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：六端口測量技術(shù)因其能精確測量反射系數(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)。本課題來源于某橫向合作項(xiàng)目，利用六端口測量技術(shù)可以精確測量反射系數(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量以及網(wǎng)絡(luò)分析儀。1972年，美國國家標(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)通過測量4個(gè)輸出端口上的電壓幅度或功率，便可得到輸入信號的幅度和相位信息。這種電路結(jié)構(gòu)簡單，造價(jià)低，同時(shí)還具有多功能、寬頻段、高精度、高速度和自動測量的優(yōu)點(diǎn)。Engen從對稱性角度出發(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)確地測量復(fù)反射系數(shù)，最好使3個(gè)用來確定反射系數(shù)的圓的圓心120°對稱地分布在反射系數(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
    六端口測量技術(shù)是根據(jù)矢量分析原理，采用幅度測量代替相位測量來測量復(fù)反射系數(shù)的幅度和相位。利用六端口測量技術(shù)可以精確測量反射系數(shù)的相位這一特點(diǎn)，將其應(yīng)用于接收機(jī)，認(rèn)為接收信號是發(fā)射信號的反射波，測量接收信號與發(fā)射信號的相位關(guān)系，進(jìn)而得到接收信號所包含的回波或通信信息。
    本課題來源于某橫向合作項(xiàng)目，主要任務(wù)是完成某測相接收機(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。第一，它的電路結(jié)構(gòu)非常簡潔，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要通過差分運(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，高頻信號就轉(zhuǎn)換為基帶信號，又通過ADC被數(shù)字化后，再送到DSP信號處理單元。通過一些數(shù)字計(jì)算處理，就可以計(jì)算出兩路信號的相位差φ。

3 相關(guān)電路
    文中設(shè)計(jì)了一個(gè)功分器和三個(gè)耦合器構(gòu)成六端口，采用平方率檢波器作檢波電路。出于六端口電路的對稱性和測試結(jié)果的準(zhǔn)確性考慮，由于左右輸入端微帶線形狀不同，借助于HFSS軟件仿真，求當(dāng)電氣長度一樣時(shí)，兩輸入端微帶線物理長度分別應(yīng)為多少。選用Rogers RO4003板材作為基板，其相對介電常數(shù)為3．55，厚度為0．508mm。如圖2所示。

    文中功分器選用mini公司的GP2X+型號芯片，帶寬寬(2．8-7．2GHz)、體積小、幅度不平衡性優(yōu)異(0．1dB)、相位不平衡性好(3°)。耦合器選用也是mini公司的QCS-722+型號芯片，頻率范圍4-7.2GHz，高功率，低不平衡性(0.2dB和2°)，在體積和帶寬方面都居于行業(yè)領(lǐng)先。

4 實(shí)物圖
    經(jīng)過加工后我們得到了實(shí)物，各端口采用SMA接頭連接，在匹配端接入匹配負(fù)載，使用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀進(jìn)行測試。實(shí)物圖如圖3、圖4所示。

5 結(jié)束語
    端口5和3、端口6和4之間的相位差在一定頻率范圍內(nèi)可以被認(rèn)為是一常數(shù)，那么六端口對信號相位的影響可以通過數(shù)字校準(zhǔn)來補(bǔ)償?shù)簦@是對于提高精度是關(guān)鍵的一點(diǎn)，也是六端口技術(shù)的重要優(yōu)勢。根據(jù)式(8)可以判斷出六端口本身對兩路輸入信號相位差的影響很小。因此證明可以采用這種六端口結(jié)進(jìn)行信號相位差的測量。