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。