基于功分耦合器的六端口技術(shù)的設(shè)計與應(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)計并實現(xiàn)了由一個功分器(mini公司的GP2X+)和三個耦合器(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中的應(yīng)用，然后介紹了設(shè)計思路和具體的電路實現(xiàn)。本課題來源于某橫向合作項目，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，將其應(yīng)用于接收機，主要任務(wù)是完成某測相接收機的射頻前端的整體設(shè)計。
關(guān)鍵詞：六端口；功分器；耦合器；接收機

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，美國國家標準局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，并將信號源和負載接入6個端口中的2個端口，結(jié)果發(fā)現(xiàn)通過測量4個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，造價低，同時還具有多功能、寬頻段、高精度、高速度和自動測量的優(yōu)點。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)驗準則，即要使六端口系統(tǒng)能準確地測量復(fù)反射系數(shù)，最好使3個用來確定反射系數(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)驗準則，但是只要近似符合經(jīng)驗準則仍可以得到很高的測量精度。因此，可以在最佳條件經(jīng)驗準則的指導(dǎo)下，運用定向耦合器、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
個功率分配器和3個定向耦合器所構(gòu)成Engen的準理想六端口電路。

1 設(shè)計目的
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，將其應(yīng)用于接收機，認為接收信號是發(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目，主要任務(wù)是完成某測相接收機的射頻前端的整體設(shè)計。該微波前端既有一般直接變頻接收機的優(yōu)點又改善了它的弱勢。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的本振泄露。第三，檢波輸出的基帶信號要通過差分運放電路處理，這有效的降低了由自混頻引起的直流偏置的干擾。

2 設(shè)計思路
文中設(shè)計了由一個mini公司的GP2X+型功分器和三個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)字計算處理，就可以計算出兩路信號的相位差φ。