722+)構(gòu)成六端口結(jié)電路。在文章的開(kāi)始介紹了六端口技術(shù)的基本原理以及其在接收機(jī)中的應(yīng)用，然后介紹了設(shè)計(jì)思路和具體的電路實(shí)現(xiàn)。本課題來(lái)源于某橫向合作項(xiàng)目，利用六端口測(cè)量技術(shù)可以精確測(cè)量反射系數(shù)的相位這一特點(diǎn)，將其應(yīng)用于接收機(jī)，主要任務(wù)是完成某測(cè)相接收機(jī)的射頻前端的整體設(shè)計(jì)。
關(guān)鍵詞：六端口；功分器；耦合器；接收機(jī)

六端口技術(shù)最初應(yīng)用于微波和毫米波測(cè)量以及網(wǎng)絡(luò)分析儀。1972年，美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)局Hoer等人提出六端口電路的概念并將它用于微波網(wǎng)絡(luò)分析。他們利用定向耦合器和功率分配器等具有特殊性能的微波分支元件組成六端口電路，并將信號(hào)源和負(fù)載接入6個(gè)端口中的2個(gè)端口，結(jié)果發(fā)現(xiàn)通過(guò)測(cè)量4個(gè)輸出端口上的電壓幅度或功率，便可得到輸入信號(hào)的幅度和相位信息。這種電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，造價(jià)低，同時(shí)還具有多功能、寬頻段、高精度、高速度和自動(dòng)測(cè)量的優(yōu)點(diǎn)。Engen從對(duì)稱(chēng)性角度出發(fā)，給出了六端口系統(tǒng)最佳條件經(jīng)驗(yàn)準(zhǔn)則，即要使六端口系統(tǒng)能準(zhǔn)確地測(cè)量復(fù)反射系數(shù)，最好使3個(gè)用來(lái)確定反射系數(shù)的圓的圓心120°對(duì)稱(chēng)地分布在反射系數(shù)平面上，且其矢徑在1～2之間。但由于定向耦合器很難實(shí)現(xiàn)寬帶的60°相移，所以六端口結(jié)構(gòu)無(wú)法完全符合最佳條件經(jīng)驗(yàn)準(zhǔn)則，但是只要近似符合經(jīng)驗(yàn)準(zhǔn)則仍可以得到很高的測(cè)量精度。因此，可以在最佳條件經(jīng)驗(yàn)準(zhǔn)則的指導(dǎo)下，運(yùn)用定向耦合器、功率分配器等微波元器件組成不同的六端口結(jié)構(gòu)，而其中最常見(jiàn)的形式就是由1
個(gè)功率分配器和3個(gè)定向耦合器所構(gòu)成Engen的準(zhǔn)理想六端口電路。

1 設(shè)計(jì)目的
六端口測(cè)量技術(shù)是根據(jù)矢量分析原理，采用幅度測(cè)量代替相位測(cè)量來(lái)測(cè)量復(fù)反射系數(shù)的幅度和相位。利用六端口測(cè)量技術(shù)可以精確測(cè)量反射系數(shù)的相位這一特點(diǎn)，將其應(yīng)用于接收機(jī)，認(rèn)為接收信號(hào)是發(fā)射信號(hào)的反射波，測(cè)量接收信號(hào)與發(fā)射信號(hào)的相位關(guān)系，進(jìn)而得到接收信號(hào)所包含的回波或通信信息。
本課題來(lái)源于某橫向合作項(xiàng)目，主要任務(wù)是完成某測(cè)相接收機(jī)的射頻前端的整體設(shè)計(jì)。該微波前端既有一般直接變頻接收機(jī)的優(yōu)點(diǎn)又改善了它的弱勢(shì)。第一，它的電路結(jié)構(gòu)非常簡(jiǎn)潔，不存在鏡頻干擾，也就避免使用昂貴的高性能的濾波器和鏡頻抑制混頻器。第二，六端口的隔離度很好，有效抑制了直接變頻時(shí)的本振泄露。第三，檢波輸出的基帶信號(hào)要通過(guò)差分運(yùn)放電路處理，這有效的降低了由自混頻引起的直流偏置的干擾。

2 設(shè)計(jì)思路
文中設(shè)計(jì)了由一個(gè)mini公司的GP2X+型功分器和三個(gè)mini公司的QCS-722+型耦合器構(gòu)成的六端口電路，采用平方率檢波器作檢波電路。原理如圖1所示。

這樣，高頻信號(hào)就轉(zhuǎn)換為基帶信號(hào)，又通過(guò)ADC被數(shù)字化后，再送到DSP信號(hào)處理單元。通過(guò)一些數(shù)字計(jì)算處理，就可以計(jì)算出兩路信號(hào)的相位差φ。