基于功分耦合器的六端口技术的设计与应用

摘要：六端口测量技术因其能精确测量反射系数及相位而得到迅速发展。文中设计并实现了由一个功分器(mini公司的GP2X+)和三个耦合器(mini公司的QCS-722+)构成六端口结电路。在文章的开始介绍了六端口技术的基本原理以及其在接收机中的应用，然后介绍了设计思路和具体的电路实现。本课题来源于某横向合作项目，利用六端口测量技术可以精确测量反射系数的相位这一特点，将其应用于接收机，主要任务是完成某测相接收机的射频前端的整体设计。
关键词：六端口；功分器；耦合器；接收机

    六端口技术最初应用于微波和毫米波测量以及网络分析仪。1972年，美国国家标准局Hoer等人提出六端口电路的概念并将它用于微波网络分析。他们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组成六端口电路，并将信号源和负载接入6个端口中的2个端口，结果发现通过测量4个输出端口上的电压幅度或功率，便可得到输入信号的幅度和相位信息。这种电路结构简单，造价低，同时还具有多功能、宽频段、高精度、高速度和自动测量的优点。Engen从对称性角度出发，给出了六端口系统最佳条件经验准则，即要使六端口系统能准确地测量复反射系数，最好使3个用来确定反射系数的圆的圆心120°对称地分布在反射系数平面上，且其矢径在1～2之间。但由于定向耦合器很难实现宽带的60°相移，所以六端口结构无法完全符合最佳条件经验准则，但是只要近似符合经验准则仍可以得到很高的测量精度。因此，可以在最佳条件经验准则的指导下，运用定向耦合器、功率分配器等微波元器件组成不同的六端口结构，而其中最常见的形式就是由1
个功率分配器和3个定向耦合器所构成Engen的准理想六端口电路。

1 设计目的
    六端口测量技术是根据矢量分析原理，采用幅度测量代替相位测量来测量复反射系数的幅度和相位。利用六端口测量技术可以精确测量反射系数的相位这一特点，将其应用于接收机，认为接收信号是发射信号的反射波，测量接收信号与发射信号的相位关系，进而得到接收信号所包含的回波或通信信息。
    本课题来源于某横向合作项目，主要任务是完成某测相接收机的射频前端的整体设计。该微波前端既有一般直接变频接收机的优点又改善了它的弱势。第一，它的电路结构非常简洁，不存在镜频干扰，也就避免使用昂贵的高性能的滤波器和镜频抑制混频器。第二，六端口的隔离度很好，有效抑制了直接变频时的本振泄露。第三，检波输出的基带信号要通过差分运放电路处理，这有效的降低了由自混频引起的直流偏置的干扰。

2 设计思路
    文中设计了由一个mini公司的GP2X+型功分器和三个mini公司的QCS-722+型耦合器构成的六端口电路，采用平方率检波器作检波电路。原理如图1所示。

    这样，高频信号就转换为基带信号，又通过ADC被数字化后，再送到DSP信号处理单元。通过一些数字计算处理，就可以计算出两路信号的相位差φ。
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3 相关电路
    文中设计了一个功分器和三个耦合器构成六端口，采用平方率检波器作检波电路。出于六端口电路的对称性和测试结果的准确性考虑，由于左右输入端微带线形状不同，借助于HFSS软件仿真，求当电气长度一样时，两输入端微带线物理长度分别应为多少。选用Rogers RO4003板材作为基板，其相对介电常数为3．55，厚度为0．508mm。如图2所示。

    文中功分器选用mini公司的GP2X+型号芯片，带宽宽(2．8-7．2GHz)、体积小、幅度不平衡性优异(0．1dB)、相位不平衡性好(3°)。耦合器选用也是mini公司的QCS-722+型号芯片，频率范围4-7.2GHz，高功率，低不平衡性(0.2dB和2°)，在体积和带宽方面都居于行业领先。

4 实物图
    经过加工后我们得到了实物，各端口采用SMA接头连接，在匹配端接入匹配负载，使用矢量网络分析仪进行测试。实物图如图3、图4所示。

5 结束语
    端口5和3、端口6和4之间的相位差在一定频率范围内可以被认为是一常数，那么六端口对信号相位的影响可以通过数字校准来补偿掉，这是对于提高精度是关键的一点，也是六端口技术的重要优势。根据式(8)可以判断出六端口本身对两路输入信号相位差的影响很小。因此证明可以采用这种六端口结进行信号相位差的测量。