基于功分耦合器的六端口技術的設計與應用

摘要：六端口測量技術因其能精確測量反射系數及相位而得到迅速發展。文中設計并實現了由一個功分器(mini公司的GP2X+)和三個耦合器(mini公司的QCS-722+)構成六端口結電路。在文章的開始介紹了六端口技術的基本原理以及其在接收機中的應用，然后介紹了設計思路和具體的電路實現。本課題來源于某橫向合作項目，利用六端口測量技術可以精確測量反射系數的相位這一特點，將其應用于接收機，主要任務是完成某測相接收機的射頻前端的整體設計。
關鍵詞：六端口；功分器；耦合器；接收機

六端口技術最初應用于微波和毫米波測量以及網絡分析儀。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絡分析。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，結果發現通過測量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。這種電路結構簡單，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點。Engen從對稱性角度出發，給出了六端口系統最佳條件經驗準則，即要使六端口系統能準確地測量復反射系數，最好使3個用來確定反射系數的圓的圓心120°對稱地分布在反射系數平面上，且其矢徑在1～2之間。但由于定向耦合器很難實現寬帶的60°相移，所以六端口結構無法完全符合最佳條件經驗準則，但是只要近似符合經驗準則仍可以得到很高的測量精度。因此，可以在最佳條件經驗準則的指導下，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構，而其中最常見的形式就是由1
個功率分配器和3個定向耦合器所構成Engen的準理想六端口電路。

1 設計目的
六端口測量技術是根據矢量分析原理，采用幅度測量代替相位測量來測量復反射系數的幅度和相位。利用六端口測量技術可以精確測量反射系數的相位這一特點，將其應用于接收機，認為接收信號是發射信號的反射波，測量接收信號與發射信號的相位關系，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，主要任務是完成某測相接收機的射頻前端的整體設計。該微波前端既有一般直接變頻接收機的優點又改善了它的弱勢。第一，它的電路結構非常簡潔，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 設計思路
文中設計了由一個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，高頻信號就轉換為基帶信號，又通過ADC被數字化后，再送到DSP信號處理單元。通過一些數字計算處理，就可以計算出兩路信號的相位差φ。