基于功分耦合器的六端口技术的设计 - 全文

　　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。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。

　　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。